測(cè)試技術(shù)總復(fù)習(xí)課件

測(cè)試技術(shù)總復(fù)習(xí)2003年10月20日測(cè)試技術(shù)總復(fù)習(xí)2003年10月20日11緒論測(cè)試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它由多門學(xué)科支撐，如傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等；特別是傳感技術(shù)是以物理學(xué)為基礎(chǔ)，涉及力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等。1.1測(cè)試的定義測(cè)試——是測(cè)量和試驗(yàn)的綜合，是一種分析事物狀態(tài)、變化和特征的綜合手段。測(cè)量——對(duì)被測(cè)對(duì)象的定量分析，結(jié)果用數(shù)值表示，有的需要有單位。試驗(yàn)——偏重于對(duì)被測(cè)對(duì)象的定性分析，通常沒有具體數(shù)值，如頻率特性、時(shí)域波形等。測(cè)試?yán)碚摗獪y(cè)試系統(tǒng)各部分的理論闡述和實(shí)際儀器結(jié)構(gòu)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)——定量實(shí)驗(yàn)（主要手段）定性實(shí)驗(yàn)（輔助手段）1緒論測(cè)試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它由多門學(xué)科支撐，如21.2測(cè)試的分類靜態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化或變化緩慢（特例）動(dòng)態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化（大多數(shù)情況）

機(jī)械法測(cè)試：方便、簡(jiǎn)單、精度較低光學(xué)測(cè)試法：精度高、響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)力差電測(cè)試法：應(yīng)用最廣、信號(hào)處理容易、系統(tǒng)不太復(fù)雜、本課主要講授內(nèi)容目前用電測(cè)試進(jìn)行物理量的靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試1.2測(cè)試的分類31.3信號(hào)和信息信息：不是物質(zhì)，也不是能量。對(duì)我們來說事先不知道的東西。特征是到處都有，客觀存在。其定義——關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)的廣義知識(shí)，是事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及關(guān)于事物狀態(tài)的陳述。信號(hào)：是信息的載體，攜帶信息的物理量。信息包含在信號(hào)中。按作用分：有用信息---信號(hào)干擾信息---噪聲1.4測(cè)試的任務(wù)測(cè)試的任務(wù)就是獲取研究對(duì)象的有用信息，（非全部信息）即研究對(duì)象的狀態(tài)、變化和特征等。在機(jī)械測(cè)試中，常見的被測(cè)量有：力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、角度、溫度等等。1.3信號(hào)和信息41.5測(cè)試系統(tǒng)的組成被測(cè)對(duì)象：傳感器：信號(hào)變換的裝置，是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。變換處理裝置：完成信號(hào)的放大、濾波、變換（A/D、D/A）、以及與計(jì)算機(jī)的接口等。顯示記錄裝置：記錄測(cè)試信號(hào)的裝置，保存測(cè)試結(jié)果，作為技術(shù)資料供以后分析利用。標(biāo)定裝置和控制裝置：標(biāo)定：減少誤差，提高精度控制：實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，便于測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化。1.5測(cè)試系統(tǒng)的組成被測(cè)對(duì)象：5傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器標(biāo)定裝置和控制裝置電源被測(cè)對(duì)象傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器標(biāo)定裝置和控制裝置61.6傳感器基礎(chǔ)知識(shí)⑴傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是實(shí)現(xiàn)信息和能量的轉(zhuǎn)換的元件。它的基礎(chǔ)是各種物理、化學(xué)、生物的效應(yīng)、定律和法則。所運(yùn)用的效應(yīng)：光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、壓電效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等。所依據(jù)的定律：能量守衡、場(chǎng)、物質(zhì)定律（虎克、歐姆）。一般來說傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路、輔助電源組成。⑵分類：按被測(cè)對(duì)象、工作原理、工作機(jī)理、能量源、輸出信號(hào)等分類。1.6傳感器基礎(chǔ)知識(shí)7按被測(cè)對(duì)象分：溫度、壓力、位移、速度、加速度、力。按工作原理分：依據(jù)所依據(jù)的效應(yīng)和定律，應(yīng)變式、壓電式、磁電式、光電式等。按工作機(jī)理分：結(jié)構(gòu)型、物性型。按能量源分：有源型、無源型。按輸出信號(hào)分：模擬型、數(shù)字型、開關(guān)型。按被測(cè)對(duì)象分：溫度、壓力、位移、速度、加速度、力。82信號(hào)及其描述2.1信號(hào)的分類按波形的形態(tài)、按時(shí)間是否連續(xù)、信號(hào)的描述方法等方法分類。2.2信號(hào)的描述方法時(shí)域描述、頻域描述。信號(hào)在不同的域中描述，是為解決不同的問題，使所研究的信號(hào)特征更為突出，無論選用哪種描述方法，都含有相同信息，不增加新的信息。2信號(hào)及其描述2.1信號(hào)的分類92.3有關(guān)頻譜的概念表示方法：?jiǎn)芜?、雙邊、幅頻、相頻頻譜——是信號(hào)中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻——是信號(hào)中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻——是信號(hào)中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.3有關(guān)頻譜的概念102.4信號(hào)與頻譜在實(shí)際的測(cè)試中任何信號(hào)都可以用函數(shù)來表示，表證信號(hào)的函數(shù)可以用各種數(shù)學(xué)方法（傅立葉變換/傅立葉級(jí)數(shù)、拉普拉斯變換）變換成含不同頻率的某一單一簡(jiǎn)單函數(shù)的代數(shù)和表示，即頻譜表示。各種不同類型的信號(hào)用頻譜表示時(shí)有各自不同的分量（單一函數(shù)），如：周期信號(hào)可以展開成直流分量、基波、各次諧波非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的，量綱是單位頻率寬度上的幅值。周期信號(hào)：頻譜，非周期信號(hào)：頻譜密度。為了說明及討論簡(jiǎn)單，統(tǒng)稱頻譜。2.4信號(hào)與頻譜112.5周期信號(hào)：其數(shù)學(xué)工具：傅立葉級(jí)數(shù)頻譜表示方法：?jiǎn)芜?、雙邊、幅頻、相頻頻譜——是信號(hào)中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻——是信號(hào)中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻——是信號(hào)中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.5周期信號(hào)：122.6非周期信號(hào)的頻譜

數(shù)學(xué)工具：傅立葉變換的物理意義是單位角頻率范圍內(nèi)的幅值，即譜密度，一般是復(fù)數(shù)實(shí)譜虛譜幅值譜密度相位譜非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。2.6非周期信號(hào)的頻譜數(shù)學(xué)工具：傅立葉變換133傳感器的靜態(tài)特性與靜態(tài)標(biāo)定3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型（研究輸入——輸出的關(guān)系及特性）3.2傳感器的靜態(tài)特性線性度(非線性誤差）、遲滯、重復(fù)性、測(cè)量范圍和量程、靈敏度、分辨力（率）、零點(diǎn)附近的分辨力、穩(wěn)定性、漂移。前三項(xiàng)構(gòu)成了傳感器的總精度3.3傳感器靜態(tài)標(biāo)定與校準(zhǔn)3傳感器的靜態(tài)特性與靜態(tài)標(biāo)定3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型（14

標(biāo)定——在明確傳感器輸入/輸出關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)非電量輸入，確定其輸出電量與輸入量之間關(guān)系的過程。

校準(zhǔn)——傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時(shí)間再使用，必須對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)或作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測(cè)量精度，該過程稱校準(zhǔn)。標(biāo)定系統(tǒng)組成：被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)、記錄、顯示儀器等。標(biāo)定——在明確傳感器輸入/輸出關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)15靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)條件：溫度、濕度、壓力標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備精度等級(jí)確定：方法與過程：

1將傳感器全量程等分成若干點(diǎn)；2由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量，得到各輸入值對(duì)應(yīng)的輸出值；3由大到小；4重復(fù)2、3若干次，列數(shù)據(jù)表或畫曲線；5數(shù)據(jù)處理，確定線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等靜態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)條件：溫度、濕度、壓力16⑴傳感器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型4傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)標(biāo)定x(t)

傳感器y(t)

X(s)

Y(s)

h(t)

H(s)

4.1相關(guān)基本概念可將傳感器簡(jiǎn)化成一個(gè)線性二端網(wǎng)絡(luò)——激勵(lì)、響應(yīng)h(t)：脈沖響應(yīng)H(s)：傳遞函數(shù)⑴傳感器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型4傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)標(biāo)定x(t)17⑵

線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

A線性特征齊次性：若：則：疊加性：若，則：⑵線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述A線性特征18B時(shí)域模型：可用常系數(shù)微分方程來描述激勵(lì)響應(yīng)與系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù)B時(shí)域模型：可用常系數(shù)微分方程來描述激勵(lì)響應(yīng)與系統(tǒng)相關(guān)19C傳遞函數(shù)1)定義：輸出信號(hào)的LT與輸入信號(hào)的LT之比。2)特點(diǎn)：H(s)是系統(tǒng)的固有特性，與輸入無關(guān)。H(s)是抽象的數(shù)學(xué)模型，不同的系統(tǒng)可有相同的H(s)3)級(jí)聯(lián)：串聯(lián)：并聯(lián)：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)C傳遞函數(shù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)20D線性系統(tǒng)的特性1)微積分特性若：則：，2)頻率保持性若：則：輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)只在幅值和相位發(fā)生變化，即頻率保持性。對(duì)系統(tǒng)的特性分析采用單位階躍輸入或不同頻率的正弦信號(hào)輸入，通過不同輸出得出系統(tǒng)的特性。D線性系統(tǒng)的特性214.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)的響應(yīng)特性。輸入是時(shí)間的函數(shù)，輸出也是時(shí)間的函數(shù)，且與頻率有關(guān)。表征測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)有：

頻率指標(biāo)有幅頻特性A()，相頻特性()，固有頻率n，工作頻帶g，阻尼比等。

時(shí)域指標(biāo)有時(shí)間常數(shù)，上升時(shí)間tr，響應(yīng)時(shí)間ts，超調(diào)量M%等。4.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)22幅頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比隨信號(hào)頻率的關(guān)系；相頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位之差隨信號(hào)頻率的關(guān)系。4.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定利用若干不同頻率的正弦信號(hào)輸入到系統(tǒng)，有不同的輸出，得到該頻率下輸出（響應(yīng)）與輸入（激勵(lì)）的幅值比與相位差，從而得到系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。確定相關(guān)的常數(shù)：、、等。幅頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比隨信號(hào)頻率的關(guān)系；234.4不失真測(cè)量條件

要使任意波形的信號(hào)通過測(cè)試裝置后不產(chǎn)生波形失真，則測(cè)試裝置的頻率響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性為一常數(shù)，相頻特性為線性。即：4.4不失真測(cè)量條件245測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理5.1測(cè)量誤差的基本概念⑴真值——未知量:在一定條件下，被測(cè)量客觀存在的實(shí)際值。有理論真值（絕對(duì)真值）、規(guī)定真值、相對(duì)真值⑵誤差：誤差的絕對(duì)存在性

絕對(duì)誤差=測(cè)量值-真值5測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理5.1測(cè)量誤差的基本概念25⑶誤差的來源：工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。⑷誤差的分類：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差。⑸精度：正確度(準(zhǔn)確度)、精密度、精確度5.2隨機(jī)誤差的理論隨機(jī)誤差的特征：誤差分布曲線服從正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差及計(jì)算⑶誤差的來源：工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。26由于真值未知，δ不可求，用殘差v代替，在實(shí)際計(jì)算中多用算術(shù)平均值的均方差來代替標(biāo)準(zhǔn)偏差。算術(shù)平均值的均方差：5.3測(cè)量結(jié)果表示法直接測(cè)量:測(cè)量值間接測(cè)量:設(shè)各直接測(cè)量參數(shù)為x1，x2，…，xm，間接測(cè)量參數(shù)為y，間接測(cè)量的測(cè)量誤差是各個(gè)直接測(cè)量誤差的函數(shù)。用標(biāo)準(zhǔn)差表示的傳遞公式由于真值未知，δ不可求，用殘差v代替，在實(shí)際計(jì)算中多用算術(shù)276應(yīng)變式傳感器6.1應(yīng)變式傳感器是以應(yīng)變片為傳感元件的傳感器，是結(jié)構(gòu)型傳感器中電阻式傳感器的一種。6.2它可以將試件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻變化，來達(dá)到非電量測(cè)試的目的。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換原理是基于材料的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)是指金屬絲或金屬片的電阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。6應(yīng)變式傳感器6.1應(yīng)變式傳感器是以應(yīng)變片為傳感元286.3應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類、主要參數(shù)和工作特性結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)：應(yīng)變片的靈敏軸線、標(biāo)距(柵長(zhǎng))l工作特性參數(shù)：電阻值、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K、橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)（橫向靈敏度）、零漂和蠕變、應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性6.4應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路——電橋電路直流電橋、交流電橋單臂的靈敏度為：半橋（雙臂）的靈敏度為：全橋的靈敏度為：相鄰臂工作的雙臂電橋和全橋當(dāng)時(shí)，靈敏度高，沒有非線形誤差，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償作用。

6.5應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

6.3應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類、主要參數(shù)和工作特性297磁電式傳感器7.1磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的物理量變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。不需要輔助電源，將被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。較大的輸出功率，配用電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，具有雙向轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)用普遍。7.2磁電式傳感器具有較高的靈敏度,經(jīng)常用于測(cè)量位移、速度、加速度、振動(dòng)等物理量。7.3結(jié)構(gòu)形式：磁阻式（變磁通式）、恒變磁通式（動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式）7.4誤差補(bǔ)償：加補(bǔ)償線圈、加反向磁片7磁電式傳感器7.1磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將30熱電式傳感器1熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。2種類：溫度——電阻：熱電阻，熱敏電阻。溫度——電勢(shì)：熱電偶。3應(yīng)用：主要是測(cè)量溫度、作溫控開關(guān)，還可以測(cè)量管道流量、進(jìn)行氣體成分和金屬材質(zhì)鑒別。熱電式傳感器1熱電式傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變31光電式傳感器光源：常用光源及特性（輻射、光譜、光電轉(zhuǎn)換、環(huán)境特性等）光電效應(yīng)及器件：光電效應(yīng)指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為物體中某些電子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)外光電效應(yīng)及器件：光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)及器件（光敏電阻、光敏管）、光生伏特效應(yīng)及器件（硅光電池）光電器件的特性：光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度特性、伏安特性I(U)新型光電檢測(cè)器件：位置敏感器件、集成光敏器件、電荷耦合器件光電式傳感器：模擬式光電傳感器、開關(guān)式光電傳感器光電式傳感器光源：常用光源及特性（輻射、光譜、光電轉(zhuǎn)換、環(huán)境32壓電式傳感器1壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組成的傳感器。壓電效應(yīng)具有自發(fā)電和可逆性，因此壓電器件是一種典型的雙向有源傳感器件。2壓電效應(yīng)——某些晶體不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。（正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)）3等效電路：從功能上講，壓電器件實(shí)際上是一個(gè)電荷發(fā)生器，又可將其視為具有電容Ca的電容器。（壓電器件——有源電容器——高內(nèi)阻，小功率——電壓、電荷放大器）4動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍：180kHz~10-1

10-4Hz壓電式傳感器1壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的器件為核心組3311變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器是一種利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感（自感或互感）變化來檢測(cè)非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。常用來檢測(cè)位移、振動(dòng)、力、壓力、流量、比重等物理量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，壽命長(zhǎng)，具有良好的性能和寬廣的適用范圍，適合在較惡劣的環(huán)境中工作。存在交流零位信號(hào)，不適宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。有自感式，互感式，電渦流式，壓磁式等。11變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器是一種利用磁3412電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。有變極距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介質(zhì)型電容傳感器等到幾種。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高分辨力，非接觸測(cè)量，可在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣環(huán)境下工作。其工作原理測(cè)量電路：耦合式電感電橋12電容式傳感器電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電35測(cè)試技術(shù)總復(fù)習(xí)2003年10月20日測(cè)試技術(shù)總復(fù)習(xí)2003年10月20日361緒論測(cè)試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它由多門學(xué)科支撐，如傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等；特別是傳感技術(shù)是以物理學(xué)為基礎(chǔ)，涉及力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等。1.1測(cè)試的定義測(cè)試——是測(cè)量和試驗(yàn)的綜合，是一種分析事物狀態(tài)、變化和特征的綜合手段。測(cè)量——對(duì)被測(cè)對(duì)象的定量分析，結(jié)果用數(shù)值表示，有的需要有單位。試驗(yàn)——偏重于對(duì)被測(cè)對(duì)象的定性分析，通常沒有具體數(shù)值，如頻率特性、時(shí)域波形等。測(cè)試?yán)碚摗獪y(cè)試系統(tǒng)各部分的理論闡述和實(shí)際儀器結(jié)構(gòu)。測(cè)試實(shí)驗(yàn)——定量實(shí)驗(yàn)（主要手段）定性實(shí)驗(yàn)（輔助手段）1緒論測(cè)試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，它由多門學(xué)科支撐，如371.2測(cè)試的分類靜態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)不隨時(shí)間變化或變化緩慢（特例）動(dòng)態(tài)測(cè)試：被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間變化（大多數(shù)情況）

機(jī)械法測(cè)試：方便、簡(jiǎn)單、精度較低光學(xué)測(cè)試法：精度高、響應(yīng)快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)力差電測(cè)試法：應(yīng)用最廣、信號(hào)處理容易、系統(tǒng)不太復(fù)雜、本課主要講授內(nèi)容目前用電測(cè)試進(jìn)行物理量的靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試1.2測(cè)試的分類381.3信號(hào)和信息信息：不是物質(zhì)，也不是能量。對(duì)我們來說事先不知道的東西。特征是到處都有，客觀存在。其定義——關(guān)于事物運(yùn)動(dòng)的廣義知識(shí)，是事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及關(guān)于事物狀態(tài)的陳述。信號(hào)：是信息的載體，攜帶信息的物理量。信息包含在信號(hào)中。按作用分：有用信息---信號(hào)干擾信息---噪聲1.4測(cè)試的任務(wù)測(cè)試的任務(wù)就是獲取研究對(duì)象的有用信息，（非全部信息）即研究對(duì)象的狀態(tài)、變化和特征等。在機(jī)械測(cè)試中，常見的被測(cè)量有：力、壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、角度、溫度等等。1.3信號(hào)和信息391.5測(cè)試系統(tǒng)的組成被測(cè)對(duì)象：傳感器：信號(hào)變換的裝置，是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。變換處理裝置：完成信號(hào)的放大、濾波、變換（A/D、D/A）、以及與計(jì)算機(jī)的接口等。顯示記錄裝置：記錄測(cè)試信號(hào)的裝置，保存測(cè)試結(jié)果，作為技術(shù)資料供以后分析利用。標(biāo)定裝置和控制裝置：標(biāo)定：減少誤差，提高精度控制：實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，便于測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化。1.5測(cè)試系統(tǒng)的組成被測(cè)對(duì)象：40傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器標(biāo)定裝置和控制裝置電源被測(cè)對(duì)象傳感器變換處理裝置指示儀記錄儀數(shù)據(jù)處理儀器標(biāo)定裝置和控制裝置411.6傳感器基礎(chǔ)知識(shí)⑴傳感器的定義：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器是實(shí)現(xiàn)信息和能量的轉(zhuǎn)換的元件。它的基礎(chǔ)是各種物理、化學(xué)、生物的效應(yīng)、定律和法則。所運(yùn)用的效應(yīng)：光電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、壓電效應(yīng)、磁阻效應(yīng)等。所依據(jù)的定律：能量守衡、場(chǎng)、物質(zhì)定律（虎克、歐姆）。一般來說傳感器有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路、輔助電源組成。⑵分類：按被測(cè)對(duì)象、工作原理、工作機(jī)理、能量源、輸出信號(hào)等分類。1.6傳感器基礎(chǔ)知識(shí)42按被測(cè)對(duì)象分：溫度、壓力、位移、速度、加速度、力。按工作原理分：依據(jù)所依據(jù)的效應(yīng)和定律，應(yīng)變式、壓電式、磁電式、光電式等。按工作機(jī)理分：結(jié)構(gòu)型、物性型。按能量源分：有源型、無源型。按輸出信號(hào)分：模擬型、數(shù)字型、開關(guān)型。按被測(cè)對(duì)象分：溫度、壓力、位移、速度、加速度、力。432信號(hào)及其描述2.1信號(hào)的分類按波形的形態(tài)、按時(shí)間是否連續(xù)、信號(hào)的描述方法等方法分類。2.2信號(hào)的描述方法時(shí)域描述、頻域描述。信號(hào)在不同的域中描述，是為解決不同的問題，使所研究的信號(hào)特征更為突出，無論選用哪種描述方法，都含有相同信息，不增加新的信息。2信號(hào)及其描述2.1信號(hào)的分類442.3有關(guān)頻譜的概念表示方法：?jiǎn)芜?、雙邊、幅頻、相頻頻譜——是信號(hào)中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻——是信號(hào)中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻——是信號(hào)中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.3有關(guān)頻譜的概念452.4信號(hào)與頻譜在實(shí)際的測(cè)試中任何信號(hào)都可以用函數(shù)來表示，表證信號(hào)的函數(shù)可以用各種數(shù)學(xué)方法（傅立葉變換/傅立葉級(jí)數(shù)、拉普拉斯變換）變換成含不同頻率的某一單一簡(jiǎn)單函數(shù)的代數(shù)和表示，即頻譜表示。各種不同類型的信號(hào)用頻譜表示時(shí)有各自不同的分量（單一函數(shù)），如：周期信號(hào)可以展開成直流分量、基波、各次諧波非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的，量綱是單位頻率寬度上的幅值。周期信號(hào)：頻譜，非周期信號(hào)：頻譜密度。為了說明及討論簡(jiǎn)單，統(tǒng)稱頻譜。2.4信號(hào)與頻譜462.5周期信號(hào)：其數(shù)學(xué)工具：傅立葉級(jí)數(shù)頻譜表示方法：?jiǎn)芜叀㈦p邊、幅頻、相頻頻譜——是信號(hào)中各頻率分量按頻率高低依次排列的總體。幅頻——是信號(hào)中各頻率分量的幅值與頻率之間的關(guān)系。相頻——是信號(hào)中各頻率分量的相位與頻率之間的關(guān)系。周期信號(hào)頻譜的特點(diǎn)：離散性等間隔譜線高度隨諧波次數(shù)升高而下降2.5周期信號(hào)：472.6非周期信號(hào)的頻譜

數(shù)學(xué)工具：傅立葉變換的物理意義是單位角頻率范圍內(nèi)的幅值，即譜密度，一般是復(fù)數(shù)實(shí)譜虛譜幅值譜密度相位譜非周期信號(hào)的頻譜是連續(xù)的。2.6非周期信號(hào)的頻譜數(shù)學(xué)工具：傅立葉變換483傳感器的靜態(tài)特性與靜態(tài)標(biāo)定3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型（研究輸入——輸出的關(guān)系及特性）3.2傳感器的靜態(tài)特性線性度(非線性誤差）、遲滯、重復(fù)性、測(cè)量范圍和量程、靈敏度、分辨力（率）、零點(diǎn)附近的分辨力、穩(wěn)定性、漂移。前三項(xiàng)構(gòu)成了傳感器的總精度3.3傳感器靜態(tài)標(biāo)定與校準(zhǔn)3傳感器的靜態(tài)特性與靜態(tài)標(biāo)定3.1傳感器的數(shù)學(xué)模型（49

標(biāo)定——在明確傳感器輸入/輸出關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)器具產(chǎn)生已知的標(biāo)準(zhǔn)非電量輸入，確定其輸出電量與輸入量之間關(guān)系的過程。

校準(zhǔn)——傳感器在使用前或使用過程中或擱置一段時(shí)間再使用，必須對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行復(fù)測(cè)或作必要的調(diào)整與修正，以確保傳感器的測(cè)量精度，該過程稱校準(zhǔn)。標(biāo)定系統(tǒng)組成：被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，被測(cè)非電量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)、記錄、顯示儀器等。標(biāo)定——在明確傳感器輸入/輸出關(guān)系的前提下，利用某種標(biāo)準(zhǔn)50靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)條件：溫度、濕度、壓力標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備精度等級(jí)確定：方法與過程：

1將傳感器全量程等分成若干點(diǎn)；2由小到大輸入標(biāo)準(zhǔn)量，得到各輸入值對(duì)應(yīng)的輸出值；3由大到??；4重復(fù)2、3若干次，列數(shù)據(jù)表或畫曲線；5數(shù)據(jù)處理，確定線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性等靜態(tài)指標(biāo)。靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)條件：溫度、濕度、壓力51⑴傳感器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型4傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)標(biāo)定x(t)

傳感器y(t)

X(s)

Y(s)

h(t)

H(s)

4.1相關(guān)基本概念可將傳感器簡(jiǎn)化成一個(gè)線性二端網(wǎng)絡(luò)——激勵(lì)、響應(yīng)h(t)：脈沖響應(yīng)H(s)：傳遞函數(shù)⑴傳感器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型4傳感器的動(dòng)態(tài)特性與動(dòng)態(tài)標(biāo)定x(t)52⑵

線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述

A線性特征齊次性：若：則：疊加性：若，則：⑵線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述A線性特征53B時(shí)域模型：可用常系數(shù)微分方程來描述激勵(lì)響應(yīng)與系統(tǒng)相關(guān)的系數(shù)B時(shí)域模型：可用常系數(shù)微分方程來描述激勵(lì)響應(yīng)與系統(tǒng)相關(guān)54C傳遞函數(shù)1)定義：輸出信號(hào)的LT與輸入信號(hào)的LT之比。2)特點(diǎn)：H(s)是系統(tǒng)的固有特性，與輸入無關(guān)。H(s)是抽象的數(shù)學(xué)模型，不同的系統(tǒng)可有相同的H(s)3)級(jí)聯(lián)：串聯(lián)：并聯(lián)：系統(tǒng)的傳遞函數(shù)C傳遞函數(shù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)55D線性系統(tǒng)的特性1)微積分特性若：則：，2)頻率保持性若：則：輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)只在幅值和相位發(fā)生變化，即頻率保持性。對(duì)系統(tǒng)的特性分析采用單位階躍輸入或不同頻率的正弦信號(hào)輸入，通過不同輸出得出系統(tǒng)的特性。D線性系統(tǒng)的特性564.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性

傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)的響應(yīng)特性。輸入是時(shí)間的函數(shù)，輸出也是時(shí)間的函數(shù)，且與頻率有關(guān)。表征測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)有：

頻率指標(biāo)有幅頻特性A()，相頻特性()，固有頻率n，工作頻帶g，阻尼比等。

時(shí)域指標(biāo)有時(shí)間常數(shù)，上升時(shí)間tr，響應(yīng)時(shí)間ts，超調(diào)量M%等。4.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)57幅頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比隨信號(hào)頻率的關(guān)系；相頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位之差隨信號(hào)頻率的關(guān)系。4.3動(dòng)態(tài)標(biāo)定利用若干不同頻率的正弦信號(hào)輸入到系統(tǒng)，有不同的輸出，得到該頻率下輸出（響應(yīng)）與輸入（激勵(lì)）的幅值比與相位差，從而得到系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。確定相關(guān)的常數(shù)：、、等。幅頻特性：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比隨信號(hào)頻率的關(guān)系；584.4不失真測(cè)量條件

要使任意波形的信號(hào)通過測(cè)試裝置后不產(chǎn)生波形失真，則測(cè)試裝置的頻率響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性為一常數(shù)，相頻特性為線性。即：4.4不失真測(cè)量條件595測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理5.1測(cè)量誤差的基本概念⑴真值——未知量:在一定條件下，被測(cè)量客觀存在的實(shí)際值。有理論真值（絕對(duì)真值）、規(guī)定真值、相對(duì)真值⑵誤差：誤差的絕對(duì)存在性

絕對(duì)誤差=測(cè)量值-真值5測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理5.1測(cè)量誤差的基本概念60⑶誤差的來源：工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。⑷誤差的分類：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差、粗大誤差。⑸精度：正確度(準(zhǔn)確度)、精密度、精確度5.2隨機(jī)誤差的理論隨機(jī)誤差的特征：誤差分布曲線服從正態(tài)分布。標(biāo)準(zhǔn)偏差及計(jì)算⑶誤差的來源：工具誤差、環(huán)境誤差、方法誤差、人員誤差。61由于真值未知，δ不可求，用殘差v代替，在實(shí)際計(jì)算中多用算術(shù)平均值的均方差來代替標(biāo)準(zhǔn)偏差。算術(shù)平均值的均方差：5.3測(cè)量結(jié)果表示法直接測(cè)量:測(cè)量值間接測(cè)量:設(shè)各直接測(cè)量參數(shù)為x1，x2，…，xm，間接測(cè)量參數(shù)為y，間接測(cè)量的測(cè)量誤差是各個(gè)直接測(cè)量誤差的函數(shù)。用標(biāo)準(zhǔn)差表示的傳遞公式由于真值未知，δ不可求，用殘差v代替，在實(shí)際計(jì)算中多用算術(shù)626應(yīng)變式傳感器6.1應(yīng)變式傳感器是以應(yīng)變片為傳感元件的傳感器，是結(jié)構(gòu)型傳感器中電阻式傳感器的一種。6.2它可以將試件上的應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻變化，來達(dá)到非電量測(cè)試的目的。應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換原理是基于材料的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)是指金屬絲或金屬片的電阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。6應(yīng)變式傳感器6.1應(yīng)變式傳感器是以應(yīng)變片為傳感元636.3應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類、主要參數(shù)和工作特性結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)：應(yīng)變片的靈敏軸線、標(biāo)距(柵長(zhǎng))l工作特性參數(shù)：電阻值、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K、橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)（橫向靈敏度）、零漂和蠕變、應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性6.4應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路——電橋電路直流電橋、交流電橋單臂的靈敏度為：半橋（雙臂）的靈敏度為：全橋的靈敏度為：相鄰臂工作的雙臂電橋和全橋當(dāng)時(shí)，靈敏度高，沒有非線形誤差，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償作用。

6.5應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

6.3應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、分類、主要參數(shù)和工作特性647磁電式傳感器7.1磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理，將被測(cè)的物理量變換成感應(yīng)電勢(shì)輸出的傳感器。不需要輔助電源，將被測(cè)對(duì)象的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)。