机械工程测试。信息。信号分析(第三版)5ppt

15:031MEASUREMENTINFORMATIONSIGNALANALYSISINMECHANICALENGINEERING机械工程测试•信息•信号分析机械科学与工程学院机械电子信息工程系李锡文[e-mail]轩建平[e-mail]15:032课件资料下载：邮箱地址：[e-mail]“机械工程测试”每个字拼音的第一个字母密码：111111注意下载时不要删除原始文件15:033第四章信息转换与传输主要内容–一、信息转换-传感器，非电量→电量–二、传感器的标定和选择–三、信息传输•Shannon信道容量关系式•信息-能量传输的最佳耦合条件•信道频率特性与波形失真•信道频率特性与信息熵损失–四、信息传输过程中的干扰和噪声•噪声物理根源与耦合方式•噪声模型及其传输特性15:034第四章信息转换与传输4-1信息转换一、信息探测工程与智能传感器1.人类认识事物的信息过程15:035敏感元件显示信息信息探测工程2.人类感官获取信息的局限性3.传感系统的一般模型(a)(b)15:036信息探测工程4.传感技术的发展(1)扩展频域–视觉与光传感器–听觉与声传感器–触觉与温度、压力传感器–嗅觉传感器(2)智能化–动态测量–远距离、非接触测量–特殊环境下测量–微观分析–实时在线15:037智能传感器传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。智能传感器15:038嵌入式计算机智能倾角RS232传感器IC总线数字温度传感器智能传感器15:039振动网络传感器智能压力网络传感器智能传感器15:0310GSM/SMS智能传感器15:0311工程中的传感器二、工程中的传感器15:0312工程中的传感器15:0313工程中的传感器15:03141声压传感器-动圈式动圈式声压传感器sin()();(/);eWBlvBTlmWvms磁场的感应强度；单匝线圈有效长度线圈匝数；线圈与磁场的相对运动速度线圈运动方向与磁场方向的夹角。15:0315动圈式传感器图动圈式传声器15:03161声压传感器-电容式QCVQQQVVACAAC15:0317极距δ变化型+++AC0+++15:03181声压传感器-光纤式P96声-光相位调制15:03192振动测量传感器-涡流式位移传感器15:0320原理:涡流效应线圈高频交变电流，产生磁通，金属板产生感应电流(涡电流)涡流式传感器原理高频感应炉冶炼金属15:0321涡流磁场影响高频线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZδ线圈与金属板间距离，金属板的电阻率，磁导率线圈激磁圆频率涡流式传感器原理(lMHz)激励电流，高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，金属板表面形成涡电流。该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与δ、ρ、μ、i，ω等有关，若只改变δ而其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，再转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。高频发射式涡流传感器原理15:0322涡流式传感器原理发射线圈ω1和接收线圈ω2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈ω1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈ω2产生感应电动势e2。涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。低频透射式涡流传感器原理15:0323适用：可用于动态非接触测量，测量范围1mm-10mm,与传感器结构尺寸，线圈匝数和激磁频率有关,可到1m。δ变化，位移振动测量；金属板的电阻率或磁导率变化，可作为材质鉴别或探伤。优点：结构简单，使用方便，不受油污等介质的影响。涡流式位移、振动测量仪，无损探伤仪等。涡流式传感器适用范围15:0324例：电涡流转速传感器例：电涡流传感器测厚和零件计数涡流式传感器应用15:0325涡流式传感器产品15:0326案例：无损探伤原理:裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测涡流式传感器应用15:0327磁电式传感器1.变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。dtdNe感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。cosSB),,(mdtdRB3磁电式传感器B为磁场感应强度15:03282分类磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型3磁电式传感器磁铁线圈sinNBlvev线圈NSNS线圈运动线圈与磁铁不动，物体运动磁阻变化15:0329动圈式传感器线速度型3磁电式传感器15:0330角速度型测速电机3磁电式传感器15:0331磁阻式传感器磁电式车速传感器3磁电式传感器15:0332NS案例：鼠笼电机转子断细条检测3磁电式传感器15:03333磁电式传感器结构示意图15:03343磁电式传感器幅频特性15:03353磁电式传感器幅频特性15:0336压电式传感器1.变换原理：压电效应+串联+并联某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。F+q=DF4压电式传感器15:03372、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。4压电式传感器传感器电场运算放大器15:03384压电式传感器15:0339产品压力变送器加速度计力传感器4压电式传感器15:0340案例：飞机模态分析4压电式传感器案例：飞机模态分析15:03414压电式传感器案例：热轧设备诊断15:0342振动传感器选择传感器标定和选择15:0343超声波检测传感器1)声波及其分类(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。(2)声波:振动频率在16Hz―20KHz之间的机械波。(3)超声波:高于20KHz的机械波。2）超声波的物理性质超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。超声波检测传感器15:0344声压所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa=1N/m2。声强声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。声功率声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。超声波检测传感器15:0345超声波传感器原理超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。超声波检测传感器15:0346超声波传感器对超声波检测传感器15:0347超声波传感器应用超声波探伤/测距/测物tA超声波检测传感器15:0348案例：输油管检测检测机器人超声波检测传感器15:0349倒车雷达超声波检测传感器15:0350鱼群探测器超声波检测传感器15:03512、声发射检测传感器材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。多数金属的声发射频带在超声范围内。声发射传感器15:0352案例：材料断裂等结构监测声发射传感器15:0353半导体传感器sinIBKVHH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。1霍尔元件半导体传感器15:0354霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。半导体传感器15:0355半导体传感器15:0356测转角：半导体传感器15:0357电流传感器当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。半导体传感器15:0358铁磁材料裂纹检测NS半导体传感器15:0359叶片和齿轮位置传感器应用半导体传感器15:0360案例：汽车速度测量:半导体传感器15:03612磁电阻元件•磁阻效应)1()1(cos/2202020BRRRR--++lwx半导体传感器15:0362•特点•电阻的增量与磁场的平方成正比；•与磁场的正负无关；•温度系数影响大；•磁感应的范围比霍尔元件大。•应用•磁头；接近开关和无触点开关。半导体传感器15:03633磁感应半导体元件分类霍尔元件磁电阻元件磁敏二极管磁晶体管磁半导体开关半导体传感器15:0364产品半导体传感器15:0365案例：转速测量半导体传感器15:0366热敏传感器1.双金属温度计把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆热敏传感器15:0367热敏传感器15:0368荧光灯启辉器零线火线当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电.热敏传感器15:0369荧光灯启辉器启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过1～8秒的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。热敏传感器15:03702.热电温度计(热电偶)热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热敏传感器15:0371BAABNNekTTEln)(ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00热敏传感器15:0372热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V热敏传感器15:03733)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。热敏传感器15:0374热敏传感器15:0375热敏传感器15:03763热敏电阻传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。)11(00TTeRRRT热敏传感器15:0377热敏传感器15:0378热敏传感器15:0379产品热敏传感器15:0380温控器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电