测试技术与信号处理课件

0、绪论

§1测试技术课程概述一、测试技术概念测试技术（MeasurementandTestTechnique）测量－－对物理量的测量（静态和动态）试验－－研究、产品设计和研发的基本环节对对象或过程中的反应状态基本参数或物理量进行检测(测量),通过信号的获取、转换、传输、显示和处理,以获得可靠的数据和反馈信息(分析,判断或控制).测量信号：模拟、数字、连续、离散

一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。

传感器将被测物理量(如噪声,温度)检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。

信息转换信息提取二、课程内容：

本课程主要介绍机械工程和工业自动化等领域中常见物理量(压力、应变、位移、加速度、温度等）的传感器测量原理、测量电路原理和信号分析方法。绪论信号及描述传感器原理测试系统特性信号调理记录信号处理位移振动应变测量虚拟仪器技术内容如下三、测试技术的工程应用

在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制等，都离不开测试技术。测试技术应用涉及到航天、机械、电力、石化和海洋运输等每一个工程领域。

1、工业自动化中的应用

a)机械手、机器人中的传感器

转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。

在各种自动控制系统中，测试环节起着系统感官的作用，是其重要组成部分。密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗b)AGV自动送货车

超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型c)生产加工过程监测

切削力传感器，加工噪声传感器，超声波测距传感器、红外接近开关传感器等。密歇根大学数字化工厂2、流程工业设备运行状态监控

在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。

石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。3、产品质量测量

在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。

图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，可以了解产品质量。机床加工精度测量汽车扭矩的测试4、楼宇控制与安全防护

为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。

图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器5、家庭与办公自动化

在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。指纹传感器透光率传感器温湿度传感器温度传感器全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度)液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测)。6、其他应用航天农业交通医学四、测试技术的发展趋势1、传感器方面

a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器光纤流速传感器荧光材料制作的电子鼻传感器生物酶血样分析传感器热/光电量b)传感器+嵌入式计算机

智能传感器

振动网络传感器嵌入式计算机智能压力网络传感器智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器2、测量信号处理方面

计算机虚拟仪器技术

用PC机＋仪器板卡代替传统仪器用计算机软件代替硬件分析电路优点我们的工作3主要传感器和测试仪器生产厂商2）振动/噪声传感器丹麦B&K（振动测量、声学测量领域最富盛名）/1）工业自动化类传感器美国霍尼威尔公司（有全球最大传感器技术研究中心）

/china3）测量分析仪器

美国国家仪器公司(全球最大的计算机虚拟仪器生产商)/美国Agilent公司(原惠普公司仪器部，著名的测试仪器商)/五、参考资料1.《机械工程测试技术基础》，黄长艺等，机械工业出版社；2.《检测技术》，于传芳、郑仲民，机械工业出版社；3.《测试技术基础》，王伯雄，清华大学出版社；4.《工程测试与信息处理》，卢文祥等，华中科技大学出版社。§2测试的基础知识一、量、量纲、单位1.量、量纲：1)基本量：长度L、质量M、时间T、温度θ、电流I、发光强度N、物质的量J2)导出量：基本量－－（函数关系）－－导出量力量纲：电阻量纲：2.单位：基本单位：m，kg，s，K，A，cd，Mol

辅助单位：平面角rad，立体角sr

导出单位：由基本和辅助单位导出二、测量基准:

保存和复现计量单位的计量器具，分国家基准、副基准、工作基准三级。三、测量方法：直接测量（直接和间接比较，等精度和不等精度测量），间接测量，组合测量。四、测量误差1.绝对误差：δ＝x－Q（x－测量值，Q－真值）2.相对误差：3.引用误差：rn＝δ/Ym*100%（Ym－－引用值，一般为仪器量程或标称范围最大值）4.分贝误差：20lg（x/Q）差表达举例：P9/例1、2、3误差的分类：系统误差、随机误差、粗大误差五、测量结果的表达(样本平均值±不确定度)1.样本算术平均值：2.标准偏差估计值：3.置信概率：4.不确定度：5.测量结果表达：§2测试的基础知识一、量、量纲、单位1.量、量纲：1)基本量：长度L、质量M、时间T、温度θ、电流I、发光强度N、物质的量J2)导出量：基本量－－（函数关系）－－导出量力量纲：电阻量纲：2.单位：基本单位：m，kg，s，K，A，cd，Mol

辅助单位：平面角rad，立体角sr

导出单位：由基本和辅助单位导出第一章、信号及描述§1信号的分类与描述

信号的分类主要是依据信号波形特征来划分的，在介绍信号分类前，先建立信号波形的概念。信号波形：被测信号信号幅度随时间的变化历程称为信号的波形。波形返回目录0At信号波形图：用被测物理量的强度作为纵坐标，用时间做横坐标，记录被测物理量随时间的变化情况。

为深入了解信号的物理实质，将其进行分类研究是非常必要的，从不同角度观察信号，可分为：1从信号描述上分--确定性信号与非确定性信号；2从信号的幅值和能量上--能量信号与功率信号；3从分析域上--时域与频域；4从连续性--连续时间信号与离散时间信号；5从可实现性

--物理可实现信号与物理不可实现信号。1确定性信号与非确定性信号

可以用明确数学关系式描述的信号称为确定性信号。不能用数学关系式描述的信号称为非确定性信号。周期信号：经过一定时间可以重复出现的信号

x(t)

=

x(t+nT)简单周期信号复杂周期信号b)非周期信号：再不会重复出现的信号。

准周期信号:由多个周期信号合成，但各信号频率不成公倍数。如：x(t)=sin(t)+sin(√2.t)瞬态信号:持续时间有限的信号，如x(t)=e-Bt.Asin(2*pi*f*t)c)非确定性信号：不能用数学式描述，其幅值、相位变化不可预知，所描述物理现象是一种随机过程。

噪声信号(平稳)统计特性变异噪声信号(非平稳)2能量信号与功率信号

a)能量信号

在所分析的区间（-∞，∞），能量为有限值的信号称为能量信号，满足条件：一般持续时间有限的瞬态信号是能量信号。b)功率信号

在所分析的区间（-∞，∞），能量不是有限值．此时，研究信号的平均功率更为合适。一般持续时间无限的信号都属于功率信号:3时限与频限信号

a)时域有限信号在时间段(t1，t2)内有定义，其外恒等于零．

b)频域有限信号在频率区间(f1，f2)内有定义，其外恒等于零．三角脉冲信号正弦波幅值谱4连续时间信号与离散时间信号

a)连续时间信号:在所有时间点上有定义

b)离散时间信号:在若干时间点上有定义幅值是否连续，模拟信号（连续）、数字信号（离散）。采样信号5物理可实现信号与物理不可实现信号物理可实现信号：又称为单边信号，满足条件：

t＜0时，x(t)=0，即在时刻小于零的一侧全为零。b)物理不可实现信号：在事件发生前(t<0)就已知信号。信号时域和频域描述方法

时域描述法：主要反映信号的幅值随时间变化的特征。分析系统时，除采用经典的微分或差分方程外，还引入单位脉冲响应和单位序列响应的概念，借助于卷积积分的方法。频域分析法：将信号和系统的时间变量函数或序列变换成对应频率域中的某个变量的函数，来研究信号和系统的频域特性。对于连续系统和信号来说，常采用傅里叶变换和拉普拉斯变换；对于离散系统和信号则采用Z变换。频域分析法将时域分析法中的微分或差分方程转换为代数方程，给问题的分析带来了方便。实际信号的形式常常是比较复杂的。因此常常将复杂的信号分解成某些特定类型（易于实现和分析）的基本信号之和，如正弦信号、复指数型信号、阶跃信号、冲激信号等等。信号的频域描述即是将一个时域信号变换为一个频域信号，将该信号分解成一系列基本信号的频域表达形式之和，从频率分布的角度出发研究信号的结构及各种频率成分的幅值和相位关系。－－幅频谱、相频谱。例：P21：方波的幅频和相频谱§2周期信号与离散频谱一、傅里叶级数的三角函数展开式周期信号可展开成傅里叶级数，即周期信号可由多个不同频率的谐波叠加而成。二、傅里叶级数的复指数函数展开式

周期信号按傅里叶级数展开后，可作出其幅频谱图和相频谱图，其特点：1.周期信号是离散的；2.每条谱线只出现在基波频率的整数倍上；3.各频率分量的谱线高度表示该谐波的幅值或相位角，谐波幅值总趋势随谐波次数的增高而减小。三、周期信号的强度表述周期T，频率f=1/T峰值，双峰值，均值，绝对均值，均方根值，均方值AtT

PPp-p§3非周期信号与频谱准周期信号（几个简谐信号叠加，频比非公约数）瞬变非周期信号（T为无穷大，频率为0）信号的频域分析手段是傅立叶变换。或求解：

与周期信号相似，非周期信号也可以分解为许多不同频率分量的谐波和，所不同的是，由于非周期信号的周期T

∞，基频fdf，它包含了从零到无穷大的所有频率分量，各频率分量的幅值为X(f)df，这是无穷小量，所以频谱不能再用幅值表示，而必须用幅值密度函数描述。

另外，与周期信号不同的是，非周期信号的谱线出现在0,fmax的各连续频率值上，这种频谱称为连续谱。信号的频域分析

对比:方波谱§4随机信号

平稳随机（各态历经）信号

非平稳随机信号（统计特征参数随t变化）返回目录第二章、测试装置的基本特性

§1概述测试装置的基本特性

静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰性不失真测量：语音片段1(Good)语音片段2(bad)

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。返回目录§2测试系统静态响应特性

如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或低频），则称为静态测量。

静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。a)灵敏度

当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△xyx△x△yb)非线性度

标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。

非线性度=B/A×100%yxBc)回程误差

测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxAd)静态响应特性的其他描述精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标

灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。

分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。

可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。

稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量

灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：

无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出§3测试系统的动态响应特性

y(t)=X(t)*h(t)卷积分一、测试系统基本要求

理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入－输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。xy线性xy线性xy非线性二、测试系统的动态特性分析基础一）线性系统的特性

系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性微分方程来描述：线性系统(时域描述)一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。２.线性系统性质：a)叠加性

系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即若x1(t)→y1(t)，x2(t)→y2(t)

则x1(t)±x2(t)→y1(t)±y2(t)b)比例性

常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即:

若x(t)→y(t)则kx(t)→ky(t)c)微分性

系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即若x(t)→y(t)则x'(t)→y'(t)d)积分性

当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即若x(t)→y(t)则∫x(t)dt→∫y(t)dte)频率保持性

若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即

若x(t)=Acos(ωt+φx)

则y(t)=Bcos(ωt+φy)

线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。二)线性系统动态特性的描述方法三.测试系统的动态特性描述（4)频率响应函数的求法1)有传递函数H（s）求H(jw)：2)通过实验求得H(jw)：3)由x(t)，y(t)通过傅里叶变换得到x(jw)和y(jw),求出H(jw)。四、常见测试系统的频率特性（一）一阶测试系统（惯性环节）例：液柱式温度计

C---液柱介质的热容

R---介质的热阻一阶测试系统的一般式：

§4测试装置对任意输入的响应一、对任意输入的响应：利用h(t)，H（s）或H（w）来进行分析计算二、对单位阶跃输入的响应1.一阶系统：响应的快慢取决于时间常数2.二阶系统：振荡响应取决于ζ和wm，ζ影响超调量和振荡次数（ζ越小，振荡越大，超调越大），wm影响响应快慢（wm越高，系统响应越快）§5实现不失真测试的条件一、理想测试的含义

x(t)y(t)y(t)=AoX(t-to)1)输出信号的幅值是输入信号的Ao倍

2)输出信号处处滞后于输入信号同一时间to二、理想测试的条件幅频特性：A(w)＝Ao＝const

相频特性：φ（w）＝－wto＝线性

理想测试系统三、实际测试装置的测试失真1.实际测试装置只能在某一频率段达到近似的理想测试，要选用合适的测试装置；2.对单一频率成分的信号测试，一般不会产生失真；3.对多种频率成分的信号，特别在跨越测试装置固有频率前后信号的失真最为严重；4.一般应对输入信号进行预处理，滤去非信号频带内的噪声，防止噪声进入共振区。§6测试装置动态特性的测量1、频率响应法通过不同频率正弦激励信号，测出不同频率下的输出、输入的幅值比和相位差，得到A(w)和φ（w）特性图。结构参数的确定：一阶系统：由幅频特性直接确定二阶系统：利用A（wn)接近峰值，确定ζ和wn2、阶跃响应法：由测试装置的阶跃响应曲线，确定系统的动态特性参数。§7负载效应1.负载效应概念：一个装置连接到另一个装置上，发生能量交换，影响其状态、输出和传递函数。2.负载效应原理：ER1R2RmV3.减轻负载效应的措施对电压输出环节1)提高后续环节的输入阻抗；2)插入高输入阻抗、低输出阻抗的放大器；3)使用反馈或零点测量原理。4.负载效应（阻抗匹配）的应用：要注意测试系统对被测对象的影响，测试系统内部各组成部分之间的相互影响。§8测试装置的抗干扰1.主要干扰源

电源干扰（电网噪声、供电电路耦合）、信道干扰（元件噪声和非线性畸变）、电磁场干扰（电磁波辐射）2.抗干扰措施电源（采用稳压器、低通滤波器、单独供电模块）；信道（元器件和设计方案的合理选用、元器件合理排放、能降低电磁干扰的信号传输方法）；合理的接地设计（地线是所有信号公共点）。返回目录第三章常用传感器与敏感元件§1传感器概述与分类被测量易测、传输信号易处理信号传感器（测量变送器）常把被测量转换为电量如：热电耦、超声波转换器、红外遥感器电能量信号（U,I）电量信号电参数信号(R,L,C)敏感元件§2机械式传感器（简介）1.概念：力、压力弹性变形温度等（应变）2.特点：惯性大、固有频率低、蠕变、弹性后效，适宜缓变、静态测量。3.应用：

1)转换成指针偏转、刻度指示：测力计、压力计、温度计；

2)转换成位移量，通过其它传感器转换成电量；

3)微型探测开关：通过两个簧片磁化接通。弹性元件§3电阻、电容与电感式传感器§3.1电阻式传感器被测量电阻式传感器电阻变化测量电路电压变阻式(电位计)、电阻应变式、敏感电阻式传感器一、变阻式传感器改变电阻长度线、角位移、非线性改变电阻灵敏度：后测电路：电阻分压电路线性输出条件Rp/RL很小二、电阻应变式传感器（一）应变片的分类与结构1.丝式应变片：电阻丝（高电阻率康铜丝）、基底（绝缘）覆盖层、引出线应变片特性比较

金属应变片半导体应变片原理：导体形变R变化；压阻效应ρR变化优点：非线性误差小；S高，机械滞后、体积小

缺点：S低；非线性误差大，温度稳定性差

应用：较大变形；小变形

其他应变片传感器

固态压阻式传感器：基本同半导体应变片，但集成度更高，更小，主要用于压力、加速度测量。动态电阻应变仪：应变片＋测量处理电路集成动态电阻应变仪电阻式应变片传感器的应用方法电阻应变片直接应用实例二、电容式传感器（一）变换原理与分类被测参数电容量的变化（二）极距变化型电容式传感器S高，非线性误差大，用于动态非接触式小位移（0.01～数百微米）测量（三）面积变化型电容式传感器(四）介质变化型电容式传感器介电常数变化C变化，用于测量介质的厚度、温度、湿度或液位的变化。（五）电容传感器的测量电路1.电桥型电路：将电容传感器作为桥路的一部分，由电容的变化电压的输出2.直流极化电路3.谐振电路4.调频电路5.运算放大器电路（利用比例运算放大器可转化成线性关系）6.电容集成压力传感器：电容敏感元件＋测量电路集成（六）电容式传感器的特点与应用3.介质型电容传感器：测量介质的变化（温度、湿度、厚度等）和液位三、电感式传感器

被测量(力、位移)电感量(自感L、互感M)(一)自感型电感传感器Ⅰ、可变磁阻式后接电路Ⅱ、涡流式电感传感器后接电路分压式调幅、调频电路（二）互感型－－差动变压器式电感传感器双螺管线圈差动型、差动变压器式传感器返复习五4.差动变压器式传感器的后接电路：（三）电感式传感器的特点与应用§4磁电、压电与热电式传感器一、磁电式传感器被测量电磁感应感应电势动圈式、磁阻式磁电传感器（一）动圈式磁电传感器线圈与磁场相对运动，切割磁力线线速度、角速度型动圈式传感器应用：测量速度（二）磁阻式磁电传感器

改变磁路磁阻感应电势磁阻式磁电传感器应用二、压电式传感器力参数压电材料电能量信号（电荷）超声波压电效应6.测量电路

前置放大器作用：阻抗匹配（高输出阻抗变为低输出阻抗）放大微弱信号类型：电阻反馈电压放大器、电容反馈电荷放大器电荷放大器7.压电式传感器的应用

用于测量动态的力参数（压力、应力、加速度）和超声波的发射、接收

1)2)3)4)压电式传感器的可逆应用：加交变电压，晶片产生伸缩变形，可作为振动源。三、热电式传感器

温度金属（热电偶、热电阻）电量热电效应（一）热电偶1.工作原理：热电动势＝温差电动势＋接触电动势

EAB(T,T0)=f(T)－f(T0)=f(T)－C2.特点：1)A、B材料相同，接点温度不同(T与T0)，EAB=02)接点温度相同(T与T0)，A、B材料不同，EAB=03)EAB与中间温度无关，只与接点温度和A、B材料有关；4)EAB(T3,T1)=EAB(T3,T2)＋EAB(T2,T1)5)中间导体定律：在热电偶回路中，接入第三种导体（两端温度相同），不会影响热电动势；用于在热电偶中接仪表、导线，开路热电偶测量6)标准(参考)电极定律：热电偶的选配

EAB(T2,T1)=EAC(T2,T1)＋ECB(T2,T1),c为参考电极开路热电偶3.热电偶分类和选用1)铂铑－铂(WRLB)：＋极－－铂铑2)镍铬－镍硅(WREU)：＋极－－镍铬3)镍铬－考铜(WREA)：＋极－－镍铬4)铂铑30－铂铑6(WRLL)：＋极－－铂铑30

各种热电偶的特点和选用（测量温度范围T高低、电动势大小、S高低价格高低）（二）热电阻传感器

温度变化(金属)热电阻(半导体)热敏电阻电阻1.铂电阻：2.铜电阻：ρ小，细长，测低温和无浸蚀介质3.其他热电阻：铟电阻、锰电阻、碳电阻4.热敏电阻：半导体传感器，非线性，灵敏度高§5光电传感器测量量变化光信号变化光电效应电信号一、光电效应1.外光电效应(光电子发射效应)光电材料内电子光照逸出物体表面成自由电子光电流（光电子发射效应）光子能量＝电子动能＋逸出功1)条件：hv>A，光的阀值频率、光的阀值波长λ0（光电材料的红限）2)逸出光电子数入射光子数（入射光强度）3)反向截止电压U0：与入射光频率成正比，与光强无关。应用：光电管、光电倍增管2.内光电效应（光导效应）物体内部电子光照(吸收能量)内部自由电子物体导电性能变化应用：光敏电阻、光导管3.光生伏打效应光电材料(光电池)光线电动势（电子－空穴对）应用：光电池(硅、硒、砷化镓等)二、光电元件1.光电管1)结构：光电阴极k(发射电子)、阳极A(接收电子)2)特性参数：频谱灵敏度、红限、逸出功3)特性曲线：光电特性曲线、伏安特性曲线2.光电倍增管结构：光电阴极、光电阳极、倍增极(次阴极)作用：增加光电管的灵敏度3.光敏电阻：1)原理(内光电效应)：光电能量hv>禁带宽度，光敏电阻内电子跃迁，激发空穴－电子对，降低电阻率，提高导电性能。2)特点：S高，光谱响应范围宽(紫外－－红外)3)特征参数：

1)亮(暗)电阻、亮(暗)电流、光电流

2)光照特性：I=f(F),I光电流，F光通量

3)伏安特性：U=f(I)，光照强度一定

4)光谱特性：S随入射光波长变化

5)响应时间特性：光照时间常数光电流

6)光谱温度特性：温度对I、S、光谱特性等4.光敏晶体管：光照后，光子打在PN结上，产生电子－空穴对，形成光电流光敏二极管、光敏晶体管导通。光敏晶体管的灵敏度是光敏二极管的β倍光敏晶体管的基本特性：光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性、响应时间等。四、光电传感器应用（一）脉冲盘式角度－数字编码器（二）码盘式角度－数字编码器角位移编码盘、光电元件数字信号§6光纤传感器

被测量光学量电量一、分类1.按光波调制方式：强度、频率、相位、偏振调制光纤传感器。2.按光纤作用：功能型（传光元件、敏感元件）、传光型（传光元件）光纤传感器

光电元件光纤传感器二、光纤导光原理1.光纤的全反射：大于临界入射角2.光纤结构：芯子（n1大折射率）包层（n2小折射率）保护层（n3大折射率）数值孔径NA（0.2~0.4）临界入射角三、光纤传感器应用光纤位移传感器（位移、温度、压力、振动）测声压、水压反射式光纤传感器测小位移、振动、表面状态（三坐标测量机）四、光纤传感器特点1.光波传递信息，不受电磁影响；2.不会燃烧、爆炸，可在特殊环境下测量；3.工作性能优于传统传感器；4.小、轻、可绕性好，宜狭窄空间工作；5.具有良好几何形状适应性；6.频带宽、动态范围大；7.宜远距离测控。§7半导体传感器原理：非电量半导体材料电量

(光,热,力,磁,气)特点：物性型、重量轻、体积小、敏感、响应快;

输出非线性、分散性大、温度影响大。一、磁敏传感器1.霍尔元件1)霍尔效应：

2)霍尔元件结构：(敏感部分＋变换电路)集成3)霍尔元件应用：微小位移测量为基础2.磁敏元件3.磁敏管二、热敏传感器1.热敏电阻原理：

2.特点：1)灵敏度高：－20～－150Ω/℃，比热电偶、金属电阻高很多；2)可做各种形状、体积小、热响应快；3)热敏电阻本身阻值大：100～106Ω；4)可测范围大：－200～＋1000℃；5)非线性大，对环境温度敏感。三、气敏传感器1.原理：气敏元件表面吸附气体导电率变化2.结构：气敏元件＋电极＋加热丝3.应用：有毒和可燃气体检测四、湿敏传感器1.原理：湿度吸附层水分解导电离子R2.应用：湿度测量五、固态图像传感器1.原理：光像分解小单元(像素)电信号2.结构：电荷耦合器件CCD

（chargecoupleddevice）3.应用：1)物位、尺寸、形状、工件损伤

2)光学信息处理输入环境六、集成传感器1.原理：（传感器＋后续电路）集成2.特点：1)体积小、重量轻、结构简单

2)智能传感器（具有条件调节和温度补偿能力，通信能力，自诊断能力、逻辑判断能力）§8红外测试系统一、红外辐射（红外线）1.电磁波波谱：红外线波长：0.76~1000μm近红外：0.76~2.5中：2.5~25远：25~10002.红外线的特点（1)斯蒂芬－玻耳兹曼定律：反映物体的红外线辐射功率与物体温度(2)普朗克定律：物体温度与波长关系绝对温度2000k以下的物体都会产生红外辐射，辐射的峰值点随温度降低而转向长波长。（3)不同物体对红外线有不同的吸收（衰减）能力。三、红外探测器

红外辐射能电能1.热探测器：红外辐射探测元件温度变化电量热电偶型、气动型、热释电型2.光子探测器：红外辐射半导体材料光电效应电量四、红外测试应用：1.辐射温度计：红外辐射热电偶（阻）（黑体）电压应用：800℃以上的高温测量

2.红外测温计物体红外辐射光系统（聚焦、调制）热敏电阻电桥电信号输出应用：0~700℃中、低温测量3.红外热像仪红外辐射光系统探测器扫描电信号应用：无损检测、热变形检测、电子电路热分布检测等。4.其他：红外线探测器、红外感温器(探头)、自动报警监视、产品记数等。§9激光测试传感器了解，激光测试有很高的精度和较大的测量范围，可进行多种物理量（长度、位移、速度、转速、流量、形变、表面形状等）测量

§10传感器的选用原则1.灵敏度：高能测量微小变化的被测量量，对干扰信号、横向灵敏度、交叉灵敏度、测量范围；2.响应特性：频率响应特性、响应延迟。缓变信号测量（电阻、电感、电容、磁电式等结构型传感器）、动态测量（光电效应、压电效应等物性传感器）3.线性范围：线性范围越宽，工作量程越大，大部分传感器都有一定的非线性，通过限制测量范围，来达到近似线性范围测试（电容式、电感式传感器）。4.可靠性：传感器工作环境、使用条件对传感器可靠性的影响。5.精确度：精确度与经济性相关，与测量要求相关。6.测量方法：接触与非接触测量（方便，如电容、涡流传感器）、在线（自动控制）与非在线测量第四章信号的调理与记录

传感器信号需调理和转换的原因§1电桥一、直流电桥1.结构：电源端ac

输出端bd

四个桥臂（电阻应变片、热敏电阻、电阻温度计）2.原理：

1)平衡条件：R1R3=R2R42)等臂电桥：相邻臂相等，或四个臂相等3)连接方式：电桥输出电压：

3.电桥的和差特性及应用：二、交流电桥§2调制与解调

概述一、幅值调制和解调1.幅值调制概念：已调制信号为调制信号（被测信号）和高频载波信号的乘积2.调幅的频域分析：被测信号x(t)和载波信号y(t)相乘，频域特征：x(t)的频谱由坐标原点平移至载波频率±f0处，调幅相当于频率的迁移。调幅的实现与特点3.调幅信号的解调1)同步解调：再一次频率搬移：调幅波与载波信号相乘，然后进行低通滤波。要求乘法器具有良好的线性。

2)包络检波（整流检波）：调制信号＋整流偏置＝正电压信号，调幅信号的包络线与调制信号同形状，滤去高频，去掉偏置电压解调。加偏置电压合理足够。3)相敏检波：利用调幅波与载波信号的相位极性关系来解调，可重显调制信号的变形。动态电阻应变仪二、信号的调频与解调1.调频概念：

2.调频方法：LC振荡电路、压控振动器（VCO）1)LC振荡电路原理2)应用：电容、电感、涡流等传感器3.调频信号的解频：鉴频方法：采用鉴频器或锁相环解调器鉴频器利用LC电路的非振荡f工作§3滤波器一、滤波器概述1.滤波：让测量信号的有效成分通过，将不需要成分抑制或衰减。2.滤波器分类：低通、高通、带通、带阻(陷波)滤波器3.滤波器幅频特性二、滤波器的性能1.理想滤波器：幅频特性为矩形相频特性为线性

需要频率段信号无失真传送不需要频率信号全部衰减2.实际滤波器的特性参数1)截止频率：fc1fc22)带宽：B=fc1－fc23)纹波幅度：δ4)中心频率：5)品质因子：Q=f0/B6)倍频程选择性：7)滤波器因数（小）三、实际滤波电路(一)RC滤波器1.低通和高通滤波器：2.高低通带通滤波器(fc低>fc高）RC滤波器在过渡带内的衰减速率慢，通带和阻带之间没有陡峭的界限，滤波性能差。（二）LC滤波器（三）有源滤波器（无源滤波器＋运算放大器）具有60～80dB/倍频程的下降带四、带通滤波器（多路并联）的应用应用：用于信号的频谱分析和特定频率成分的提取形式：恒带宽比滤波器、恒带宽滤波器1.恒带宽比滤波器：2.恒带宽滤波器：恒带宽比滤波器特点：

1.倍频程滤波器；

2.低频段分辨力好，高频段分辨力低。恒带宽滤波器特点：

1.绝对带宽为常数；

2.高低频段都具有较好的分辨力。

§4信号放大电路简介一、放大电路的要求1.足够的放大倍数2.高输入阻抗、低输出阻抗3.高共模抑制能力4.（线性不失真）低温漂、低噪声、低失调电压和电流二、基本放大电路的类型（4种）1.线性运算放大器：3种2.射极跟随器（阻抗变换器）：提高输入阻抗输入阻抗低输入阻抗高共模抑制低输入阻抗较低共模抑制较低三、常见放大电路1.仪器放大器高输入阻抗，高共模抑制比2.可编程增益放大器（多量程）电阻网络、模拟开关、译码器、运算放大器§5测试信号的显示与记录一、信号的显示装置1.模拟示波器（CRT阴极射线管示波器）：模拟量显示2.数字示波器：A/D转换后数字信号显示

(LED、LCD、LCM)3.数字存储示波器：数字信号存储、模拟信号显示二、信号的记录装置1.传统记录装置：光线示波器、XY记录仪、磁带记录仪。2.数据采集仪器（模拟输入转换模块、采集卡、数据显示记录处理软件）3.计算机内插A/D卡（经济、简便）4.仪器前端直接采集记录第五章信号处理简介一、信号处理的目的和方法1.信号处理的目的：

1)分离信噪，提高信噪比

2)提取有用的特征信息

3)修正测试误差2.信号处理方法1)模拟信号处理：滤波、限幅、隔直、解调2)数字信号处理：计算机程序处理二、数字信号处理概述1.数字信号处理的基本步骤预处理：幅值调整、滤波（高频）、隔直、解调2.模拟信号的数字离散化1)采样、截断、DFT（离散傅里叶变换）信号x(t)

采样（Ts、fs、采样函数s(t)）采样后信号x(t)s(t)

截断（窗函数w(t)，窗宽T，序列宽度N）截断后有限长离散信号：x(t)s(t)w(t)离散2)采样定理：fs>2fn（信号的最高频率）三、信号的相关分析（一）两变量的相关系数（二）信号的自相关函数1.自相关函数的性质5)周期函数的自相关函数仍为同频率的周期函数2.自相关分析的应用(区别信号类型)

只要信号中含周期成分，自相关函数在很大时不衰减，有明显周期性；不含周期成分的随机信号，自相关函数将趋于零。信号自相关函数的应用：机械加工表面粗糙度的波形自相关函数分析（三）信号的互相关函数1.互相关函数定义2.互相关函数性质3.互相关分析应用（同频相关，不同频不相关）两信号是同频率的周期信号或包含同频率的周期成分，互相关函数不收敛，出现该频率周期成分；两信号含有频率不等的周期成分，两者不相关。互相关技术应用举例：相关滤波：线性系统激振后的相应测试信号（含噪声干扰）与激振信号进行相关性分析可滤去噪声。（四）功率谱分析及应用（了解）频域的相关性分析1.自功率谱密度函数（自相关函数的傅里叶变换）及应用2.互谱密度函数（互相关函数的傅里叶变换）及应用四、现代信号分析方法简介功率谱估计（非参数方法、参数方法）时域分析（短时傅立叶变换、小波变换、

Wigner－Ville发布）统计信号处理（维纳滤波器、卡尔曼滤波器等）第六章位移测量§1概述一、位移测量的意义位移是最基本的机电物理测量参数：速度、加速度、力、力矩、变形、温度、流量、物位等机电参数都可以转化为位移的测量。二、位移传感器的种类及选用有多种形式的位移传感器，主要依据位移测量的精度要求、量值特征（量程范围）、频率特征等。§2常用的位移传感器一、滑线电阻式位移传感器1.工作原理：如何保证传感器的线性输出？2.特点：结构简单、输出大；有机械摩擦，寿命低、分辨率低、噪声大、不宜高频动态测量。二、应变片位移传感器1.原理：通过弹性元件，把位移量转化成应变量，用应变片、应变仪测量。2.贴片、接桥：位移变形三、差动变压器式位移传感器1.结构原理：差动变压器是一个调幅器：载波、调制信号、已调制（调制输出）信号2.测量电路：

检测出位移的大小和方向差动整流电路、相敏检波电路3.测量特点1)测量范围：0~5mm，0~10mm，0~300mm2)特点：精度高、线性范围大、输出大系统动态性能较差四、光电式位移传感器

光电脉冲编码盘：输出脉冲信号，测量范围大（配计数器），精度低。

光电数字编码盘：输出数字信号，测量范围大，精度适中。§3位移测量的应用一、回转轴径向运动误差的测量（了解）二、物位测量1.概述：液位的测量、固体料位的测量，将物位转换为位移量测量2.沉筒式液位变送器3.电阻式液位计第七章振动的测量简介§1振动测试概述起动时冲击振动、工作时的随机振动1.振动的动力学特性参数振动动力学参数：振动位移、速度、加速度，振动f；对象的振动特性参数：固有频率、阻尼、刚度等2.振动测试目的

1)寻找振源，减少或消除振动，故障检测。（在线振动动力学参数检测）

2)测定结构或部件的动态特性以便改进，提高抗振能力。（激振试验、机械模态试验，确定对象的振动特性参数：固有频率、阻尼比、刚度等）§2惯性式测振传感器的力学模型一、惯性式测振传感器的力学模型二、惯性式测振传感器的特性分析1.w/wn》3~5，A（w）＝1，φ（w)＝－180o

传感器的w下》wn2.w/wn＝1，ζ＝0.6～0.7，幅频特性平坦，扩大传感器的下限频率，ζ较小时，引起谐振，缩小下限频率。3.w上受结构和元件的限制（理论上无限大，实际上不能太大）；w下受特性元件的刚度、质量、阻尼影响，wn不能太小。4.§3测振传感器的类型一、涡流位移传感器测量振动的位移（振幅），线性范围大，灵敏度高、频率宽，测量范围0.5～10mm。二、电容传感器（测振动位移）

非接触式和接触式两种三、磁电式速度计（测振动速度）四、压电式加速度计（测振动加速度）五、阻抗头（测振动加速度和激振力）压电式力传感器＋压电式加速度传感器的组合第二章、测试装置的基本特性

§1概述测试装置的基本特性

静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰性不失真测量：语音片段1(Good)语音片段2(bad)

测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。返回目录§2测试系统静态响应特性

如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化（或低频），则称为静态测量。

静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。a)灵敏度

当测试装置的输入x有一增量△x,引起输出y发生相应变化△y时,定义:S=△y/△xyx△x△yb)非线性度

标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。

非线性度=B/A×100%yxBc)回程误差

测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为:(hmax/A)×100%yxhmaxAd)静态响应特性的其他描述精度：是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标

灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。

分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。

可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。

稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。案例：物料配重自动测量系统的静态参数测量

灵敏度=△y/△x非线性度=B/A×100%回程误差=(hmax/A)×100%测量范围：

无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。x(t)h(t)y(t)输入量系统特性输出