電子教案機械工程測試技術(shù)

第一章測試技術(shù)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)知識目標：了解測試技術(shù)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)，掌握測試技術(shù)的動態(tài)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)。教學內(nèi)容：（1）測試技術(shù)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)（2）測試技術(shù)的動態(tài)特性（3）測試技術(shù)基礎(chǔ)素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學難點了解測試技術(shù)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)，掌握測試技術(shù)的動態(tài)特性和測試技術(shù)基礎(chǔ)。教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時4教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖章節(jié)描述〗測試技術(shù)的特性是測試技術(shù)所有性質(zhì)的總稱，而測試技術(shù)的輸入/輸出特性是其基本特性，一般把測試技術(shù)作為二端網(wǎng)絡(luò)研究時，輸入/輸出特性是二端網(wǎng)絡(luò)的外部特性，即輸入量與輸出量的對應關(guān)系。測試技術(shù)輸入量的狀態(tài)可分為靜態(tài)量和動態(tài)量兩類：靜態(tài)量是指不隨時間變化的信號或變化極其緩慢的信號(準靜態(tài))，動態(tài)量通常是指周期信號、瞬變信號或隨機信號。根據(jù)輸入量的狀態(tài)（靜態(tài)或動態(tài)）不同，測試技術(shù)所表現(xiàn)的輸入/輸出特性也不一樣，分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。測試技術(shù)的輸入/輸出特性決定了測試技術(shù)能否將被測的非電量信號的變化不失真地變換成相應的電量信號，該特性是與測試技術(shù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的外部特性?！贾R準備〗1.1測試技術(shù)的靜態(tài)特性測試技術(shù)的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，測試技術(shù)的輸入與輸出之間的關(guān)系。衡量測試技術(shù)靜態(tài)特性的主要指標有線性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨率、閾值、穩(wěn)定性、漂移和靜態(tài)誤差。1.1.1線性度測試技術(shù)的線性度是指測試技術(shù)的輸出與輸入之間的線性程度。1.1.2靈敏度靈敏度是指測試技術(shù)在穩(wěn)態(tài)下的輸出變化量Δy與引起此變化的輸入變化量Δx之比，用k表示。1.1.3遲滯測試技術(shù)在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，其輸入/輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯1.1.4重復性重復性是指在同一工作條件下，測試技術(shù)輸入量按同一方向做全量程連續(xù)多次變化時所得特性曲線不一致的程度，用γR表示。1.1.5分辨率與閾值分辨力是指測試技術(shù)在規(guī)定測量范圍內(nèi)所能檢測出的被測輸入量的最小變化值。有時用相對滿量程輸入值的百分數(shù)來表示該值，稱為分辨率。閾值是能使測試技術(shù)的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。1.1.6穩(wěn)定性與漂移1.穩(wěn)定性穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即測試技術(shù)在相當長的時間內(nèi)保持其原性能的能力。2.漂移漂移是指在一定時間間隔內(nèi)，測試技術(shù)的輸出存在著與被測輸入量無關(guān)的、不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移。1.1.7靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差是指測試技術(shù)在其全量程內(nèi)任意一點的輸出值與其理論輸出值的偏離程度，又稱為精度。1.2測試技術(shù)的動態(tài)特性在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化而變化的動態(tài)信號，這就要求測試技術(shù)的輸出不僅能精確地反映被測量的大小，還能正確地再現(xiàn)被測量隨時間變化的規(guī)律。測試技術(shù)的動態(tài)特性是指測試技術(shù)的輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性，它反映了輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。1.2.1動態(tài)誤差1.2.2動態(tài)特性的數(shù)學模型1.2.3傳遞函數(shù)1.2.4測試技術(shù)的動態(tài)特性指標（階躍響應、頻率響應）1.3測試技術(shù)基礎(chǔ)任何實驗都離不開測量，沒有測量就沒有科學。在一定條件下，任何物理量都必然具有某一客觀真實的數(shù)據(jù)。所謂測量，就是指以測量出某一物理量的值為目的的一系列有意識的科學實踐活動。1.3.1測量的分類按測量方法的不同，測量可分為直接測量和間接測量；按測量條件的不同，測量又可分為等精度測量和不等精度測量。1.直接測量和間接測量2.等精度測量和不等精度測量1.3.2誤差及其分類用實驗方法去研究事物的客觀規(guī)律，總是在一定的環(huán)境(溫度、濕度等)和儀器條件下進行的。由于測量條件(環(huán)境、溫度、濕度等)的變化及儀器精度的不同，在任何測量中，測量值N與待測量客觀存在的真值N′之間總存在著一定的差異。測量值N與真值N′的差值叫作測量誤差ΔN,簡稱誤差，即ΔN=N－N′系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差的特征是：在同一條件下多次測量同一量值時，絕對值和符號保持不變；或當條件改變時，按一定規(guī)律變化。系統(tǒng)誤差在某些情況下對測量結(jié)果的影響還比較大，因此，研究系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，發(fā)現(xiàn)、減小或消除系統(tǒng)誤差，使測量結(jié)果更加趨于正確和可靠，是誤差理論的重要課題之一，是數(shù)據(jù)處理中的一個重要的內(nèi)容。2.隨機誤差隨機誤差是由于感官靈敏度和儀器精密程度的限制、周圍環(huán)境的干擾及伴隨著測量而來的不可預料的隨機因素的影響而造成的。它的特點是大小無定值，一切都是隨機發(fā)生的，因而又把它稱為偶然誤差。1.3.3誤差的表示形式誤差的表示形式有絕對誤差和相對誤差兩種。1.3.4有效數(shù)字及簡算方法1.有效數(shù)字的概念一般來說，實驗所處理的數(shù)值有兩種：一種是沒有誤差的準確值(如測量的次數(shù)、公式中的純數(shù)等),另一種是測量值。測量值總含有一定的誤差，因此，它的數(shù)據(jù)就不應無止境地寫下去。2.有效數(shù)字的簡算①加減運算②乘除運算③乘方運算④對數(shù)、三角函數(shù)和n次方運算⑤數(shù)字的截尾運算⑥數(shù)字的科學記數(shù)法第二章傳感器基礎(chǔ)知識知識目標：（1）、了解傳感器的定義、傳感器的組成、傳感器的分類（2）、熟悉傳感器的基本要求、傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀（3）、熟悉傳感器的發(fā)展趨勢、傳感器的技術(shù)性能（4）、掌握傳感器選用原則教學內(nèi)容：（1）傳感器的定義（2）傳感器的組成（3）傳感器的分類（4）傳感器的基本要求（5）傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀（6）傳感器的發(fā)展趨勢（7）傳感器的技術(shù)性能（8）傳感器選用原則素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學難點傳感器的的組成、傳感器的基本要求、傳感器的技術(shù)性能教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時8教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖章節(jié)描述〗用機械代替體力勞動是第一次產(chǎn)業(yè)革命，在這次產(chǎn)業(yè)革命中，火車、汽車取代了人力車，各種動力機械取代了繁重的體力勞動；而用機械和電子裝置來代替部分腦力勞動，可以說是第二次或第三次產(chǎn)業(yè)革命，這也是當前科學技術(shù)發(fā)展的重要課題之一。在這一課題中，傳感器的研究是一個不可忽視的內(nèi)容。人通過感官來接收外界的信號，并將所接收的信號送入大腦，進行分析、處理后獲取有用的信息。對現(xiàn)有的或者正在發(fā)展中的機械電子裝置來說，電子計算機相當于人的大腦(常稱電腦)，而相應于人的感官部分的裝置就是傳感器。所以說，傳感器是人類感官的擴展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，用超聲波探測器可以探測海水的深度，用紅外遙感器可以從高空探測地球上的植被和地面形貌、河流狀態(tài)，等等；而在自動控制領(lǐng)域，自動化程度越高，控制系統(tǒng)對傳感器的依賴性就越大。因此，傳感器對控制系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮也起著決定性的作用?！贾R準備〗2.1傳感器的定義傳感器的定義包括了以下四個方面的內(nèi)容：（1）傳感器是測量裝置，能完成檢測任務。（2）它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等。（3）它的輸出是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等，這種量可以是氣、光、電量，目前主要是電量。（4）輸出與輸入有對應關(guān)系，且具有一定的精確度。2.2傳感器的組成傳感器的種類繁多，其工作原理、性能特點和應用領(lǐng)域各不相同，所以在結(jié)構(gòu)和組成上差異很大。但總的來說，傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及轉(zhuǎn)換電路組成，有時還加上輔助電源，如圖2-1所示。圖2-1傳感器的組成2.3傳感器的分類傳感器是測量裝置與被測量之間的接口，處于測試系統(tǒng)的輸入端，完成被測量的感知和能量的轉(zhuǎn)換，其性能直接影響著整個測試系統(tǒng)，對測量精確度起著主要的作用。由于被測機械量種類繁多，加之同種物理量可以用多種不同轉(zhuǎn)換原理的傳感器來檢測，同一轉(zhuǎn)換原理也可以用于不同測量對象的傳感器中，如加速度計按其敏感元件不同，就有壓電式、應變式和壓阻式等多種，因此，傳感器具有多樣性。2.4傳感器的基本要求（1）傳感器要有足夠的容量：傳感器的工作范圍或量程足夠大，具有一定的過載能力。（2）傳感器要與系統(tǒng)匹配性好：靈敏度高。輸出量與被測量之間具有確定的線性關(guān)系。（3）傳感器的實用性和適應性強：對被測對象影響小，內(nèi)部噪聲小且不受干擾。（4）傳感器的反應速度快，工作可靠性好。（5）傳感器的精度適當，穩(wěn)定性好：靜態(tài)響應和動態(tài)響應要滿足要求。工程中要綜合考慮上述要求，使用時應盡量滿足上述要求。2.5傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀科技越發(fā)達，自動化程度越高，對傳感器的依賴也就越強。測量科學已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的五大支柱之一，也是整個科學技術(shù)和國民經(jīng)濟的一項重要技術(shù)基礎(chǔ)，它對促進生產(chǎn)力發(fā)展和社會進步起到舉足輕重的作用。2.6傳感器的發(fā)展趨勢當前的信息時代不僅對傳感器的需求越來越多，而且對其性能要求也越來越高。隨著計算機輔助設(shè)計(computeraideddesign，CAD)技術(shù)、微機電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem，MEMS)技術(shù)、光纖技術(shù)、信息理論及數(shù)據(jù)分析算法不斷邁上新臺階，傳感器系統(tǒng)也朝著微型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。2.7傳感器的技術(shù)性能差動技術(shù)差動技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。2.平均技術(shù)在傳感器中普遍采用平均技術(shù)產(chǎn)生平均效應。3.補償與修正技術(shù)補償與修正技術(shù)在傳感器中的應用比較廣泛。4.屏蔽、隔離與干擾抑制傳感器大都要在現(xiàn)場工作，現(xiàn)場的條件往往是難以充分預料的，有時是極其惡劣的。5.穩(wěn)定性處理傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至勝過精度指標，尤其是對那些很難或無法定期鑒定的場合。2.8傳感器的選用原則1.測量對象與測量環(huán)境即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用2.靈敏度通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。3.頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件。4.線性范圍傳感器的線性范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。從理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。5.穩(wěn)定性傳感器在使用一段時間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。6.精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越高第三章常規(guī)傳感器原理與測量電路知識目標：熟悉各類傳感器的結(jié)構(gòu)工作原理及其特點。教學內(nèi)容：（1）電阻式傳感器（2）電感式傳感器（3）電容式傳感器（4）壓電式傳感器（5）磁電感應式傳感器（6）熱電式傳感器（7）光電式傳感器（8）霍爾式傳感器素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學難點各類傳感器的工作原理及特點教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時16教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖知識準備〗3.1電阻式傳感器電阻式傳感器的種類繁多，應用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應的測量電路，最終顯示被測值的變化。3.1.1電位器式電阻傳感器電位器是一種常用的機電元件，它被廣泛應用于各種電器和電子設(shè)備中，它是一種把機械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件。1.線性電位器2.非線性電位器3.負載特性與負載誤差4.電位器的結(jié)構(gòu)與材料5.電位器式傳感器的應用舉例3.1.2應變片式電阻傳感器幾何量和機械量的測量中，最常用的傳感器是由某些金屬和半導體材料做成的應變片式電阻傳感器。應變片式電阻傳感器是以應變片為傳感元件的傳感器。1.應變片式電阻傳感器的特點1）應變片式電阻傳感器的優(yōu)點（1）精度高，測量范圍廣。（2）使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠。（3）結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕。（4）頻率響應特性較好。應變片的響應時間約為10-7s。（5）環(huán)境適應性強，可在高低溫、高速、高壓、強烈振動、強磁場、核輻射和化學腐蝕等惡劣環(huán)境中工作。（6）應變片種類繁多，性能價格比高。2）應變片式電阻傳感器的缺點（1）在大應變狀態(tài)下存在較大的非線性。（2）輸出信號微弱。（3）不適用于溫度超過1000℃的高溫環(huán)境。（4）應變片實際測出的只是某一面積上的平均應變，不能完全適應力場中的瞬時應力變化情況。2.電阻應變片的工作原理3.電阻應變片的結(jié)構(gòu)與材料4.電阻應變片的性能參數(shù)1）應變片的靈敏系數(shù)應變片的靈敏系數(shù)K是指在應變片靈敏軸線方向的單一應力作用下，應變片的電阻相對變化dR/R與應變片試件表面上的軸向應變εx的比值，即2）橫向效應沿應變片軸向的應變εx必然引起應變片電阻的相對變化，而垂直于應變片軸向的應變εy，也會引起應變片電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應。橫向效應的結(jié)果是降低了電阻應變片的靈敏度。3）機械滯后應變片安裝在試件上后，在一定溫度下做出應變片電阻相對變化εi(指示應變)與試件機械應變εg之間加載的特性曲線4）零漂和蠕變在溫度保持恒定、試件上沒有應變的情況下，應變片的指示值會隨時間的增長而逐漸變化，此變化就是應變片的零點漂移，簡稱零漂。5）應變極限應變片的應變極限是指在一定的溫度下，應變片的指示應變εi與試件的真實應變εg的相對誤差達到規(guī)定值(一般為10%)時的真實應變εj。6）疲勞壽命已安裝好的應變片在恒定幅值的交變壓力下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應變片的疲勞壽命。疲勞壽命反映了應變片對動態(tài)應變測試的適應性。5.電阻應變片傳感器的典型應用在機電一體化工程中，力、壓力和扭矩是很常用的機械參數(shù)。近年來，各種高精度力、壓力和扭矩傳感器更以其慣性小、響應快、易于記錄、便于遙控等優(yōu)點得到廣泛的應用。按傳感器工作原理，電阻應變片傳感器可分為彈性式傳感器、電阻應變式傳感器、電感式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器和磁電式傳感器等，其中，電阻應變式傳感器的應用較為廣泛。3.2電感式傳感器電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實現(xiàn)測量的一種裝置，其可以用來測量位移、振動、壓力、流量、重量、力矩、應變等多種物理量。電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感，在被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化過程中，一般要利用磁場作為媒介或鐵磁體。這類傳感器的主要特征是具有線圈繞組。電感式傳感器的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單可靠，輸出功率大，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求高，分辨率高(如測量長度時可達0.1μm)，穩(wěn)定性好；其缺點是頻率響應慢，不宜用于快速測量。電感式傳感器的種類很多，有利用自感原理的自感式傳感器，有利用互感原理的差動變壓器式傳感器，有利用渦流原理的電渦流式傳感器和利用電磁感應原理的感應同步器等。3.2.1自感式傳感器1.自感式傳感器的工作原理圖3-29所示為自感式傳感器的工作原理。自感式傳感器主要由線圈、鐵心和銜鐵等組成。在鐵心和銜鐵之間有空氣隙δ，線圈的匝數(shù)為N，每匝線圈產(chǎn)生的磁通為Φ。傳感器工作時，銜鐵與被測物體連接，當被測物體移動時，氣隙厚度發(fā)生變化，氣隙的磁阻發(fā)生相應的變化，從而導致電感的變化，就可以確定被測量的大小。圖3-29自感式傳感器的工作原理1—線圈；2—鐵心；3—銜鐵2.自感式傳感器的結(jié)構(gòu)形式及特性3.自感式傳感器的誤差分析4.自感式傳感器的應用舉例3.2.2差動變壓器式傳感器變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成線圈間互感M的一種磁電機構(gòu)，其工作原理與變壓器的工作原理很像。這種傳感器多采用差動形式，故稱為差動變壓器式傳感器。差動變壓器的結(jié)構(gòu)形式較多，有變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中，應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1～100mm機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點。1.工作原理2.輸出特性3.轉(zhuǎn)換電路3.2.3電渦流式傳感器1.電渦流式傳感器概述根據(jù)法拉第電磁感應原理，當塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中做切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應電流，此電流稱為電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應。2.電渦流式傳感器的工作原理電渦流式傳感器利用電渦流效應將非電量轉(zhuǎn)換為阻抗的變化來進行測量。3.電渦流式傳感器的等效電路分析4.電渦流式傳感器的分類5.電渦流式傳感器的應用3.2.4感應同步器感應同步器是利用電磁感應原理把兩個平面繞組間的位移量轉(zhuǎn)換成電信號的一種位移傳感器。感應同步器按測量機械位移的對象可分為直線形感應同步器和圓盤形感應同步器，它們分別用來檢測直線位移和角位移。因為感應同步器的成本低，受環(huán)境溫度影響小，測量精度高且為非接觸測量，所以在位移檢測中得到了廣泛應用，特別是在各種機床的位移數(shù)字顯示、自動定位和數(shù)控系統(tǒng)中應用較廣。1.感應同步器的結(jié)構(gòu)圖3-49直線形感應同步器的組成1—定尺；2—滑尺2.感應同步器的工作原理3.感應同步器的測量方式3.3電容式傳感器電容式傳感器是將被測非電量（如尺寸、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器。電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、適應性強、溫度穩(wěn)定性好、動態(tài)響應好，可以實現(xiàn)非接觸測量，在位移、壓力、厚度、濕度、振動、加速度、流量及成分分析的測量等方面得到了廣泛的應用。3.3.1電容式傳感器的工作原理和分類1.電容式傳感器的工作原理2.電容式傳感器的分類3.3.2電容式傳感器的測量電路為了使信號能傳輸、放大、運算、處理、顯示、記錄和控制，得到所需的測量結(jié)果或控制某些設(shè)備工作，還需將電容C進一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流(電量參數(shù))。將電容轉(zhuǎn)換成電量的電路稱為電容式傳感器的測量電路。它們的種類很多，目前較常采用的有橋式電路、調(diào)頻電路和運算放大器式電路等。1.橋式電路橋式電路是將電容式傳感器接入交流電橋作為電橋的一個臂或兩個相鄰臂。2.調(diào)頻電路在調(diào)頻電路中，電容式傳感器被接在諧振回路中，當傳感器電容Cx發(fā)生改變時，其振蕩頻率f也發(fā)生相應變化，實現(xiàn)由電路到頻率的轉(zhuǎn)換。3.運算放大器式電路將電容式傳感器接入運算放大器式電路中作為電路的反饋元件，該電路的最大特點是能夠克服變極距式電容傳感器的非線性。3.3.3電容式傳感器的應用電容式傳感器可用來測量直線位移、角位移、振動振幅(測至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機械量，還可用來測量壓力、差壓、物位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度,測量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等。在自動檢測和控制系統(tǒng)中，電容式傳感器也常常被用來作為位置信號發(fā)生器。1.電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器不僅可用來測量壓力、差壓和物位等熱工參數(shù)，也可用來測量位移、振動、荷重等機械量。2.電容式加速度傳感器3.電容式測厚傳感器電容式測厚傳感器是用來對金屬帶材在軋制過程中進行厚度檢測的儀器，其工作原理是在被測帶材的上、下兩側(cè)各放置一塊面積相等、與帶材距離相等的極板，這兩塊極板與帶材就構(gòu)成了兩個電容器C1、C2。4.電容式液位傳感器電容式液位傳感器是利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容器。5.電容式溫度傳感器電容式溫度傳感器屬于變介質(zhì)型電容式傳感器，它主要利用電容器的中間介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度變化而改變的原理進行測量。3.4壓電式傳感器壓電式傳感器是以某些物質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)的一種發(fā)電式傳感器。壓電效應是可逆的，即存在逆壓電效應，因此，壓電式傳感器是一種雙向傳感器。壓電效應自發(fā)現(xiàn)以來，使在電子、超聲、通信、引爆等許多技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應用。壓電式傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕、測量范圍廣等優(yōu)點。3.4.1壓電效應首先通過響沙來了解一下壓電效應。當今世界已發(fā)現(xiàn)響沙一百多處，我國有甘肅敦煌的鳴沙山、寧夏中衛(wèi)的沙坡頭和內(nèi)蒙古鄂爾多斯的銀肯響沙灣，還有內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗布力彥的東額其響沙，產(chǎn)生響沙的原因并不神秘。由于沙粒的機械成分一致，都是中粒沙或細粒沙，幾乎沒有灰塵，石英的含量又高，在干燥無風的天氣里，當給沙粒一定的壓力時，它會產(chǎn)生壓縮或延伸現(xiàn)象，這時，它的表面會產(chǎn)生電荷，礦物學上稱這種特性為壓電性質(zhì)。壓電的晶體發(fā)生收縮和膨脹時，會產(chǎn)生響聲，再加上響沙的沙坡背風向陽，河槽上空形成一道人眼看不見的蒸汽墻，與沙坡正好形成一個天然的“共鳴箱”，響聲就更大了。其實，這種響聲是因為被擠壓的石英沙子產(chǎn)生了電荷，當足夠多的電荷聚集在地表并上升到空中時，就會引起電荷的放電聲響，這就是響沙的由來。其實，這就是壓電效應在生活中的鮮活存在。3.4.2壓電式傳感器的等效電路和測量電路1.壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器；同時它也是一個電容器，晶體上聚集正、負電荷的兩個表面相當于電容的兩個極板，極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，所以，壓電式傳感器可以等效為一個與電容Ca相串聯(lián)的電壓源。2.壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的靈敏度有電壓靈敏度ku和電荷靈敏度kq兩種，它們分別表示單位力產(chǎn)生的電壓和單位力產(chǎn)生的電荷。它們之間的關(guān)系為3.4.3壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)凡是能轉(zhuǎn)換成力的機械量（如位移、壓力、沖擊、振動加速度等）都可用相應的壓電式傳感器來測量，這些壓電式傳感器用以實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換功能的基本結(jié)構(gòu)是相同的。壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)有以下幾部分：（1）基座和外殼?；屯鈿び靡愿綦x試件應變和環(huán)境聲、磁、熱的干擾，并可增強剛度。基座通常都很厚，采用剛度較大的不銹鋼或鈦合金材料制成；殼體采用與基座相同的材料，起密封、屏蔽的作用。（2）壓電元件。根據(jù)設(shè)計需要，壓電元件可采用壓電晶體或壓電陶瓷。壓電元件的結(jié)構(gòu)形式較多采用雙晶片并聯(lián)形式。壓電加速度傳感器中常采用平板式或圓筒式結(jié)構(gòu)，采用厚度壓縮或剪切變形方式。（3）敏感元件。敏感元件指加速度傳感器中的質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)、位移傳感器中的彈簧，或壓力傳感器中的彈性膜片(盒)等。質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)中的質(zhì)量塊通常采用高比重合金，以利于縮小結(jié)構(gòu)和尺寸。（4）預載件。預載件即壓塊、彈簧或螺栓螺母等，用于對壓電元件施加預緊力。施加預緊力的作用有以下幾點：①消除壓電元件內(nèi)外接觸面的間隙，提高傳感器彈性系統(tǒng)的剛度，從而獲得良好的靜態(tài)(靈敏度和線性)、動態(tài)特性。②足夠的預緊力能夠確保拉力傳感器、剪力傳感器和扭矩傳感器獲得足夠的正壓力后靠摩擦傳遞切向力。③利用預載對外力的分載原理，實現(xiàn)對外力的分載調(diào)節(jié)，改變傳感器的靈敏度、線性或量程。（5）引線及接插件。引線及接插件用于與外接電纜連接。3.4.4壓電式傳感器的應用目前，壓電式傳感器應用最多的仍是測力，尤其是對沖擊、振動加速度的測量。迄今，在眾多形式的測振傳感器中，壓電式加速度傳感器占80%以上。1.壓電式測力傳感器2.壓電式壓力傳感器3.壓電式加速度傳感器3.5磁電感應式傳感器3.5.1磁電感應式傳感器概述磁電感應式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，是無源傳感器。自然界和人類社會生活的許多地方都存在磁場或與磁場相關(guān)的信息。利用人工設(shè)置的永久磁體產(chǎn)生的磁場，可作為許多種信息的載體,因此，探測、采集、存儲、轉(zhuǎn)換、復現(xiàn)和監(jiān)控各種磁場及磁場中承載的各種信息的任務，自然就落在磁電感應式傳感器的身上。在當今的信息社會中，磁電感應式傳感器已成為信息技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)元件。目前，人們研制出的利用各種物理、化學和生物效應的磁傳感器已在科研、生產(chǎn)和社會生活的各個方面得到了廣泛應用，它們承擔著探究種種信息的任務。半導體磁電傳感器的優(yōu)勢在于：它們的制造技術(shù)和微電子集成電路技術(shù)兼容，可以大量生產(chǎn)，并大幅度降低生產(chǎn)成本；輸出信號可供計算機和各種儀器設(shè)備直接使用，非常方便；抗蝕性強，磁場對器件的作用不受使用環(huán)境中光線、塵埃、油污、鹽霧及其他化學氣氛的影響；結(jié)構(gòu)牢固,耐震動,耐沖擊,壽命長。3.5.2磁電感應式傳感器的工作原理根據(jù)電磁感應定律，當W匝線圈在恒定磁場內(nèi)運動時，設(shè)穿過線圈的磁通為Φ，則線圈內(nèi)的感應電勢E與磁通變化率dΦ/dt的關(guān)系為根據(jù)這一原理，可以設(shè)計成兩種結(jié)構(gòu)形式的磁電式傳感器，即變磁通式磁電傳感器和恒磁通磁電傳感器。1.變磁通式磁電傳感器2.恒磁通式磁電傳感器3.5.3磁電感應式傳感器的基本特性輸出電流當測量電路接入磁電感應式傳感器的電路中時，磁電感應式傳感器的輸出電流I0為(3-104）式中，R為線圈的等效電阻；Rf為測量電路的輸入電阻；其他符號含義同前。2.電流靈敏度磁電感應式傳感器的電流靈敏度為(3-105）3.輸出電壓和電壓靈敏度磁電感應式傳感器的輸出電壓和電壓靈敏度分別為(3-106）4.測量誤差當磁電感應式傳感器的工作溫度發(fā)生變化或受到外界磁場干擾、機械振動或沖擊時，其靈敏度將發(fā)生變化而產(chǎn)生測量誤差。相對誤差為（3-107）測量誤差主要分為非線性誤差和溫度誤差。3.5.4磁電感應式傳感器的測量電路磁電感應式傳感器直接輸出感應電動勢，且傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁電感應式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度信號，則需要配用積分電路或微分電路。圖3-83所示為磁電感應式傳感器測量電路方框圖。圖3-83磁電感應式傳感器測量電路方框圖3.5.5磁電感應式傳感器的應用1.動圈式振動速度傳感器2.磁電式扭矩傳感器3.6熱電式傳感器3.6.1溫度的測量方法溫度是工業(yè)生產(chǎn)和科學研究實驗中的一個非常重要的參數(shù)。物體的許多物理現(xiàn)象和化學性質(zhì)都與溫度有關(guān)，許多生產(chǎn)過程都是在一定的溫度范圍內(nèi)進行的。因此，溫度的測量方法在科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。溫度的測量方法有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。1.接觸式測溫當采用接觸式測溫時，溫度敏感元件與被測對象接觸，經(jīng)過換熱后，兩者溫度相等。（1）膨脹式溫度計。膨脹式溫度計有兩種，一種是利用液體和氣體的熱膨脹及物質(zhì)的蒸氣壓變化來測量溫度，如玻璃液體溫度計和壓力溫度計；另一種是利用兩種金屬的熱膨脹差來測量溫度，如雙金屬溫度計。（2）熱電阻溫度計。熱電阻溫度計利用固體材料的電阻（如鉑熱電阻、銅電阻和熱敏電阻）隨溫度而變化的原理測量溫度。（3）熱電偶溫度計。熱電偶溫度計利用熱電效應測量溫度。2.非接觸式測溫當采用非接觸式測溫時，溫度敏感元件不與被測對象接觸，而是通過輻射能量進行熱交換，由輻射能的大小來推算被測物體的溫度。非接觸式測溫常用的溫度計有輻射式溫度計和光纖式溫度計。3.6.2熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應原理的測溫傳感器，它具有測量精度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點。1.工作原理熱電偶是工業(yè)上常用的溫度檢測元件之一，它具有測量精度高、測量范圍廣、構(gòu)造簡單、使用方便等優(yōu)點。常用的熱電偶的可測溫度為-50～1600℃；若配用特殊材料，則可測溫度可擴大為-180～2800℃。1）熱電效應2)接觸電動勢和單一導體中的溫差電動勢2.熱電偶的材料1）對熱電偶材料的基本要求（1）熱電特性穩(wěn)定，即熱電動勢與溫度的對應關(guān)系保持恒定。（2）由兩種材料組成的熱電偶應輸出較大的熱電動勢，以得到較高的靈敏度，且熱電動勢與溫度間應盡可能成線性關(guān)系，這樣易于測量，而且可以得到較高的精確度。（3）電阻溫度系數(shù)和電阻率要小，否則熱電偶的電阻將隨工作端的溫度不同而有較大的變化，影響測量結(jié)果的精確性。（4）能應用于較寬的溫度范圍，熱電特性、物理化學性能穩(wěn)定。（5）較好的工藝性能，便于成批生產(chǎn)，且復現(xiàn)性好，便于統(tǒng)一分度。（6）材料的機械強度高。2）國際標準熱電偶及其材料我國從1988年1月1日起對熱電偶全部按IEC國際標準進行生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T、N（分度號）八種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。3.熱電偶的結(jié)構(gòu)形式1）普通型熱電偶普通型熱電偶主要用于測量氣體、蒸氣、液體等介質(zhì)的溫度。由于使用條件基本相似，所以普通型熱電偶已做成標準型，其基本組成大致是一樣的。實際工程中使用的普通型熱電偶一般是由熱電極、絕緣管、保護套管和接線盒等部分組成2）鎧裝熱電偶鎧裝熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體。3）薄膜熱電偶薄膜熱電偶是由兩種金屬薄膜連接而成的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的熱電偶。薄膜熱電偶的特點是：測量端既小又薄，熱容量很小，故可用于微小面積上的溫度測量；動態(tài)響應快，故可測量快速變化的表面溫度。4.熱電偶的應用熱電偶可以串聯(lián)或并聯(lián)使用，但只限于同一種材質(zhì)構(gòu)成的多個熱電偶，且參考端應在同一溫度下。1）熱電偶的串聯(lián)（1）同極性串聯(lián)。熱電偶同極性串聯(lián)的總熱電動勢與單個熱電偶的熱電動勢成倍數(shù)關(guān)系。熱電偶同極性串聯(lián)有兩個用途：一是增強輸入信號，二是檢測多個測點的平均溫度。（2）反極性串聯(lián)。熱電偶反極性串聯(lián)的目的是測溫度變化速度，采用時間常數(shù)不等的兩個熱電偶反極性串聯(lián)。當溫度恒定不變時，熱電偶反極性串聯(lián)的總熱電動勢為零。溫度變化速度越快，輸出的信號越大，這在精密金屬零件熱處理加工中很有用。2）熱電偶的并聯(lián)熱電偶同極性并聯(lián)的目的也是測平均溫度，但要求各熱電偶的電阻及時間常數(shù)相等。值得注意的是，無論是串聯(lián)或并聯(lián)，都不允許有短路或斷路的熱電偶，否則會引起嚴重的誤差。通常，在單只熱電偶的使用中，短路或斷路會使輸出信號完全消失，因而故障容易被發(fā)現(xiàn)。但在串聯(lián)或并聯(lián)的情況下，如果總輸出熱電動勢不完全消失，則故障就難以被發(fā)現(xiàn)。3.6.3熱電阻溫度傳感器1.熱電阻測溫的工作原理物質(zhì)的電阻率隨溫度的變化而變化的物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應。大多數(shù)金屬導體的電阻隨溫度的升高而增加。在金屬中參加導電的為自由電子，當溫度升高(溫度變化的范圍不是很大)時，雖然自由電子的數(shù)目基本不變，但是每個自由電子的動能將增加。2.熱電阻的主要類型1）鉑熱電阻鉑具有穩(wěn)定的物理性能和化學性能，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑熱電阻除用作標準電阻溫度計外，還被廣泛應用于溫度的基準、標準的傳遞。它的長時間穩(wěn)定的復現(xiàn)性可達10-4K，是目前測溫復現(xiàn)性最好的一種溫度計。國際實用溫標規(guī)定，在14.8033K～961.78℃溫度范圍內(nèi)以鉑熱電阻作為標準儀器。鉑熱電阻的主要缺點是電阻溫度系數(shù)較小，在還原性介質(zhì)中容易被侵蝕而變脆，因此一定要加保護套管。2）銅熱電阻銅熱電阻和鉑熱電阻相比具有溫度系數(shù)大、價格低、易于提純等優(yōu)點，但存在電阻率小、體積較大、熱慣性較大、機械強度差等缺點。銅電阻在100℃以上易氧化，因此只能用在低溫及無侵蝕性的介質(zhì)中。在測量精度要求不高且測溫范圍比較小的情況下，可采用銅做熱電阻材料代替鉑熱電阻。3.熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡單，一般是將電阻絲繞在云母、石英、陶瓷和塑料等絕緣骨架上，經(jīng)過固定，外邊再加上保護套管。熱電阻由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。4.熱電阻溫度傳感器的測量電路熱電阻溫度傳感器的測量電路最常用的是電橋電路，若要求精度高，則可采用自動電橋。3.6.4熱敏電阻溫度傳感器1.熱敏電阻的測溫原理熱敏電阻溫度傳感器就是利用磁心半導體的電阻值隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參數(shù)進行檢測的裝置。熱敏電阻具有以下一些優(yōu)點：（1）溫度系數(shù)比金屬的溫度系數(shù)大4～9倍，半導體材料可以有正或負的溫度系數(shù)，根據(jù)需要選擇。（2）電阻率大，因此可以制成極小的電阻元件（熱慣性?。m于測量點溫、表面溫度及快速變化的溫度。（3）結(jié)構(gòu)簡單，機械性能好。（4）可根據(jù)不同的要求制成各種形狀。2.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和主要特性1）熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻主要由熱敏探頭、引線和殼體構(gòu)成。2)熱敏電阻的主要特性（1）溫度特性。（2）伏安特性(U-I)。3.熱敏電阻的應用3.7光電式傳感器光電式傳感器是將入射光的光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電傳感器的基礎(chǔ)是光電元件的光電效應。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，一般情況下具有非接觸測量、高精度、高分辨率、高可靠性和反應快等特點，因而在檢測領(lǐng)域和自動化控制中有廣泛應用。3.7.1光源與光的特性1.光源和頻譜光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。2.光的特性這些光的頻率(波長)各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。3.7.2光電效應光照射在物體上可以看成是一連串的具有一定能量的光子轟擊這些物體的表面。光子與物體之間的連接體是電子。光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應。光電效應可分成外光電效應和內(nèi)光電效應兩類。1.外光電效應1）外光電效應的原理在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。2）基于外光電效應的光電器件基于外光電效應的光電器件有光電管和光電倍增管。（2）光電倍增管。光電倍增管是基于外光電效應和二次電子發(fā)射效應的電子真空器件。2.內(nèi)光電效應當光照射在半導體材料上時，材料中處于價帶的電子將吸收光子能量，通過禁帶躍入導帶，使導帶內(nèi)的電子濃度和價帶內(nèi)的空穴增多，即激發(fā)出光生電子空穴對，從而使半導體材料產(chǎn)生電效應。3.7.3光電式傳感器的類型光電式傳感器按其輸出量性質(zhì)可分為模擬式光電傳感器和開關(guān)式光電傳感器兩大類。1.模擬式光電傳感器1)輻射式光電傳感器被測物體本身是光輻射源，由輻射式光電傳感器釋出的光射向光電元件。光電高溫計、光電比色高溫計、紅外偵察、紅外遙感和天文探測等均屬于這一類。輻射式光電傳感器還可用于防火報警、火種報警和構(gòu)成光照度計等。2）吸收式光電傳感器被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物體對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)，如液體、氣體的透明度、混濁度，氣體的成分、液體中某種物質(zhì)的含量等。3）反射式光電傳感器恒定光源釋出的光投射到被測物體上，再從被測物體的表面反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量的多少測定被測物體表面性質(zhì)和狀態(tài)的設(shè)備稱為反射式光電傳感器。例如，測量零件表面粗糙度、表面缺陷、表面位移及表面白度、露點、濕度等。4）透射式（遮光式）光電傳感器被測物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測物體阻擋光通量的多少來測定被測參數(shù)的設(shè)備稱為透射式（遮光式）光電傳感器。透射式（遮光式）光電傳感器將被測對象作為光閘，主要用于測量小孔、狹縫、細絲的直徑等。5）時差測距光電傳感器恒定光源發(fā)出的光投射于目的物，然后反射至光電元件，根據(jù)發(fā)射與接收之間的時間差測出距離的設(shè)備稱為時差測距光電傳感器。時差測距光電傳感器的特例為光電測距儀。2.開關(guān)式光電傳感器開關(guān)式光電傳感器利用光電元件受光照或無光照時有無電信號輸出的特性將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號，為此，光電元件的靈敏度要高，對光照特性的線性要求不高。3.7.4光電編碼器光電編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測元件。1.增量式編碼器增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計數(shù)器對這些脈沖進行加減計數(shù)，以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量。2.絕對式編碼器絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應代碼的檢測元件。碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。3.7.5固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器是采用光電轉(zhuǎn)換原理將被測物體的光像轉(zhuǎn)換為電子圖像信號輸出的一種大規(guī)模集成電路光電元件，常稱為電荷耦合器件（chargecoupleddevice，CCD）。1.CCD的工作原理2.CCD的應用3.8霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。3.8.1霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。1.洛倫茲力的產(chǎn)生霍爾效應的產(chǎn)生是電荷受到磁場中洛倫茲力作用的結(jié)果。2.電場力的產(chǎn)生3.洛倫茲力與電場力的平衡4.霍爾電壓3.8.2霍爾元件的結(jié)構(gòu)及測量電路1.霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件（見圖3-134）的結(jié)構(gòu)很簡單，由具有霍爾效應的半導體薄片（霍爾片）、電極引線及殼體組成。霍爾片（見圖3-135）是一塊矩形半導體單晶薄片，在兩個相互垂直的側(cè)面上分別引出一對電極，共四個電極。其中，a、b電極用于控制電流，稱為控制電極；c、d電極用于引出霍爾電勢，稱為霍爾電勢輸出極。在霍爾片外面用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝作為外殼。在電路中，霍爾元件可用兩種符號表示，如圖3-136所示。圖3-135霍爾片圖3-134霍爾元件圖3-135霍爾片圖3-134霍爾元件圖3-136霍爾元件的電路符號圖3-136霍爾元件的電路符號霍爾元件的測量電路3.8.3霍爾元件的主要特性參數(shù)1.額定激勵電流和最大允許激勵電流霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。2.輸入電阻和輸出電阻霍爾激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。3.不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為IH時，若元件所處位置的磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零。4.寄生直流電勢當外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極除了輸出交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。3.8.4霍爾元件的誤差及其補償在實際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電勢中疊加著各種誤差電勢，這些誤差電勢產(chǎn)生的主要原因有兩個：一個是制造工藝的缺陷，另一個是半導體本身固有的特性。不等位電勢和溫度是造成霍爾元件產(chǎn)生誤差的兩個主要因素。1.不等位電勢補償2.溫度補償3.8.5霍爾式傳感器的應用一是當輸入電流恒定不變時，傳感器的輸出正比于磁感應強度，因此，凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應強度B變化的物理量均可進行測量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等；二是當磁感應強度B保持恒定時，傳感器的輸出正比于控制電流I的變化，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的物理量均可進行測量；三是霍爾電壓正比于控制電流I和磁感應強度B，所以凡是可以轉(zhuǎn)換為乘法的物理量(如功率)都可以進行測量。1.霍爾式位移傳感器2.霍爾式汽車點火器3.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器4.霍爾計數(shù)裝置第四章新型傳感器原理及應用知識目標：（1）了解激光的特性，了解激光傳感器的應用（2）熟悉光纖的結(jié)構(gòu)，光纖傳感器的工作原理，光纖傳感器的分類（3）掌握智能傳感器的基本概念，了解智能傳感器實現(xiàn)的途徑。教學內(nèi)容：（1）激光傳感器（2）光纖傳感器（3）智能傳感器（4）4MEMS傳感器素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學難點激光的特性，光纖傳感器的工作原理教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時8教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖知識準備〗4.1激光傳感器激光自1960年問世以來，雖然發(fā)展歷史不長，但發(fā)展速度很快，激光技術(shù)已經(jīng)成為近代最重要的科學技術(shù)之一，并已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、醫(yī)學衛(wèi)生和非電量測量等方面。利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，稱為激光傳感器。它由激光器、激光探測器和測量電路組成。4.1.1激光傳感器的工作原理4.1.2激光的特性1.方向性強2.單色性好3.相干性好4.1.3激光器的類型1.固體激光器2.液體激光器3.氣體激光器4.半導體激光器4.1.4激光傳感器的應用激光技術(shù)有著非常廣泛的應用，如激光精密機械加工、激光通信、激光音響、激光影視、激光武器和激光檢測等。1.激光測距2.激光測速3.激光測長4.激光測厚5.激光測振4.2光纖傳感器光纖的全稱為光導纖維，是一種導引光波的波導，是一種新的傳輸介質(zhì)。光纖通信是以光波為載波，以光導纖維為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式。4.2.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖由纖芯、包層、涂敷層和護套組成1.纖芯和包層纖芯和包層為光纖結(jié)構(gòu)的主體，對光波的傳播起著決定性作用。2.涂敷層和護套涂敷層的材料一般為硅酮或丙烯酸鹽，用于隔離雜光。護套的材料一般為尼龍或其他有機材料，用于提高光纖的機械強度，保護光纖。4.2.2光纖傳感器的工作原理4.2.3光纖的種類光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)可分為玻璃光纖和塑料光纖兩種；光纖按折射率可分為階躍型光纖和梯度型光纖兩種。4.2.4光纖傳感器的分類光纖傳感器一般可分為兩大類：一類是功能型傳感器(functionfiberopticsensor)，又稱為FF型光纖傳感器；另一類是非功能傳感器(nonfunctionfiberopticsensor)，又稱為NF型光纖傳感器。前者是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱為傳感型光纖傳感器；后者是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來自遠處或難以接近場所的光信號，因此也稱為傳光型光纖傳感器。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等70多個物理量的測量，具有十分廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。下面介紹幾個光纖傳感器的應用實例。1.光纖液位傳感器2.熱輻射光纖溫度傳感器3.反射式位移傳感器4.2.5光纖傳感器的發(fā)展趨勢4.3智能傳感器4.3.1智能傳感器概述傳感器在經(jīng)歷了模擬量信息處理和數(shù)字量交換兩個階段后，正朝著智能化、集成一體化和小型化方向發(fā)展，利用微處理機技術(shù)使傳感器智能化是20世紀80年代新型傳感器的一大進展，通常稱之為智能傳感器。在美國，智能傳感器還有一個通俗的名稱smartsensor，含有聰明、伶俐、能干的意思。1.智能傳感器的概念智能傳感器雖然至今未有確切含義，但從字面上看，所謂智能，就是說這種傳感器具有一定的人工智能，即用電路代替一部分腦力勞動。2.智能傳感器的功能概括來說，智能傳感器具有以下主要功能：自校零、自標定、自校正；自動補償；能夠自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行預處理；能夠自動進行檢測、自選量程、自尋故障；數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理；雙向通信、標準化數(shù)字輸出或符號輸出；判斷、決策處理。3.智能傳感器的特點與傳統(tǒng)傳感器相比，智能傳感器具有以下特點：1）精度高2）高可靠性和高穩(wěn)定性3）高信噪比和高分辨率4）自適應性強5）性能價格比高4.3.2智能傳感器實現(xiàn)的途徑智能傳感器主要有以下兩條實現(xiàn)途徑：1.非集成化實現(xiàn)2.集成化實現(xiàn)4.3.3智能傳感器的發(fā)展趨勢人工智能材料和智能器件的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個方面：微電子學利用微電子學使傳感器和微處理器結(jié)合在一起實現(xiàn)各種功能的單片智能傳感器，仍然是智能傳感器的主要發(fā)展方向之一。2.微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)(智能結(jié)構(gòu))是今后智能傳感器的重要發(fā)展方向之一。3.納米科學利用生物工藝和納米技術(shù)研制傳感器功能材料，以此技術(shù)為基礎(chǔ)研制分子和原子生物傳感器是一門新興學科，是21世紀的超前技術(shù)。4.智能器件原理和智能材料的設(shè)計方法完善智能器件原理和智能材料的設(shè)計方法，也將是今后所要研究的重要課題。4.4MEMS傳感器MEMS是指集微型傳感器、執(zhí)行器及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。4.4.1MEMS技術(shù)概述MEMS技術(shù)的發(fā)展開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機械光學器件、真空微電子器件和電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事及人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應用前景。4.4.2微加速度計的類型及工作原理常見的微加速度計按熱敏原理的不同可以分為壓阻式、壓電式、電容式、扭擺式和隧道式等類型。1.壓阻式微加速度計壓阻式微加速度計是由懸臂梁和質(zhì)量塊及布置在梁上的壓阻組成的，懸臂梁和質(zhì)量塊常為硅材料。2.壓電式微加速度計壓電式微加速度計是最早出現(xiàn)的微加速度計。其優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，芯片的制作相對容易，并且接口電路易于實現(xiàn)。其缺點是：溫度系數(shù)比較大，對溫度比較敏感；與采用其他原理的微加速度計相比，其靈敏度比較低，蠕變和遲滯效應比較明顯。3.電容式微加速度計電容式微加速度計是最常見的、有成熟產(chǎn)品的微加速度計。其基本原理就是將電容作為檢測接口來檢測由于慣性力作用導致慣性質(zhì)量塊發(fā)生的微位移。4.扭擺式微加速度計扭擺式微加速度計的敏感單元是不對稱質(zhì)量平板，它通過扭轉(zhuǎn)軸與基座相連?；纳媳砻嬗泄潭姌O，不對稱質(zhì)量平板的下表面有相應的運動電極，形成檢測電容。5.隧道式微加速度計隧道效應就是平板電極和隧道針尖電極距離達到一定的條件，可以產(chǎn)生隧道電流。4.4.3MEMS技術(shù)的研究內(nèi)容究內(nèi)容一般可以歸納為以下三個基本方面：1.理論基礎(chǔ)在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（scalingeffects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，許多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結(jié)構(gòu)的表面效應、微觀摩擦機理等，因此，人們有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結(jié)構(gòu)學進行深入的研究。這方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者共同進行基礎(chǔ)研究。2.技術(shù)基礎(chǔ)MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)可以分為設(shè)計與仿真技術(shù)、材料與加工技術(shù)、封裝與裝配技術(shù)、測量與測試技術(shù)、集成與系統(tǒng)技術(shù)等方面。3.應用研究人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術(shù)，更重要的是解決將MEMS技術(shù)與航空航天、信息通信、生物化學、醫(yī)療、自動控制、消費電子及兵器等應用領(lǐng)域相結(jié)合的問題，制作出符合各領(lǐng)域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)等MEMS器件與系統(tǒng)。4.4.4MEMS技術(shù)的發(fā)展趨勢MEMS技術(shù)的主要發(fā)展趨勢有以下幾方面：1.研究方向多樣化MEMS技術(shù)的研究日益多樣化。2.加工工藝多樣化3.系統(tǒng)單片集成化4.MEMS器件芯片的制造與封裝統(tǒng)一考慮5.普通商業(yè)應用第五章虛擬儀器測試系統(tǒng)知識目標：（1）了解虛擬儀器的概念，虛擬儀器的系統(tǒng)組成，（2）熟悉信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡（3）掌握軟件開發(fā)平臺LabVIEW應用程序的構(gòu)成，VI程序設(shè)計方法（4）掌握LabVIEW信號的分析與處理（5）了解基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)組建實例教學內(nèi)容：（1）虛擬儀器概述（2）信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡（3）軟件開發(fā)平臺LabVIEW（4）LabVIEW信號的分析與處理（5）基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)組建實例素質(zhì)目標：具有較扎實的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強的獨立工作能力和創(chuàng)新精神教學難點LabVIEW應用程序的構(gòu)成、VI程序設(shè)計方法、LabVIEW信號的分析與處理教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時8教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖章節(jié)描述〗虛擬儀器（virtualinstrument，VI）是虛擬技術(shù)在儀器儀表領(lǐng)域中的一個重要應用，它是在日益發(fā)展的計算機硬件、軟件和總線技術(shù)向其他技術(shù)密集滲透的過程中，與測試技術(shù)、儀器技術(shù)密切結(jié)合而產(chǎn)生的一項新成果?！贾R準備〗5.1虛擬儀器概述5.1.1虛擬儀器的概念20世紀中期，美國國家儀器有限公司首先提出了虛擬儀器的概念，認為虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通信及圖形用戶界面的軟件組成的測控系統(tǒng)，是一種由計算機操縱的模塊化儀器系統(tǒng)。如果再做進一步說明，那么虛擬儀器是一種以計算機作為儀器統(tǒng)一硬件平臺，充分利用計算機獨具的運算、存儲、回放、調(diào)用、顯示及文件管理等基本智能化功能，同時把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，使之與計算機結(jié)合起來融為一體，這樣便構(gòu)成了一臺從外觀到功能都完全與傳統(tǒng)硬件儀器一致，同時又充分享用計算機智能資源的全新的儀器系統(tǒng)。由于儀器的專業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成的，因而國際上把這類新型的儀器稱為虛擬儀器，有些資料中甚至直接將虛擬儀器稱為軟件即儀器。5.1.2虛擬儀器的系統(tǒng)組成虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理。虛擬儀器包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。1.虛擬儀器的硬件系統(tǒng)虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。按照測控功能硬件的不同，虛擬儀器可分為GPIB、VXI、PXI和DAQ四種標準體系結(jié)構(gòu)。2.虛擬儀器的軟件系統(tǒng)虛擬儀器技術(shù)的核心思想是利用計算機的硬/軟件資源，使本來由硬件實現(xiàn)的技術(shù)軟件化（虛擬化），以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強系統(tǒng)的功能與靈活性。虛擬儀器的軟件框架從低層到頂層，包括三部分：VISA庫、儀器驅(qū)動程序和儀器開發(fā)軟件（應用軟件）。5.1.3虛擬儀器的開發(fā)平臺應用軟件開發(fā)環(huán)境是設(shè)計虛擬儀器所必需的軟件工具。目前，較流行的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境大致有兩類：一類是圖形化的編程語言，其中較具代表性的有HPVEE、LabVIEW（laboratoryvirtualinstrumentengineering）等；另一類是文本式的編程語言，如C、VisualC++、LabWindows/CVI等。1.LabVIEWLabVIEW是美國國家儀器有限公司研制的圖形編程虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表示等功能。2.LabWindows/CVILabWindows/CVI也由美國國家儀器有限公司研制，其功能與LabVIEW基本相同，不同之處在于它可用C語言對虛擬儀器進行編程。3.VisualC++VisualC++是微軟公司開發(fā)的可視化軟件開發(fā)平臺。使用VisualC++作為虛擬儀器的開發(fā)平臺，一般有以下四個步驟：（1）開發(fā)A/D插卡的驅(qū)動程序，完成數(shù)據(jù)采集功能。（2）開發(fā)虛擬儀器的面板，以供用戶交互式操作。（3）開發(fā)虛擬儀器的功能模塊，完成虛擬儀器的各項功能。（4）有機地集成前三步功能，構(gòu)建一個界面逼真、功能強大的虛擬儀器。5.2信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡5.2.1信號調(diào)理器與數(shù)據(jù)采集卡概述振蕩器提供時鐘信號。量程變換電路的作用是避免放大器飽和而選擇不同的測量范圍。濾波器濾除干擾信號和不滿足采樣條件的信號，提取代表被測物理量的有效信號。放大器將待采集的信號放大（或衰減）至采樣環(huán)節(jié)的量程范圍內(nèi)。通常，放大器的增益是可調(diào)或具有多種不同增益倍數(shù)的，用戶可根據(jù)輸入信號幅值的不同，選擇最佳的增益倍數(shù)。采樣保持器在時鐘信號的作用下，鎖存某一瞬時的電壓值并保持信號幅值不變直到下一個時鐘信號。采樣保持器主要用于使多通道采集時各通道保持同步或相位差比較小。多路開關(guān)將各路被測信號輪流切換到信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采據(jù)模塊，實現(xiàn)多路信號的采集。A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，并完成信號幅值的量化。目前，市場上有很多A/D轉(zhuǎn)換芯片中集成了多路采樣保持器。5.2.2信號調(diào)理器從傳感器得到的信號大多要經(jīng)過調(diào)理才能進入數(shù)據(jù)采集設(shè)備，信號調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波、激勵和線性化等。5.2.3數(shù)據(jù)采集卡1.數(shù)據(jù)采集卡的功能一個典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計數(shù)器等，這些功能分別由相應的電路來實現(xiàn)。5.3軟件開發(fā)平臺LabVIEWLabVIEW被工業(yè)界、學術(shù)界和研究實驗室廣泛接受，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW不僅集成了滿足GPIB、VXI、RS232和RS486協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，而且內(nèi)置了便于應用TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數(shù)，是一個功能強大且使用靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，LabVIEW的圖形化界面使得編程過程和使用過程都生動有趣。5.3.1LabVIEW應用程序的構(gòu)成所有的LabVIEW應用程序，即VI，都包括前面板（frontpanel）、流程圖（blockdiagram）和圖標/連接器(icon/connector)三部分。1.前面板前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板，這一界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體表現(xiàn)為開關(guān)、旋鈕、圖形及其他控制（control）對象和顯示（indicator）對象。2.流程圖流程圖提供VI的圖形化源程序。在流程圖中對VI編程，以控制和操縱定義在前面板上的輸入功能和輸出功能。3.圖標/連接器VI具有層次化和結(jié)構(gòu)化的特征。一個VI可以作為子程序，這里稱為子VI（subVI），被其他VI調(diào)用。5.3.2LabVIEW的操作模板在LabVIEW的用戶界面上，應特別注意它提供的操作模板，包括工具模板（toolspalette）、控制模板（controlpalette）和函數(shù)模板(functionspalette)，這些模板集中反映了該軟件的功能與特征。1.工具模板工具模板提供了各種用于創(chuàng)建、修改和調(diào)試VI程序的工具。2.控制模板控制模板用來給前面板設(shè)置各種所需的輸出顯示對象和輸入控制對象。3.函數(shù)模板函數(shù)模板是創(chuàng)建流程圖程序的工具。5.3.3VI程序設(shè)計方法1.設(shè)計前面板使用“工具模板”中的相應工具從“控制模板”中取出所需控件，放置到開發(fā)前面板窗口中的具體位置上，然后進行控件屬性參數(shù)設(shè)置，標注文字標簽說明。2.設(shè)計流程框圖使用“工具模板”中的相應工具從“函數(shù)模板”中取出所需結(jié)點函數(shù)圖標，放置到流程框圖窗口中，再用連線工具把各結(jié)點端子按程序數(shù)據(jù)流的要求依次連接。3.運行調(diào)試（1）方針運行方式。該運行方式不需要I/O接口硬件設(shè)備的配合即可達到預期功能的調(diào)試。（2）實測調(diào)試運行方式。該運行方式需要使用I/O接口硬件設(shè)備采集輸入標準信號來檢驗虛擬儀器的功能。5.4LabVIEW信號的分析與處理LabVIEW的軟件庫包括數(shù)值分析、信號處理、曲線擬合及其他軟件分析功能。該軟件庫是建立虛擬儀器系統(tǒng)的重要工具，其除了具有數(shù)學處理功能外，還具有專為儀器工業(yè)設(shè)計的獨特的信號處理與測量功能。5.4.1信號的產(chǎn)生LabVIEW8.6提供了波形函數(shù)，為制作函數(shù)發(fā)生器提供了方便。5.4.2FFT變換信號的時域顯示（采樣點的幅值）可以通過離散傅里葉變換（discretefouriertransform，DFT）的方法轉(zhuǎn)換為頻域顯示。為了快速計算DFT，通常采用一種快速傅里葉變換(fastfouriertransform，F(xiàn)FT)的方法。當信號的采樣點數(shù)是2的冪時，就可以采用這種方法。5.4.3窗函數(shù)計算機只能處理有限長度的信號，原信號x(t)要以T(采樣時間或采樣長度)截斷，即有限化。有限化也稱為加“矩形窗”或“不加窗”。矩形窗將信號突然截斷，這在頻域中造成很寬的附加頻率成分，這些附加頻率成分在原信號x(t)中其實是不存在的。一般將這一問題稱為有限化帶來的泄漏問題。泄漏使得原來集中在f0上的能量分散到全部頻率軸上。泄漏帶來許多問題，如使頻率曲線產(chǎn)生許多“皺紋（ripple）”，較大的皺紋可能與小的共振峰值混淆；信號為兩幅值一大一小頻率很接近的正弦波合成，幅值較小的一個信號可能被淹沒；f0附近的曲線過于平緩，無法準確確定f0的值。為了減少泄漏，人們嘗試用過渡較為緩慢的、非矩形的窗函數(shù)。5.4.4數(shù)字濾波器模擬濾波器設(shè)計是電子設(shè)計中最重要的部分之一，但是濾波器的設(shè)計通常還是需要專家來完成，因為這項工作需要較高深的數(shù)學知識和對系統(tǒng)與濾波器之間的關(guān)系有深入的了解?，F(xiàn)代的數(shù)字采樣和信號處理技術(shù)已經(jīng)可以取代模擬濾波器，轉(zhuǎn)而設(shè)計數(shù)字濾波器。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有以下優(yōu)點：可以用軟件編程；穩(wěn)定性高，可預測；不會因溫度、濕度的影響產(chǎn)生誤差；很高的性能價格比。5.5基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)組建實例5.5.1測試系統(tǒng)硬件1.壓電式加速度傳感器2.信號調(diào)理設(shè)備3.數(shù)據(jù)采集設(shè)備5.5.2測試系統(tǒng)軟件其中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和故障分析三個模塊進行說明。1.數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是借助于DAQAsstistant（DAQ助手）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集。2.數(shù)字濾波數(shù)字濾波器是數(shù)字信號分析中重要的組成部分。3.故障分析1）時域分析2）頻域分析3）幅值域分析第七章振動測試知識目標：（1）了解振動測試的基本方法（2）掌握振動測試系統(tǒng)、單自由度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與作用（3）熟悉測振傳感器的原理（4）學會動態(tài)特性參數(shù)的確定教學內(nèi)容：（1）振動測試的基本方法（2）振動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與作用（3）單自由度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與作用（4）測振傳感器（5）激振器（6）測振系統(tǒng)的校準（7）動態(tài)特性參數(shù)的確定教學難點測振傳感器、動態(tài)特性參數(shù)的確定教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時14教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖章節(jié)描述〗振動是經(jīng)常發(fā)生的一種物理現(xiàn)象。機械振動在很多情況下都是有害的，它使機器的零部件加快失效，破壞機器的正常工作，降低設(shè)備的使用壽命，甚至導致機器部件損壞而發(fā)生事故。振動測試技術(shù)已成為工程實際中，為解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品試制中有關(guān)振動問題必不可少的手段。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代振動測試多采用電測法。振動測試一般分為兩類：一類是測試機器和設(shè)備在運行過程中存在的振動，另一類是對設(shè)備施加某種激勵，使其產(chǎn)生受迫振動，然后對它的振動狀況進行檢測。在振動測試中使用的傳感器一般也稱為測振傳感器或拾振器，其作用是接收被測的振動量(振動位移、速度、加速度等)，將其轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的電量，并將這些電量提供給后續(xù)測試儀器。因此，傳感器是振動電測法的核心環(huán)節(jié)?！贾R準備〗7.1振動測試的基本方法機械振動測試的方法有多種，典型的有機械法、光學法和電測法。機械法是利用杠桿傳動或慣性原理接受并記錄振動量的一種測量方法。機械式測振儀盡管使用簡單，受干擾影響小，但它體積大、靈敏度低且使用頻率范圍窄，因此目前已很少使用。光學法是利用光學原理將振動量轉(zhuǎn)換為光信號的一種測量方法。常用的測振裝置有光學讀數(shù)顯微鏡測振裝置和激光干涉法測振裝置。光學法測振裝置調(diào)整復雜，對測量環(huán)境要求嚴格，一般僅適于在實驗室環(huán)境下作為標準振動儀器的標準計量裝置。電測法是將被測的振動量轉(zhuǎn)換成電量，再用電量測試設(shè)備進行測量的方法。與機械法和光學法相比較，電測法具有使用頻率范圍寬、動態(tài)范圍廣、測量靈敏度高等優(yōu)點。電測法可廣泛用于各種不同的測振傳感器，且電信號容易被記錄、處理和傳送。7.2振動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與作用振動測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7-1所示，該系統(tǒng)由被測對象、激勵裝置、傳感與測量裝置、振動分析裝置和顯示及記錄儀器組成。圖7-1振動測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖振動測試系統(tǒng)各部分的作用有以下幾點：（1）被測對象。被測對象也稱為試驗模型，是承受動載荷和動力的結(jié)構(gòu)或機器。（2）激勵裝置。激勵裝置由信號源、功率放大和激振器組成，用于對被測結(jié)構(gòu)或機器施加某種形式的激勵，以獲取被測結(jié)構(gòu)對激勵的響應。對于運行中的機器設(shè)備的振動測試來說，這一環(huán)節(jié)是沒有的。此時，機器設(shè)備直接從外部得到振動的激勵。（3）傳感與測量裝置。傳感與測量裝置由測振傳感器及其關(guān)聯(lián)的測量和中間變換電路組成，用于將被測振動信號轉(zhuǎn)換為電信號。（4）振動分析裝置。振動分析裝置的作用是對振動信號做進一步的分析與處理以獲取所需的測量結(jié)果。（5）顯示及記錄儀器。顯示及記錄儀器用于顯示或記錄最終的振動測試結(jié)果以圖表或數(shù)據(jù)的形式。這方面的儀器包括幅值相位檢測儀器、電子示波器、xy函數(shù)記錄儀、數(shù)字繪圖儀、打印機及計算機磁盤驅(qū)動器等。7.3單自由度系統(tǒng)的受迫振動單自由度系統(tǒng)的受迫振動可以分為質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動和基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動兩種形式。1.質(zhì)量塊受力產(chǎn)生的受迫振動2.基礎(chǔ)運動產(chǎn)生的受迫振動7.4測振傳感器測振傳感器主要包括以下幾種類型：7.4.1相對式測振傳感器7.4.2絕對式測振傳感器7.4.3磁電式速度傳感器7.4.4壓電式加速度傳感器7.4.5電阻應變式加速度傳感器7.4.6壓阻式加速度傳感器7.4.7伺服式加速度傳感器7.4.8電渦流測振傳感器7.5激振器激振器是按一種預定的要求對被測對象施加一定形式激振力的裝置。測試中要求激振器在其頻率范圍內(nèi)能提供波形良好、強度足夠的交變力。在某些情況下，還需提供一穩(wěn)定力，以便使被測對象受到一定的預加載荷，以消除間隙或模擬某種恒定力。另外，為了減小激振器的質(zhì)量對被測對象的影響，應盡量減小激振器的體積，減輕激振器的質(zhì)量。激振器的種類有很多，按其工作原理可分為機械式、電動式、電磁式和電液式等類型，此外還有用于小型、薄壁結(jié)構(gòu)的壓電晶體激振器、高頻激振的磁致伸縮激振器和高聲強激振器等。7.5.1力錘力錘又稱脈沖錘，用來在振動試驗中給被測對象施加一局部的沖擊激勵。力錘實際上是一種手持式?jīng)_擊激勵裝置。圖7-17所示為一種常用力錘的結(jié)構(gòu)。它由錘頭、錘頭蓋、壓電石英片、錘體、附加質(zhì)量塊和錘把等組成。錘頭和錘頭蓋用來沖擊被測試件。錘擊激振力的形成及有效頻率取決于脈沖持續(xù)時間的長短，如圖7-18所示。脈沖持續(xù)時間τ則取決于錘端的材料，材料越硬，τ越小，越接近理想的δ（t）函數(shù)，頻率范圍越大。圖7-17常用力錘的結(jié)構(gòu)1—錘把；2—螺釘；3—附加質(zhì)量塊；4—錘體；5—壓電石英片；6—錘頭；7—錘頭蓋；8—引線圖7-18錘擊激振力及其有效頻率力錘的錘頭可采用不同的材料制作，以獲得具有不同沖擊時間的脈沖信號。7.5.2機械慣性式激振器圖7-20所示為一種機械慣性式激振器。它由兩個偏心質(zhì)量反向等速轉(zhuǎn)動的齒輪組成。受偏心質(zhì)量的影響，當兩齒輪旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生周期性的離心力，從而產(chǎn)生激振作用。其激振力的大小為兩離心力的合力，即F=2mω2ecosωt(7-26)式中，m為偏心質(zhì)量；ω為旋轉(zhuǎn)角速度；e為偏心距。圖7-20一種機械慣性式激振器使用機械慣性式激振器時，將其固定在被試驗物體上，由激振力帶動物體一起振動；一般用直流電機作為動力，通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)激振力的頻率。這種激振器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，激振力范圍大；缺點是工作頻率范圍小，一般為幾赫茲到上百赫茲。另外，激振力的大小因受轉(zhuǎn)速的影響而不能單獨控制，且安裝起來不太方便。7.5.3電動式激振器電動式激振器又稱為磁電式激振器，主要是利用帶電導體在磁場中受電磁力作用這一物理現(xiàn)象工作的，按其磁場形成方式的不同分為永磁式激振器和勵磁式激振器兩種。前者多用于小型激振器，后者多用于較大型的振動臺。7.5.4電磁式激振器電磁式激振器直接利用電磁力作為激振力，常用于非接觸激振場合，特別是對回轉(zhuǎn)件的激振。電磁式激振器主要由鐵心、勵磁線圈、力檢測線圈和底座等元件組成，7.6測振系統(tǒng)的校準7.6.1測振系統(tǒng)校準概述7.6.2絕對校準法絕對校準法是將被校準的傳感器置于精密的振動臺上承受振動，通過直接測量振動的振幅、頻率和傳感器的輸出電量來確定傳感器的特性參數(shù)。7.6.3比較校準法比較校準法用于將被校傳感器與標準傳感器相比較。7.7動態(tài)特性參數(shù)的確定機械(或結(jié)構(gòu))的振動測試主要是指測定振動體(或振動體上某一點)的位移、速度、加速度的大小及振動頻率、周期、相位、衰減系數(shù)、振型、頻譜等。在工程實踐中，有時還需要通過試驗來測定(或確定)振動系統(tǒng)的動態(tài)特性參數(shù)，如固有頻率、阻尼比、動剛度和動質(zhì)量等。7.7.1振幅的測量7.7.2固有頻率和阻尼比的測量實際的一個機械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)大都是一個多自由度振動系統(tǒng)，具有多頻率，在其頻率響應曲線上會出現(xiàn)多個峰值，在其奈奎斯特曲線中表現(xiàn)為多個圓環(huán)。對于多自由度線性振動系統(tǒng)，其任何一點的振動響應可以認為是反映系統(tǒng)特性的多個單自由度系統(tǒng)響應的疊加。對于小阻尼的系統(tǒng)，在某一個固有頻率附近，與其相應的該階振動響應非常突出，因此，本節(jié)將著重討論單自由度振動系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的測量，對于多自由度系統(tǒng)的這兩個參數(shù)，可參照單自由度系統(tǒng)的測試方法近似地估計。對于單自由度系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比的測量，常用自由振動法或共振法。1.自由振動法2.共振法7.7.3機械阻抗的測量1.機械阻抗的測量原理在機械工程測試中，常會遇到機械阻抗的測量。機械系統(tǒng)受激振力作用后產(chǎn)生的響應決定于系統(tǒng)本身的動力特性(固有頻率、振型、阻尼等)，因此可用機械阻抗，即頻率域內(nèi)激振力和響應之比來描述系統(tǒng)的固有特性。振動響應有位移x、速度v和加速度a三種，故相應的機械阻抗也有三種形式。機械阻抗的倒數(shù)稱為機械導納。在工程實際中，有時機械導納的測量要比機械阻抗的測量容易實施。2.壓電式阻抗頭在測量機械阻抗時，為了獲得力和加速度的數(shù)值，以便輸入測量系統(tǒng)進行傳遞函數(shù)(頻率響應)處理，可以將壓電式加速度傳感器與力傳感器做成一體，稱之為阻抗頭，其結(jié)構(gòu)如圖734所示。在鈦質(zhì)殼體1內(nèi)，將質(zhì)量塊2壓裝于壓電片3上，組成加速度傳感部分；壓電片作為測力用，力信號與加速度信號分別從輸出端c和a輸出。使用時，激振器可以通過阻抗頭向被測對象施加激振力，其中的力傳感器輸出力信號，壓電式加速度傳感器輸出被測系統(tǒng)的加速度響應信號。圖7-34阻抗頭的結(jié)構(gòu)1—鈦質(zhì)殼體；2—質(zhì)量塊；3、5—壓電片；4—激振平臺；a—加速度輸出端；b—安裝表面；c—力輸出端第七章振動測試知識目標：了解機械參數(shù)的各種測試教學內(nèi)容：（1）轉(zhuǎn)速測試（2）扭矩測試（3）功率測試（4）應變及應力測試（5）流量測試（6）壓力測試教學難點參數(shù)測試的實際應用教學手段實物演示；教學板書；錄像插件；電子課件。教學學時12教學內(nèi)容與教學過程設(shè)計〖章節(jié)描述〗機械參數(shù)測試已成為先進制造技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)