汽车工程测试技术基础(第一章-第三章)

汽车工程测试技术基础学时/学分：30/2教材：汽车拖拉机试验学/李杰敏主编.北京：机械工业出版社课程性质：考查参考资料：1、汽车试验工程/安相璧主编.北京：国防工业出版社2、汽车试验学/何耀华.北京：人民交通出版社3、机械工程测试技术基础(第2版)/黄长艺.北京：机械工业出版社2023/2/51

本课程研究的对象是汽车工程试验中测试系统的静态、动态特性静、动态测试中的常用传感器特性和与之匹配的测量电路及记录仪器的结构与工作原理，电子计算机在测试系统中的应用，测试信号的分析和数据处理方法等。汽车工程测试技术基础2023/2/52第一章概论汽车工程测试技术基础第二章测试装置的技术特性第三章传感器第四章信号的中间变换与传输第五章记录仪器第六章测量误差分析2023/2/53第一章概论汽车工程测试技术基础1.1汽车拖拉机试验概况

一、汽车试验在汽车工业发展中的重要性汽车拖拉机试验是伴随其工业的建立和发展而逐渐成长起来的，汽车拖拉机工业发展到今天的水平与其试验研究工作是分不开的。技术上许多新的发现和突破以及新设计的或现生产的产品，即使在设计和制造上考虑得非常周密也都必须以试验测试为基础经过试验来检验。试验是有助于人们深入了解汽车拖拉机在实际使用中各种现象的本质和规律，并推动其技术进步的一种极为重要的方法；它是保证产品性能、提高产品质量和市场竞争力的重要手段。2023/2/54汽车工程测试技术基础

二、汽车试验技术的发展

试验内容：探索性试验、新结构的原理试验、获取原始控制数据的标定试验，为产品、结构改进提供支持的功能试验，产品工艺的验证试验，整车及总成部件的可靠性、耐久性试验、产品质量控制试验等。1、汽车试验方法的发展试验内容逐年增加试验方法不断更新高等级、高速公路的发展带来了汽车速度的显著提高，需更新试验方法；汽车法规的日渐严格，需要更新试验方法；人们对汽车要求的日益提高，需要更新试验方法；试验技术的进步也会带来试验方法得变化。2023/2/55汽车工程测试技术基础2、汽车试验仪器设备发展的特征高精度、高效率；自动化程度越来越高；功能集成；在试验室再现各种试验环境；2023/2/56汽车工程测试技术基础1.2汽车试验的分类

一、按试验特征分类汽车试验场试验室外道路试验室内台架试验二、按试验对象分类整车试验总成与各大系统试验零部件试验2023/2/57汽车工程测试技术基础

三、按试验目的分类质检试验新产品定型试验科研试验：产品研发试验、材料试验、工艺试验、试验研究试验四、各类试验的关系无论何种试验对象（整车、总成、零部件），何种试验目的（质检、定型、科研），均需进行室内台架试验、汽车试验场试验和室外道路试验。2023/2/58汽车工程测试技术基础1.3本课程研究的对象传感器的原理、构造、性能及应用信号的中间变换与传输信号的记录、补偿与传输试验数据的采集测量的误差分析静态数据处理动态数据处理测试系统的组成及系统特征分析2023/2/59第二章测试装置的技术特性汽车工程测试技术基础2.1测试的基本概念一、测试、信息和信号的概念1、测试——测试是人们认识客观事物的方法。测试过程是从客观事物中提取有关信息的认识过程。测试包含测量与试验，在测试过程中，借助专门设备，通过合适的试验和必要的数据处理，求得所研究对象的有关信息量值。

2023/2/510汽车工程测试技术基础3、信号——一般说传输信息的载体称为信号，信息蕴含于信号之中。

例如：古代的烽火，人们观察到的是光信号，它所蕴含的信息是“敌人进攻来了”；无线电通讯中，电磁波信号运载着各种声音信号。

信号具有能量，它描述了物理量的变化过程，在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数，可以取为随时间或空间变化的图形。例如：噪声信号可以表示为一个时间函数；机械零件的表面粗糙度，可以表示为一个二元空间变量的高度函数。2、信息——一般可理解为消息、情报或知识，信息是事物运动的状态和方式。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输依靠物质和能量。例如：人类的语言文字是社会信息；商品报道是经济信息；遗传密码是生物信息。

2023/2/511汽车工程测试技术基础（2）按信号能否用明确的时间函数关系描述，信号分为：非电信号——随时间变化的力、位移、加速度、速度等属于非电信号。

电信号——随时间变化的电压、电流、电荷、磁通等属于电信号。

确定性信号——可用明确的数学关系式来描述的信号称为确定性信号。确定性信号又可分为：周期信号——经过一定时间可以重复出现的信号，称为周期信号。周期信号包括简谐周期信号和复杂的周期信号。非周期信号——具有瞬变性，包括准周期信号和瞬态信号。

4、信号的分类（1）按信号变化的物理性质，可将信号分为：

2023/2/512汽车工程测试技术基础5、测试信号的分析处理信号的分析处理——指从传感器等一次敏感元件获得初始信息，用一定的设备和手段进行分析处理。如图2－1所示：信息源传感器中间变换分析处理记录存贮噪声噪声噪声被测非电量图2－1信息、信号的转换、传输与分析处理随机信号（非确定性信号）——不能用明确的数学关系式描述的信号，称为随机信号。它的幅值、相位变化不可预知，所描述的物理现象是一种随机过程。例如：汽车行驶时所产生的振动；树叶的随风飘动；飞机在大气流中的浮动。2023/2/513汽车工程测试技术基础

一个测试信号中包含着丰富的信息，其中包含着反映被测物理系统的状态或特性的有用的信息，也常常包含大量人们不感兴趣的其他信息（干扰噪声）。

有用的信息——是人们认识客观事物的内在规律，研究分析事物之间的相互关系，预测未来发展趋势的依据。干扰噪声——是在测试过程中不可避免地渗入测试系统的。

对测试信号的分析处理，比如滤波、调制、放大等，就是对信号的加工变换，其目的是改变信号的形式，便于分析和识别、滤除干扰噪声、提取有用信息，便于对所研究的事物作出估计。

2023/2/514汽车工程测试技术基础时域分析——又称为波形分析，是用信号的幅值随时间变化的图形或表达式来分析，可以得到任一时刻的瞬时值或信号的最大值、最小值、均值、均方根值等。频域分析——又称为频谱分析，是把信号的幅值、相位或能量变换为以频率坐标轴表示，进而分析其频率特性的一种方法。

二、测试系统的组成测试系统——由若干相互联系、相互作用的传感器和仪器设备等元件为实现一定测试目的而组成的有机整体。非电物理量的测试与控制技术，广泛应用于汽车拖拉机试验中，非电量的电测系统是最常用的测试系统。一个完整的测试系统包括：传感器、信号调节器、显示和记录仪器数据处理器、外围设备、定度设备、校准设备（图2－2所示）。

信号分析有时域分析法和频域分析法：2023/2/515汽车工程测试技术基础（1）传感器——将输入的被测非电物理量转换为电信号。（2）信号调节器——将传感器输出的电信号变换成传输不失真且便于记录、处理的电信号，如信号源的阻抗变换，信号的放大、衰减与波形变换，信号滤波，多路信号切换等。（3）记录、显示器——记录或显示信号调节器输出的信号。显示必要的数据变化图形，供直接观察分析，或将其保存，供后续仪器分析、处理。传感器信号调节器数据处理及其外围设备记录、显示器图2－2测试系统框图

被测非电量定度设备定度设备2023/2/516汽车工程测试技术基础（4）数据处理器——将记录的信号按测试目的与要求提取有用信息，通过专用计算机进行分析、处理，如概率统计分析、相关分析、功率谱分析和传递特性分析等。（5）定度和校准设备——是测试系统的附加设备。测试前要对传感器及测试系统确定其输入与输出物理量转换关系的定度曲线，并根据一种较高准确度的参考仪器进行校准，确定整个测试系统的精度。

三、对测试系统的要求其主要特性

1、对测试系统的要求

从测试对象、测试目的和要求出发，使其达到技术上合理，经济上节约；综合考虑精度要求、使用环境及被测物理量变化的快慢、测量范围、成本费用及自动化程度等因素。

应当具有单值的、确定的输入—输出关系，最好呈线性关系。

2023/2/517汽车工程测试技术基础2、测试系统的基本特性

所谓测试系统的特性是系统的输出y(t)与输入x(t)关系。按被测试量在测试中的状态，测试系统的基本特性有：静态特性——当被测试量不随时间变化或变化很缓慢时，测试系统的输出和输入之间的关系称为静态特性。动态特性——被测试量随时间变化时，测试系统的输出和输入之间的关系称为动态特性。

3、工程测试问题就是要处理输入量X(t)、系统的传输或转换特性h(t)和输出量y(t)三者之间的关系。测试系统输入输出图2－3测试系统、输入和输出2023/2/518汽车工程测试技术基础(1)如果已知，通过对的观察分析，就能推断出相应的——测量；

(2)如果已知，通过对的观察分析，就能推断出——系统或仪器的定度过程；

(3)如果和已知，则可以推断和估计——输出信号的预测。

4、理想的测试仪器或测试系统应该具有单值的、确定的输入—输出关系，并且最好是一个单向线性系统。单向系统——测试系统对被测量的反作用影响可以忽略。线性系统——输入和输出是线性关系。单值函数——一个自变量对应一个因变量，具有唯一性。2023/2/519汽车工程测试技术基础2.2测试装置的静态特性测试装置的静态特性——表示被测量处于稳定状态，输入和输出都是不随时间变化的常量。任一静态系统的输入、输出关系可用下式表示：其中：——系统的输入（被测量）——系统的输出（测试结果）——常数

当时，表示即使在没有输入的情况下仍有输出，即当x(t)=0时，y(t)=a0通常称为系统的零点漂移。（2－1）2023/2/520汽车工程测试技术基础

测试装置的静态特性指标的表征参数：灵敏度、非线性度、回程误差。一、灵敏度1、当测试装置的输入，有一个增量，引起输出发生相应的变化，则称为该测试装置的灵敏度。灵敏度是一个有量纲量。2、放大倍数——当测试装置的输入和输出为同一量纲时，灵敏度常称为放大倍数，此时灵敏度是无量纲量。放大倍数2023/2/521汽车工程测试技术基础3、灵敏度漂移实际在被测量不变的情况下，由于外界环境条件等因素的变化，也可能引起测试装置输出的变化，最后表现为灵敏度的变化，由此引起测试装置灵敏度的变化称为灵敏度漂移。灵敏度漂移的根源是表达式中系数的变化所致。比如温度改变引起测试仪器中电子元件参数的变化或机械部件尺寸和材料的变化特性等。2023/2/522汽车工程测试技术基础二、非线性度1、定度曲线（实际特性曲线）在静态测试中，通常用试验的方法求取装置的输入、输出关系曲线，这种关系曲线称为定度曲线。2、拟合直线（理想直线）拟合直线的确定通常采用通过座标原点，并与定度曲线间的偏差的均方值（）为最小来确定。3、非线性度定度曲线偏离其拟合直线的程度就是非线性度。4、非线性度的表示在测试装置的标称输出范围A内，定度曲线与该拟合直线的最大偏差B与A的比值来表示非线性度。2023/2/523汽车工程测试技术基础非线性度=三、回程误差（迟滞误差）1、滞后量实际测试装置对同一大小的输入量，其正向输入（输入量由小增大）和反向输入（输入量由大到小）的输出量数值的不同，其差值称为滞后量。2、回程误差测试装置全量程A内的最大滞后量和A之比值称为回程误差：2023/2/524汽车工程测试技术基础四、重复性同一测试系统在相同的测试条件下对同一测试对象进行多次测量，其各次测试结果的接近程度。随机误差大，测试的重复性就差。五、分辨率分辨率是指测试系统能测量到最小输入量变化的能力，即能引起输出量发生变化的最小输入变化量，用△X表示。2023/2/525汽车工程测试技术基础2.3测试装置的动态特性测试装置的动态特性——指测试装置的输入量随时间变化时，其输出随输入而变化的关系。测试装置的输入量变化时，其输出量会受到：研究对象的动态特性的影响测试装置动态特性的影响为降低和消除测试装置的动态特性给测量带来的误差，必须掌握并考察测试装置的动态特性，为此要建立数学模型测试装置一般是线性系统，所以它们的数学模型是常系数线性微分方程。当描述一个系统的微分方程已知，研究系统的动态特性的最基本的方法是解微分方程式。这种方法的优点是物理意义比较明确，并能给出全过程的数值解。2023/2/526汽车工程测试技术基础但在工程应用中有一些实际困难：高阶系统计算工作量非常大（仅适于三、四阶以下的方程式分析）从整个求解过程中看不到系统结构与元件对系统性能的影响，也不能表达出各元件之间的相互联系在实际工程问题中并不需要精确计算系统的全部数值解，只要能判断系统过渡过程的特征，得到能指导系统动态特性进一步改善的方法。因此在工程实践中发展了一些简单有效的变换方法，其中最常用的就是拉普拉斯变换（拉氏变换）与傅立叶变换（傅氏变换）。变换——在分析与时间变化有关的信号与系统特性时，为了方便而常对时间函数在数学上实行某种改造，即从时域转换到频域的数学改造。2023/2/527汽车工程测试技术基础对于周期信号可以通过傅里叶级数实现这种改造，得到离散的频率谱或幅值谱。

对于瞬态信号可以通过傅立叶积分实现得到连续的频谱。对于随机信号，由于信号本身不满足存在变换的条件，一般要先对原信号进行相关处理，然后再进行傅里叶变换，这时得到的频谱图称为功率谱密度函数。傅里叶变换对系统的动态分析确实很重要，但它也受到一些限制：傅里叶变换常常包含有难于处理的广义积分工程应用中的许多激励作用，其傅立叶级数往往是不收敛的（阶跃、正弦函数）。而在拉氏变换中引入“收敛因子”，可以解决以上的这种限制。2023/2/528汽车工程测试技术基础采用试验的方法研究分析测试装置的动态特性：根据测试装置实际工作时最常见的输入信号的形式，选择一些典型信号并将这些典型信号作为测试装置的输入，然后测出其输出，进而对该测试装置的动态特性作出分析和评价。分析时，即可在时间域（时域分析），也可在频率域（频域分析）进行，并分别定义出一系列动态特性参数。数学模型——定量地描述系统的动态特性，揭示系统的结构参数与动态性能之间的数学表达式称为数学模型。例如：微分方程、差分方程、统计学方程、传递函数、频率特性式以及各种响应式都称为数学模型。典型信号——有正弦信号、单位脉冲信号、单位阶跃信号斜坡信号、单位加速度信号、指数信号等。2023/2/529拉氏变换汽车工程测试技术基础一、拉氏变换的定义若为时变数

的函数，且时，。则函数的拉氏变换定义为：式中：——拉氏变换符号＝б+jω为复数，有时称变量S为复频域——的拉氏变换函数，即象函数——对应为的原函数2023/2/530汽车工程测试技术基础二、典型时间信号函数（信号）的拉氏变换1、正弦信号函数由欧拉公式：2023/2/531汽车工程测试技术基础拉氏变换为：2023/2/532汽车工程测试技术基础2、单位阶跃信号函数拉氏变换为：推广到常数K的拉氏变换为：2023/2/533汽车工程测试技术基础3、指数信号函数拉氏变换为：2023/2/534汽车工程测试技术基础4、斜坡信号函数拉氏变换为：2023/2/535汽车工程测试技术基础5、单位加速度信号函数拉氏变换为：2023/2/536汽车工程测试技术基础6、单位脉冲信号函数定义：拉氏变换为：2023/2/537汽车工程测试技术基础三、拉氏变换表象函数原函数象函数原函数表2－1拉氏变换表2023/2/538汽车工程测试技术基础四、拉氏变换定理1、线性定理若是任意两个复常数，且（即的拉氏变换存在），则证明：可见：时间函数和的拉氏变换等于每个时间函数拉氏变换之和。例1：已知，求。2023/2/539汽车工程测试技术基础2、平移定理若，则有证明：可见：在时域中乘以的效果，是其在复变量域中把平移为，是复域平移定理，对求算有指数时间函数项的复合时间函数的拉氏变换时较方便。例2：求。2023/2/540汽车工程测试技术基础3、微分定理若，则有式中为函数在时刻的值，即为的初始值证明：此处采用分部积分法：，取2023/2/541汽车工程测试技术基础同理，二阶导数的拉氏变换为：阶导数的拉氏变换为式中分别为各阶导数在时的值。如果这些初始值均为零，则有：例3：求的拉氏变换。2023/2/542OH3.1汽车工程测试技术基础4、积分定理若，则式中是在时刻的值，或称积分的初始值。证明：2023/2/543汽车工程测试技术基础同理：式中分别是的各重积分在时刻的值。若这些积分的初始值均为零，则有：例4：求。2023/2/544汽车工程测试技术基础5、终值定理若，则证明：由微分定理令，有又因，得2023/2/545汽车工程测试技术基础由以上两式及s与f(0)无关，有：得到：所以：例5：已知，求2023/2/546汽车工程测试技术基础6、初值定理证明：由拉氏变换的定义：由于：所以：因而：例6：已知，求7、卷积定理2023/2/547汽车工程测试技术基础（一）线性系统及其主要性质时不变系统——系统的特性不随时间而变化。线性系统——系统的输入、输出能保持良好的一一对应关系。大多数测试装置的数学模型均可以近似成一个线性时不变系统，其输入和输出之间的关系，可用微分方程表示：

若系数和均为常数，则上述方程为常系数微分方程。一、测试装置的传递函数及其频率响应特性（2－2）2023/2/548汽车工程测试技术基础若用表示系统的输入、输出对应关系，则常系数线性系统具有如下基本性质：（1）叠加特性几个输入同时作用于系统时的输出，等于这些输入单独作用于系统时的输出的总和，即：（2）比例特性当系统输入增递大若干倍，其输出也增大若干倍。即：其中：——任意常数2023/2/549汽车工程测试技术基础（3）微分特性系统对微分输入的响应，等同于原输入响应的微分，即：（4）积分特性若系统的初始状态为零，则系统对输入积分的响应等同于原输入响应的积分。即：（5）频率保持性若系统输入为某一频率的正弦（余弦）激励，则其稳态输出也将只有该同一频率而不改变。2023/2/550汽车工程测试技术基础证明：根据常系数线性系统的比例特性和微分特性，有：再运用叠加特性，有：令输入为一个正弦激励，即，其二阶微分为：则：相应的输出为：于是输出唯一的一种可能可能解就是：频率保持性在动态测试中具有重要的作用：若已知系统是线性的，其输入的激励频率已知，那么测量信号中就只有与激励频率相同的频率成分才可能是由该激励引起的振动，而其它频率完全是噪声干扰。2023/2/551汽车工程测试技术基础（二）传递函数传递函数——将输出量和输入量两者的拉氏变换之比定义为传递函数，用表示。实际的测试系统在一定误差范围内和一定量程范围内看成时不变线性系统，通常可用式（2－2）来描述输出和输入之间的关系。可对微分方程进行拉氏变换求传递函数来表示其动态特性。若系统初始条件为零，则对式（2－2）进行拉氏变换，得：

（2－3）（2－4）2023/2/552汽车工程测试技术基础（1）式（2－4）表征了系统的传输、转换特性，是一种对系统特性的解析描述，包含了瞬态、稳态时间响应和频率响应的全部信息；（2）式（2－4）分母中

的幂次

代表系统微分方程的阶数；（3）描述了系统本身的动态特性，与输入量无关；（4）不说明系统的物理结构，不管是电路系统还是机械系统，只要动态特性相似，就可以用同一类型的传递函数来描述（三）环节并联和串联的测试系统从数学表达式出发，可将一个复杂的系统看成由一些典型环节组成，这些典型环节的传递函数比较容易求得。环节是从动态特性的角度来看的，即典型环节是以数学模型来划分的，其传递函数具有典型性。一个典型环节是由一个或几个不同的元件组成的（如图）。2023/2/553汽车工程测试技术基础LRC电路环节串联两个环节串联：类似地，由n个环节串联组成的系统，有:（2－5）2023/2/554汽车工程测试技术基础环节串联两个环节并联时，因为：所以其传递函数为：n个环节并联组成的系统，其传递函数为：（2－6）2023/2/555汽车工程测试技术基础（四）传递函数的分解

假设(2-4)式中则可将其简化为：分母是变量s的实系数多项式，它总可以分解为一次和二次的实系数因子式：（2－7）式（2－7）中：——零阶系统传递函数——一阶系统传递函数——二阶系统传递函数2023/2/556汽车工程测试技术基础

一个复杂的高阶系统总可以看成是由若干零阶、一阶和二阶系统串联而成。（五）频率响应函数对稳定的常系数线性系统，取代入式（2－4）得到系统的频率响应函数（频率响应特性）：对于一个稳定的常系数线性系统，若输入为一正弦函数，则稳态时的输出也是与输入同一频率的正弦函数。输出的幅值和相位角一般与输入的不相等，输出、输入幅值的比值和相角差是输入频率的函数，并反映在的模和相角上。2023/2/557汽车工程测试技术基础将的实部和虚部分开记作：——的实函数曲线——系统的实频特性曲线曲线——系统的虚频特性曲线其中：

——系统的幅频特性——系统的相频特性2023/2/558汽车工程测试技术基础其中：和统称为频率响应特性曲线称为幅频特性曲线;曲线称为相频特性曲线频率响应的图形表示法

⑴幅频特性曲线和相频特性曲线。以ω为自变量，以A（ω）和φ（ω）为因变量画出曲线。它表示输出与输入的幅值比和相位差随频率ω的变化关系。⑵波特(Bode)图。对自变量ω取对数lgω作为横坐标，以20lgA(ω)和φ(ω)作纵坐标，画出的曲线。它把ω轴按对数进行了压缩，便于对较宽范围的信号进行研究，观察起来一目了然，绘制容易，使用方便。2023/2/559汽车工程测试技术基础⑶奈奎斯特图。将H（jω）的虚部和实部分别作为纵横坐标画出的图形。它反映了频率变化过程中系统过程中系统响应H（jω）的变化。2023/2/560汽车工程测试技术基础二、典型测试装置的动态响应特性（一）典型测试装置的分类惯性加速度计/RLC电路/膜片式压力传感器/光线示波器振子二阶系统RC滤波器/LC谐振测量电路/弹簧—阻尼机械系统时间常数一阶系统电位式位移传感器/宽频带电子放大器零阶系统举例特性参数传递函数微分方程静态灵敏度固有圆频率阻尼比静态灵敏度静态灵敏度表2－1测试装置分类2023/2/561汽车工程测试技术基础（二）一阶系统拉氏变换一阶系统的频率响应1、一阶系统的频率响应2023/2/562汽车工程测试技术基础忽略质量的自由振动系统2、一阶系统实例拉氏变换

——弹簧刚度系数，为储能元件——阻尼系数，为耗能元件——系统的时间常数其幅频特性和相频特性分别为：2023/2/563汽车工程测试技术基础简单RC低通滤波电路2、一阶系统实例拉氏变换

——电容，为储能元件——电阻，为耗能元件——系统的时间常数其幅频特性和相频特性分别为：2023/2/564汽车工程测试技术基础（三）二阶系统1、二阶系统的频率响应拉氏变换其中：——静态灵敏度——固有圆频率

——阻尼比若S=1,令,代入，可得二阶系统频率响应特性：2023/2/565汽车工程测试技术基础其幅频和相频特性分别为：2023/2/566汽车工程测试技术基础考虑到质量的影响，写出系统的动力学方程如下：经拉氏变换，得：其中：，然后可求出其频率响应特性。

2、二阶系统实例

弹簧－质量－阻尼系统2023/2/567汽车工程测试技术基础电流方程为：其中：所以：拉氏变换其中：，然后可求出其频率响应特性。

LRC电路2023/2/568汽车工程测试技术基础一、单位阶跃输入系统的响应研究测试系统动态特性的目的，是为了确定系统输出与输入间的差异，以提高测试精度。第四节测试装置在典型输入下的动态响应二阶一阶输出输入2023/2/569汽车工程测试技术基础动态误差——输入量值和它所对应的响应函数值（输出值）之差称为测试装置的动态误差。一阶系统对单位阶跃输入的响应1、一阶系统的阶跃响应函数为指数曲线响应函数曲线在t＝0点处的切线斜率等于，这是一阶系统单位阶跃响应的一个特点。根据此特点，可在测试系统参数未知的情况下，由一阶系统的单位阶跃响应试验曲线来确定其时间常数。2023/2/570汽车工程测试技术基础2、时间常数越小，响应函数上升速度越快，达到稳态值所用的时间越短，也就是系统的惯性越小；反之，越大，系统对信号的响应越慢，惯性越大。3、调整时间——系统从响应开始到进入稳态所经过的时间称为调整时间。4、测试装置响应速度一般以系统相应时间t作为衡量测试装置相应速度的特性参数；响应时间——在某一个给定的动态误差范围内，系统瞬态过程结束所需要的时间。时，系统的动态误差在2％～5％之间，可认为已达到稳态，所以通常被用来作为一阶测试系统响应速度的指标。2023/2/571汽车工程测试技术基础二阶系统对单位阶跃输入的响应1、二阶系统的响应取决于阻尼比和固有圆频率越高，系统的响应越快；影响超调量和振荡次数。超调量——响应曲线上超出稳态值的偏离量。时,超调量为100％，并且持续不断地振荡下去，达不到稳定；时，系统退化成两个一阶环节的串联，不发生振荡，达不到稳定；时，最大超调量在2.5％～10％之间，以允许2％～5％的误差趋近稳态的调整时间最短：所以很多测试装置在设计时阻尼比常选在此范围。2023/2/572汽车工程测试技术基础二、单位正弦输入系统的响应二阶系统一阶系统输出输入，K1和K2是取决于和的常数。2023/2/573汽车工程测试技术基础1、一阶系统对单位正弦输入的响应（1）单位正弦信号输入一阶测试系统时，其输出与输入的频率不变，幅值有衰减，相位滞后，时间上延迟秒。2023/2/574汽车工程测试技术基础由一阶系统的频率响应函数H(jω),可得其幅频和相频分别为:一阶系统的幅频特性曲线和相频特性曲线如下图所示。可见：①幅值比A（ω）随ω的增大而减小。A（ω）和φ（ω）的变化表示输出与输入之间的差异，称为稳态响应动态误差。2023/2/575汽车工程测试技术基础②系统的工作频率范围取决于时间常数τ。在ωτ较小时，幅值和相位得失真都较小。当ωτ一定时，τ越小，测试系统的工作频率范围越宽。因此为了减小一阶测试系统得稳态响应动态误差，增大工作频率，应尽可能采用时间常数τ小的测试系统。2023/2/576汽车工程测试技术基础2、二阶系统对单位正弦输入的响应（1）单位正弦信号输入二阶测试系统时，其输出与输入的频率不变。（2）单位正弦信号输入二阶测试系统的频率相应特性如下图分析：1）当ζ较小时，在ω/ωn=1附近，输出振幅A（ω）>>12）当ζ较大时，输出振幅值A（ω）<1;这两种情况A（ω）≈1的圆频率范围都较小；3）当ζ＝0.6～0.8范围内A（ω）=1的频率范围最大，此时相位角φ（ω）与频率比ω/ωn成线性关系，可在较大的频率范围内，稳态响应的动误差较小，二阶系统的ζ一般为0.6～0.8。2023/2/577汽车工程测试技术基础4）系统固有圆频率ωn越高，动态误差小的工作频率范围越宽；反之，ωn越高低，测试系统的工作频率范围越宽。当ζ＝0.7左右时，在ω/ωn<0.58范围内，幅值误差不超过5％；5）共振频率——幅制达到最大值时，对应输入信号的圆频率6）相位共振法测定系统的固有圆频率，当时，相位滞后为90⁰，不断改变输入信号的圆频率，并测定系统的相位滞后角，当时，输入信号的圆频率即为系统的固有圆频率。2023/2/578汽车工程测试技术基础三、单位脉冲输入和测试系统的脉冲响应响应二阶系统一阶系统输出输入2023/2/579汽车工程测试技术基础1、单位脉冲输入理想的单位脉冲输入不存在，当作用时间小于，可以近似的认为是单位脉冲输入。2、测试系统的脉冲响应一阶测试系统：其单位脉冲响应的特性取决于时间常数τ。时间产常数τ大的系统,其响应速度低于时间常数τ小的系统.二阶测试系统：时，响应围绕零值作正负之间的衰减振荡；时，响应无振荡。2023/2/580汽车工程测试技术基础四、单位斜坡输入和测试系统的响应二阶系统一阶系统输出输入2023/2/581汽车工程测试技术基础单位斜坡输入的一阶和二阶系统输出的时域函数的公式包括三项：第一项t等于输入；第二项只与测试装置的特性参数有关，与时间t无关，此项误差称为稳态误差；第三项所规定的误差与时间t有关，输出量总是滞后于输入一段时间。这一项都含有因子，因此，当时，此项误差趋于0。所以，一阶和二阶测试装置输入斜坡信号时，都存在稳态误差，并且随时间常数的增大或固有频率减小及阻尼比的增大，稳态误差也相应地增大。2023/2/582汽车工程测试技术基础2.5实现不失真测试的条件1、实现不失真测试的条件也就是说，理想的测试系统幅频特性应当是常数，相频特性应该是线性关系。（1）若测试的目的是精确地测试出输入波形，上述条件即可满足要求；（2）若测试结果要用来作为反馈控制的信号，还要求相频特性为0，即：2023/2/583汽车工程测试技术基础2、一阶系统越小，则系统装置的响应越快，动态误差越小，失真小的频率范围越宽。所以，原则上越小越好，（1）简单机械系统：（2）电测系统：（3）因为a0与灵敏度有关，其值通常是根据灵敏度的要求来确定的，所以只有通过改变a1值以满足时间常数较小的要求。2023/2/584汽车工程测试技术基础3、二阶系统频率特性受的影响较大，一般当时，对于输入信号在2023/2/585汽车工程测试技术基础第三章传感器

1、传感器——将被测物理量转换为与之相对应的、容易检测、传输或处理的信号的装置。

2、传感器的作用：（1）感知被测量的变化，即敏感作用；（2）担负着信号转换的任务，如将力、应力、压力、转矩、位移、速度、加速度、温度、流量等被测非电物理量转换成与之对应的，容易传输或处理的电量或电参量。

3、传感器的组成传感器一般由敏感元件和转换元件组成。传感器的输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式。2023/2/586汽车工程测试技术基础

4、传感器的分类按其工作原理可分为两类：（1）发电式传感器——将非电量转换为电动势；（2）参量式传感器——把所测非电量转换为电阻、电感及电容等电参量的变化。

5、对传感器的要求（1）传感器的输出量必须与被测非电量有单值函数，并尽可能为线性关系；（2）传感器具有较高的精确度和灵敏度，良好的稳定性和动态特性；（3）传感器结构简单、经久耐用、密封防潮、具有一定的抗振性能和对测量环境有较强的适应性。2023/2/587汽车工程测试技术基础分类方法传感器的种类说明按输入量分位移、速度、温度、压力传感器等传感器以被测物理量命名按工作原理分应变式、电容式、电感式、压电式、热电式传感器等传感器以工作原理命名按物理现象分结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分能量转换型传感器传感器直接将测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，由被测量来控制输出的能量按输出信号分模拟式传感器输出为模拟量数字式传感器输出为数字量表3－1传感器的分类2023/2/588汽车工程测试技术基础

第一节电阻应变片式传感器一、电阻应变片电阻应变片是一种将应变转换成电阻变化的置换元件。可测应变、应力和力、转矩、压强、位移、温度及加速度等物理量。1、应变片的构造和工作原理（1）应变片由敏感元件、基底、引线和盖片组成。敏感元件：感知被测量的变化基底、盖片：保持金属线栅的几何形状引线：把应变片的线栅连接到测量电路2023/2/589汽车工程测试技术基础

2、工作原理一根长为L、截面积A、电阻率为的金属导线，其电阻为：导线被拉伸时，其长度增加，截面积减小，电阻也发生变化：因为：所以：被称为导线材料的灵敏系数。2023/2/590汽车工程测试技术基础应变片的几何形状发生变化引起的灵敏系数的变化。表示金属导线的电阻变化率与其轴线方向的应变之间的关系。应变片材料的电阻率发生变化引起的灵敏系数的变化。2、应变片的特性（1）应变片的灵敏系数K当试件在一维应力作用下，应变片主轴线与主应力方向一致时，应变片的电阻变化率与试件主应力方向的应变之比。2023/2/591汽车工程测试技术基础（2）应变片的横向效应应变片对垂直于其主轴线方向应变的响应，称为应变片的横向效应。（3）应变片的动态特性

（4）应变片的温度特性环境温度变化时，由于电阻丝的电阻温度系数而产生的电阻变化率为：试件的线膨胀系数为，电阻丝的线膨胀系数为，则电阻丝的附加应变为，由其引起的电阻变化为：2023/2/592汽车工程测试技术基础则贴在试件上的应变片的总的电阻变化为：——应变片的电阻温度系数，表达了应变片对温度影响的敏感程度。由于应变片存在电阻温度系数，试件虽无外力作用，但由于环境温度变化，应变片的电阻值也会变化，给测量结果带来误差。（4）应变片的线性及滞后应变片的线性——粘贴在试件上的应变片，其电阻变化率和应变之比为常数。应变片的滞后——粘贴在试件上的应变片作特性曲线时，其加载与卸载曲线不重合。2023/2/593汽车工程测试技术基础（6）应变片的零漂和蠕变应变片的零漂——在试件不受力的情况下，在某恒定温度时，粘贴在试件上的应变片的指示应变值随时间而变化的情况。应变片的蠕变——粘贴在试件上的应变片，在某恒定应变下及不变的温度环境中，其指示应变随时间而变化的情况。

（7）应变片的应变极限——指应变片能够测量的最大应变值。

（8）应变片的电阻值——指应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。2023/2/594汽车工程测试技术基础（9）应变片的几何尺寸基长（标距）——敏感栅的纵向长度，一般2～30mm；基宽——敏感栅的横向宽度，一般<10mm。(10)应变片的绝缘电阻——指敏感栅与基底间的电阻值（>1010）（11）应变片的允许电流——不因电流产生热量影响测量精度时，应变片允许通过的最大电流。允许电流要根据应变片的阻值，并结合电路的具体情况计算。为确保测量精度，在静态测试时一般为25mA，动态测试时为75～100mA。2023/2/595汽车工程测试技术基础

2、应变片的种类与结构特点（1）金属丝式应变片圆角线栅式：横向效应大直角线栅式：连接金属丝的是比金属丝直径大5～10倍的镀银金属丝金属丝式应变片的基底有纸基和胶基两种，分别称为纸基应变片和胶基应变片。2023/2/596汽车工程测试技术基础

（2）金属箔式应变片优点：与粘和层接触面积大，能更好地随同试件变形；受交变载荷时疲劳寿命长，在长时间测量时蠕变小；散热条件好，允许通过较大的电流，这样可以采用较高的电压供给测量电桥，以增加输出。2023/2/597汽车工程测试技术基础（3）半导体应变片优点：灵敏系数高、机械滞后小、横向效应小。缺点：温度稳定性差、测量大应变时非线性较严重、灵敏系数的离散程度大（测量结果误差大）2023/2/598汽车工程测试技术基础4、应变片的粘贴技术粘合剂有：有机粘合剂、无机粘合剂粘贴工艺：（1）试件表面清洗（2）应变片的粘贴（3）固化（4）粘贴质量的检查（5）连接线的安装（6）应变片的防潮与保护2023/2/599汽车工程测试技术基础

二、电阻应变片式传感器1、应变片式传感器由弹性元件、应变片及附件组成；弹性元件在被测物理量的作用下，产生一个与其成正比的应变，然后用应变片作为传感元件将应变转变为电阻的变化。

2、拉、压力传感器的组成——是测量集中力的测力（拉力或压力）传感器，是拉力或压力传感器。拉压力传感器的弹性元件有：柱式、环形、梁式弹性元件三种。2023/2/5100汽车工程测试技术基础（1）柱式弹性元件特点：结构简单、紧凑、可承受很大的载荷。两种形式：按其截面形状可分为矩形和圆柱形，多采用薄壁圆筒形结构。受力：弹性元件不仅受压力或者拉力，还受横向力和弯矩，断面上应力分布不均匀。减少横向力和弯矩的影响：通过适当的布片和接桥；采用空心结构，增大抗弯断面系数，减小弯曲应力、提高抗干扰能力；采用承弯膜片，膜片装在刚性外壳上，当载荷作用在膜片的平面内时，其刚性很大，当载荷垂直于膜片平面时，其刚性很小。膜片承受了大部分弯矩和横向力，对灵敏度的影响较小。2023/2/5101汽车工程测试技术基础（2）环形弹性元件特点：结构简单、自振频率高、坚固且稳定性好、应力分布变化大、应力有正有负、（3）梁式弹性元件特点：灵敏度高、适用于测量小载荷梁式弹性元件是一种特殊形式的等强度悬臂梁，其截面沿梁长方向按一定规律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用力任意距离的截面上应力相等。2023/2/5102汽车工程测试技术基础

2、转矩传感器转矩的测量方法：通常是将转矩传感器直接串接到各种机械的传动系统中。贴片方式：当圆轴受纯转矩时，在与其轴母线成45度角的方向为主应力方向，而且相互垂直方向上的拉、压主应力绝值对相等，符号相反，因此可沿与轴母线成45度的方向垂直贴片。受力特点：除受转矩外，还受轴向力和弯矩的作用受力特点：除受转矩外，还受轴向力和弯矩的作用为消除轴向力和弯矩，其布片方式如图所示。

2023/2/5103汽车工程测试技术基础3、压力、压强传感器应用：广泛应用于测量液体或气体压力、内燃机汽缸的指示压力、液压、压差、喷射压力；汽车轮胎与地面接触面间的压力分布。（1）膜片式压力传感器应用：测量气体、液体压力、犁铧表面土壤压力、地面对轮胎表面的作用力。弹性元件：圆形金属膜片受力分析：当压力作用在膜片上使其变形后，在膜片周边上，切向应变为零，而径向应变为负且绝对值最大；在中心处，切向应变与径向应变相等，都达到正的最大值。布片方式如图所示。2023/2/5104汽车工程测试技术基础（2）筒式压力传感器弹性元件：一端有凸缘且具有盲孔的圆筒。受力分析：圆筒被装置在被测的液压系统中，内腔与被测压力场相通时，圆筒内充满压力油，在油压作用下外壁贴着应变片的圆筒产生相应的变形，从而实现了油压至圆筒变形的变换，应变片再进一步把圆筒的变形转换成电量输出。贴片：沿着圆周线的切应力为横断面上轴向应力的两倍，所以应变片沿着圆周方向粘贴。在圆筒的顶端实心部分无变形，可用以粘贴温度补偿片，和工作片一起构成半桥输出。2023/2/5105汽车工程测试技术基础4、加速度传感器工作原理：端部固定有重块m的悬臂梁，根部贴有应变片R1、R2。如果将梁的底座固定在沿箭头v方向运动的汽车上，当汽车突然制动时，加速度的方向如加速度a的箭头所示。重块m受惯性力F的作用以箭头一的方向相对于底座运动，使梁发生变形，应变片电阻发生变化。当汽车加速度时，重块m沿箭头2的方向相对于底座运动。这时，电桥输出电压极性与前一种运动相反。2023/2/5106汽车工程测试技术基础第二节电感式传感器一、电感式传感器的工作原理和类型1、电感式传感器的工作原理电感式传感器是利用电磁感应原理将被测的非电物理量转换为电感量的变化。2、电感式传感器的分类：（1）自感式传感器：把被测位移变换为线圈自感量的变化。（2）互感式传感器：把被测位移变换为线圈互感量的变化。2023/2/5107汽车工程测试技术基础3、自感式传感器图示的线圈中的电感L为：其中磁路的磁阻为：所以：由上式可知通过改变气息厚度和气隙截面积都能使通过线圈的电感量发生变化。因此，自感式传感器又包括磁路气隙变化式（改变气隙厚度式和改变气隙截面积式）和可动铁芯式两种。2023/2/5108汽车工程测试技术基础（1）型自感式传感器型自感式传感器特性曲线是一条双曲线，如图所示。其灵敏度为：可见型自感式传感器的灵敏度与气隙厚度成反比，越小，灵敏度越高。2023/2/5109汽车工程测试技术基础（2）S型自感传感器S型自感传感器的特性曲线是一条直线，即电感与气隙截面积成正比。其灵敏度为：

可见A型自感式传感器的灵敏度与气隙厚度成反比，越小，灵敏度越高。2023/2/5110汽车工程测试技术基础（3）螺旋管式自感传感器特点：铁芯在线圈形成的圆柱形空间中移动，从而在线圈中产生自感。（4）差动式自感传感器特点：具有两个完全相同的线圈和一个公共衔铁，当衔铁的位置变动时，一个线圈的电感增加，另一个线圈的电感减小。灵敏度是普通传感器的两倍，并减少了环境温度变化、电源电压波动和非线性等引起的误差。2023/2/5111汽车工程测试技术基础4、互感式传感器特点：在线框上绕有一次侧线圈N1，线框的两端绕有二次侧线圈N2a和N2b，线框的中央圆柱孔中放入可移动的铁芯。当一次侧线圈通入一定频率的交流电压时，在两组二次侧线圈中产生互感应电动势，将两互感电动势接成反向串联，传感器会有一个输出电压：（1）铁芯在中间位置时，一次侧线圈产生的磁力线通过两个二次侧线圈N2a和N2b的部分相等，互感电动势e2a与e2b相等，输出电压为零。2023/2/5112汽车工程测试技术基础(2)当铁芯向下移动时，在二次侧线圈N2b中穿过的磁通增多，因而e2b也增大；而在二次侧线圈N2a中穿过的磁通减小，e2a也减小，这时输出电压大小为，输出电压的极性与e2b相同。当铁芯向上移动时,情况恰好相反。2023/2/5113汽车工程测试技术基础二、电感式传感器的应用1、电感式传感器的优点：结构简单、测量力小、工作可靠、测量范围广、零点稳定、灵敏度高、输出功率大。2、电感式传感器的缺点：频率响应差，不宜用于快速动态测量；传感器分辨率与测量范围有关，测量范围越大，分辨率越低，反之亦然。3、电感式传感器的应用（1）直接测量位移和角位移（2）通过一定的感受机构对能够转换成位移量的其它物理量，如振动、张力、压力和流量等进行测量。（3）测量零件的膨胀、伸长、应变和移动等。2023/2/5114汽车工程测试技术基础第三节电容式传感器一、电容式传感器的工作原理可见，若改变A、d或参数中的任一参数，电容器的电容量均会随之改变。电容式传感器的工作原理是将被测物理量的变化转换为电容量的变化。考虑平行极板电容器，当忽略电容器边缘效应时，其电容量为：二、电容式传感器的类型2023/2/5115汽车工程测试技术基础根据改变不同的参数来实现传感器电容量的变化，将电容式传感器分为：改变极板间距式改变极板相对有效面积式改变极板间介电常数式1、改变极板间距式（d型）电容传感器假定电容器极板面积为A，初始极板间距为d0,介电常数为，则电容器的初始电容值为：2023/2/5116汽车工程测试技术基础如果两极板间间距减小，设电容增量为，则有：如果，则上式按泰勒级数展开为：略去高次项，可得到电容增量与极板间距变化量之间的近似线性关系式：2023/2/5117汽车工程测试技术基础电容传感器的灵敏度定义为：可见，若使传感器的输出与输入间具有较好的线性关系，极板间距变化量要尽可能小，以保证。另外，若要提高传感器灵敏度，应尽可能降低电容器极板间的原始间距。所以这种传感器适用于小位移测量。差动式电容传感器原因：采用差动式结构可提高输出灵敏度、减小非线性。当极板移动时，若假定C1的间距减小为，C2的间距增大为，则有：2023/2/5118汽车工程测试技术基础电容器总的电容变化量为：电容量的相对变化值为：若，略去高次项，上式可变为：则这种差动式传感器的灵敏度为：2023/2/5119汽车工程测试技术基础2、改变极板相对有效面积式（S型）电容传感器假定初始状态时电容器的电容量为，改变极板间相对有效面积后，电容器的电容量为Cx，则有：这种传感器输入与输出间具有线性关系，所以适用于大位移测量。这种传感器也可以做成差动式。电容器还可做成扇形、柱面形和圆筒形。2023/2/5120汽车工程测试技术基础3、改变极板间介电常数式（型）电容传感器图示是一种传感器测定液面高度的工作示意图，假定电容器的初始电容值为C0，介电常数改变后电容器的电容值为：电容器的结构特性常数k与电容器结构、真空介电常数及被测介质有关。当传感器结构与被测介质性质确定后，电容器的电容量仅与被测介质高度有关2023/2/5121汽车工程测试技术基础三、电容式传感器的应用1、电容式传感器的优点：体积小、功耗低、精度高、稳定性好、所需驱动机械力小。2、电容式传感器的缺点：（1）极板间距尽可能小，制造装配困难；（2）测量电路中接线与其它元件的寄生电容易引起测量误差。（3）采用高频测量电路，放大与传输时排除分布电容的干扰困难；（4）结构与调整复杂。3、电容式传感器的应用（1）直接测量位移和角位移；（2）通过一些中间转换手段，还可用于振动、噪声、压力等物理量的测量。2023/2/5122汽车工程测试技术基础4、电容式传感器的应用实例（1）噪声测量——振动膜片与背板构成测量电容器，声源的声压作用于振动膜片上，使膜片与声波一起振动，从而改变电容器的电容量，通过测量电路，将电容量转换为电压量输出，实现噪声测量。（2）发动机压力测量——采用电容式压力传感器与调谐电子元件组成振荡回路。当气缸内压力发生变化时，传感器电容量随之改变，从而导致电路中的振荡频率发生变化。通过测量电路，振荡频率变化转换为电压变化，实现气缸内压力的测量。2023/2/5123汽车工程测试技术基础第四节压电式传感器一、压电式传感器的工作原理压电式传感器是基于某些物质具有压电效应。一些晶体如石英、压电陶瓷及锆钛酸钡等，当沿一定方向对其施加外力时，警惕不仅产生机械变形，而且其内部产生极化现象，从而在相对表面上出现异性电荷，形成电场。当外力去掉后，晶体又恢复到不带电状态。这种物理现象被称为压电效应。压电效应所产生的电荷量与作用力成正比：二、压电式传感器的类型2023/2/5124汽车工程测试技术基础采用两个或两个以上晶片压电材料组成压电式传感器时，由于压电材料具有极性，因此有不同的连接方法。压电材料具有很高的内阻，且输出能量微弱，因此必须配备具有很高输入阻抗的前置放大装置进行阻抗匹配与前置放大。根据传感器的连接方式及输出信号的不同，压电式传感器分为：电荷放大式（并联）电压放大式（串联）1、电荷放大式电荷放大器的电路特点是其输出电压只与传感器产生的电荷输入量及放大器反馈电容有关，而与构成电路的电缆所形成的分布电容和信号频率无关。2023/2/5125汽车工程测试技术基础2、电压放大式电压放大器的输出电压与输入电压成正比，但也与被测信号频率及测量电路分布电容有关。三、压电式传感器的应用1、压电式传感器的优点尺寸小、结构简单、重量轻、工作可靠、频率响应范围宽。2、压电式传感器的应用（1）压力、应力、振动、加速度；（2）发动机内部的燃烧压力及其真空度、车轮接地压力。2023/2/5126汽车工程测试技术基础3、压电式传感器的应用实例——压电式加速度传感器测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性固接，从而使传感器承受与试件相同频率的振动。由于惯性力的作用，质量块对压电片会施加一正比于加速度的交变力。由于压电效应，在压电片两表面上就会产生电荷。电荷输出量与作用力成正比，即与试件加速度成正比，从而实现加速度测量。所测加速度信号也可被送入积分电路，从而间接测量振动物体的线速度与线位移。2023/2/5127汽车工程测试技术基础第五节磁电式传感器一、磁电式传感器的工作原理磁电式传感器是一种可将被测非电物理量转换成感应电动势的传感器。由磁感应定律可知，当通过闭合导电回路面积内的磁通量发生变化时，回路内就会产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即：磁通量的变化率与磁场强度、磁路磁阻及导线运动速度有关。2023/2/5128汽车工程测试技术基础一、磁电式传感器的类型根据结构型式的不同，磁电式传感器可分为：动圈式和磁阻式两类。1、动圈式（1）线圈作直线运动右图所示线圈中的感应电动势为：N——线圈匝数B——磁场磁感应强度l——单匝线圈的有效长度v——线圈相对于磁体的运动速度当传感器结构确定后，N，B，l为常数，感应电动势仅与线圈运动速度有关，且为线性关系。2023/2/5129汽车工程测试技术基础（2）线圈转动线圈内产生的感应电动势为：A——单匝线圈的截面积——线圈转动的圆频率——线圈运动方向与磁场方向的夹角当传感器结构确定后，N、B和A为常数，感应电动势的大小与圆频率有关。这种传感器常用于角速度测量。另外，也可以将线圈固定，使永久磁铁相对于线圈运动，也可以构成磁电式传感器。2023/2/5130汽车工程测试技术基础2、磁阻式线圈与磁铁均固定，使某种由导磁材料制成的物体运动来改变磁路的磁阻，从而改变贯穿线圈的磁通量，使线圈内产生的感应电动势发生变化。右图所示的结构中，当导磁物体旋转时，磁阻因两磁极间空气隙发生变化而变化。三、磁电式传感器的应用1、磁电式传感器的应用范围具有较高的灵敏度，经常用于测量位移、速度和加速度等。2023/2/5131汽车工程测试技术基础2、磁电式传感器的应用实例（1）磁电式测振计（动圈式）右图所示的结构中，将测振计与被测振动物体紧固在一起。当物体振动时，测振计内的线圈在惯性作用下产生往复运动，从而改变其产生的感应电动势。由于传感器输出与振动物体线速度成正比，所以可直接用于测量振动速度，因此也被称为磁电式速度计。如果将这种传感器的输出送入微分或积分电路，则可以实现振动物体的加速度与位移测量。优点：由于磁电式传感器质量较大，固有频率较低，当被测信号频率较低时，也具有理想的幅频特性。缺点：体积大，安装固接难，难于适应质量小、结构复杂及运动空间狭小的测振对象。2023/2/5132汽车工程测试技术基础（2）磁电式转矩传感器（变磁阻式）当弹性轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙的变化，从而改变了磁阻，这样就在信号线圈中分别感应出两路脉冲信号。在弹性轴不受转矩作用时，两路脉冲信号的相位差是一个常数。当弹性轴受到转矩作用时，由于扭转变形而使两路脉冲信号的相位差发生变化，其变化量与外加转矩成正比。将脉冲信号送入专用转矩仪，相位差被变换为当量电压输出，并可用数字形式显示转矩。优点：由于采用了感应式非接触传输方式，具有很好的稳定性和测量精度。2023/2/5133汽车工程测试技术基础（3）磁电式转速计右图所示的结构中，旋转盘与被测旋转件固接并随之旋转，而传感器固定不动。旋转盘上的每个齿经过磁极时都会在线圈中感应出一个脉冲信号，将次信号送入二次仪表进行整形放大并对其计数，由于旋转盘齿数已知，在某一特定时间内，根据所累计的脉冲个数，即可求得转速。特点：测量精度较高、适于低转速测量，可用于汽车的行驶速度、发动机转速等测量。2023/2/5134汽车工程测试技术基础第六节光电式传感器一、光电式传感器的工作原理光电式传感器是一种将光量转换为电量的传感器。其工作原理是光电效应。1、光电效应光电传感器由光源、光学元件和光电元件组成。光源发射出一定光通量的光线，经光学元件照射到光电元件上，光电元件由于吸收了光的能量而产生电量输出，这就是光电效应。2023/2/5135汽车工程测试技术基础2、光电效应的类型（1）外光电效应——在光的作用下，光电元件的表面会逸出电子，这种光电效应称为外光电效应。（2）内光电效应——在光的作用下，光电元件的电阻率会发生变化，这种现象被称为内光电效应。（3）光生伏特效应——在光的作用下，光电元件内部产生电动势的现象称为光生伏特效应。3、光电变换元件不同的光电变换元件应用了不同的光电效应：2023/2/5136汽车工程测试技术基础（1）光电管真空玻璃管内装有两个电极，光电阴极受到光照射时便放出电子，电子在阳极电场作用下形成电子流，从而在外电路中产生电流，并在负载上形成电压降，该电压经放大后可实现电测量。2023/2/5137汽车工程测试技术基础（2）光敏电阻光导效应——由于光照强弱而导致半导体电阻值变化的现象称为光导效应。光敏电阻是具有光导效应的半导体材料制成的电阻元件。将光敏电阻与一普通电阻串联接至电源上。当有光照时，电路中的电流因电路阻值变化而发生变化，从而把光信号转换为电信号。光电流——光敏电阻受光照而引起电路中电流强度的变化，光照前后电路中的电流差称为光电流。（3）光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电元件。光电池有一个大面积的P-N节，当光照射到P-N节上时，便在其两端产生电动势，这种现象被称为光生伏特效应。2023/2/5138汽车工程测试技术基础二、光电式传感器的类型根据光通量对光电元件的作用所确定的光学装置的不同，光电式传感器有两类：1、光电式传感器的测量系统是光电流为被测光通量的函数，光电流是被测非电量的函数。（1）辐射能源就是被测对象（2）光源是白炽灯，其光通量穿过被测对象，部分被吸收后，再照射到光电元件上。2023/2/5139汽车工程测试技术基础（3）光源的光通量首先照射到被测对象上，然后经被测对象表面反射到光电元件上。（4）从光源发出的光通量由于受被测对象的遮挡而只能部分照射到光电元件上。2、光电式传感器的测量系统是使其输出端工作在通与断的开关状态，传感器的输出是电脉冲信号。2023/2/5140汽车工程测试技术基础三、光电式传感器的应用1、优点：响应速度快、结构简单、可靠性好2、应用：用于转速、位移、距离及温度等物理量3、应用实例——光电式转速传感器从光源发射出的光经过圆盘上的小孔照射到光电元件上。圆盘开有多个小孔，圆盘每转动一周，则光电元件感光次数与小孔数目相同，从而产生相应数量的电脉冲信号。定时计量电脉冲数，可用下式计算转速：2023/2/5141汽车工程测试技术基础第七节热电式传感器一、热电式传感器的工作原理热电式传感器是利用某些材料或元件的物理性能与温度有关，从而将温度变化转换为电量变化。二、热电式传感器的类型（1）热电偶——由两种不同导体组成的电气元件。热电效应——将两种不同的导体或半导体的两端连接在一起组成闭合回路，如果使两端连接点处于不同温度，就会在回路中产生由温度差所决定的电动势，从而在回路中形成电流，这种现象称为热电效应。2023/2/5142汽车工程测试技术基础将热电偶的一端置于被测温度场（工作端），另一端置于某一恒定温度场（自由端）。当热电偶两端温差较大时、回路中产生的电动势也较大。通过测定热电偶输出电动势的大小，即可测得被测温度值。（2）热敏电阻热敏电阻是一种具有很高负电阻温度系数的新型半导体测温元件。在室温下，温度每变化1度，热敏电阻的电阻率变化可达－2％～－6％。热敏电阻按其热电特性可分为：负温度系数NTC型，适于－100～＋300度的温度测量；正温度系数PTC型，常用作开关元件；临界温度CTR型。2023/2/5143汽车工程测试技术基础（3）P-N节利用晶体管的P-N节温度特性可以制作温度传感器。二、热电偶的类型1、普通热电偶，主要用于测量气体、液体等介质的温度；2、铠装热电偶，适于测量狭小对象上的温度；3、薄膜热电偶，适于测量高温物体的表面温度。三、热电式传感器的应用1、可用热电偶测量发动机气缸内气体的温度和排气阀温度、活塞温度；2、用热电偶埋入摩擦片内测量离合器接合或制动器制动时的温升；3、热敏电阻制成点温度计，测量汽车万向节磨损试验时其十字轴端的温升。2023/2/5144第四章信号的中间变换与传输汽车工程测试技术基础被测物理量经过传感器变换后转换为电参量或电量以后，为了驱动显示仪表、记录器、控制器或输入电子计算机进行数据处理，往往需要进行某种处理或调制，即进行中间变换与传输。信号的中间变换环节包括：电桥、滤波、放大、调制和解调；第一节电桥电桥——将电阻、电容及电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。电桥的分类：按接入电桥的激励电压的性质，将电桥分为:直流电桥和交流电桥

按照输出测量方式，将电桥分为：不平衡电桥和平衡电桥2023/2/5145汽车工程测试技术基础一、直流电桥1、直流电桥的平衡条件根据欧姆定律，a、b之间与a、d之间的电位差分别为：图4－1直流电桥输出电压：当输出电压为零时，电桥平衡，显然当：2023/2/5146汽车工程测试技术基础2、电桥灵敏度根据参与电阻值变化的桥臂数目，电桥可分为半桥和全桥接法。输出电压：当输出电压为零时，电桥平衡，显然当：2023/2/5147汽车工程测试技术基础

一、滤波器的分类第二节滤波器滤波器——滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。滤波器的作用——滤波器对频率的筛选作用