測(cè)試技術(shù)總結(jié)

1、第六章 總結(jié)任振興任振興總 結(jié)v（一）測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)（一）測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)1 測(cè)試系統(tǒng)的組成測(cè)試系統(tǒng)的組成2 測(cè)試方法的分類測(cè)試方法的分類3 測(cè)量的基本單位測(cè)量的基本單位4 線性測(cè)試系統(tǒng)的線性測(cè)試系統(tǒng)的5個(gè)特性個(gè)特性5 測(cè)試系統(tǒng)的特性測(cè)試系統(tǒng)的特性v（二）信號(hào)的分類及描述（二）信號(hào)的分類及描述 1 信號(hào)的分類信號(hào)的分類確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)、離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)；確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)、離散信號(hào)和連續(xù)信號(hào)； 2 信號(hào)的描述方法信號(hào)的描述方法 時(shí)域描述和頻域描述及其特點(diǎn)；時(shí)域描述和頻域描述及其特點(diǎn)； v（三）常用傳感器（三）常用傳感器1、傳感器的定義及組成；、傳感器的定義及組成；2、應(yīng)變式傳感器

2、的原理和溫度補(bǔ)償，三種電、應(yīng)變式傳感器的原理和溫度補(bǔ)償，三種電橋電路，技術(shù)參數(shù)：橋電路，技術(shù)參數(shù)： 原理：當(dāng)電阻絲受到拉力原理：當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)作用時(shí), 將伸長(zhǎng)將伸長(zhǎng)dL, 橫截面積相應(yīng)減小橫截面積相應(yīng)減小dS, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變素而改變d, 故引起電阻值相對(duì)變化量為故引起電阻值相對(duì)變化量為 SdSpdpLdLRdR 由此可知由此可知, 應(yīng)力值應(yīng)力值正比于應(yīng)變正比于應(yīng)變, 而試件應(yīng)變而試件應(yīng)變正正比于電阻值的變化比于電阻值的變化, 所以應(yīng)力所以應(yīng)力正比于電阻值的變化正比于電阻值的變化, 這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。這就是利用應(yīng)變片測(cè)量

3、應(yīng)變的基本原理。 /21RdRK可以推導(dǎo)出：可以推導(dǎo)出： E應(yīng)變片的溫度誤差和補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差和補(bǔ)償v 1）、溫度誤差）、溫度誤差 Rt=R + R = 0 +K0(1 -2) R0 t0應(yīng)變片的溫度系數(shù)應(yīng)變片的溫度系數(shù)，K0應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)1 與與2為彈性元件和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)為彈性元件和應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)折算成附加應(yīng)變折算成附加應(yīng)變t= Rt/(R0K0) 電阻的溫度系數(shù)引起的阻值變化電阻與被測(cè)對(duì)象線膨脹系數(shù)不同引起的電阻變化 2） 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法和

4、應(yīng)變片自補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。兩大類。 若按照若按照 R1 = RB = R3 = R4 選取橋臂電阻。選取橋臂電阻。 Uo=A（R1+R1t）R4-(RB+RBt)R3=0 若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變?nèi)舸藭r(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變的作用的作用, 則工作應(yīng)變片電阻則工作應(yīng)變片電阻R1又又有新的增量有新的增量R1=R1K, 而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變, 故不產(chǎn)生新的故不產(chǎn)生新的增量增量, 此時(shí)電橋輸出電壓為此時(shí)電橋輸出電壓為 Uo = AR1R4K 結(jié)論：電橋的輸出電壓結(jié)論：電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變僅與被測(cè)試件的應(yīng)變有關(guān)有關(guān), 而與環(huán)而與環(huán)境溫度無關(guān)。境溫度無關(guān)。 v三種電橋電路的

5、輸出電壓的計(jì)算三種電橋電路的輸出電壓的計(jì)算v（三）常用傳感器（三）常用傳感器3、電容式傳感器的原理、分類，變極距型電、電容式傳感器的原理、分類，變極距型電容式傳感器的靈敏度和線性度及其改善方法，容式傳感器的靈敏度和線性度及其改善方法，雙電橋電路原理；雙電橋電路原理；當(dāng)傳感器的當(dāng)傳感器的r和和S為常數(shù)，初始極距為為常數(shù)，初始極距為d0時(shí)，可知其初始電時(shí)，可知其初始電容量容量C0為為 000dSCr 若電容器極板間距離由初始值若電容器極板間距離由初始值d0縮小了縮小了d，電容，電容量增大了量增大了C，則有，則有 000001rSCCCCdddd 在上式中，若在上式中，若d/d01時(shí)，則展成時(shí)，則展

6、成級(jí)數(shù)級(jí)數(shù)：2300000011ddddCCCdddd 此時(shí)此時(shí)C與與d近似呈線性關(guān)系，所以變極距型近似呈線性關(guān)系，所以變極距型電容式傳感器電容式傳感器只有只有在在d/d0很小時(shí)，才有近似的很小時(shí)，才有近似的線性關(guān)系。線性關(guān)系。 當(dāng)極板間的距離較小時(shí)，電容容易被擊穿，當(dāng)極板間的距離較小時(shí)，電容容易被擊穿，因此在兩極板間常加入絕緣材料。因此在兩極板間常加入絕緣材料。 在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移在差動(dòng)式平板電容器中，當(dāng)動(dòng)極板位移d時(shí)，電容器時(shí)，電容器C1的間

7、隙的間隙d1變?yōu)樽優(yōu)閐0-d，電容器，電容器C2的間隙的間隙d2變?yōu)樽優(yōu)閐0+d, 則則 002001/11/11ddCCddCC00d1d2C1C2S在在d/d01時(shí)時(shí), 按級(jí)數(shù)展開得按級(jí)數(shù)展開得 2310000232000011dddCCddddddCCddd電容值總的變化量為電容值總的變化量為 503000212ddddddCCCC電容值相對(duì)變化量為電容值相對(duì)變化量為 40200012ddddddCC略去高次項(xiàng)，則略去高次項(xiàng)，則C/C0與與d/d0近似成為如下的線性關(guān)系：近似成為如下的線性關(guān)系： 002ddCC 如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng)如果只考慮式中的線性項(xiàng)和三次項(xiàng), 則電容式傳感

8、器的相對(duì)則電容式傳感器的相對(duì)非線性誤差非線性誤差近似為近似為 %100%100|/|2|)/( |220030dddddd差動(dòng)的好處v靈敏度得到一倍的改善靈敏度得到一倍的改善v線性度得到改善線性度得到改善002CdCd 001CdCd 0100%dd20100%dd非差動(dòng)：非差動(dòng)：差動(dòng)：差動(dòng)：非差動(dòng)：非差動(dòng)：差動(dòng)：差動(dòng)： 二極管雙二極管雙T形交流電橋形交流電橋下圖是二極管雙下圖是二極管雙T T形交流電橋電路原理圖。形交流電橋電路原理圖。e e是高頻電源，它是高頻電源，它提供了幅值為提供了幅值為U U的對(duì)稱方波，的對(duì)稱方波，VD1VD1、VD2VD2為特性完全相同的兩為特性完全相同的兩只二極管，

9、固定電阻只二極管，固定電阻R R1=1=R R2=2=R R，C C1 1、C C2 2為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)為傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容電容。 v（三）常用傳感器（三）常用傳感器4、壓電式傳感器的原理，（正逆）壓電效應(yīng)，、壓電式傳感器的原理，（正逆）壓電效應(yīng)，壓電系數(shù)的意義及其角標(biāo)數(shù)字的意義，壓電系數(shù)的意義及其角標(biāo)數(shù)字的意義，3個(gè)特個(gè)特征軸及其特點(diǎn)；征軸及其特點(diǎn)； 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 縱向軸z稱為光軸經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸 若從晶體上沿若從晶體上沿y方向切下一塊如圖方向切下一塊如圖2（c）所示的晶片，當(dāng)沿）所

10、示的晶片，當(dāng)沿電軸方向施加作用力電軸方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，垂直的平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為其大小為 xxFdq11式中式中, d11為為x方向受力的壓電系數(shù)。方向受力的壓電系數(shù)。 若在同一切片上，沿機(jī)械軸若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力方向施加作用力Fy，則仍在與，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為，其大小為 yyFbadq12式中：式中：d12y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對(duì)稱性，軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對(duì)稱性， 有有d12=-d11； v（三）常用傳感器（三）常用傳感器5、自感式傳

11、感器的原理、結(jié)構(gòu)、用于差動(dòng)結(jié)、自感式傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、用于差動(dòng)結(jié)構(gòu)時(shí)辨別銜鐵運(yùn)動(dòng)方向的電路原理；構(gòu)時(shí)辨別銜鐵運(yùn)動(dòng)方向的電路原理；線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵IN L 20022ANRNLM線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵mRIN 002221112AAlAlRm002A111Al222Al00220 ANL 000011LL線圈線圈鐵芯鐵芯銜鐵銜鐵 0,0000012222ANANLLL 00000122202LAN001 LL0 1 當(dāng)時(shí) ,.302000 LL時(shí)，當(dāng) 1 000LL 0,002220000022LANANLLL.302000 LL銜鐵銜鐵R1R2L2L1ACU0U)(ANL 0012

12、2)(ANL 00222 .LL32000011 .LL30200021 02K)()(100212LLLLLLL.2530000LL帶相敏整流的交流電橋 v對(duì)于交流電橋測(cè)量電路，由于采用交流電源，對(duì)于交流電橋測(cè)量電路，由于采用交流電源，則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電則不論活動(dòng)鐵芯向線圈的哪個(gè)方向移動(dòng)，電橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的橋輸出電壓總是交流的，即無法判別位移的方向。因此常采用帶相敏整流的交流電橋辨方向。因此常采用帶相敏整流的交流電橋辨別鐵芯的移動(dòng)方向。別鐵芯的移動(dòng)方向。（1）結(jié)構(gòu)帶相敏整流的交流電橋電路帶相敏整流的交流電橋電路 （1）初始平衡位置時(shí)v當(dāng)差動(dòng)式傳感器的

13、當(dāng)差動(dòng)式傳感器的活動(dòng)鐵芯處于中間活動(dòng)鐵芯處于中間位置時(shí)，傳感器兩位置時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗Z1=Z2=Z0，其等，其等效電路如圖所示。效電路如圖所示。 鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路鐵芯處于初始平衡位置時(shí)的等效電路 Z2Z2（2）活動(dòng)鐵芯向一邊移動(dòng)時(shí) v當(dāng)活動(dòng)鐵芯向當(dāng)活動(dòng)鐵芯向線圈的一個(gè)方線圈的一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，傳向移動(dòng)時(shí)，傳感器兩個(gè)差動(dòng)感器兩個(gè)差動(dòng)線圈的阻抗發(fā)線圈的阻抗發(fā)生變化，等效生變化，等效電路如圖所示。電路如圖所示。 鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路鐵芯向線圈一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)的等效電路 Z2Z2（3）結(jié)果oDCii20001221 ()2ZZUVVUUZZZZoD

14、Ci200121 ()2ZUVVUZZZ在在Ui的正半周的正半周 在在Ui的負(fù)半周的負(fù)半周 只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無論在交流電源的只要活動(dòng)鐵芯向一方向移動(dòng)，無論在交流電源的正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為正值正半周還是負(fù)半周，電橋輸出電壓均為正值v（三）常用傳感器（三）常用傳感器6、霍爾式傳感器：霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)的表、霍爾式傳感器：霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)的表達(dá)式，霍爾電勢(shì)的不等為電勢(shì)和不等位電阻，達(dá)式，霍爾電勢(shì)的不等為電勢(shì)和不等位電阻，溫度補(bǔ)償方法；溫度補(bǔ)償方法； 一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件一、霍爾效應(yīng)及霍爾元件 1.1.霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, ,

15、 當(dāng)它的電當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), , 載流導(dǎo)體上載流導(dǎo)體上垂垂直直于電流和磁場(chǎng)方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)于電流和磁場(chǎng)方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), , 這種現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。 式中式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度?？梢姺Q為霍爾片的靈敏度?？梢? 霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,其靈敏度與霍爾常數(shù)其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度成正比而與霍爾片厚度d成反比。成反比。為了提高靈敏度為了提高靈敏度, 霍爾元件常制成薄片形狀?；魻栐Ｖ瞥杀∑螤?。IBKdIBRUHHH 2. 霍爾元件

16、基本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單, 它由霍爾片、它由霍爾片、 引線和殼體組成引線和殼體組成, 如圖所示。如圖所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個(gè)引線?；魻栐んw引出四個(gè)引線?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 3. 霍爾元件溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償 當(dāng)當(dāng)溫度變化溫度變化時(shí)時(shí), 霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。 霍爾

17、元件的靈敏系數(shù)霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)也是溫度的函數(shù), 它隨溫度的變它隨溫度的變化引起霍爾電勢(shì)的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的化引起霍爾電勢(shì)的變化。霍爾元件的靈敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成：關(guān)系可寫成： KH=KH0（1+T） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)?；魻栯妱?shì)溫度系數(shù)。 根據(jù)根據(jù)UH=KHIB為了減少溫度誤差，通常采用恒流源供電，為了減少溫度誤差，通常采用恒流源供電，保持保持KHI不變，如圖所示的補(bǔ)償電路。不變，如圖所示的補(bǔ)償電路。 在圖示的溫度補(bǔ)償電路中在圖示的溫度補(bǔ)償電路中, 設(shè)初始溫度為設(shè)初始溫度為T0, 霍霍爾元件輸入電阻為爾元件輸入電阻為Ri0, 靈敏系數(shù)為靈敏系數(shù)為KH1,

18、 分流電阻為分流電阻為Rp0, 根據(jù)分流概念得根據(jù)分流概念得當(dāng)溫度上升當(dāng)溫度上升T時(shí)時(shí), 電路中各參數(shù)變?yōu)殡娐分懈鲄?shù)變?yōu)?0iPPHRRIRI Ri=Ri0（1+T）式中式中: 霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); iHPPHRRIRI)1 (0TRRIRiPP 雖然溫度升高雖然溫度升高T, 為使霍爾電勢(shì)不變?yōu)槭够魻栯妱?shì)不變, 補(bǔ)償電路必須滿補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、足溫升前、 后的霍爾電勢(shì)不變后的霍爾電勢(shì)不變, 即即 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB 則則 KH0IH0=KH IH 經(jīng)整理得經(jīng)整理得 當(dāng)霍爾元件選定后當(dāng)霍爾元件選定后, 它的輸入電阻它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)和溫度系數(shù)及霍爾及霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)電勢(shì)溫度系數(shù)是確定值。由式即可計(jì)算出分流電阻是確定值。由式即可計(jì)算出分流電阻Rp。思考：若思考：若Rp也隨溫度變