交通设备动态检测及仪器(复习课件).ppt

复 习,测试技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号分析处理方法。,测试技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。,测试技术的基本概念,测量：测量是确定量值的过程。确定量值即给定某一量的特定值是某个单位或某个基准量的多少倍。试验：试验是对产品的特性或性能进行测量、定量或分类所实施的实验。,测试技术,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。,信息转换,信息提取,测试系统的组成,传感器是将被测非电量转换成电量的装置。简单的传感器：可能只由一个敏感元件组成，例如测量温度的热电偶传感器。复杂的传感器：可能包括敏感元件、弹性元件，甚至交换电路，有些智能传感器还包括微处理器。,测试系统的组成,1.传感器,2.中间变换装置根据不同情况有很大的伸缩性。简单的测试系统：可能完全省略中间变换装置，将传感器的输出直接进行显示或记录。大多数测试系统：信号的变换，包括放大、调制和解调、滤波等。功能强大的测试系统：还将计算机作为一个中间变换(装置)环节，以实现诸如波形存储、数据采集、非线性校正和消除系统误差等功能。远距离测量系统：还要有数据传输装置。3.输出装置 各种指示仪表、记录仪、显示器等。,测试系统的组成,第一章 测量误差基本性质与处理,测量误差值的大小可用以下概念来表示,绝对误差 测量值-真值相对误差(绝对误差/真值)*100%一般为:(绝对误差/测量值)*100%引用误差(仪器仪表示值误差/仪表测量范围上限)*100%,误差的分类,根据测量误差的性质和特点，可将误差分为系统误差、随机误差和粗大误差（或称疏失误差）三大类。,系统误差是指在相同测试条件下，多次测量同一被测量时，测量误差的大小和符号保持不变或按一定的函数规律变化的误差，服从确定的分布规律。随机误差:在同一测试条件下，多次重复测量同一量时，误差大小、符号均以不可预定的方式变化着的误差 粗大误差(疏失误差)是指在一定的测量条件下，测得的值明显偏离其真值，既不具有确定分布规律，也不具有随机分布规律的误差。是由于测试人员对仪器不了解、或因思想不集中、粗心大意导致错误的读，使测量结果明显地偏离了真值的误差,第2章 信号分析基础,信号是信息的表现形式与传送载体。它可代表实际的物理量或数学上的函数或序列，通过它们能传达消息或信息。各种传输信号的方法：烽火、鼓声、旗语、电信号信号按物理属性分：电信号和非电信号,它们可以相互转换。电信号传输优点：容易产生，便于控制，易于处理。,2.1 信号的分类及其基本参数,什么是信号？,本课程讨论电信号-简称“信号”,2.1 信号的分类及其基本参数,二、信号的分类(classification of signal),信号的分类方法很多，可以从不同的角度对信号进行分类。,1.确定性信号与非确定性信号,连续时间信号（时间变量t连续，或称模拟信号）,离散时间信号,数字信号,时间离散幅值连续,时间离散幅值离散,采样信号,2.1 信号的分类及其基本参数,2.连续时间信号与离散时间信号,连续时间信号,连续时间信号（可包含不连续点）,离散时间信号（抽样信号）,数字信号,f(n),(2)(1)(1),0 1 2 3 4,n,判断下列波形是连续时间还是离散时间信号，若是离散时间信号是否为数字信号？,值域连续,值域不连续,2.1 信号的分类及其基本参数,2.2 周期信号及其频谱,1 周期信号的频谱是离散谱；2 每个谱线只出现在基波频率的整数倍上；3 工程上常见的周期信号，其谐波幅值随谐波次数的增高而减小。因此，在频谱分析中没有必要取次数过高的谐波分量。,周期信号频谱的特点：,4A,4A 3,4A 5,0,A(),0,30,50,幅值谱,2.2 周期信号及其频谱,单位冲激函数(函数)的频谱,2.3 非周期信号及其频谱,函数与其他函数的卷积,函数的频谱,对照冲激、直流时频曲线可看出:,时域持续越宽的信号，其频域的频谱越窄；,时域持续越窄的信号，其频域的频谱越宽。,直流信号及其频谱,2.3 非周期信号及其频谱,抽样定理,对不同的抽样频率，其抽样信号的频谱存在两种情况，：高、低频成分无重叠现象；：高、低频成分有重叠现象。,F()F()-s 0M s-s 0 M s/2 s/2(a)高、低频成分无混叠(b)高、低频成分有混叠,（1）频谱混叠现象当频谱中高、低频成分有重叠时，抽样信号频谱中的各周期延拓将不是分离的，这种现象称为频谱混叠现象，如下图中的阴影部分。,F()0 s/2,相关是时域中描述信号特征的一种重要方法。相关的概念通常在研究随机信号的统计特性而引入的。研究两个信号在时移中的相关性，背景是信号与由于某种原因产生了时差，如雷达接收到的两个不同距离目标的反射信号。从数学本质上看，相关函数是信号矢量空间内积与范数特征的具体表现，从物理本质上看相关与信号能量特征有密切联系。相关运动与卷积运算还具有某种关系。,其中：,2.4 信号的相关分析,自相关函数,当、为实信号时,其中：,互相关函数,如果 与 是能量有限信号，则他们的互相关函数的定义为：,其中：,相关函数是两个信号时差 的函数。,、称为互相关函数,X与y次序不能颠倒,可见，实信号的相关函数是时移的偶函数。如果是功率信号，相关函数的定义为,其中：,功率谱与自相关函数,其中：,是周期信号 的傅立叶变换,若 是功率有限信号,其平均功率,称 为 的功率谱。,相关定理：功率有限信号的功率谱函数与自相关函数构成一对傅立叶变换对：,时频分析简介,连续短时傅里叶变换,确定信号局部特征的一个比较简单的方法是在时刻 附近对信号加窗，然后计算其傅里叶变换。因此，如下定义信号的短时傅里叶变换为 其中，W 是一个以时刻 为中心的窗函数。窗函数W 根据 进行时移，扩展其傅里叶变换表示式，可得,28,29,静态测量:测量过程中，被测量不随时间的变化而变化，或虽随时间变化但变化缓慢以致可以忽略的测量。,静态传递特性:描述测试系统静态测量时的输入输出关系的方程、图形、参数等。,传递特性:测试系统的输入输出之间存在的某些联系。,测试系统的静态传递特性,第3章 测试系统的基本特性,测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。,对于线性系统,当输入与输出的量纲相同时，则灵敏度是一个无量纲的数，常称之为“放大倍数”。,测试系统在静态测量时，输出量的增量与输入量的增量之比的极限值。,3.2 测试系统的静态传递特性,灵敏度,定度曲线接近拟合直线的程度称为测试系统的线性度。,3.2 测试系统的静态传递特性,线性度,输入量由小增大或由大减小过程中，对应于同一输入会得到不同输出，两者差值称为迟滞。全量程范围内的最大迟滞差值与标称满量程输出的比值的百分率，称为回程误差。,3.2 测试系统的静态传递特性,回程误差,传递函数与频率响应函数,3.3 测试系统的动态传递特性,动态传递特性的频域描述,s=j,测试系统的动态传递特性,一般情况下，H()是复函数，可写成,幅频特性相频特性,3.3 测试系统的动态传递特性,动态传递特性的频域描述,幅频特性与相频特性,3.3 测试系统的动态传递特性,动态传递特性的频域描述,从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘制就得到系统幅频和相频特性。,第四章 模拟信号分析,38,4.1 调制与解调,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。,39,4.1 调制与解调,一般正（余）弦调制可分为幅值调制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）：载波信号(中高频)幅值随测试信号（低频缓变）变化。调频（FM）：调相（PM）：,40,4.1 调制与解调,幅值调制与解调原理幅值调制（调幅AM）是将一个高频简谐信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。以频率为fz的余弦信号z(t)作为载波为例。,41,幅值调制,调幅过程就相当于频率“搬移”过程,42,幅值调制的解调,同步解调,43,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。本节所述内容属于模拟滤波范围。尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。,4.2 滤波器,44,滤波器分类 根据滤波器的选频作用分类低通滤波器、高通滤波器带通滤波器、带阻滤波器,4.2 滤波器,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。,第六章 传感器,46,传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、容易测量、传输或处理的另一种形式的量（大多为电量）的装置。,6.1 概 述,传感器定义,物理量,电量,传感器,电压、电流、频率、脉冲等,尺寸、位移、温度、力等,47,电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，实质上是一个具有可变参数的电容器。,6.2 电容式传感器,介电常数变化型,面积变化型,极距变化型,48,极距变化型电容式传感器,49,面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。,面积变化型电容传感器,50,覆盖面积,电容量,灵敏度,电容量,灵敏度,面积变化型电容传感器,51,介电常数变化型电容传感器,52,介电常数变化型电容传感器,非线性,板材测厚,53,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类：,电感式传感器,6.3 电感式传感器,螺管型,变磁阻式,54,变磁阻式自感式传感器,N线圈匝数；Rm磁路的总磁阻；,55,灵敏度与气隙厚度的平方成反比。为了减小非线性误差，提高灵敏度，通常使这种传感器在小气隙状态下工作，其测量范围在 0.001mm 与 lmm 之间。,变气隙型自感传感器,56,主要特点：具有较好的线性，测量范围也比较大，但它的灵敏度比不上改变气隙厚度的电感传感器。,变面积型自感传感器,57,螺线管式电感传感器是一种开磁路电感传感器，其工作原理是基于线圈漏磁路径中的磁阻变化。由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较高，因此这种传感器的灵敏度比较低，对于小位移测量意义不大。主要用于较大位移的测量，可达数毫米到数百毫米。,可动铁芯,螺管型自感传感器,58,这种传感器实际上是个变压器，初级线圈Wl通电后，次级线圈W2便感应出电压。被测量的变化使初、次级线圈间互感发生变化，感应电压也产生相应变化。由于这种传感器常制成差动的形式，故称差动变压器。,差动变压器式传感器,59,前提：M1M2M1、铁芯位于中间e1=e2，eo=02、铁芯上移，e1e2,eo与e1同相3、铁芯下移，e2e1,eo与e2同相,螺线管式差动变压器式传感器,60,电涡流式传感器,原理:涡流效应,61,高频(1MHz以上)激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。金属板表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小。当线圈与金属板的距离发生变化时，导致耦合系数k、线圈自感L、线圈阻抗ZL的相应变化。,高频反射式涡流传感器,62,多用于测定材料厚度。当激励低频电压e1加到发射线圈W1上后，在被测材料中产生涡流i而损耗部分能量，导致接收线圈W2上产生的感应电动势e2减小。其减小量与材料的厚度和材料性质有关，对一定的材料，e2随厚度呈指数规律减小。,低频透射式涡流传感器,63,6.5 压电式传感器,压电效应 某些物质在沿一定方向上施加外力使之变形时，其内部电荷分布将发生变化，使得表面的金属电极产生电荷。在外力除去后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也将发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。,64,通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光抽z方向受力时不产生压电效应。,压电效应,不受力时：大小相等，相互夹角，因此，。,65,石英晶体极化效应,66,把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。,纵向压电效应,67,把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。,横向压电效应,68,6.7 霍尔传感器,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,第八章 振动测试,机械振动测试方法：,机械方法:振动频率低、振幅大、精度不高。光学方法:精密测量和振动传感器的标定 电测方法:应用范围最广,按测振参数分：位移、速度、加速度传感器；按参考坐标分：相对式、绝对式(惯性式）传感器；按变换原理分：磁电式、压电式、电阻应变式、电感式、电容式、光学式；按传感器与被测物关系分：接触式、非接触式传感器 拾取振动信息的装置通常称拾振器，传感器是其核心组成部分。,机械振动测试方法：,8.1 测振传感器,相对式、绝对式传感器,相对式传感器是以空间某一固定点作为参考点，测量物体上的某点对参考点的相对位移或速度。绝对式传感器是以大地为参考基准，即以惯性空间为基准测量振动物体相对于大地的绝对振动，又称惯性式传感器。,惯性式测振传感器原理,惯性传感器是二阶测试系统。其频率响应函数为：幅频特性(即为输出信号与输入信号的幅值比)为：相频特性表达式为,惯性位移传感器的正确响应条件：,当测试系统输入为,其响应的稳态输出可写为：可见正确响应条件：理论上上限频率无限,惯性式速度传感器的正确响应条件,当惯性传感器的输入为,输出为 时,称为速度传感器。对于速度传感器,可将式(A)的分子和分母同乘被测振动频率,得 惯性速度传感器与惯性位移传感器有着相同的幅频特性和相频特性。正确响应条件：理论上上限频率无限,惯性加速度传感器的正确响应条件,加速度传感器的输入是,输出是。由式(A)得：若 为一常数,则传感器质量元件相对壳体的位移与被测振动加速度成正比。为便于分析幅频特性,将式改写：正确响应条件,理论上下限频率为零,8.3 振动测量与试验,振动参数：表示振动特性的量值。,振动位移（振幅）、速度、加速度、频率、衰减系数（阻尼）、相位、固有频率、振型、激振力、动应力等。,第八章 习题,8.1 拟用固有频率fn=100Hz,阻尼比=0.7 的惯性式测振装置(题图8.1)测频率为f=45Hz 的加速度时,其振幅误差为多少?又,若用此装置所记录频率为5Hz 之振动位移的振幅范围为0.1mm,则可测试的最大加速度为多少?8.2 如果有两只惯性式测振传感器,其固有角频率和阻尼率分别为n1=250rad/s,1=0.5;n2=100rad/s,2=0.6,现在要测量转速为n=3 500r/min 电机的简谐振动位移,应当选用哪只传感器?为什么?,