机械工程测试技术课件.pdf

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1、第一章第一章 绪论绪论 机械制造技术发展的一个明 显而主要的动向是越来越广泛而 深刻地引入控制理论。尽管从历 史的发展上看，这还是初步的， 从技术的总体上看，这还是局部 的，但从发展的现状与前途上 看，这却是最活跃、最富有生命 力的 机械制造技术发展的一个明 显而主要的动向是越来越广泛而 深刻地引入控制理论。尽管从历 史的发展上看，这还是初步的， 从技术的总体上看，这还是局部 的，但从发展的现状与前途上 看，这却是最活跃、最富有生命 力的 控制理论不仅是一门极为重 要的学科，而且也是科学方法论 之一。控制理论在工程技术领域 中体现为工程控制论，在同机械 工业相应的机械工程领域中体现 为机械工程

2、控制论。 控制理论不仅是一门极为重 要的学科，而且也是科学方法论 之一。控制理论在工程技术领域 中体现为工程控制论，在同机械 工业相应的机械工程领域中体现 为机械工程控制论。 （一）机械工程控制论的 研究对象与任务 （一）机械工程控制论的 研究对象与任务 几个基本概念： 控制系统 几个基本概念： 控制系统控制器和控制对象 别的总和。 控制器 控制器和控制对象 别的总和。 控制器在控制过程中起控制 作用的实体。 控制对象 在控制过程中起控制 作用的实体。 控制对象被控的机器设备或 物体。 被控的机器设备或 物体。 工程控制论的基本任务工程控制论的基本任务研究的是工程 技术中的广义系统在一定的外界

3、条件 研究的是工程 技术中的广义系统在一定的外界条件(即 输入或激励，包括外加控制与外加干扰 即 输入或激励，包括外加控制与外加干扰) 作用下，从系统的一定的初始状态出 发，所经历的由其内部的固有特性 作用下，从系统的一定的初始状态出 发，所经历的由其内部的固有特性(即由 系统的结构与参数所决定的特性 即由 系统的结构与参数所决定的特性)所决定 的整个动态历程；研究这一系统、输入、 输出三者之间的动态关系。 所决定 的整个动态历程；研究这一系统、输入、 输出三者之间的动态关系。 例：图中，例：图中，m，c，k，分别表示 质量，粘性阻尼系数，弹簧刚度。 ，分别表示 质量，粘性阻尼系数，弹簧刚度。

4、 图1.1.1 M-C-K单自由度系统(一)图1.1.1 M-C-K单自由度系统(一) 对图所示的系统而言，质量受外 力 对图所示的系统而言，质量受外 力f(t)的作用，质量位移为的作用，质量位移为y(t), 系统的动力学方程为：系统的动力学方程为： 对下图所示的系统而言，支座受 位移 对下图所示的系统而言，支座受 位移x(t)的作用，的作用， 图图1.1.2 M-C-K 单自由度系统单自由度系统(二二 质量位移为质量位移为y(t)，系统的动力学方 程为： ，系统的动力学方 程为： 令令pddt，则两方程分别化为，则两方程分别化为 分析两方程可以发现分析两方程可以发现 1）为方程左端的算 子，

5、它由系统本身的结构与参数 所决定，反映了与外界无关的系 统本身的固有特性。 ）为方程左端的算 子，它由系统本身的结构与参数 所决定，反映了与外界无关的系 统本身的固有特性。 2）1 与与 cp+k 分别为方程右端的算 子，反映了与外界的关系。毫无 疑问，系统本身的结构与参数是 要影响这一算子的，亦即系统发 生改变，这一算子一般也会发生 改变。 分别为方程右端的算 子，反映了与外界的关系。毫无 疑问，系统本身的结构与参数是 要影响这一算子的，亦即系统发 生改变，这一算子一般也会发生 改变。 与分别为质量的初位移与 初速度，这就是在输入作用于系统 之前系统的初始状态，。系统在任 何瞬间的状态完全可

6、以由质量的位 移与速度这两个变动着的 状态 与分别为质量的初位移与 初速度，这就是在输入作用于系统 之前系统的初始状态，。系统在任 何瞬间的状态完全可以由质量的位 移与速度这两个变动着的 状态(即状态变量即状态变量)在此瞬间的取值来 刻画。从而这两个状态变量就描绘 了此系统的动态历程。 在此瞬间的取值来 刻画。从而这两个状态变量就描绘 了此系统的动态历程。 f（t）与）与x（t）称为系统的输入）称为系统的输入(或激 励 或激 励)，y（t）称为系统的输出）称为系统的输出(或系统 对输入的响应 或系统 对输入的响应)。显然，。显然，y（t）它就 是微分方程的解 ）它就 是微分方程的解)是由系统的

7、初始状 态、系统的固有特性、系统与输入 之间的关系以及输入所决定的：也 可以说它代表了系统在一定外界条 件下的动态历程。 是由系统的初始状 态、系统的固有特性、系统与输入 之间的关系以及输入所决定的：也 可以说它代表了系统在一定外界条 件下的动态历程。 求解系统的三种可能遇到的问题：求解系统的三种可能遇到的问题： 1）当系统）当系统(m，c，k)与输入与输入f(t)，x(t) 已知时，求输出已知时，求输出y(t)。这个问题属理 论力学的动力学的研究范畴； 。这个问题属理 论力学的动力学的研究范畴； 2）当系统）当系统(即即m，c，k)与输出与输出y(t)已知 时，求输入 已知 时，求输入f(t

8、)，x(t)； 3）当系统的输入）当系统的输入f(t），），x(t)与输出与输出y(t) 已知时，求系统的已知时，求系统的m，c，k。 对于一般线性系统，其动力学 方程可用高阶线性微分方程表示 如下： 对于一般线性系统，其动力学 方程可用高阶线性微分方程表示 如下： 1）为 方程的左端的算子，它反映了系 统本身的固有特性。 ）为 方程的左端的算子，它反映了系 统本身的固有特性。 2）为 方程的右端的算于，它反映了系 统与外界之间的关系。 ）为 方程的右端的算于，它反映了系 统与外界之间的关系。 3）为系统在 受外界作用前的初始状态， 为刻画系统 动态历程的状态变量。 ）为系统在 受外界作用前的

9、初始状态， 为刻画系统 动态历程的状态变量。 4）y(t)为系统的输出；为系统的输出；x(t)为系统 的输入。 为系统 的输入。 广义系统广义系统 系统系统 输入输出输入输出 系统分析的五个方面：系统分析的五个方面： 1)当系统已定、输入当系统已定、输入(或激励或激励)已知 时，求出系统的输出 已知 时，求出系统的输出(或响应或响应)， 并通过输出来研究系统本身的有 关问题，此即系统分析问题； ， 并通过输出来研究系统本身的有 关问题，此即系统分析问题； (2)当系统已定时，确定输入，且 所确定的输入应使得输出尽可能 符合给定的最佳要求，此即最优 控制问题。 当系统已定时，确定输入，且 所确定

10、的输入应使得输出尽可能 符合给定的最佳要求，此即最优 控制问题。 (3)当输入已知时，确定系统，且 所确定的系统应使得输出尽可能 符合给定的最佳要求，此即最优 设计问题 当输入已知时，确定系统，且 所确定的系统应使得输出尽可能 符合给定的最佳要求，此即最优 设计问题 (4)当输出已知时，确定系统，以 识别输入或输入中的有关信息， 此即滤波与预测问题。 当输出已知时，确定系统，以 识别输入或输入中的有关信息， 此即滤波与预测问题。 (5)当输入与输出均已知时，求出 系统的结构与参数，即建立系统 的数学模型，此即系统识别或系 统辨识问题。 当输入与输出均已知时，求出 系统的结构与参数，即建立系统

11、的数学模型，此即系统识别或系 统辨识问题。 （二）系统及其模型（二）系统及其模型 一、系统一、系统 系统：就是由相互联系、相互作 用的若干部分构成，而且有一定 的目的或一定的运动规律的一个 整体。 系统：就是由相互联系、相互作 用的若干部分构成，而且有一定 的目的或一定的运动规律的一个 整体。 系统的输入和输出： 系统由于其内部相应的机 制，又由于其同外界相互的作 用，就会有相应的行为、响应或 输出。外界对系统的作用和系统 对外界的作用，分别以 系统的输入和输出： 系统由于其内部相应的机 制，又由于其同外界相互的作 用，就会有相应的行为、响应或 输出。外界对系统的作用和系统 对外界的作用，分别

12、以“输入输入”及及 “输出输出”表示。表示。 组成系统的各个部分，可以 是元件，也可以是下一级的系 统，后者称为 组成系统的各个部分，可以 是元件，也可以是下一级的系 统，后者称为“子系统子系统”；而整个 系统又可以是上一层系统的子系 统。 ；而整个 系统又可以是上一层系统的子系 统。 二、机械系统二、机械系统 以实现一定的机械运动、输 出一定的机械能，以及承受一定 的机械载荷为目的的系统，称为 机械系统。 以实现一定的机械运动、输 出一定的机械能，以及承受一定 的机械载荷为目的的系统，称为 机械系统。 激励与响应： 机械系统的输入与输出，往 往又分别称为 激励与响应： 机械系统的输入与输出，

13、往 往又分别称为“激励激励”与与“响应响应”。 机械系统的 。 机械系统的“激励激励”，般是外界对 系统的作用。如作用在系统上的 力，即载荷等，而 ，般是外界对 系统的作用。如作用在系统上的 力，即载荷等，而“响应响应”则一般 是系统的变形或位移。 则一般 是系统的变形或位移。 控制与扰动： 一个系统的激励，如果是人 为地、有意识地加上去的，往往 又称为 控制与扰动： 一个系统的激励，如果是人 为地、有意识地加上去的，往往 又称为“控制控制”，而如果是偶然因 素产生的，无法加以人为控制， 则称为 ，而如果是偶然因 素产生的，无法加以人为控制， 则称为“扰动扰动”。 三、静态模型与动态模型三、静

14、态模型与动态模型 模型： 是人们研究系统、认识系统 与描述系统的一种工具。是一种 用数学方法描述的抽象的理论模 型，用来表达一个系统内部各部 分之间，或系统与其外部环境之 间的关系，故又称为 模型： 是人们研究系统、认识系统 与描述系统的一种工具。是一种 用数学方法描述的抽象的理论模 型，用来表达一个系统内部各部 分之间，或系统与其外部环境之 间的关系，故又称为“数学模型数学模型”。 例：下图表示一台机器放在隔振 垫上。 例：下图表示一台机器放在隔振 垫上。 将机器简化为一刚性质 块，设其质量为 将机器简化为一刚性质 块，设其质量为m。设质块在铅 垂方向的位移为 。设质块在铅 垂方向的位移为x

15、(t)，从静态平 衡位置开始计算质块的位移。作 用在质块上的外力记为 ，从静态平 衡位置开始计算质块的位移。作 用在质块上的外力记为F(t)，而 隔振垫对机器的支反力记为 ，而 隔振垫对机器的支反力记为N(t)。 按牛顿第二定律，有按牛顿第二定律，有 垫子的支反力垫子的支反力N(t)与机器移动的位移与机器移动的位移x(t) 及速度及速度x(t)有关，即有关，即 （1） （ ） （2） 但当但当x，x均较小时，可按均较小时，可按Taylor级 数展开，而仅取其一次项 级 数展开，而仅取其一次项 记记 （3） （ ） （4） 而而f(0，0)表示一恒力，鉴于此恒 力对系统运动变化规律无影响， 故可

16、将式 表示一恒力，鉴于此恒 力对系统运动变化规律无影响， 故可将式(3)写成写成 得到运动方程得到运动方程 此模型以作用在机器上的力此模型以作用在机器上的力 F(t)为激励，机器的振动位移为激励，机器的振动位移x(t) 作为响应。有时需要分析在地基 振动位移 作为响应。有时需要分析在地基 振动位移y(t)的激励下，通过隔 振垫传到机器上的位移 的激励下，通过隔 振垫传到机器上的位移x(t)。这 种情况下，应该以 。这 种情况下，应该以y(t)为激励， 而以 为激励， 而以x(t)为响应，取机器为脱离 体，按牛顿第二定律，得 为响应，取机器为脱离 体，按牛顿第二定律，得 )()()()()(tx

17、mtxtyktxtyc =+ 整理得整理得 )()()()()(tkytyctkxtxctxm+=+ （动态方程） 当系统运动很慢时，有 得 （动态方程） 当系统运动很慢时，有 得 0, 0 xx ktFtx/ )()(（静态方程）（静态方程） （三）反馈（三）反馈 反馈： 一个系统的输出，部分或 全部地被反过来用于控制系统的 输入，称为系统的反馈。反馈是 机械工程控制论中一个最基本、 最重要的概念。 反馈： 一个系统的输出，部分或 全部地被反过来用于控制系统的 输入，称为系统的反馈。反馈是 机械工程控制论中一个最基本、 最重要的概念。 一、机械工程中的反馈控制一、机械工程中的反馈控制 开环控

18、制与闭环控制开环控制与闭环控制 图1.3.2 静压轴承薄膜反馈控制系统图1.3.2 静压轴承薄膜反馈控制系统 二、机械系统的内在反馈二、机械系统的内在反馈 机械系统中还广泛地存在着 各种自然形成的反馈，称为 机械系统中还广泛地存在着 各种自然形成的反馈，称为“内 在反馈 内 在反馈”。内在反馈反映系统内 部各参数之间互为因果的内在联 系关系，这对系统的动态性能有 非常重要的影响，而且往往很难 加以控制。 。内在反馈反映系统内 部各参数之间互为因果的内在联 系关系，这对系统的动态性能有 非常重要的影响，而且往往很难 加以控制。 仍以图仍以图111所示的单自由 度系统为例，现将方程改写为如 下三种

19、形式 所示的单自由 度系统为例，现将方程改写为如 下三种形式 图1.3.3 (a) 系统本身的信息传输与交换图1.3.3 (a) 系统本身的信息传输与交换 图1.3.3 (b) 系统本身信息传输与交换图1.3.3 (b) 系统本身信息传输与交换 图1.3.3 图1.3.3 系统本身信息传输与交换系统本身信息传输与交换 方程中方程中 为状态方程为状态方程 将上式改写为矩阵形式：将上式改写为矩阵形式： 如令 则 如令 则 系统状态的方程方框图系统状态的方程方框图 一个系统的动力学方程可以写 成微分方程，这一事实就揭示了系 统本身状态变量之间的联系，也就 体现了系统本身存在着反馈；而微 分方程的解就

20、体现了由于系统本身 反馈的存在与外界对系统的作用的 存在而决定的系统的动态历程。 一个系统的动力学方程可以写 成微分方程，这一事实就揭示了系 统本身状态变量之间的联系，也就 体现了系统本身存在着反馈；而微 分方程的解就体现了由于系统本身 反馈的存在与外界对系统的作用的 存在而决定的系统的动态历程。 （四）系统的分类及 对控制系统的基本要求 （四）系统的分类及 对控制系统的基本要求 一、系统的分类一、系统的分类 分类分类 按反馈分 按输出 变化规律分 开环系统 闭环系统 自动调节系统 随动系统 程序控制系统 按反馈分 按输出 变化规律分 开环系统 闭环系统 自动调节系统 随动系统 程序控制系统

21、(1)开环系统开环系统当一个系统以所 需的方框图表示而没有反馈回路 时，称之为开环系统。 当一个系统以所 需的方框图表示而没有反馈回路 时，称之为开环系统。 例：机床开环控制系统例：机床开环控制系统 (2)闭环系统闭环系统当一个系统以所 需的方框图表示而存在反馈回路 时，称之为闭环系统。 当一个系统以所 需的方框图表示而存在反馈回路 时，称之为闭环系统。 例：机床闭环控制系统例：机床闭环控制系统 (3)自动调节系统自动调节系统在外界干扰 作用下，系统的输出仍能基本保 持为常量的系统。 在外界干扰 作用下，系统的输出仍能基本保 持为常量的系统。 例：恒温调节系统例：恒温调节系统 (4)随动系统随

22、动系统在外界条件作用 下，系统的输出能相应于输入在 广阔范围内按任意规律变化的系 统。 在外界条件作用 下，系统的输出能相应于输入在 广阔范围内按任意规律变化的系 统。 (3)程序控制系统程序控制系统在外界条件 作用下，系统的输出按预定程序 变化的系统。 在外界条件 作用下，系统的输出按预定程序 变化的系统。 反馈系统组成反馈系统组成 系统控制部分 的几个环节 给定环节 测量环节 比较环节 放大及运算环节 执行环节 系统控制部分 的几个环节 给定环节 测量环节 比较环节 放大及运算环节 执行环节 给定环节给定环节它是给出输入信号 的环节，用于确定被控对象的 它是给出输入信号 的环节，用于确定被

23、控对象的 “目标值目标值”(或称给定值或称给定值)，给定环 节可以用各种形式 ，给定环 节可以用各种形式(电量、非电 量、数字量；模拟量等 电量、非电 量、数字量；模拟量等)发出信 号。 发出信 号。 测量环节测量环节它用于测量被控变 量，并将被控变量转换为便于传 送的另一物理量 它用于测量被控变 量，并将被控变量转换为便于传 送的另一物理量(一般为电量一般为电量)。 比较环节 。 比较环节在这个环节中，输 入信号 在这个环节中，输 入信号xi与测量环节发出来的有 关被控变量 与测量环节发出来的有 关被控变量x0的反馈量的反馈量xb相比 较，并得到一个小功率的偏差信 号。 相比 较，并得到一个

24、小功率的偏差信 号。 放大及运算环节放大及运算环节为了实现控 制，要将偏差信号作必要的校 正，然后进行功率放大，以便推 动执行环节。 执行环节 为了实现控 制，要将偏差信号作必要的校 正，然后进行功率放大，以便推 动执行环节。 执行环节它接收放大环节送 来的控制信号，驱动被控对象按 照预期的规律运行。 它接收放大环节送 来的控制信号，驱动被控对象按 照预期的规律运行。 给定环节、测量环节、比较 环节、校正放大环节和执行环 节，一起，组成了这一控制系统 的控制部分，目的是对被控对象 给定环节、测量环节、比较 环节、校正放大环节和执行环 节，一起，组成了这一控制系统 的控制部分，目的是对被控对象

25、(即被控部分即被控部分)实现控制。实现控制。 闭环自动控制系统的特点是： 利用输入信息与反馈至输， 人处的信息之间的偏差对系统的 输出进行控制，使被控对象按一 定的规律运动。 闭环自动控制系统的特点是： 利用输入信息与反馈至输， 人处的信息之间的偏差对系统的 输出进行控制，使被控对象按一 定的规律运动。 反馈作用： 力图减小反馈信息与输入信息之 间的偏差，尽可能获得所希望的输 出。因为只要偏差存在，系统的输 出就要受到偏差的校正。偏差越 大，校正作用越强；偏差越小，校 正作用越弱，直至偏差趋向最小。 反馈作用： 力图减小反馈信息与输入信息之 间的偏差，尽可能获得所希望的输 出。因为只要偏差存在

26、，系统的输 出就要受到偏差的校正。偏差越 大，校正作用越强；偏差越小，校 正作用越弱，直至偏差趋向最小。 二、对控制系统的基本要求二、对控制系统的基本要求 评价一个控制系统的好坏， 其指标是多种多样的，但对控制 系统的基本要求 评价一个控制系统的好坏， 其指标是多种多样的，但对控制 系统的基本要求(即控制系统所 需的基本性能 即控制系统所 需的基本性能)一般可归纳为： 稳定性、快速性和准确性。 一般可归纳为： 稳定性、快速性和准确性。 (1)系统的稳定性：由于系统存在 着惯性，当系统的各个参数分配 不当时，将会引起系统的振荡而 失去工作能力稳定性就是指动 态过程的振荡倾向和系统能够恢 复平衡状

27、态的能力。 系统的稳定性：由于系统存在 着惯性，当系统的各个参数分配 不当时，将会引起系统的振荡而 失去工作能力稳定性就是指动 态过程的振荡倾向和系统能够恢 复平衡状态的能力。 (2)响应的快速性：这是在系统稳 定的前提下提出的。快速性是指 当系统输出量与给定的输入量之 间产生偏差时，消除这种偏差的 快速程度。 响应的快速性：这是在系统稳 定的前提下提出的。快速性是指 当系统输出量与给定的输入量之 间产生偏差时，消除这种偏差的 快速程度。 (3)，响应的准确性：是指在调整 过程结束后输出量与给定的输入 量之间的偏差，或称为静态精 度，这也是衡量系统工作性能的 重要指标。 ，响应的准确性：是指在

28、调整 过程结束后输出量与给定的输入 量之间的偏差，或称为静态精 度，这也是衡量系统工作性能的 重要指标。 （五）机械制造的发展 与控制理论的应用 （五）机械制造的发展 与控制理论的应用 一、手工制造时信息在人体内传输一、手工制造时信息在人体内传输 二、人操作机器加工的类似闭环系统二、人操作机器加工的类似闭环系统 三、检测加入后的类似闭环系统三、检测加入后的类似闭环系统 四、计算机控制的闭环系统四、计算机控制的闭环系统 控制理论在机械制造领域中 应用最为活跃的有下面的几个主 要方面。 控制理论在机械制造领域中 应用最为活跃的有下面的几个主 要方面。 (1)在机械制造过程自动化方面 现代生产向机械

29、制造过程中控制系 统越来越复杂；要求的技术经济指标越 来越高。使得机械制造过程的自动化技 术从一般的自动机床、自动生产线发展 到数控机床、多微计算机控制设备、柔 性自动生产线、无人化车间乃至设计、 制造、管理一体化的计算机集成制造系 统 在机械制造过程自动化方面 现代生产向机械制造过程中控制系 统越来越复杂；要求的技术经济指标越 来越高。使得机械制造过程的自动化技 术从一般的自动机床、自动生产线发展 到数控机床、多微计算机控制设备、柔 性自动生产线、无人化车间乃至设计、 制造、管理一体化的计算机集成制造系 统CIMS。 (2)在对加工过程的研究方面 现代生产一方面是生产效率 越来越高，使加工过

30、程中的 在对加工过程的研究方面 现代生产一方面是生产效率 越来越高，使加工过程中的“动 态效应 动 态效应”不容忽视；这就要求把 加工过程如实地作为一个动态系 统加以研究。 不容忽视；这就要求把 加工过程如实地作为一个动态系 统加以研究。 (3)在产品与设备的设计方面 突破以往的经验设计、试凑设 计、类比设计的束缚，在充分考虑 产品与设备的动态特性的条件下， 密切结合其工作过程，探索建立它 们的数学模型，采用计算机进行优 化设计，甚至采用人机交互对话的 亦即人机信息相互反馈的人工智能 专家系统进行设计。 在产品与设备的设计方面 突破以往的经验设计、试凑设 计、类比设计的束缚，在充分考虑 产品与

31、设备的动态特性的条件下， 密切结合其工作过程，探索建立它 们的数学模型，采用计算机进行优 化设计，甚至采用人机交互对话的 亦即人机信息相互反馈的人工智能 专家系统进行设计。 (4)在动态过程或参数的测试方面 以往的测量一般是建立在，静态基础 上的 在动态过程或参数的测试方面 以往的测量一般是建立在，静态基础 上的(特别是几何量的测量特别是几何量的测量)，而现在 以控制理论作为基础的动态测试技 术发展十分迅速。动态误差、动态 位移、振动、噪声、动态力与动态 温度等动态物理量的测量，从基本 概念、测试方法、测试手段到测试 数据的处理方法无不同控制理论息 息相关。 ，而现在 以控制理论作为基础的动态

32、测试技 术发展十分迅速。动态误差、动态 位移、振动、噪声、动态力与动态 温度等动态物理量的测量，从基本 概念、测试方法、测试手段到测试 数据的处理方法无不同控制理论息 息相关。 控制理论、计算机技术同机械制 造技术的结合，将促使机械制造领 域中的试验、研究、设计、制造、 诊断、监控、维修、组织、管理等 各个方面发生巨大的乃至根本性的 变化。 控制理论、计算机技术同机械制 造技术的结合，将促使机械制造领 域中的试验、研究、设计、制造、 诊断、监控、维修、组织、管理等 各个方面发生巨大的乃至根本性的 变化。 习题：习题： 第二章第二章 常用传感器常用传感器 在工程上通常把直接作用于被测 量，能按一

33、定规律 在工程上通常把直接作用于被测 量，能按一定规律将其转换成同等或将其转换成同等或 别种量值输出别种量值输出的器件，称为传感器。 传感器的作用类似于人的感觉器官。 它把被测量加速度、速度、压力、位 移等将其转换成易测信号，传送给测 量系统的信号调理环节。 的器件，称为传感器。 传感器的作用类似于人的感觉器官。 它把被测量加速度、速度、压力、位 移等将其转换成易测信号，传送给测 量系统的信号调理环节。 在工程上也把提供与输入量有给定 关系的输出量的器件，称为测量变换 器。传感器就是输入量为被测量的测 在工程上也把提供与输入量有给定 关系的输出量的器件，称为测量变换 器。传感器就是输入量为被测

34、量的测 量变换器。量变换器。 传感器处于测试装置的输入端，其 性能将直接影响着整个测试装置的工 作质量。 传感器处于测试装置的输入端，其 性能将直接影响着整个测试装置的工 作质量。 第一节 传感器的分类第一节 传感器的分类 按被测量分类 位移传感器 力传感器 温度传感器 按被测量分类 位移传感器 力传感器 温度传感器 按工作原理分类按工作原理分类 机械式 电气式 光学式 流体式 机械式 电气式 光学式 流体式 按 信 号 变 换 特征分类 物性型 结构型 按 信 号 变 换 特征分类 物性型 结构型 物性型传感器 物性型传感器是依靠敏感元 件材料本身物理化学性质的变化 来实现信号的变换的。例如

35、用水 银温度计测量 , 是利用水银的 热胀冷缩现象； 压电测力计是 利用石英晶体的压电效应等。 物性型传感器 物性型传感器是依靠敏感元 件材料本身物理化学性质的变化 来实现信号的变换的。例如用水 银温度计测量 , 是利用水银的 热胀冷缩现象； 压电测力计是 利用石英晶体的压电效应等。 结构型传感器 结构型传感器则是依靠传感 器结构参量的变化而实现信号转 换的。例如 , 电容式传感器依 靠极板间距离变化引起电容量的 变化 ，电感式传感器依靠衔铁 位移引起自感或互感的变化等。 结构型传感器 结构型传感器则是依靠传感 器结构参量的变化而实现信号转 换的。例如 , 电容式传感器依 靠极板间距离变化引起

36、电容量的 变化 ，电感式传感器依靠衔铁 位移引起自感或互感的变化等。 按能量关系按能量关系 能量转换型 能量控制型 能量转换型 能量控制型 能量转换型传感器能量转换型传感器 能量转换型传感器 , 也称无源 传感器 , 是直接由被测对象输入能 量使其工作的 , 例如 , 热电偶温 度计、弹性压力计等。在这种情况 下 , 传感器由被测对象吸取能量 , 产生负载效应 , 导致被测对象状态 的变化和测量误差。 能量转换型传感器 , 也称无源 传感器 , 是直接由被测对象输入能 量使其工作的 , 例如 , 热电偶温 度计、弹性压力计等。在这种情况 下 , 传感器由被测对象吸取能量 , 产生负载效应 ,

37、导致被测对象状态 的变化和测量误差。 能量控制型传感器能量控制型传感器 能量控制型传感器,也称有源传 感器 ,是从外部供给辅助能量使传 感器工作的（下图）并且由被测量 来控制外部供给能量的变化。例如 , 电阻应变计中电阻接于电桥上 , 电 桥工作能源由外部供给 , 而由被测 量变化所引起的电阻变化去控制电 桥输出。 能量控制型传感器,也称有源传 感器 ,是从外部供给辅助能量使传 感器工作的（下图）并且由被测量 来控制外部供给能量的变化。例如 , 电阻应变计中电阻接于电桥上 , 电 桥工作能源由外部供给 , 而由被测 量变化所引起的电阻变化去控制电 桥输出。 输入 输出 传感器 辅助能源 测量

38、对象 返回 按输出信号分类 模拟式 数字式 按输出信号分类 模拟式 数字式 第二节 机械式传感器第二节 机械式传感器 机械式传感器是以弹性体作 为传感器的敏感元件。它的输入 量可以是力， 压力或温度等物理 量，输出则是弹性元件本身的弹 性变形。 机械式传感器是以弹性体作 为传感器的敏感元件。它的输入 量可以是力， 压力或温度等物理 量，输出则是弹性元件本身的弹 性变形。 典型机械式传感器典型机械式传感器 微型探测开关微型探测开关 机械式传感器做成的机械式指 示仪表具有结构简单、可靠、使用 方便、价格低廉、读数直观等优点。 但弹性变形不宜大 , 以减小线性误 差。此外 , 由于放大和指示环节多

39、为机械传动，不仅受间隙影响 , 而 且惯性大 , 固有频率低 , 只宜用 于检测缓变或静态被测量。 机械式传感器做成的机械式指 示仪表具有结构简单、可靠、使用 方便、价格低廉、读数直观等优点。 但弹性变形不宜大 , 以减小线性误 差。此外 , 由于放大和指示环节多 为机械传动，不仅受间隙影响 , 而 且惯性大 , 固有频率低 , 只宜用 于检测缓变或静态被测量。 第三节 电阻式传感器第三节 电阻式传感器 电阻式传感器：是一种把被 测量转换为电阻变化的传感器。 按其工作原理可分为变阻器式和 电阻应变式两类。 电阻式传感器：是一种把被 测量转换为电阻变化的传感器。 按其工作原理可分为变阻器式和 电

40、阻应变式两类。 一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器 变阻器式传感器也称为电位差计式传感 器,它通过改变电位器触头位置,把位移转换 为电阻的变化。根据下式 式中 变阻器式传感器也称为电位差计式传感 器,它通过改变电位器触头位置,把位移转换 为电阻的变化。根据下式 式中 电阻率电阻率 l电阻丝长度 A 电阻丝长度 A电阻丝截面积电阻丝截面积 A l R= 直线位移型直线位移型 xkR l = 角位移型角位移型 kR = 非线性型：是一种非线性变阻器式传感 器 , 其骨架形状需根据所要求的输出 f (x)来确定。 例如 , 输出 f(x) =kx 非线性型：是一种非线性变阻器式传感 器 , 其骨架

41、形状需根据所要求的输出 f (x)来确定。 例如 , 输出 f(x) =kx2 2, 其中x为输入位移 , 为要得到输出电阻 值 R(x) 与 f(x)成线性关系 , 变阻器 骨架应做成直角三角形。如果输出要求 为 f(x)=kx , 其中x为输入位移 , 为要得到输出电阻 值 R(x) 与 f(x)成线性关系 , 变阻器 骨架应做成直角三角形。如果输出要求 为 f(x)=kx3 3, 则应采用抛物线形骨架。, 则应采用抛物线形骨架。 变阻器式传感器的后接电路, 一般采用电阻分压电路。在直流激 励电压u 变阻器式传感器的后接电路, 一般采用电阻分压电路。在直流激 励电压uo o作用下 , 这种

42、传感器将位 移变成输出电压的变化。 作用下 , 这种传感器将位 移变成输出电压的变化。 当电刷移动 x 距离后 , 传感器 的输出电压 u 当电刷移动 x 距离后 , 传感器 的输出电压 uy y可用下式计算可用下式计算 + = pL pp y x x R R x x u u 1 0 电阻分压电路电阻分压电路 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器用于应变、力、 位移、加速度、扭矩等参数测量。 具有体积小、动态响应快、测量精 确度高、使用简便等优点。在航空、 船舶、机械、建筑等行业里获得广 泛应用。 电阻应变式传感器用于应变、力、 位移、加速度、扭矩等参数测量。 具有体积小

43、、动态响应快、测量精 确度高、使用简便等优点。在航空、 船舶、机械、建筑等行业里获得广 泛应用。 电阻应变式传感器分类 电阻应变式传感器可分为金 属电阻应变片式与半导体应变片 式两类。 电阻应变式传感器分类 电阻应变式传感器可分为金 属电阻应变片式与半导体应变片 式两类。 ( 一 ) 金属电阻应变片 用的金属电阻应变片有丝 式和箔式两种。其工作原理都是 基于应变片发生机械变形时 ,其 电阻值发生变化。 ( 一 ) 金属电阻应变片 用的金属电阻应变片有丝 式和箔式两种。其工作原理都是 基于应变片发生机械变形时 ,其 电阻值发生变化。 金属丝电阻应变片 ( 又称电阻 丝应变片 ) 出现得较早 ,

44、现仍在广泛 采用。其典型结构是把一根具有高电阻 率的金属丝 ( 康铜或镍铬合金等 , 直 径 0 .025mm 左右 ) 绕成栅形 , 粘贴 在绝缘的基片和覆盖层之间 , 由引出 导线接于电路上。 金属丝电阻应变片 ( 又称电阻 丝应变片 ) 出现得较早 , 现仍在广泛 采用。其典型结构是把一根具有高电阻 率的金属丝 ( 康铜或镍铬合金等 , 直 径 0 .025mm 左右 ) 绕成栅形 , 粘贴 在绝缘的基片和覆盖层之间 , 由引出 导线接于电路上。 金属电阻丝应变片金属电阻丝应变片 金属箔式应变片则是用栅 状金属箔 金属箔式应变片则是用栅 状金属箔片代替栅状金属丝。适 于大批量生产。其线条

45、均匀 , 尺寸准确 , 阻值一致性好。 片代替栅状金属丝。适 于大批量生产。其线条均匀 , 尺寸准确 , 阻值一致性好。 箔式应变片箔式应变片 a)单轴 b)测扭矩 c)多轴（应变花） d)平行轴多栅 e)同轴多栅 由于电阻值 R=pl/A, 分别有一增 量 dl 、 dA 和 d 时 , 所引起的 电阻增量为 式中，A=r 由于电阻值 R=pl/A, 分别有一增 量 dl 、 dA 和 d 时 , 所引起的 电阻增量为 式中，A=r2 2 ，r为电阻丝半径 ，r为电阻丝半径 d R dA A R dl l R dR + + = 所以上式为 则电阻的相对变化 所以上式为 则电阻的相对变化 +=

46、 += d r dr l dl R d r l dr l dl r dR 2 2 232 d r dr l dl R dR += 2 电阻丝轴向相对变形称为纵向应变 电阻丝径向相对变形称为横向应变。 电阻丝轴向相对变形称为纵向应变 电阻丝径向相对变形称为横向应变。 = r dr = l dl 当电阻丝沿轴向伸长时 , 必沿径向缩小 , 两者之间的关系为 式中一一电阻丝材料的泊桑比 ; dp/ 一一电阻丝电阻率相对变化 , 与 电阻丝轴向所受正应力有关。 当电阻丝沿轴向伸长时 , 必沿径向缩小 , 两者之间的关系为 式中一一电阻丝材料的泊桑比 ; dp/ 一一电阻丝电阻率相对变化 , 与 电阻丝

47、轴向所受正应力有关。 l dl r dr = E d = E 一一电阻丝材料的弹性模量 ; 一一压阻系数 , 与材质有关。 则有 一一电阻丝材料的弹性模量 ; 一一压阻系数 , 与材质有关。 则有 () E E R dR += += 21 2 分析(1+2)项是由电阻丝几何 尺寸改变所引起的。对于同一电阻 材料 , 1+2是常数 ， 项是由 电阻丝的电阻率随应变的改变而引 起的。对于金属电阻丝来说 , 是很小的 , 可忽略。 分析(1+2)项是由电阻丝几何 尺寸改变所引起的。对于同一电阻 材料 , 1+2是常数 ， 项是由 电阻丝的电阻率随应变的改变而引 起的。对于金属电阻丝来说 , 是很小的

48、 , 可忽略。 则上式简化为 灵敏度 则上式简化为 灵敏度 ()21+ R dR 常数=+=21 / / ldl RdR s g 电阻应变片灵敏度多在1.7到3.6 之间. 电阻应变片的标准阻值有60 欧姆、 120欧姆 、 350欧姆、 600 欧姆 和 1000 欧姆等。其 中以 120欧姆为最常用。 电阻应变片灵敏度多在1.7到3.6 之间. 电阻应变片的标准阻值有60 欧姆、 120欧姆 、 350欧姆、 600 欧姆 和 1000 欧姆等。其 中以 120欧姆为最常用。 ( 二 ) 半导体应变片 工作原理 ( 二 ) 半导体应变片 工作原理基于半导体 材料的压阻效应。 所谓压阻效 应

49、是指单晶半导体材料在沿某一 轴向受到外力作用时 , 其电阻 率发生变化的现象。 基于半导体 材料的压阻效应。 所谓压阻效 应是指单晶半导体材料在沿某一 轴向受到外力作用时 , 其电阻 率发生变化的现象。 半导体应变片半导体应变片 (1+2)项是由几何尺寸变化 引起的 , 是由于电阻率变 化而引起的。 (1+2)项是由几何尺寸变化 引起的 , 是由于电阻率变 化而引起的。 () E E R dR += += 21 2 根据式根据式 半导体应变片的电阻率变化是半导体应变 片电阻变化的主要部分 , 故可简化为 灵敏度 这一数值比金属丝电阻应变片大50-70 倍。 半导体应变片的电阻率变化是半导体应变 片电阻变化的主要部分 ,