第5章(測試環(huán)節(jié))

第五章機械量測試系統的基本環(huán)節(jié)第一節(jié)傳感器

第二節(jié)電橋電路第三節(jié)放大器第四節(jié)光線示波器

第五節(jié)筆式記錄儀第六節(jié)自動平衡記錄儀和X-Y記錄儀

第七節(jié)磁帶記錄儀

第八節(jié)數據采集器機械工程測試與數據處理技術第五章2004年10月1頁1.熟悉常用傳感器的類型和工作原理及性能變化；2.掌握常用傳感器的選用原則；3.通過實驗逐步了解傳感器的定度方法；4.學習方法上要注意掌握傳感器的共同要點即傳感器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配電路等；5.掌握測試環(huán)節(jié)的基本組成部分及各自的特點和連接關系和應用中的優(yōu)缺點；6.掌握中間變換電路和常用記錄儀器的工作原理和性能，并能正確選用；7.對于調制電路，著重理解不同調制方法和特點。本章學習要求：第五章機械量測試系統的基本環(huán)節(jié)2004年10月2§５-1傳感器概述在機械工程測試中，傳感器是關鍵的一個環(huán)節(jié)。定義：將被測物理量轉化為與之相對應的的易于檢測、傳輸或處理的信號裝置。1.傳感器的組成：一般由敏感元件與其他輔助件組成。敏感元件是傳感器的核心。所以要掌握敏感元件的工作原理。2004年10月32.傳感器的作用：（1）類似于人的感覺器官將被測物理量轉換成為可測信號并傳給中間環(huán)節(jié)進行處理分析。（2）認為是人的感官延伸可探索人們無法用感官直接測量的事物。（3）可以說傳感器是測量儀器與被測事物之間的接口。（4）可以說傳感器是測試裝置的輸入端，它的性能直接影響整個測試裝置的工作質量、可靠性。2004年10月4深入研究傳感器的原理和應用、研制新型傳感器對于研究自然界的深度和廣度具有重要意義。要求：根據不同的測試對象，能夠按不失真條件、掌握選擇傳感器的原則。包括的形式有阻抗式、電能式、（發(fā)電式）、頻率脈沖式等。傳感器的分類：傳感器的種類繁多，往往一種物理量可用多種類型的傳感器來檢測．另外，同一傳感器也可測量多種物理量。2004年10月5（1）按被測物理量（輸入量）（2）按（輸出量）傳感器輸送出何種參量（3）按傳感器工作的物理量可分為

2004年10月6（4）按信號變化特種可分為

（5）根據敏感元件與被測對象之間能量關系可分為（6）也可分為三大類

2004年10月7§５-2阻抗式傳感器：（１）電阻式傳感器：滑線變阻器（電位器）電阻應變計壓阻元件熱敏電阻光敏電阻等（２）電感式位移傳感器：可變自感系數（可變間隙及可動鐵芯）；可變互感系數（差動變壓器）；旋轉變壓器；壓磁式；電渦流式等；2004年10月8（３）電容式傳感器：可變氣隙；可變面積；可變介質等；§５-３電能式傳感器（１）磁電式傳感器：磁阻式測速發(fā)電機；直流測速發(fā)電機等．（２）壓電式傳感器：石英、壓電陶瓷等壓電晶體。（３）光電式傳感器：光電管、光敏電阻、光電池等。（４）霍爾效應元件傳感器（５）熱電式傳感器：熱電偶、熱釋電紅外光敏元件（６）射線電式傳感器：微波、放射線等傳感器2004年10月9§５-４頻率脈沖式傳感器（１）振弦式（振筒式）傳感器（２）感應同步器傳感器（３）光柵傳感器（４）磁柵傳感器（５）碼盤傳感器機械量傳感器常用的有：力傳感器、壓力（液壓、氣壓）傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、扭矩、流量等傳感器。2004年10月102.壓力傳感器（1）壓力表：用于緩變壓力信號測量。它由一般彈性壓力表和位移傳感器組成。（2）應變計式壓力傳感器：用于動態(tài)壓力測量，有通風冷卻或通水冷卻，有的還可測量蒸汽壓力（即高溫）（3）電容式壓力傳感器：頻率響應高，用于動態(tài)壓力測量。１.測力傳感器（１）應變式測力傳感器：精度高，可以從幾克到幾萬噸，可進行靜態(tài)、動態(tài)測量。原理：通過受力變形測力）（2）壓電式測力傳感器：頻率響應寬，用作測量振動力和沖擊力（壓電晶體受力產生電荷量輸出）（3）壓磁式傳感器：輸出信號大，用于精度要求一般的工業(yè)測量（鋼廠軋機的軋制力測量）2004年10月113.位移測量傳感器：（1）電感式傳感器及差動變壓器：測量精度較高，其中差動變壓器測量范圍較大，可達上百毫米。（2）感應同步器、磁柵：精度高，用于機床位移測量（3）莫爾條紋光柵：精度高，用于精密測量（4）滑線變阻器、應變計式，霍爾效應式位移傳感器：用于一般位移測量（5）電容式位移傳感器：用于一般位移測量，其中非接觸式的電容式位移傳感器主要用于測量振動位移。（6）電渦流式位移傳感器：為非接觸測量，用于振動測量（動態(tài)測量）（7）激光干涉條紋法：用于高精度測量，例如校驗量具。2004年10月124.速度測量傳感器（1）測速發(fā)電機：用于一般速度測量（2）磁阻式或光電式測速：其精度較高，定標容易。5.加速度測量傳感器（1）壓電式加速度計：頻帶寬，高頻可達30KHz（2）應變計式加速度計：低頻響應好，可從零赫茲開始，但高頻限較低。（3）半導體式加速度計：靈敏度高，質量保證不了，不穩(wěn)定。6.扭轉測量傳感器（1）應變計式：使用方便，可進行現場實測。（2）光電式、磁阻式：一般都用在實驗室中，使用時，需把電機與傳動軸移開，從中串入傳感器才能測量。（3）壓磁式：用于非接觸式測量，精度較低。2004年10月138.流量測量傳感器（1）差壓式流量計：一般測量，精度受粘度，溫度影響。（2）轉子流量計：一般測量，精度受粘度，溫度影響（3）靶式流量計：測量粘度較大的液體流量。（4）渦流流量計：精度高，可達0.25%~1.0%（5）容積式流量計：精度可達0.5%~1.0%7.移動物體厚度測量傳感器（1）超聲波測量傳感器（發(fā)射超聲波、接收波）（2）放射線測量：包括X射線和r射線，微波測量等。2004年10月14第二節(jié)電橋電路返電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。因為其測量電路簡單，具有較高的精確度和靈敏度，故應用廣泛。按照激勵電壓的性質，分為直流和交流電橋；按照輸出方式，分為不平衡橋式電路和平衡橋式電路。2004年10月15一、直流電橋

輸出電壓與各臂電阻間的關系：

返時稱為電橋平衡直流電橋電橋在使用前需要調平衡。當四個臂的阻值均發(fā)生變化時，存在如下關系：2004年10月16返基本公式γ為非線性誤差。（這個公式不用記）2004年10月17實際上，在進行機械量測量時（如應變片測應變），常常遇到以下幾種情況：1、必有因為電橋是平衡的。①單端變動2004年10月18②半橋差動變動③全橋差動變動④等臂電橋全橋差動變動（常見）2004年10月19分析與總結1、誤差γ

單端變動時γ≠0，而差動變化時總有γ=0，提醒我們在組橋時盡量采用差動變動的形式。2、從以上三個式子可以看出，全橋時輸出為最大。直流電橋電路是研究分析交流電橋電路的基礎。同時也是目前廣泛使用的一種電路.全橋半橋單臂2004年10月20

直流電橋與干擾電橋是在平衡條件下工作的，由于DR/R是一個十分小的量，當電源電壓不穩(wěn)定所造成的干擾是不可忽略的。為了抑制干擾，通常采用如下措施：

電橋的信號引線采用屏蔽電纜，即RVVP型號電纜；屏蔽電纜的屏蔽金屬網應該與電源至電橋的負接線端連接。此地點應該與放大器的機殼地隔離；放大器應該具有高共模抑制比。2004年10月21二、交流電橋供橋電源為交流，仍為基本電橋電路的形式，但是在各個臂內可能串、并聯有電感、電容、電阻或其組合。因此除了電阻之外還有我們所說的電抗。前面講過的直流電橋的理論稍加變動后在此仍可以適用。電橋的平衡條件：直流交流交流電橋2004年10月22交流電橋的平衡條件：2004年10月23例：如圖示交流電橋，求平衡條件。2004年10月24

例a)電容電橋

圖a的平衡條件2004年10月25圖b所示的電感電橋，其平衡條件為b)電感電橋2004年10月26具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋2004年10月27帶感應耦合臂的電橋2004年10月28電橋測量的誤差及其補償

對于電橋來說，誤差主要來源于非線性誤差和溫度誤差。

減少非線性誤差的辦法是采用半橋雙臂和全橋接法。溫度誤差是因為溫度變化而引起阻值變化不同造成的，即上述雙臂電橋接法中

等。減少溫度誤差的辦法是在貼應變片時盡量使得各應變片間的溫度一致，利用電橋電路的相鄰兩臂工作原理來降低誤差.（有關溫度誤差的補償問題在后面介紹）。

2004年10月29類似的例子還有很多，這里不再多舉。由上例可以看出，對于該交流電橋來說，除了調電阻平衡外還要調節(jié)電容平衡。對于純電阻的交流電橋，雖然電橋電路的四臂只有電阻，但由于導線間存在分布電容，相當于在電阻的旁邊并聯一電容。因此在電阻應變儀的面板一定還有一個調電容平衡的按鈕。

單端變動：半橋差動變動：全橋差動變動：2004年10月30第三節(jié)放大器一運算放大器信號調理（放大）的目的是便于信號的傳輸與處理。

1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。

2004年10月31一、運算放大器

見書82頁

2004年10月32二、調制與解調調制—使一個信號的某些參數在另一信號控制下而發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波（一般是較高頻率的交變信號），后一信號（控制信號）稱為調制信號（即為測試信號）。其輸出是已調制波。最終從已調制波中恢復出調制信號的過程，稱為解調。調制可分為：調幅（AM）、調頻(FM)、

調相(PM)2004年10月331目的調制的目的是解決微弱緩變信號的放大及傳輸;解調的目的是把調制的信號恢復為原信號。

調制與解調2004年10月34

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。例：交流電橋VinVoR1R3R2R42004年10月352種類調制信號x(t)0t載波信號z(t)0t2004年10月36a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)2004年10月373幅度調制

調幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．緩變信號調制高頻信號放大放大高頻信號解調放大緩變信號2004年10月38幅度調制與解調過程（波形分析）x(t)乘法器xm(t)放大器乘法器濾波器x(t)z(t)z(t)2004年10月39返幅度調制與解調過程（數學分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)2004年10月40實驗：同步調制與解調實驗

上述調制方法，將信號x(t)直接與載波z(t)相乘．這種調幅波具有極性變化，解調時必須再乘與z(t)相位相同的z’(t)方能復原出原信號，故稱同步解調．

2004年10月41非抑制調幅若對信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。2004年10月42

調幅2004年10月43解調二極管檢波低通濾波2004年10月44調幅波的波形失真a）過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生1800。2004年10月454頻率調制

調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率，或者說，調頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.2004年10月462004年10月47返頻率調制與解調過程乘法器放大器z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)x(t)2004年10月48鑒頻：T1T2T3T4F2004年10月49優(yōu)點：抗干擾能力強。因為調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現在振幅之中．

缺點：占頻帶寬度大，復雜調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統較之調幅系統復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。2004年10月50案例：旋轉機械扭距測量2004年10月51案例：鐵路機車調度信號檢測調制頻率8.5Hz，綠燈調制頻率23.5Hz，紅燈2004年10月52第四節(jié)光線示波器記錄儀器是測試系統中必不可少的重要組成部分。被測量的信號經過處理后，都要用便于人們觀察的形式顯示出來或以適當的形式記錄下來，以便研究和分析。記錄儀器可將被測信號的幅值及其變化規(guī)律真實的記錄下來，還可在測量過程中或被測信號消失后的任何時間進行研究和分析。光線示波器在動態(tài)測試中應用較多的記錄儀器。多現同步記錄，能適時直觀記錄試驗結果，結構簡單，價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛的應用。其缺點是記錄紙消耗大，且不易長期保存，不能采用電子計算機進行數據處理。2004年10月532004年10月54一、光線示波器的結構：

它一般包括光學系統、時標裝置、走紙裝置、振動子、磁系統、電氣系統及攝影系統等。

1.光學系統：用來標定被測信號的幅值，當記錄紙以穩(wěn)定的速度移動時，光點在記錄紙上畫出被測參數相對于時間的變化曲線。2.振動子和磁系統：振動子是光線示波器的核心，它的作用是把按一定規(guī)律變化的電信號，變換成按同樣規(guī)律變化的光線擺動信號，以便作用在感光記錄紙上，形成模擬記錄曲線。2004年10月553.記錄紙傳動和控制系統：記錄紙的傳動系統由電機、變速箱和控制機構組成，它保證在選定的走紙速度下，使記錄紙在縱向作勻速運動，以保證正確的時標。記錄紙的走紙速度是根據被測信號的頻率變化和記錄紙所需要的分辨率來選擇的，通常推薦用下式計算走紙速度vv＝S*fm式中S——記錄信號最高頻率的一個周期所要求的距離，由分辨要求來確定；fm——被測信號的最高頻率。在多線測量記錄中，應以頻率最高的測點算出走紙速度。4.時標裝置：記錄紙上形成的很細的橫條細光線稱為時標線，線間距離代表時標脈沖周期。2004年10月56當振動子線圈處于磁感應為B的磁場中,當線圈流入電流I時,線圈會偏轉,產生力矩M二、振動子的工作原理A:線圈面積N:線圈匝數θ:線圈與磁場的偏轉角上式還可寫成M=NBAIcosθ式中式中:Q=NBA當θ不大時,M=QI可近似看成線性方程2004年10月57非線性誤差線圈偏轉時,將受到拉簧的反扭矩K:拉簧扭轉剛度如果I穩(wěn)定時,可得到QI=Kθ則2004年10月58則光點位置及其誤差若θ0及

θ都不大時S—振動子靈敏度,單位:mm/mA·mLb—光臂I—電流若θ0及

θ都不大時,輸出y為線性,否則為非線性2004年10月59當θ及θ0有一定大時,就會產生圓弧誤差.直線與圓弧間的相對誤差.非線性誤差(圓弧誤差)減少光線示波器非線性誤差(圓弧誤差)的辦法是減少初始角θ0和線圈偏轉角θ2004年10月60產生誤差的因素:1.圓弧誤差;2.紙帶速度誤差;3.溫度影響振動子阻尼比ζ而產生的誤差;為了減少記錄誤差,振子安放位置也要注意2004年10月61二、振動子的特性

在筆式記錄儀和光線示波器的動圈振子中，通電線圈在固定永久磁鐵所形成的磁場中產生的電磁轉矩使線圈偏轉。這是一個典型的二階扭振系統，其運動可以用下面二階微分方程描述，即頻率響應特性2004年10月62幅頻、相頻特性當f=0時，系統為靜態(tài)當ζ=0.7，γ=5%fn2fmax

2004年10月63三、振動子的選擇：

1.被記錄信號的最高諧波頻率應在振動子的允許工作頻率之內。通常規(guī)定最高諧波分量的振幅為基波振幅的10％，否則就會使記錄曲線嚴重失真。一般，對沒有很陡前沿的波形，取3ωn作為振動子的允許工作頻帶，而對矩形波則取10ωn作為振動子的允許工作頻帶。2.振動子固有頻率的確定。由振動子的幅頻特性可知，在允許振幅有±5％誤差的條件下，油阻尼振動子的允許工作頻帶為其固有頻率的40％－45％；電磁阻尼振動子的允許工作頻帶為其固有頻率的60％。在被記錄的信號的最高次諧波頻率確定后，便可依據這一原則選擇振動子的固有頻率。當振動子的靈敏度滿足要求時，應盡量選擇固有頻率高的振動子。

2004年10月643.被記錄信號的電流不得超過振動子允許的最大允許電流值，否則就要燒毀線圈。

4.根據被記錄信號得最大電流值和要求記錄曲線相應的幅值，選擇適當靈敏度的振動子。

5.當多路信號記錄時，各路振動子的固有頻率ωn應相同，且阻尼比ζ取值應相等。動圈式振動子的阻尼方式，通常有電磁阻尼和油阻尼兩種，前者適用于低頻高靈敏度的振動子，后者適用于高頻的振動子。油阻尼振動子的阻尼是固定的，不能調整，而電磁阻尼式振動子的阻尼比與振動子線圈外電阻的大小有關，對于電磁阻尼式振動子，都規(guī)定了阻尼系數為0.7的外電阻值。2004年10月65Fc6-10;Fc6-20;Fc6-30;Fc6-5000Fc11-120;Fc11-1200;Fc11-2500;Fc11-5000振動子型號2004年10月66第五節(jié)筆試記錄儀主要用于靜態(tài)或低頻動態(tài)測量主要掌握筆試記錄儀的工作原理模擬顯示是以儀表指針在被顯示物理量的驅動下的線性位移或者角位移來顯示的方法。一、動圈式儀表達松瓦爾機構磁鐵張絲張絲可動線圈鐵心刻度盤2004年10月67其核心是磁電式檢流計。當信號電流輸入檢流計線圈時，在磁場力的作用下，線圈產生與信號電流成正比的角度偏轉，直接帶動指針或筆桿擺動，同時，彈簧產生與轉角成正比的彈性恢復力矩與電磁力矩平衡。

2004年10月68筆式記錄儀即為上述原理工作的。由其構成的筆式記錄儀結構簡單，指示與記錄能同時進行。但這種記錄器筆尖與記錄紙間摩擦較大，可動部分質量大，需要相當大的驅動力矩，并需要抑制筆急速運動時跳動的強力阻尼裝置，其靈敏度較低。因此，這種記錄儀只適合于長時間慢變化信號，要求指示與記錄同時進行的場合。2004年10月69一階極點二階極點第六節(jié)自平衡式顯示儀表2004年10月70第七節(jié)磁帶記錄儀一、磁記錄的基本原理磁記錄的基礎是磁性材料的剩磁。H↑→B↑→BS磁通密度H↓→B↓→Br即剩磁，利用剩磁可以記錄信號。磁感應強度外磁場2004年10月71磁記錄原理

磁記錄過程就是通過磁頭對磁介質磁化，使磁介質留下剩磁的過程。磁頭采用軟磁性材料做成，開窄縫的一端稱為磁頭尖。磁通路在此窄縫處產生中斷。交變的磁通在磁頭尖磁隙處產生漏磁，從而磁化了緊靠著磁頭尖的磁介質。如果磁介質以一定的速度經過磁頭尖，則流過磁頭線圈電流的變化就會以剩磁的形式存在磁介質上。2004年10月72

重讀磁記錄時，錄有信息的磁介質以一定的速度通過磁頭，記錄在上面的剩磁通過磁隙引起內磁通的變化，在線圈上產生相應的電動勢，該電動勢經適當處理和放大后，便得到重放的信號了。消磁:通入極高頻大電流(100mA以上).磁帶在磁隙間反復多次磁化,當微段逐漸離開磁隙時,高頻磁場逐漸減少,剩磁也將逐漸減少而消磁.2004年10月73二、磁記錄設備磁介質磁頭機械傳動機構記錄及重放電路2004年10月74重放磁頭輸出特性曲線采用積分法校正輸出曲線

2004年10月75磁帶記錄儀與其它記錄儀相比，有下列優(yōu)點：

1.工作頻帶很寬。調頻式可記錄0－40kHz的信號，直接記錄式可記錄50Hz－1.5MHz的交流信號。2.信噪比高，線性好，零漂小，因而失真度較低。3.記錄信號能長期保存，再現也方便，可以在現場進行多次無畸變的重放。4.能同時記錄多路信號，在工作頻帶范圍內，能精確的保存這些信號之間的時間和相位關系。

2004年10月765.有變換信號時基的能力，它既可以快速（1.52m/s和3.05m/s）記錄和慢速（4.76cm/s和2.38cm/s）重放，也可以慢速記錄和快速重放，即所謂時間軸壓縮和伸長。這樣它就能把信號的頻帶進行交換，以利于對檢測結果進行分析。6.能與計算機或其它分析儀器聯機使用，這給試驗（特別是順態(tài)實驗）分析和數據處理帶來很大方便。

磁帶記錄儀主要缺點是記錄結果不直觀，必須將所記錄信號送入到X－Y記錄儀或光線示波器或計算機中，才能觀察到記錄波形。2004年10月77磁帶記錄儀的分類和記錄方式

磁帶記錄儀總的可分為兩大類：模擬式和數字式。模擬式磁帶記錄儀主要包括：錄音機、錄像機和模擬式磁帶記錄儀。數字式磁帶記錄儀主要包括：數字磁帶記錄儀和磁帶存儲器