第5章(测试环节)

第五章机械量测试系统的基本环节第一节传感器

第二节电桥电路第三节放大器第四节光线示波器

第五节笔式记录仪第六节自动平衡记录仪和X-Y记录仪

第七节磁带记录仪

第八节数据采集器机械工程测试与数据处理技术第五章2004年10月1页1.熟悉常用传感器的类型和工作原理及性能变化；2.掌握常用传感器的选用原则；3.通过实验逐步了解传感器的定度方法；4.学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电路等；5.掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连接关系和应用中的优缺点；6.掌握中间变换电路和常用记录仪器的工作原理和性能，并能正确选用；7.对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。本章学习要求：第五章机械量测试系统的基本环节2004年10月2§５-1传感器概述在机械工程测试中，传感器是关键的一个环节。定义：将被测物理量转化为与之相对应的的易于检测、传输或处理的信号装置。1.传感器的组成：一般由敏感元件与其他辅助件组成。敏感元件是传感器的核心。所以要掌握敏感元件的工作原理。2004年10月32.传感器的作用：（1）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为可测信号并传给中间环节进行处理分析。（2）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官直接测量的事物。（3）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的接口。（4）可以说传感器是测试装置的输入端，它的性能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。2004年10月4深入研究传感器的原理和应用、研制新型传感器对于研究自然界的深度和广度具有重要意义。要求：根据不同的测试对象，能够按不失真条件、掌握选择传感器的原则。包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、频率脉冲式等。传感器的分类：传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来检测．另外，同一传感器也可测量多种物理量。2004年10月5（1）按被测物理量（输入量）（2）按（输出量）传感器输送出何种参量（3）按传感器工作的物理量可分为

2004年10月6（4）按信号变化特种可分为

（5）根据敏感元件与被测对象之间能量关系可分为（6）也可分为三大类

2004年10月7§５-2阻抗式传感器：（１）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器）电阻应变计压阻元件热敏电阻光敏电阻等（２）电感式位移传感器：可变自感系数（可变间隙及可动铁芯）；可变互感系数（差动变压器）；旋转变压器；压磁式；电涡流式等；2004年10月8（３）电容式传感器：可变气隙；可变面积；可变介质等；§５-３电能式传感器（１）磁电式传感器：磁阻式测速发电机；直流测速发电机等．（２）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电晶体。（３）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。（４）霍尔效应元件传感器（５）热电式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件（６）射线电式传感器：微波、放射线等传感器2004年10月9§５-４频率脉冲式传感器（１）振弦式（振筒式）传感器（２）感应同步器传感器（３）光栅传感器（４）磁栅传感器（５）码盘传感器机械量传感器常用的有：力传感器、压力（液压、气压）传感器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等传感器。2004年10月102.压力传感器（1）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力表和位移传感器组成。（2）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风冷却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温）（3）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。１.测力传感器（１）应变式测力传感器：精度高，可以从几克到几万吨，可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力）（2）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力和冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出）（3）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的工业测量（钢厂轧机的轧制力测量）2004年10月113.位移测量传感器：（1）电感式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差动变压器测量范围较大，可达上百毫米。（2）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量（3）莫尔条纹光栅：精度高，用于精密测量（4）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用于一般位移测量（5）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。（6）电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量（动态测量）（7）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。2004年10月124.速度测量传感器（1）测速发电机：用于一般速度测量（2）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。5.加速度测量传感器（1）压电式加速度计：频带宽，高频可达30KHz（2）应变计式加速度计：低频响应好，可从零赫兹开始，但高频限较低。（3）半导体式加速度计：灵敏度高，质量保证不了，不稳定。6.扭转测量传感器（1）应变计式：使用方便，可进行现场实测。（2）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。（3）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。2004年10月138.流量测量传感器（1）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。（2）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响（3）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。（4）涡流流量计：精度高，可达0.25%~1.0%（5）容积式流量计：精度可达0.5%~1.0%7.移动物体厚度测量传感器（1）超声波测量传感器（发射超声波、接收波）（2）放射线测量：包括X射线和r射线，微波测量等。2004年10月14第二节电桥电路返电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。因为其测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，故应用广泛。按照激励电压的性质，分为直流和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。2004年10月15一、直流电桥

输出电压与各臂电阻间的关系：

返时称为电桥平衡直流电桥电桥在使用前需要调平衡。当四个臂的阻值均发生变化时，存在如下关系：2004年10月16返基本公式γ为非线性误差。（这个公式不用记）2004年10月17实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变），常常遇到以下几种情况：1、必有因为电桥是平衡的。①单端变动2004年10月18②半桥差动变动③全桥差动变动④等臂电桥全桥差动变动（常见）2004年10月19分析与总结1、误差γ

单端变动时γ≠0，而差动变化时总有γ=0，提醒我们在组桥时尽量采用差动变动的形式。2、从以上三个式子可以看出，全桥时输出为最大。直流电桥电路是研究分析交流电桥电路的基础。同时也是目前广泛使用的一种电路.全桥半桥单臂2004年10月20

直流电桥与干扰电桥是在平衡条件下工作的，由于DR/R是一个十分小的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：

电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆；屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；放大器应该具有高共模抑制比。2004年10月21二、交流电桥供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因此除了电阻之外还有我们所说的电抗。前面讲过的直流电桥的理论稍加变动后在此仍可以适用。电桥的平衡条件：直流交流交流电桥2004年10月22交流电桥的平衡条件：2004年10月23例：如图示交流电桥，求平衡条件。2004年10月24

例a)电容电桥

图a的平衡条件2004年10月25图b所示的电感电桥，其平衡条件为b)电感电桥2004年10月26具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥2004年10月27带感应耦合臂的电桥2004年10月28电桥测量的误差及其补偿

对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差。

减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成的，即上述双臂电桥接法中

等。减少温度误差的办法是在贴应变片时尽量使得各应变片间的温度一致，利用电桥电路的相邻两臂工作原理来降低误差.（有关温度误差的补偿问题在后面介绍）。

2004年10月29类似的例子还有很多，这里不再多举。由上例可以看出，对于该交流电桥来说，除了调电阻平衡外还要调节电容平衡。对于纯电阻的交流电桥，虽然电桥电路的四臂只有电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在电阻的旁边并联一电容。因此在电阻应变仪的面板一定还有一个调电容平衡的按钮。

单端变动：半桥差动变动：全桥差动变动：2004年10月30第三节放大器一运算放大器信号调理（放大）的目的是便于信号的传输与处理。

1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。

2004年10月31一、运算放大器

见书82页

2004年10月32二、调制与解调调制—使一个信号的某些参数在另一信号控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波（一般是较高频率的交变信号），后一信号（控制信号）称为调制信号（即为测试信号）。其输出是已调制波。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。调制可分为：调幅（AM）、调频(FM)、

调相(PM)2004年10月331目的调制的目的是解决微弱缓变信号的放大及传输;解调的目的是把调制的信号恢复为原信号。

调制与解调2004年10月34

先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。例：交流电桥VinVoR1R3R2R42004年10月352种类调制信号x(t)0t载波信号z(t)0t2004年10月36a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)2004年10月373幅度调制

调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号2004年10月38幅度调制与解调过程（波形分析）x(t)乘法器xm(t)放大器乘法器滤波器x(t)z(t)z(t)2004年10月39返幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)2004年10月40实验：同步调制与解调实验

上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z’(t)方能复原出原信号，故称同步解调．

2004年10月41非抑制调幅若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。2004年10月42

调幅2004年10月43解调二极管检波低通滤波2004年10月44调幅波的波形失真a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生1800。2004年10月454频率调制

调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.2004年10月462004年10月47返频率调制与解调过程乘法器放大器z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)x(t)2004年10月48鉴频：T1T2T3T4F2004年10月49优点：抗干扰能力强。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。2004年10月50案例：旋转机械扭距测量2004年10月51案例：铁路机车调度信号检测调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯2004年10月52第四节光线示波器记录仪器是测试系统中必不可少的重要组成部分。被测量的信号经过处理后，都要用便于人们观察的形式显示出来或以适当的形式记录下来，以便研究和分析。记录仪器可将被测信号的幅值及其变化规律真实的记录下来，还可在测量过程中或被测信号消失后的任何时间进行研究和分析。光线示波器在动态测试中应用较多的记录仪器。多现同步记录，能适时直观记录试验结果，结构简单，价格便宜等优点，因而得到广泛的应用。其缺点是记录纸消耗大，且不易长期保存，不能采用电子计算机进行数据处理。2004年10月532004年10月54一、光线示波器的结构：

它一般包括光学系统、时标装置、走纸装置、振动子、磁系统、电气系统及摄影系统等。

1.光学系统：用来标定被测信号的幅值，当记录纸以稳定的速度移动时，光点在记录纸上画出被测参数相对于时间的变化曲线。2.振动子和磁系统：振动子是光线示波器的核心，它的作用是把按一定规律变化的电信号，变换成按同样规律变化的光线摆动信号，以便作用在感光记录纸上，形成模拟记录曲线。2004年10月553.记录纸传动和控制系统：记录纸的传动系统由电机、变速箱和控制机构组成，它保证在选定的走纸速度下，使记录纸在纵向作匀速运动，以保证正确的时标。记录纸的走纸速度是根据被测信号的频率变化和记录纸所需要的分辨率来选择的，通常推荐用下式计算走纸速度vv＝S*fm式中S——记录信号最高频率的一个周期所要求的距离，由分辨要求来确定；fm——被测信号的最高频率。在多线测量记录中，应以频率最高的测点算出走纸速度。4.时标装置：记录纸上形成的很细的横条细光线称为时标线，线间距离代表时标脉冲周期。2004年10月56当振动子线圈处于磁感应为B的磁场中,当线圈流入电流I时,线圈会偏转,产生力矩M二、振动子的工作原理A:线圈面积N:线圈匝数θ:线圈与磁场的偏转角上式还可写成M=NBAIcosθ式中式中:Q=NBA当θ不大时,M=QI可近似看成线性方程2004年10月57非线性误差线圈偏转时,将受到拉簧的反扭矩K:拉簧扭转刚度如果I稳定时,可得到QI=Kθ则2004年10月58则光点位置及其误差若θ0及

θ都不大时S—振动子灵敏度,单位:mm/mA·mLb—光臂I—电流若θ0及

θ都不大时,输出y为线性,否则为非线性2004年10月59当θ及θ0有一定大时,就会产生圆弧误差.直线与圆弧间的相对误差.非线性误差(圆弧误差)减少光线示波器非线性误差(圆弧误差)的办法是减少初始角θ0和线圈偏转角θ2004年10月60产生误差的因素:1.圆弧误差;2.纸带速度误差;3.温度影响振动子阻尼比ζ而产生的误差;为了减少记录误差,振子安放位置也要注意2004年10月61二、振动子的特性

在笔式记录仪和光线示波器的动圈振子中，通电线圈在固定永久磁铁所形成的磁场中产生的电磁转矩使线圈偏转。这是一个典型的二阶扭振系统，其运动可以用下面二阶微分方程描述，即频率响应特性2004年10月62幅频、相频特性当f=0时，系统为静态当ζ=0.7，γ=5%fn2fmax

2004年10月63三、振动子的选择：

1.被记录信号的最高谐波频率应在振动子的允许工作频率之内。通常规定最高谐波分量的振幅为基波振幅的10％，否则就会使记录曲线严重失真。一般，对没有很陡前沿的波形，取3ωn作为振动子的允许工作频带，而对矩形波则取10ωn作为振动子的允许工作频带。2.振动子固有频率的确定。由振动子的幅频特性可知，在允许振幅有±5％误差的条件下，油阻尼振动子的允许工作频带为其固有频率的40％－45％；电磁阻尼振动子的允许工作频带为其固有频率的60％。在被记录的信号的最高次谐波频率确定后，便可依据这一原则选择振动子的固有频率。当振动子的灵敏度满足要求时，应尽量选择固有频率高的振动子。

2004年10月643.被记录信号的电流不得超过振动子允许的最大允许电流值，否则就要烧毁线圈。

4.根据被记录信号得最大电流值和要求记录曲线相应的幅值，选择适当灵敏度的振动子。

5.当多路信号记录时，各路振动子的固有频率ωn应相同，且阻尼比ζ取值应相等。动圈式振动子的阻尼方式，通常有电磁阻尼和油阻尼两种，前者适用于低频高灵敏度的振动子，后者适用于高频的振动子。油阻尼振动子的阻尼是固定的，不能调整，而电磁阻尼式振动子的阻尼比与振动子线圈外电阻的大小有关，对于电磁阻尼式振动子，都规定了阻尼系数为0.7的外电阻值。2004年10月65Fc6-10;Fc6-20;Fc6-30;Fc6-5000Fc11-120;Fc11-1200;Fc11-2500;Fc11-5000振动子型号2004年10月66第五节笔试记录仪主要用于静态或低频动态测量主要掌握笔试记录仪的工作原理模拟显示是以仪表指针在被显示物理量的驱动下的线性位移或者角位移来显示的方法。一、动圈式仪表达松瓦尔机构磁铁张丝张丝可动线圈铁心刻度盘2004年10月67其核心是磁电式检流计。当信号电流输入检流计线圈时，在磁场力的作用下，线圈产生与信号电流成正比的角度偏转，直接带动指针或笔杆摆动，同时，弹簧产生与转角成正比的弹性恢复力矩与电磁力矩平衡。

2004年10月68笔式记录仪即为上述原理工作的。由其构成的笔式记录仪结构简单，指示与记录能同时进行。但这种记录器笔尖与记录纸间摩擦较大，可动部分质量大，需要相当大的驱动力矩，并需要抑制笔急速运动时跳动的强力阻尼装置，其灵敏度较低。因此，这种记录仪只适合于长时间慢变化信号，要求指示与记录同时进行的场合。2004年10月69一阶极点二阶极点第六节自平衡式显示仪表2004年10月70第七节磁带记录仪一、磁记录的基本原理磁记录的基础是磁性材料的剩磁。H↑→B↑→BS磁通密度H↓→B↓→Br即剩磁，利用剩磁可以记录信号。磁感应强度外磁场2004年10月71磁记录原理

磁记录过程就是通过磁头对磁介质磁化，使磁介质留下剩磁的过程。磁头采用软磁性材料做成，开窄缝的一端称为磁头尖。磁通路在此窄缝处产生中断。交变的磁通在磁头尖磁隙处产生漏磁，从而磁化了紧靠着磁头尖的磁介质。如果磁介质以一定的速度经过磁头尖，则流过磁头线圈电流的变化就会以剩磁的形式存在磁介质上。2004年10月72

重读磁记录时，录有信息的磁介质以一定的速度通过磁头，记录在上面的剩磁通过磁隙引起内磁通的变化，在线圈上产生相应的电动势，该电动势经适当处理和放大后，便得到重放的信号了。消磁:通入极高频大电流(100mA以上).磁带在磁隙间反复多次磁化,当微段逐渐离开磁隙时,高频磁场逐渐减少,剩磁也将逐渐减少而消磁.2004年10月73二、磁记录设备磁介质磁头机械传动机构记录及重放电路2004年10月74重放磁头输出特性曲线采用积分法校正输出曲线

2004年10月75磁带记录仪与其它记录仪相比，有下列优点：

1.工作频带很宽。调频式可记录0－40kHz的信号，直接记录式可记录50Hz－1.5MHz的交流信号。2.信噪比高，线性好，零漂小，因而失真度较低。3.记录信号能长期保存，再现也方便，可以在现场进行多次无畸变的重放。4.能同时记录多路信号，在工作频带范围内，能精确的保存这些信号之间的时间和相位关系。

2004年10月765.有变换信号时基的能力，它既可以快速（1.52m/s和3.05m/s）记录和慢速（4.76cm/s和2.38cm/s）重放，也可以慢速记录和快速重放，即所谓时间轴压缩和伸长。这样它就能把信号的频带进行交换，以利于对检测结果进行分析。6.能与计算机或其它分析仪器联机使用，这给试验（特别是顺态实验）分析和数据处理带来很大方便。

磁带记录仪主要缺点是记录结果不直观，必须将所记录信号送入到X－Y记录仪或光线示波器或计算机中，才能观察到记录波形。2004年10月77磁带记录仪的分类和记录方式

磁带记录仪总的可分为两大类：模拟式和数字式。模拟式磁带记录仪主要包括：录音机、录像机和模拟式磁带记录仪。数字式磁带记录仪主要包括：数字磁带记录仪和磁带存储器