机械工程测试技术-第四章
机械工程测试技术基础第三版第四章
同步解调，如图4-14所示。
图4-14
第二节 调制与解调
一、 幅值调制与解调
3.调幅信号的解调方法 （2）包络检波 包络检波亦称整流检波。
调制信号加足够直流偏置 的的调幅波如图4-15所示。
图4-15
第二节 调制与解调
一、 幅ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ调制与解调
3.调幅信号的解调方法 （2）包络检波 包络检波亦称整流检波。
3.调频信号的解调 调频信号的解调亦称鉴频，一般采用鉴频器和锁相环解调器。
图4-21 调频器工作原理
第三节 滤波器
一、概述
滤波是指让被测信号中的有效成分通过： 而将其中不需要的成 分抑制或衰减掉的一种过程。
图4-22 四种滤波器的幅频特性如图4-22所示。
第三节 滤波器
二、滤波器性能分析
1.理想滤波器 所谓理想滤波器：就是将滤波器的一些特性理想化 而定义的滤波器。
机械工程测试技术基础第三 版第四章
第一节 电桥
一、直流电桥换
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种 测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度 ，因此在测量装置中被广泛采用。 电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工 作原理可分为偏值法和归零法两种，其中偏值法的应用更为广泛。
第二节 调制与解调
二、频率调制与解调
1.频率调制的基本概念 频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。
图4-19 调制信号为三角波时的调频信号波形。
第二节 调制与解调
二、频率调制与解调
2.频率调制方法 频率调制一般用振荡电路来实现，如图4-20所示，
图4-20
第二节 调制与解调
2008 机械工程测试技术 第四章 [3]
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N
磁阻器
R
V S
外接电阻
处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联， 处于磁场中的磁阻器件和一个外接电阻串联，接在恒流源的分 压电路中，通过对R的调节可以调节磁阻器件中电流的大小， 压电路中 ，通过对 R 的调节可以调节磁阻器件中电流的大小，电 压表联接1或2可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。 压表联接1 可以分别监测外接电阻的电压和磁阻器件的电压。
2 磁敏三极管
（1）磁敏三极管的结构 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、 在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、 基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管， 基极和集电极。基区较长。基区结构类似磁敏二极管，有高复 合速率的r区和本征I 长基区分为运输基区和复合基区。 合速率的r区和本征I区。长基区分为运输基区和复合基区。 c c HH+ N+ N+ (a)结构 (a)结构 e I r (b)符号 (b)符号 e P+ b b
第四章 常用传感器原理及应用
青岛大学机电工程学院
关于施密特触发器
施密特触发器的工作特点： 施密特触发器的工作特点：
施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号， ① 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号， 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时， ② 电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈 值电压不同， 值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。
第四章 常用传感器原理及应用
青岛大学机电工程学院
7）铁磁材料裂纹检测 ）
机械工程测试技术_课后习题及答案
机械工程测试技术课后习题及答案第一章传感器及检测系统的基本概念1、检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用2、怎样选择仪表的量程大小？3、测量误差可以分为哪几类？引起各类误差的原因是什么？4、传感器按照被测物理量来分，可以分为哪几种？5、某电路中的电流为10A，用甲乙两块电流表同时测量，甲表读数为10.8A，乙表读数为9.5A，请计算两次测量的绝对误差和相对误差。
6、用1.0级量限100V的电压表甲，0.5级量限250V的电压表乙分别测量某电压，读数皆为80V，试比较两次测量结果的准确度。
7、有三台测温仪表，量程均为0～800℃，精度等级分别为2.5级、2.0级和1.5级，现要测量500℃的温度，要求相对误差不超过2.5%，选哪台仪表合理？解答：1、一个完整的工程检测系统包括：传感器、信号调理电路、信号处理电路和显示记录部分。
各部分作用：传感器——感受被测量，并将其转换为电信号；信号调理电路——将传感器输出信号进行放大和转换；信号处理电路——对电信号进行计算和分析；显示记录部分——显示记录测试结果。
2、应根据被测量的大小，兼顾仪表的准确度等级和量程，使其工作在不小于满度值2/3以上的区域。
3、测量误差可以分为：系统误差、随机误差和疏失误差三类。
引起的原因如下:系统误差——仪器误差、零位误差、理论误差、环境误差和观察者误差等随机误差——温度、磁场，零件摩擦、间隙，气压和湿度的变化，测量人员分辨本领的限制等疏失误差——操作、读数、记录和计算等方面的人为误差等4、传感器按被测物理量可以分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、温度传感器、压力传感器等。
5、绝对误差：△I= I﹣I=10.8-10=+0.8A；△I= I﹣I=9.5-10=﹣0.5A相对误差：γ甲=△I甲/ I0=+0.8/10=8%；γ乙=△I乙/ I0=﹣0.5/10=﹣5%6、最大绝对误差：△V m甲=±K%·V m甲=±1.0%×100=±1.0V；△V m乙=±K%·V m乙=±0.5%×250=±1.25V最大相对误差：γm甲=△V m甲/ V=±1.0/80=±1.25%；γm乙=△V m乙/ V=±1.25/80=±1.56%故：甲表测量结果的准确度高于乙表。
机械工程测试技术课后习题答案
第一章习题1.测试技术的静态特性是什么?其用哪些性能指标来描述?它们一般用哪些公式表示?①测试技术的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时，测试技术的输入与输出之间的关系。
②衡量测试技术静态特性的主要指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。
③线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、阈值、稳定性、漂移和静态误差。
2.测试技术的动态特性是什么?其分析方法有哪几种①测试技术的动态特性是指测试技术的输出对随时间变化的输入量的响应特性，它反映了输出值真实再现变化着的输入量的能力。
②阶跃响应、频率响应3.测试技术数学模型的一般描述方法有哪些?传感器数学模型可分为静态和动态数学模型。
其中传感器静态数学模型一般多用多项式来描述，而动态数学模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。
4.测试技术系统有哪些典型环节?写出不同环节的微分方程。
输入，输出方程、传递函数、频率响应和单位阶跃5.为什么说零阶测试技术的动态特性是最理想的?因为零阶没有滞后6.简述系统误差和随机误差出现的原因及特点。
系统误差：系统误差是由固定不变的或按确定规律变化的因素所造成的。
系统误差的特征是：在同一条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变；或当条件改变时，按一定规律变化。
系统误差在某些情况下对测量结果的影响还比较大，因此，研究系统误差产生的原因，发现、减小或消除系统误差，使测量结果更加趋于正确和可靠，是误差理论的重要课题之一，是数据处理中的一个重要的内容。
随机误差：随机误差是由于感官灵敏度和仪器精密程度的限制、周围环境的干扰及伴随着测量而来的不可预料的随机因素的影响而造成的。
它的特点是大小无定值，一切都是随机发生的，因而又把它称为偶然误差7.标准误差的意义是什么?标准误越小，抽样误差越小，样本对总体的代表性越好8.有效数字的运算原则和规则是什么?有效数字的确定方法是什么? 一般规定，数值中的可靠数字与所保留的1位(或2位)可疑数字统称为有效数字。
机械工程测试技术_课后习题及答案
第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。
解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。
解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。
设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。
一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。
3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。
20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。
机械工程测试技术实验报告
第四章常用机械量测试实验
振动参数测量综合实验实验一磁电式传感器
一、数据记录：
二、曲线图：
v(cm/s)
z（µm）
压电式传感器一、数据记录：
二、曲线图：
2
实验二电涡流传感器轴心轨迹测量实验
一、分析为什么采用两个电涡流传感器进行轴心轨迹的测量，简述其实验原理？
二、拷贝实验系统运行界面，并分析实验结果。
三、调节旋转开关，给定不同的电机转速，观察其波形变化，并分析产生变化的原因。
实验三多传感器测量距离、位移实验
一、拷贝实验过程中系统运行界面。
二、启动电机控制实验一维运动平台进行前后移动，分别记录不同位置下，光栅尺的读数及红外传感器、超声波传感器以及直线位移传感器的读数，并通过拟合工具求出各传感器的拟合
三、根据上面求出的拟合曲线系数及定标脚本的“传感器定标芯片”，标定各传感器，然后启动电机，在不同的位置下，记录光栅尺与各传感器的读数，并分析实验结果。
四、重复步骤上述过程，多测几组数据，选用不同的拟合阶次，然后比较其测量结果。
实验四力传感器标定及称重实验
一、应用于称重的传感器主要有那些，简述称重实验台的结构原理。
二、并采用三次不同组合（如一大一小；两中等；两大或两小）的砝码进行标定，拷贝实验系统界面，然后称取同样质量的砝码，分别记录下五组数据。
三、根据上面测得数据分析本称重实验台的测量误差。
第四章常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时 候，就自然排除了外界各种因素的干扰， 抵抗着外界的压力。
皮埃尔·居里
Pierre Curie
法国 物理学家 1859－1906
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院1
激光测距传感器
控制和信 息融合计
算机
自主移动装配机器人
装配机械手 力觉传感器 触觉传感器
视觉传感器 超声波传感器
多传感器信息融合自主移动装配机器人
China university of petroleum (Huadong)
自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信
➢ 研究生物感官，开发仿生传感器； ➢ 传感器的集成化和多功能化。
China university of petroleum (Huadong)
中国石油大学（华东）机电工程学院12
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
（1）机器人中的传感器信息融合
狭义上，非电信号
电信号。
非电量 敏感元件
转换元件
电量 测量电路
China university of petroleum (Huadong)
辅助电源
传感器的组成框图
中国石油大学（华东）机电工程学院5
机械工程测试技术基础
在非电量电测系统中的作用
第四章 常用传感器与敏感元件
被测 对象
非电量
传 感 器
电量 信 电量 号 调 理
机械工程测试技术基础
第四章 常用传感器与敏感元件
第四章 常用传感器与敏感元件
《机械工程测试技术基础》课后习题及答案详解
第一章 信号的分类与描述1-1 求周期方波（见图1-4）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出|c n |–ω和φn –ω图，并与表1-1对比。
解答：在一个周期的表达式为00 (0)2() (0)2T A t x t T A t ⎧--≤<⎪⎪=⎨⎪≤<⎪⎩ 积分区间取（-T/2，T/2）000000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, ) T T jn tjn tjn t T T n c x t et Aet Ae tT T T Ajn n n ωωωππ-----=-±±±⎰⎰⎰所以复指数函数形式的傅里叶级数为 001()(1cos )jn tjn t n n n Ax t c ejn e n∞∞=-∞=-∞==--∑∑ωωππ，=0, 1, 2, 3, n ±±± 。
(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nI nR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩ ππ21,3,,(1cos )00,2,4,6, n An A c n n n n ⎧=±±±⎪==-=⎨⎪=±±±⎩πππ1,3,5,2arctan1,3,5,200,2,4,6,nI n nRπn c πφn c n ⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩没有偶次谐波。
其频谱图如下图所示。
图1-4 周期方波信号波形图1-2 求正弦信号0()sin x t x ωt =的绝对均值x μ和均方根值rms x 。
解答：00002200000224211()d sin d sin d cos TTT Tx x x x x μx t t x ωt t ωt t ωt T T TT ωT ωπ====-==⎰⎰⎰rmsx ==== 1-3 求指数函数()(0,0)at x t Ae a t -=>≥的频谱。
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（4-15）
23
y(t)=cos2πf0 t 0
t x(t)
Y (f)
1/2
1/2
- f0
0
X (f)
f0 f
0
t
- fm 0 fm
f
xm(t) 0
Xm (f)=X(f)*Y(f)
2fm
t
- f0
0
f0 f
a)时域
b)频域
图4-10 调幅过程
所以调幅过程就相当于频谱“搬移过程” 。
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这两个信号频谱的卷积，即：
x (t)y (t) X (f) Y (f)
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线：
co s2 f0t 1 2(ff0)1 2(ff0)
则：x(t)cos2f0t 1 2X(f)(ff0)1 2X(f)(ff0)
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1X(f 2
f0)1 2X(ff0)
机械工程测试技术基础
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机械工程测试技术基础
4
半桥双臂接法
b
a
c
R4 d R3
U0
全桥接法
工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化：
Uy R 1R 1； R2m R2
当R1= R2 = R3= R4= R0；ΔR1=ΔR2=ΔR 时：
R U y = 2 R0 U 0
（4-6）
b
a
c
d
U0
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机械工程测试技术基础
22
一．调幅及其解调
（一）调幅原理
调幅—将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）
相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。
以频率为 f0 的余弦信号作为载波进行讨论：x(t)cos2f0t
由付里叶变换性质可知在时域中两个信号相乘对应在频域中
工作中四个桥臂阻值随被测量而变化：
R 1 R 1 ； R 2 m R 2 ； R 3 R 3 ； R 4 m R 4
Uy 当R1= R2 = R3= R4= R0， ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR 时：
R U y = R0 U 0
（4-7）
机械工程测试技术基础
5
电桥的和差特性
邻臂相减，对臂相加。
机械工程测试技术基础
1
一．直流电桥
b
当电桥输出端视为开路，电流
R1
R2
输出为零，此时桥路电流为：
I1
I1
U0 R1 R2
I2
U0 R3 R4
a I2
R4
c
Uy
R3
UabI1R1 R1R 1R2U0 （4-1）
d
UadI2R4 R3R4R4U0 （4-2） 输出电压为
U0 图4-1 直流电桥
U y U a b U a d R 1 R 1 R 2 U 0 R 3 R 4 R 4 U 0 ( R 1 R 1 R R 3 2 ) R R 3 2 ( R 4 R 4 )U 0（4-3）
机械工程测试技术基础
24
（二） 同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相 乘，则频域图形将再一次进行
xm(f) 乘法器 调幅波
低 通 x(t)
“搬移”。若用一个低通滤波器
滤去中心频率为 2f0 的高频成分， 那么将可以复现原信号的频谱
载波y(t)
Xm (f)
（只是幅值减小一半，可以放大 处理）。
- f0 0 f0 f
当 RR 时， 电桥的输出电压为
U R E 4R
R R1
R2 U
R4
R3
E
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7
■ 半桥双臂连接
工作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反； 工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。
R R1
R4
R 2 R
U
R3
R R1
R4
R2
U R R3
Uy
( R1 R1 R1 R1 R2
R4 R3 R4
)U
0
为了简化桥路设计，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，则输出电压为：
Uy
R1 4R0 2R1
U0
因为ΔR1<< R0，所以
Uy
R1 4 R0
U
0
（4-5）
可见，电桥输出 Uy 电压与激励电压 U0 成正比，并且在 ΔR1<< R0条件下，与ΔR1/ R0成比例。
第四章 信号调理、处理和记录
第一节 电桥
电桥：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电 压或电流输出的一种测量电路。其输出可用指示 仪表测量，也可送入放大器进行放大。 分类 ： 按激励电压 （1）直流电桥； （2）交流电桥 按输出方式 （1）不平衡桥式电路； （2）平衡桥式电路
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图4-4是一种常用电容电桥，2、 3两相邻为纯电阻R2, R3，另外
两相邻臂为电容C1,C4，R1，R4
可视为电容介质损耗的等效电
阻。根据平衡条件有：
(R1j 1C 1)R3(R4j 1C4)R2
R1R3j RC 31 R4R2j RC 24
b R1 C1
a
C4 R4 d
R2 c Uy
R3
U0 图4-4 电容电桥
图4-2 直流电桥的连接方式 a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥
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3
半桥单臂接法
a
b R2 c
工作中只有一个臂阻值随被测的量而变
Uy
化 。 设 ΔR1 是 电 阻 R1 的 电 阻 增 量 。 根 据 式（4-3），此是输出电压为：
R4 d R3 U0
U0 图4-3 平衡电桥
态测量，以手工调平衡。
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11
R1
R3
R2
R4
图4-3 悬臂梁测力的电桥接法
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机械工程测试技术基础
12
a）
b）
c）
图4-4 柱形梁测力的电桥接法
a）用柱形梁做敏感元件测力 b） 电桥 c）拉力传感器
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机械工程测试技术基础
21
第二节 调制与解调
一些被测量（如力、位移）经过传感器变换后，常常是一
些缓变电信号。从放大处理来看，这类信号除用直流放大
外，目前较常用方法是先调制而后用交流放大。
调制—一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变
化的过程。前一信号称为载波(较高频率交变信号)，后一
（2）它们的阻抗角之和也必须相等 为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常
用的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻（例如 Z02=R2,
Z03=R3, φ2=φ3 =0），而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，
例如电容或电感，保持φ1=φ4 。
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由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足
R1R3R2R40R1R3 R2R4
R1 R2
R4 R3
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（4-4）
2
在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见4-2图，
b R2
a
c
Hale Waihona Puke UyR4 d R3b
a
c
Uy
R4 d R3
b
a
c
Uy
d
U0
U0
U0
a)
b)
c)
20
注意： （1）一般情况下交流供桥电压应具有良好的电压波 形与频率稳定度，如果电压波形畸变，即使基波达 到平衡，也将有高次谐波电压输出。 （2）一般采用音频交流电源（5~10kHz）作为电源。 外工频干扰不易介入，放大电路简单无零漂。 （3）采用交流电桥，必须注意一些影响测量误差的 因素。例如元件间互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥感应；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地间的分布电容。
由式(4-3)
Uy
(
R1 R1
R1 R1 R2 R2
R3
R4 R4 R3 R4
R4
)U
0
1 2
( R1 R
R4 R
)U 0
U
y
( R3
R3 R3 R3 R4
R4
R1
R2 R2 R1 R2
R2
)U 0
1 2
( R3 R
R2 R
)U 0
U
y
1 4
( R1 R
R2 R
E
E
电桥的输出电压为
U R E 2R
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■ 全桥连接 相对桥臂的电阻按相同极性变化； 相邻桥臂的电阻按相反极性变化。
R R1
R 4 R
R 2 R
U R R3
E
电桥的输出电压为
U = R E R
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9
显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法
电桥输出电压之比为 1：2：4，全桥最大。
注意：（1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。
（2）对面桥臂阻值变化性质相同，相邻桥臂阻值变
化性质相反。
（3）非线性问题
上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作
的，缺点是电源电压不稳定或者环境温度有变化时，