第5章(测试环节)
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机械工程测试与数据处理技术
第一节 传感器 第二节 电桥电路 第三节 放大器 第四节 光线示波器 第五节 笔式记录仪
第五章
第五章 机械量测试系统的基本环节
第六节 自动平衡记录仪和X-Y记录仪
第七节 磁带记录仪 第八节 数据采集器
第 1页 2004年10月
第五章 机械量测试系统的基本环节
第25页 2004年10月
图b所示的电感电桥，其平衡条件为
( R1 j L1 ) R3 ( R2 j L2 ) R4
R1 R3 R2 R4 L1 R2 L1 R3 L2 R2 L R 2 3
b)电感电桥
第26页
2004年10月
具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥
第27页
2004年10月
Z4 u1 W1 W2 u2 a) i1 G Z3 Z4 i1 uy ~ i2 Z3 c) uy ~ W2 W1 Z3 u0 d) uy b) u ~ W1 W2 Z3 Z4 u0 ~
u ~
W1 u0 W2 ~
Z4 u ~
带感应耦合臂的电桥
第28页 2004年10月
电桥测量的误差及其补偿
ud R1R2 R1 R2 R3 R4 1 2 ua R1 R2 R1 R2 R3 R4
基本公式 R1 R4 R2 R2 R3 R1 R4 R1 R2 R3 R2 R1 R4 R2 R2 R3 1 R1 R1 R4 R1 R2 R3 γ 为非线性误差。（这个公式不用记）
第14页 2004年10月
第二节 电 桥电路
输出的一种测量电路。 因为其测量电路简单，具有较高的 精确度和灵敏度，故应用广泛。 按照激励电压的性质，分 为直流和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路 和平衡桥式电路。
返
•电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流
第15页
2004年10月
第 9页 2004年10月
• §５-４频率脉冲式传感器
（１）振弦式（振筒式）传感器 （２）感应同步器传感器 （３）光栅传感器 （４）磁栅传感器 （５）码盘传感器
机械量传感器常用的有：力传感器、压力 （液压、气压）传感器、位移传感器、速 度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等 传感器。
第10页 2004年10月
第12页
2004年10月
4.速度测量传感器 （1）测速发电机：用于一般速度测量 （2）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。 5.加速度测量传感器 （1）压电式加速度计：频带宽，高频可达30KHz （2）应变计式加速度计：低频响应好，可从零赫兹开始， 但高频限较低。 （3）半导体式加速度计：灵敏度高，质量保证不了，不稳 定。 6.扭转测量传感器 （1）应变计式：使用方便，可进行现场实测。 （2）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需 把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。 （3）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。
对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差。 减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。 温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成 的，即上述双臂电桥接法中 R1 R2 等。减少温
R1 R1 R1
R1 ud
第18页 2004年10月
②半桥差动变动
③全桥差动变动
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R4 0
R1 R2
R3 R4
u d 1 R1 0 u a 2 R1
④等臂电桥全桥差动变动
（常见）
ud 1 R1 R3 ua 2 R1 R3
本章学习要求：
1.熟悉常用传感器的类型和工作原理及性能变化； 2.掌握常用传感器的选用原则； 3.通过实验逐步了解传感器的定度方法； 4.学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感 器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电 路等； 5.掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连 接关系和应用中的优缺点； 6.掌握中间变换电路和常用记录仪器的工作原理和 性能，并能正确选用； 7.对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。
第23页
2004年10月
例：如图示交流电桥，求平衡条件。 1 R1 R1 j C 1 Z1 R1 // C1 1 1 jR1C1 R1 j C 1
R2 Z 2 R2 // C 2 1 jR2C 2 Z1 Z 3 Z 2 Z 4 R1 R3 R2 R4 1 jR1C1 1 jR2C 2
ud 1 R1 ua 2 R1 半桥
ud R1 ua R1
直流电桥电路是研究分析交流电 全桥 桥电路的基础。同时也是目前广 泛使用的一种电路.
第20页 2004年10月
直流电桥与干扰 电桥是在平衡条件下工作的，由于R/R是一个十分小 的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。 为了抑制干扰，通常采用如下措施： 电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆； 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端 连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；
第 2页 2004年10月
§５-1传感器概述 在机械工程测试中，传感器是关键的一个 环节。 定义：将被测物理量转化为与之相对应的 的易于检测、传输或处理的信号装置。
1.传感器的组成：一般由敏感元件与其他辅 助件组成。敏感元件是传感器的核心。所 以要掌握敏感元件的工作原理。
第 3页 2004年10月
第 8页 2004年10月
• （３）电容式传感器：可变气隙； 可变面积； 可变介质等；
§５-３电能式传感器
（１）磁电式传感器：磁阻式测速发电机； 直流测速发电机等． （２）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电晶体。 （３）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。 （４）霍尔效应元件传感器 （５）热电式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件 （６）射线电式传感器：微波、放射线等传感器
放大器应该具有高共模抑制比。
第21页 2004年10月
二、交流电桥
供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在 各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因 此除了电阻之外还有我们所说的电抗。
L j L 1 C j C
前面讲过的直流电桥的理论稍加 变动后在此仍可以适用。
R1 R3 R2 R4 Z1 Z 3 Z 2 Z 4
第 6页
物性型 （4）按信号变化特种可分为 结构型
（5）根据敏感元件与被测对象之间能量 能量转换性 关系可分为 能量控制型
阻抗式 （6）也可分为三大类 电能式（发电式） 频率（脉冲）式
第 7页
2004年10月
• §５-2阻抗式传感器：
（１）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器） 电阻应变计 压阻元件 热敏电阻 光敏电阻等 （２）电感式位移传感器 ：可变自感系数（可变间隙及可动 铁芯）； 可变互感系数（差动变压器）； 旋转变压器； 压磁式； 电涡流式等；
R1 R3 R2 R4 R C R C C1 R2 1 1 2 2 C 2 R1
第24页
Z 3 R3
Z4 R4
2004年10月
例
( R1
1 1 ) R3 ( R2 ) R4 j C1 j C2
图a的平衡条件 a) 电容电桥
R1 R3 R2 R4 C1 R3 R3 R4 C C C 2 R4 1 2
第 4页 2004年10月
• 深入研究传感器的原理和应用、研制新型传 感器对于研究自然界的深度和广度具有重要 意义。 • 要求：根据不同的测试对象，能够按不失真 条件、掌握选择传感器的原则。 • 包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、 频率脉冲式等。 • 传感器的分类：传感器的种类繁多，往往一 种物理量可用多种类型的传感器来检测．另 外，同一传感器也可测量多种物理量。
第17页 2004年10月 返
实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变）， 常常遇到以下几种情况：
1、R1 R2
必有 R3 R4
因为电桥是平衡的。 ①单端变动
ud 1 R1 (1 ) ua 4 R1
R1 / R1 2 R1 / R1
R1 R1时有 0
第13页
2004年10月
7.移动物体厚度测量传感器 （百度文库）超声波测量传感器（发射超声波、接收波） （2）放射线测量：包括X射线和r射线，微波测量等。
• 8.流量测量传感器 （1）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。 （2）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响 （3）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。 （4）涡流流量计：精度高，可达0.25%~1.0% （5）容积式流量计：精度可达0.5%~1.0%
第 5页 2004年10月
位移传感器 • （1）按被测物理量（输入量） 力传感器 温度传感器 加速度传感器 电阻式 • （2）按（输出量）传感器输送出何种参量 电容式 电感式
• （3）按传感器工作的物理量可分为
机械式 电气式 光学式 流体式
2004年10月
2.传感器的作用： （1）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为 可测信号并传给中间环节进行处理分析。 （2）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官 直接测量的事物。 （3）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的 接口。 （4）可以说传感器是测试装置的输入端，它的性 能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。
一、直流电桥 输出电压与各臂电阻间的关系：
R1R3 R2 R4 ud ua R1 R2 R3 R4
R1 R3 R2 R4
时称为电桥平衡
电桥在使用前需要调平衡。 当四个臂的阻值均发生变化时， 存在如下关系：
第16页
直流电桥
2004年10月 返
R1 R3 R2 R4 ud ua R1 R2 R3 R4
１.测力传感器 （１）应变式测力传感器：精度高，可以从几克到几万吨 ，可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力） （2）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力 和冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出） （3）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的 工业测量（钢厂轧机的轧制力测量） 2.压力传感器 （1）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力 表和位移传感器组成。 （2）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风冷 却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温） （3）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。
第11页 2004年10月
3.位移测量传感器： （1）电感式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差 动变压器测量范围较大，可达上百毫米。 （2）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量 （3）莫尔条纹光栅：精度高，用于精密测量 （4）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用 于一般位移测量 （5）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触 式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。 （6）电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量 （动态测量） （7）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。
0
ud R1 ua R1
R1 R2
R3 R4
R3 R1
第19页 2004年10月
分析与总结 1、误差γ 单端变动时γ≠0，而差动变化时总有γ=0，提醒我们在 组桥时尽量采用差动变动的形式。 2、 ud 1 R1 (1 ) ua 4 R1 单臂 从以上三个式子可以看出，全桥 时输出为最大。
第22页 2004年10月
电桥的平衡条件：直流
交流
交流电桥
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
Z i Z i e ji
Z1 Z 3 e j (1 3 ) Z 2 Z 4 e j (2 4 )
交流电桥的平衡条件：
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
1 3 2 4
第一节 传感器 第二节 电桥电路 第三节 放大器 第四节 光线示波器 第五节 笔式记录仪
第五章
第五章 机械量测试系统的基本环节
第六节 自动平衡记录仪和X-Y记录仪
第七节 磁带记录仪 第八节 数据采集器
第 1页 2004年10月
第五章 机械量测试系统的基本环节
第25页 2004年10月
图b所示的电感电桥，其平衡条件为
( R1 j L1 ) R3 ( R2 j L2 ) R4
R1 R3 R2 R4 L1 R2 L1 R3 L2 R2 L R 2 3
b)电感电桥
第26页
2004年10月
具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥
第27页
2004年10月
Z4 u1 W1 W2 u2 a) i1 G Z3 Z4 i1 uy ~ i2 Z3 c) uy ~ W2 W1 Z3 u0 d) uy b) u ~ W1 W2 Z3 Z4 u0 ~
u ~
W1 u0 W2 ~
Z4 u ~
带感应耦合臂的电桥
第28页 2004年10月
电桥测量的误差及其补偿
ud R1R2 R1 R2 R3 R4 1 2 ua R1 R2 R1 R2 R3 R4
基本公式 R1 R4 R2 R2 R3 R1 R4 R1 R2 R3 R2 R1 R4 R2 R2 R3 1 R1 R1 R4 R1 R2 R3 γ 为非线性误差。（这个公式不用记）
第14页 2004年10月
第二节 电 桥电路
输出的一种测量电路。 因为其测量电路简单，具有较高的 精确度和灵敏度，故应用广泛。 按照激励电压的性质，分 为直流和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路 和平衡桥式电路。
返
•电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流
第15页
2004年10月
第 9页 2004年10月
• §５-４频率脉冲式传感器
（１）振弦式（振筒式）传感器 （２）感应同步器传感器 （３）光栅传感器 （４）磁栅传感器 （５）码盘传感器
机械量传感器常用的有：力传感器、压力 （液压、气压）传感器、位移传感器、速 度传感器、加速度传感器、扭矩、流量等 传感器。
第10页 2004年10月
第12页
2004年10月
4.速度测量传感器 （1）测速发电机：用于一般速度测量 （2）磁阻式或光电式测速：其精度较高，定标容易。 5.加速度测量传感器 （1）压电式加速度计：频带宽，高频可达30KHz （2）应变计式加速度计：低频响应好，可从零赫兹开始， 但高频限较低。 （3）半导体式加速度计：灵敏度高，质量保证不了，不稳 定。 6.扭转测量传感器 （1）应变计式：使用方便，可进行现场实测。 （2）光电式、磁阻式：一般都用在实验室中，使用时，需 把电机与传动轴移开，从中串入传感器才能测量。 （3）压磁式：用于非接触式测量，精度较低。
对于电桥来说，误差主要来源于非线性误差和温度误差。 减少非线性误差的办法是采用半桥双臂和全桥接法。 温度误差是因为温度变化而引起阻值变化不同造成 的，即上述双臂电桥接法中 R1 R2 等。减少温
R1 R1 R1
R1 ud
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②半桥差动变动
③全桥差动变动
R1 R1 R1 R1 R2
R3 R4 0
R1 R2
R3 R4
u d 1 R1 0 u a 2 R1
④等臂电桥全桥差动变动
（常见）
ud 1 R1 R3 ua 2 R1 R3
本章学习要求：
1.熟悉常用传感器的类型和工作原理及性能变化； 2.掌握常用传感器的选用原则； 3.通过实验逐步了解传感器的定度方法； 4.学习方法上要注意掌握传感器的共同要点即传感 器的工作原理，主要形式，采用的材料，匹配电 路等； 5.掌握测试环节的基本组成部分及各自的特点和连 接关系和应用中的优缺点； 6.掌握中间变换电路和常用记录仪器的工作原理和 性能，并能正确选用； 7.对于调制电路，着重理解不同调制方法和特点。
第23页
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例：如图示交流电桥，求平衡条件。 1 R1 R1 j C 1 Z1 R1 // C1 1 1 jR1C1 R1 j C 1
R2 Z 2 R2 // C 2 1 jR2C 2 Z1 Z 3 Z 2 Z 4 R1 R3 R2 R4 1 jR1C1 1 jR2C 2
ud 1 R1 ua 2 R1 半桥
ud R1 ua R1
直流电桥电路是研究分析交流电 全桥 桥电路的基础。同时也是目前广 泛使用的一种电路.
第20页 2004年10月
直流电桥与干扰 电桥是在平衡条件下工作的，由于R/R是一个十分小 的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。 为了抑制干扰，通常采用如下措施： 电桥的信号引线采用屏蔽电缆，即RVVP型号电缆； 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端 连接。此地点应该与放大器的机壳地隔离；
第 2页 2004年10月
§５-1传感器概述 在机械工程测试中，传感器是关键的一个 环节。 定义：将被测物理量转化为与之相对应的 的易于检测、传输或处理的信号装置。
1.传感器的组成：一般由敏感元件与其他辅 助件组成。敏感元件是传感器的核心。所 以要掌握敏感元件的工作原理。
第 3页 2004年10月
第 8页 2004年10月
• （３）电容式传感器：可变气隙； 可变面积； 可变介质等；
§５-３电能式传感器
（１）磁电式传感器：磁阻式测速发电机； 直流测速发电机等． （２）压电式传感器：石英、压电陶瓷等压电晶体。 （３）光电式传感器：光电管、光敏电阻、光电池等。 （４）霍尔效应元件传感器 （５）热电式传感器：热电偶、热释电红外光敏元件 （６）射线电式传感器：微波、放射线等传感器
放大器应该具有高共模抑制比。
第21页 2004年10月
二、交流电桥
供桥电源为交流，仍为基本电桥电路的形式，但是在 各个臂内可能串、并联有电感、电容、电阻或其组合。因 此除了电阻之外还有我们所说的电抗。
L j L 1 C j C
前面讲过的直流电桥的理论稍加 变动后在此仍可以适用。
R1 R3 R2 R4 Z1 Z 3 Z 2 Z 4
第 6页
物性型 （4）按信号变化特种可分为 结构型
（5）根据敏感元件与被测对象之间能量 能量转换性 关系可分为 能量控制型
阻抗式 （6）也可分为三大类 电能式（发电式） 频率（脉冲）式
第 7页
2004年10月
• §５-2阻抗式传感器：
（１）电阻式传感器：滑线变阻器（电位器） 电阻应变计 压阻元件 热敏电阻 光敏电阻等 （２）电感式位移传感器 ：可变自感系数（可变间隙及可动 铁芯）； 可变互感系数（差动变压器）； 旋转变压器； 压磁式； 电涡流式等；
R1 R3 R2 R4 R C R C C1 R2 1 1 2 2 C 2 R1
第24页
Z 3 R3
Z4 R4
2004年10月
例
( R1
1 1 ) R3 ( R2 ) R4 j C1 j C2
图a的平衡条件 a) 电容电桥
R1 R3 R2 R4 C1 R3 R3 R4 C C C 2 R4 1 2
第 4页 2004年10月
• 深入研究传感器的原理和应用、研制新型传 感器对于研究自然界的深度和广度具有重要 意义。 • 要求：根据不同的测试对象，能够按不失真 条件、掌握选择传感器的原则。 • 包括的形式有阻抗式、电能式、（发电式）、 频率脉冲式等。 • 传感器的分类：传感器的种类繁多，往往一 种物理量可用多种类型的传感器来检测．另 外，同一传感器也可测量多种物理量。
第17页 2004年10月 返
实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变）， 常常遇到以下几种情况：
1、R1 R2
必有 R3 R4
因为电桥是平衡的。 ①单端变动
ud 1 R1 (1 ) ua 4 R1
R1 / R1 2 R1 / R1
R1 R1时有 0
第13页
2004年10月
7.移动物体厚度测量传感器 （百度文库）超声波测量传感器（发射超声波、接收波） （2）放射线测量：包括X射线和r射线，微波测量等。
• 8.流量测量传感器 （1）差压式流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响。 （2）转子流量计：一般测量，精度受粘度，温度影响 （3）靶式流量计：测量粘度较大的液体流量。 （4）涡流流量计：精度高，可达0.25%~1.0% （5）容积式流量计：精度可达0.5%~1.0%
第 5页 2004年10月
位移传感器 • （1）按被测物理量（输入量） 力传感器 温度传感器 加速度传感器 电阻式 • （2）按（输出量）传感器输送出何种参量 电容式 电感式
• （3）按传感器工作的物理量可分为
机械式 电气式 光学式 流体式
2004年10月
2.传感器的作用： （1）类似于人的感觉器官将被测物理量转换成为 可测信号并传给中间环节进行处理分析。 （2）认为是人的感官延伸可探索人们无法用感官 直接测量的事物。 （3）可以说传感器是测量仪器与被测事物之间的 接口。 （4）可以说传感器是测试装置的输入端，它的性 能直接影响整个测试装置的工作质量、可靠性。
一、直流电桥 输出电压与各臂电阻间的关系：
R1R3 R2 R4 ud ua R1 R2 R3 R4
R1 R3 R2 R4
时称为电桥平衡
电桥在使用前需要调平衡。 当四个臂的阻值均发生变化时， 存在如下关系：
第16页
直流电桥
2004年10月 返
R1 R3 R2 R4 ud ua R1 R2 R3 R4
１.测力传感器 （１）应变式测力传感器：精度高，可以从几克到几万吨 ，可进行静态、动态测量。原理：通过受力变形测力） （2）压电式测力传感器：频率响应宽，用作测量振动力 和冲击力（压电晶体受力产生电荷量输出） （3）压磁式传感器：输出信号大，用于精度要求一般的 工业测量（钢厂轧机的轧制力测量） 2.压力传感器 （1）压力表：用于缓变压力信号测量。它由一般弹性压力 表和位移传感器组成。 （2）应变计式压力传感器：用于动态压力测量，有通风冷 却或通水冷却，有的还可测量蒸汽压力（即高温） （3）电容式压力传感器：频率响应高，用于动态压力测量。
第11页 2004年10月
3.位移测量传感器： （1）电感式传感器及差动变压器：测量精度较高，其中差 动变压器测量范围较大，可达上百毫米。 （2）感应同步器、磁栅：精度高，用于机床位移测量 （3）莫尔条纹光栅：精度高，用于精密测量 （4）滑线变阻器、应变计式，霍尔效应式位移传感器：用 于一般位移测量 （5）电容式位移传感器：用于一般位移测量，其中非接触 式的电容式位移传感器主要用于测量振动位移。 （6）电涡流式位移传感器：为非接触测量，用于振动测量 （动态测量） （7）激光干涉条纹法：用于高精度测量，例如校验量具。
0
ud R1 ua R1
R1 R2
R3 R4
R3 R1
第19页 2004年10月
分析与总结 1、误差γ 单端变动时γ≠0，而差动变化时总有γ=0，提醒我们在 组桥时尽量采用差动变动的形式。 2、 ud 1 R1 (1 ) ua 4 R1 单臂 从以上三个式子可以看出，全桥 时输出为最大。
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电桥的平衡条件：直流
交流
交流电桥
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
Z i Z i e ji
Z1 Z 3 e j (1 3 ) Z 2 Z 4 e j (2 4 )
交流电桥的平衡条件：
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
1 3 2 4