工程試驗(yàn)理論和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)課件

第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第一節(jié) 測(cè)量的物理概念測(cè)量本質(zhì)：對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行“取樣”，並定量“讀出”同名量化物理量被測(cè)物理量測(cè)量信號(hào)傳遞函數(shù)儀錶測(cè)量的外在表現(xiàn)測(cè)量的物理實(shí)現(xiàn)測(cè)量的數(shù)學(xué)表述測(cè)量信號(hào)的標(biāo)度測(cè)量的標(biāo)定輸入量輸出量*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定儀錶的使用方法零測(cè)法通過(guò)採(cǎi)用與被測(cè)量所產(chǎn)生的相反作用，努力維持偏差為零。偏差測(cè)量法被測(cè)量的某種物理作用（輸入量），使得儀錶的作用元件產(chǎn)生一相似但相反的作用，這一相反的作用和某一物理變數(shù)（輸出量）有密切關(guān)係，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在此平衡下，儀錶中的作用元件偏離了原位，稱之為“偏差”。*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第二節(jié) 測(cè)量的表現(xiàn)測(cè)量的外在表現(xiàn)接觸式測(cè)量非接觸式測(cè)量測(cè)量的物理表現(xiàn)儀錶構(gòu)成傳感：將一種物理變數(shù)轉(zhuǎn)成另一種更合適的物理量調(diào)理：按某種確定的規(guī)律改變信號(hào)的數(shù)值，但卻保留變數(shù)的物理本質(zhì)顯示：將資訊轉(zhuǎn)變成人的五官之一所能辨認(rèn)的形式*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第三節(jié) 測(cè)量的數(shù)學(xué)表述測(cè)量系統(tǒng)的廣義數(shù)學(xué)模型常係數(shù)線性常微分方程任何一個(gè)具體的輸入量和輸出量之間的關(guān)係都可以寫(xiě)成下列數(shù)學(xué)形式y(tǒng)：輸出量；x：輸入量；t：時(shí)間它有n個(gè)初始條件，其中n=>m。*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定傳遞函數(shù)定義微分算子測(cè)量的廣義數(shù)學(xué)模型為傳遞函數(shù)xy輸入量輸出量*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定儀錶的輸入-輸出構(gòu)成方式輸入量有用輸入FD：代表儀錶所要測(cè)的量干擾輸入FI：代表儀錶並非有意要感受的量修改輸入FI、FD：能使有用輸入和干擾輸入的輸入-輸出關(guān)係發(fā)生變化*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定零階儀錶數(shù)學(xué)表述傳遞函數(shù)K：靜態(tài)靈敏度一階儀錶數(shù)學(xué)表述傳遞函數(shù)K：靜態(tài)靈敏度：時(shí)間常數(shù)第四節(jié) 幾種常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x錶*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定二階儀錶數(shù)學(xué)表述傳遞函數(shù)靜態(tài)靈敏度無(wú)阻尼自然頻率阻尼比*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定小結(jié)不論零階、一階、二階儀錶只有靜態(tài)靈敏度與輸入量有關(guān)一階儀錶的時(shí)間常數(shù)、二階儀錶的無(wú)阻尼自然頻率和阻尼比等儀錶性能參數(shù)，僅與儀錶的內(nèi)部設(shè)計(jì)有關(guān)。*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第五節(jié) 標(biāo)定為什麼標(biāo)定？零階儀錶一階儀錶二階儀錶*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第五節(jié) 標(biāo)定標(biāo)定什麼？零階儀錶：一階儀錶：二階儀錶：*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第五節(jié) 標(biāo)定如何標(biāo)定？靜態(tài)標(biāo)定除一個(gè)輸入量可變外，所有其他輸入量將保持為某一常值。然後在某一固定範(fàn)圍內(nèi)改變所研究的輸入量，使得輸出量也在某一固定範(fàn)圍內(nèi)變化。所建立的輸入-輸出關(guān)係便構(gòu)成了對(duì)一個(gè)輸入量的靜態(tài)標(biāo)定特性。*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第五節(jié) 標(biāo)定如何標(biāo)定？動(dòng)態(tài)標(biāo)定階躍回應(yīng)斜波回應(yīng)頻率相應(yīng)脈衝相應(yīng)*第一章：測(cè)量、儀錶及其標(biāo)定第六節(jié) 常見(jiàn)的儀錶性能評(píng)價(jià)指標(biāo)精確度/準(zhǔn)確度及精密度：P38靜態(tài)靈敏度：關(guān)鍵是要給出每一單位物理量（輸入量）所對(duì)應(yīng)的指示/記錄（輸出量）刻度。線性度：輸入/輸出換算簡(jiǎn)單，儀錶/控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析簡(jiǎn)化。閾值、解析度：輸入量存在一最小值（閾值），大於此值，儀錶輸出變化才能檢測(cè)（解析度）出來(lái)。尺規(guī)的可讀性：既取決於儀錶又取決於測(cè)試人員。量程：以表工作的上限和下限。*15第二章 感測(cè)器的基本類型

和工作原理程曉舫中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系16§2 感測(cè)器的基本類型和工作原理§2.1 概述§2.2 電阻式感測(cè)器§2.3 電感式感測(cè)器§2.4 電容式感測(cè)器§2.5 壓電式感測(cè)器§2.6 磁電式感測(cè)器§2.7 霍爾感測(cè)器§2.8 熱電式感測(cè)器§2.9 光電式感測(cè)器§2.10 感測(cè)器階數(shù)和傳遞函數(shù)17§2.1 概述傳感的定義：將一種物理變數(shù)轉(zhuǎn)變成另一種更合適的物理變數(shù)。感測(cè)器靜態(tài)函數(shù)：感測(cè)器的要求是的單調(diào)函數(shù)：確保在測(cè)量範(fàn)圍內(nèi)輸入量和輸出量一一對(duì)應(yīng)是的恒定函數(shù)：使環(huán)境變化的影響因素降至為零18§2.1 概述更合適的物理變數(shù)：電——電測(cè)法電測(cè)儀錶慣性小、無(wú)摩擦，適於動(dòng)態(tài)測(cè)量易改變量程，故測(cè)量範(fàn)圍大可進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算易於集中監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)距離測(cè)量易於與調(diào)節(jié)、控制設(shè)備可靠聯(lián)繫電測(cè)感測(cè)器類型能量型直接輸出電能：電壓、電流參數(shù)型改變電路參數(shù)：電阻、電感、電容19§2.2電阻式感測(cè)器§2.2.1電位計(jì)式電阻定律20§2.2電阻式感測(cè)器§2.2.2應(yīng)變式電阻定律體積計(jì)算應(yīng)變（材料力學(xué)）密度計(jì)算靈敏係數(shù)

K0=1.6-3.621§2.2電阻式感測(cè)器§2.2.3熱電阻材料的電阻率與溫度有關(guān)金屬的電阻隨溫度升高而變大半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而減小22§2.2電阻式感測(cè)器23§2.2電阻式感測(cè)器§2.2.4電阻式感測(cè)器的階數(shù)和傳遞函數(shù)？階儀錶傳遞函數(shù)電位計(jì)式零階應(yīng)變式零階熱電式零階熱電式零階24§2.3電感式感測(cè)器L：電感量w：線圈匝數(shù)Rm：總磁阻：導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率：空氣隙導(dǎo)率：空氣隙厚度A：空氣隙面積25§2.4電容式感測(cè)器C：電容量：真空介電常數(shù)：相對(duì)介電常數(shù)A：兩電極相對(duì)面積d：相對(duì)電極間隙26§2.5壓電式感測(cè)器壓電效應(yīng)（1880/居裏兄弟/？）在某些晶體的一定方向上施加壓力或拉力，則在晶體的一些對(duì)應(yīng)的表面上分別出現(xiàn)正負(fù)電荷。Kp：壓電常數(shù)

F：力Q：電荷量27§2.6磁電式感測(cè)器直線運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)W：匝數(shù)Φ：磁通e：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)l：線圈導(dǎo)線長(zhǎng)度B：磁場(chǎng)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度dx/dt：線圈/磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度dθ/dt：線圈/磁鐵相對(duì)旋轉(zhuǎn)角速度α：運(yùn)動(dòng)方向/磁感應(yīng)向量之間的夾角28§2.6磁電式感測(cè)器29§2.7霍爾感測(cè)器霍爾效應(yīng)（1879/霍爾/美國(guó)）將通電的金屬或半導(dǎo)體置於磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)或電阻的改變RH：霍爾係數(shù)I：控制電流B：磁感應(yīng)強(qiáng)度d：霍爾元件厚度VH：霍爾電勢(shì)30§2 感測(cè)器的基本類型和工作原理小結(jié)：感測(cè)器階數(shù)和傳遞函數(shù)？階儀錶傳遞函數(shù)電感式零階電容式零階壓電式零階磁電式////霍爾式零階31§2 感測(cè)器的基本類型和工作原理§2.8熱電式感測(cè)器物理效應(yīng)塞貝克效應(yīng)（1821/德國(guó)）兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。珀?duì)柼?yīng)（1834/？）在接頭處分別會(huì)出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象，熱量流率與電流成正比。湯姆遜效應(yīng)（1854/？）電流通過(guò)具有一定溫度梯度的金屬導(dǎo)體，會(huì)有一橫向熱流流進(jìn)或流出。32§2.8熱電式感測(cè)器熱電偶基本定律等值定律兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。均勻?qū)Ь€定律同一種金屬組成閉合回路，不管截面是否變化，也不管在電路中存在什麼樣的溫度梯度，電路中都不會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。中間導(dǎo)線定律當(dāng)插入第三種金屬時(shí)，只要兩端溫度相同，就不會(huì)使熱電偶的電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。疊加定律如果金屬A和B之間的電動(dòng)勢(shì)和金屬B和C之間的電動(dòng)勢(shì)都是已經(jīng)的，則金屬A和C之間的電動(dòng)勢(shì)也是已知的。33§2.8熱電式感測(cè)器物理效應(yīng)塞貝克效應(yīng)（1821/德國(guó)）兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。珀?duì)柼?yīng)（1834/？）在接頭處分別會(huì)出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象，熱量流率與電流成正比。湯姆遜效應(yīng)（1854/？）電流通過(guò)具有一定溫度梯度的金屬導(dǎo)體，會(huì)有一橫向熱流流進(jìn)或流出。34§2.8熱電式感測(cè)器熱電偶基本定律等值定律兩種不同金屬導(dǎo)線組成一閉合回路，若兩接頭處維持一溫差，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。均勻?qū)Ь€定律同一種金屬組成閉合回路，不管截面是否變化，也不管在電路中存在什麼樣的溫度梯度，電路中都不會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。中間導(dǎo)線定律當(dāng)插入第三種金屬時(shí)，只要兩端溫度相同，就不會(huì)使熱電偶的電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化。疊加定律如果金屬A和B之間的電動(dòng)勢(shì)和金屬B和C之間的電動(dòng)勢(shì)都是已經(jīng)的，則金屬A和C之間的電動(dòng)勢(shì)也是已知的。35§2.9光電式感測(cè)器光電效應(yīng)外光電效應(yīng)（1887/赫茲/德國(guó)）：光照射固體而從表面逐出電子。內(nèi)光電效應(yīng)：光照射時(shí)無(wú)電子發(fā)射，---光電導(dǎo)效應(yīng)：電導(dǎo)率發(fā)生變化光生伏特效應(yīng)（1839/貝克勒/法國(guó)）：產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)光電流效應(yīng)（1927/潘寧）：光致氣體放電36§2.9光電式感測(cè)器§2.9.1外光電效應(yīng)光電式感測(cè)器實(shí)驗(yàn)規(guī)律一定頻率的光照射金屬陰極時(shí)，只要陰-陽(yáng)級(jí)之間有足夠的加速電壓，光電流正比於光強(qiáng)；每種金屬存在一個(gè)發(fā)生外光電效應(yīng)的最低頻率，照射光頻率小於最低頻率時(shí)，不會(huì)逸出光電子；照射光頻率大於最低頻率時(shí)，不管光多麼弱，立即發(fā)射光電子；光電子從表面逸出的初動(dòng)能與光頻率有線性關(guān)係，與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)。愛(ài)因斯坦光電方程 h:普朗克常數(shù)ν:光頻率m:電子品質(zhì)Φ:功函數(shù)

各電極之間保持上百伏的電壓差，光照射在光電陰極上時(shí)發(fā)出的光電子，在電場(chǎng)作用下經(jīng)加速後轟擊次陰極，如此繼續(xù)下去，最終效果是：陰極上發(fā)射1個(gè)光電子，陽(yáng)極上可得到1000000個(gè)電子。37§2.9光電式感測(cè)器§2.9.2內(nèi)光電效應(yīng)光電式感測(cè)器光電導(dǎo)

光照Φ→光生載流子（自由電子-空穴對(duì)），產(chǎn)生速率為G光探測(cè)器光敏電阻紅外光電導(dǎo)探測(cè)器材料硫化鎘、硒化鎘硫化鉛、硒化鉛應(yīng)用例光電導(dǎo)攝像機(jī)高速光開(kāi)關(guān)靜電複印產(chǎn)生速率量子產(chǎn)率光能吸收率光強(qiáng)普朗克常數(shù)照射光頻率38§2.9光電式感測(cè)器§2.9.2內(nèi)光電效應(yīng)光電式感測(cè)器光生伏特

在光照下產(chǎn)生電位差或電動(dòng)勢(shì)，需要一種將正、負(fù)載流子在空間上分離的機(jī)制。丹倍效應(yīng)（1931年）丹倍電位差小光磁電效應(yīng)（1934年）用來(lái)測(cè)量半導(dǎo)體中載流子壽命PN結(jié)光生效應(yīng)（1839年）外電路電流P-N結(jié)反向飽和電流電子電荷外加電壓玻爾茲曼常數(shù)開(kāi)爾文溫度光生電流P-N結(jié)面積39§2 感測(cè)器的基本類型和工作原理熱電/光電感測(cè)器階數(shù)及傳遞函數(shù)感測(cè)器及其函數(shù)階數(shù)傳遞函數(shù)熱電//外光電零階內(nèi)光電零階40§2.10電傳感器的直接應(yīng)用位移電參數(shù)型（電位計(jì)式/電感式/電容式）、霍爾式。溫度熱電式輻射光電式力應(yīng)變式、壓電式41§2.11本章小結(jié)簡(jiǎn)要介紹了電傳感器及其數(shù)學(xué)表達(dá)電參數(shù)型：電阻、電感、電容能量型：壓電、磁電、霍爾、熱電、光電介紹了感測(cè)器的階數(shù)零階型：電阻、電感、電容、壓電、霍爾、光電、非零階型：熱電、磁電介紹了感測(cè)器的傳遞函數(shù)常數(shù)（線性）型：電位計(jì)式、應(yīng)變式、熱電式、電感式、電容式、壓電式、霍爾式、光電式。非常數(shù)（非線性）型：熱電式、電感式、電容式。42第三章：信號(hào)的調(diào)理和運(yùn)算程曉舫中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系43§3信號(hào)的調(diào)理和運(yùn)算§3.1概述§3.2信號(hào)的調(diào)理§3.3信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算§3.4本章小結(jié)44§3.1

概述問(wèn)題的提出什麼形式的電信號(hào)能夠被讀?。磕芰啃椭苯虞敵鲭娔埽弘妷?、電流/電荷參數(shù)型改變電路參數(shù)：電阻、電感、電容解決問(wèn)題的目的將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)電流電壓電荷電壓電阻電壓電感電壓電容電壓傳遞函數(shù)為常數(shù)45

感測(cè)器函數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓需做的調(diào)理IR調(diào)理LR調(diào)理RC調(diào)理46

感測(cè)器函數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓需做的調(diào)理無(wú)需調(diào)理Q/RC/V-Q/V調(diào)理IR調(diào)理47§3.1本節(jié)小結(jié)其他物理量→電傳感器→電物理量電物理量→調(diào)理→電壓基本的調(diào)理需求IR調(diào)理Q/RC/V調(diào)理Q/V調(diào)理48§3.2信號(hào)的調(diào)理§3.2.1IR調(diào)理——電阻、電橋、放大器§3.2.2Q/RC/V調(diào)理§3.2.3Q/V調(diào)理§3.2.4信號(hào)調(diào)理小結(jié)49§3.2.1IR調(diào)理適合的感測(cè)器電阻式感測(cè)器電位計(jì)應(yīng)變熱電電流式感測(cè)器光電感測(cè)器電阻式調(diào)理器件恒流源電橋電路電流式調(diào)理器件電阻放大器50§3.2.1IR調(diào)理——電位計(jì)電位計(jì)原理圖RRxER0m51§3.2.1IR調(diào)理——電橋電路科學(xué)問(wèn)題電橋處?kù)镀胶鈺r(shí)，各橋臂電阻存在什麼關(guān)係？一個(gè)橋臂的單位電阻變化會(huì)引起多大的輸出電壓?表頭內(nèi)阻對(duì)測(cè)量有什麼影響？CR4R1R2R3R0mABDEEac52§3.2.1IR調(diào)理——電橋電路CR4R1R2R3R0mABDEEac53§3.2.1IR調(diào)理——放大器RiRoVosIBIAeBeAeo信號(hào)地電源公共端開(kāi)環(huán)增益A∞失調(diào)電壓Vos0

偏置電流iA,iB0輸入阻抗Ri∞輸出阻抗Ro054§3.2.1IR調(diào)理——放大器妙用光生伏特型感測(cè)器特性曲線55§3.2.1IR調(diào)理——放大器妙用特性曲線56§3.2.2Q/RC/V調(diào)理適合的感測(cè)器電荷式感測(cè)器壓電型感測(cè)器調(diào)理器件RC電路調(diào)理機(jī)制一部分電荷被收集在電容器上，一部分電荷通過(guò)電阻放電；放電電阻兩端測(cè)量電壓。57§3.2.2Q/RC/V調(diào)理並聯(lián)組合並聯(lián)組合：輸出電荷大、輸出電容大、輸出阻抗低、時(shí)間常數(shù)大串聯(lián)組合串聯(lián)組合：輸出電壓大、輸出電容小、輸出阻抗高、時(shí)間常數(shù)小58§3.2.2Q/RC/V調(diào)理RCe0eQV壓電傳感器、電纜、和電壓放大器組成的等效電路總電荷的一部分使電容充電，另一部分經(jīng)電阻漏損掉，並在電阻上產(chǎn)生電壓降59§3.2.2Q/RC/V調(diào)理壓電傳感器與電壓放大器相配，不適合測(cè)量靜態(tài)參數(shù)；測(cè)量低頻動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，電壓放大器的輸入電壓與力和頻率成正比關(guān)係；測(cè)量高頻動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)，電壓放大器的輸入電壓不再隨輸入?yún)?shù)的頻率而變化，只隨作用力的大小而改變。60§3.2.3Q/V調(diào)理適合的感測(cè)器電荷式感測(cè)器壓電型感測(cè)器調(diào)理器件運(yùn)算放大器調(diào)理機(jī)制通過(guò)運(yùn)放的輸入阻抗放電；運(yùn)用“虛地”概念；運(yùn)用“放大”概念。61§3.2.3Q/V調(diào)理——放大器妙用e0QCVCf電荷放大器的輸出電壓僅與電荷量及回饋電容量有關(guān)，與電纜分佈電容無(wú)關(guān)。62§3.2.4信號(hào)調(diào)理小結(jié)電流式感測(cè)器的調(diào)理流過(guò)電阻產(chǎn)生電壓；運(yùn)用運(yùn)算放大器獲得線性特性。非電壓型物理量必須調(diào)理成電壓型物理量。電荷型感測(cè)器的調(diào)理電容器收集電荷；電荷通過(guò)電阻放電，在電阻兩端測(cè)量電壓；利用運(yùn)算放大器的特性，直接獲得電壓。電阻式感測(cè)器的調(diào)理恒流源流過(guò)電阻產(chǎn)生電壓；運(yùn)用電橋電路的橋臂失衡獲得電壓。63§3.3信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算§3.3.1積分和微分§3.3.2相加和相減§3.3.3對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)§3.3.4對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換電路的應(yīng)用§3.3.5小結(jié)64§3.3.1 積分和微分積分微分CReieoRCeieo65§3.3.2 相加和相減相加相減ei1eoRRRRRei3ei4ei2ei1eoRRRei2R66§3.3.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)ReieoeoeiR電晶體共基極電流放大倍數(shù)三極管基極-射電極間的反向飽和電流電子電荷67§3.3.4 對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)變換電路的應(yīng)用反對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)乘法乘方除法68§3.3.5信號(hào)數(shù)學(xué)運(yùn)算小結(jié)電阻、電容、半導(dǎo)體器件等電子元件，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件；運(yùn)算放大器的特性為實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算提供了方便的技術(shù)基礎(chǔ)；信號(hào)的數(shù)學(xué)運(yùn)算均可通過(guò)基本器件和運(yùn)算放大器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。69§3.4本章小結(jié)雖然電傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換為電物理量，但仍然需要將非電壓型物理量調(diào)理成電壓型物理量；電阻、電容、運(yùn)算放大器既是基本的調(diào)理器件，又是信號(hào)數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本器件?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)70第四章 信號(hào)的傳輸程曉舫中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)71§4信號(hào)的傳輸§4.1概述§4.2信號(hào)的傳輸§4.3干擾§4.4本章小結(jié)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)72§4.1概述怎樣傳輸電信號(hào)？流動(dòng)：通過(guò)信號(hào)自身的運(yùn)動(dòng)，從一處到達(dá)另一處波動(dòng)：通過(guò)第三方不斷接替，使信號(hào)從一處到達(dá)另一處哪些電信號(hào)能夠被傳輸能量型信號(hào)：電壓、電流、電荷參數(shù)型信號(hào)：電阻、電容、電感現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)73§4.1概述電信號(hào)傳輸介質(zhì)流動(dòng)：有線式傳輸電纜：可用來(lái)傳輸電荷/電流光纜：可用來(lái)傳輸光波動(dòng)：無(wú)線式傳輸空間：電磁波電信號(hào)傳輸形式模擬式：直接傳輸。數(shù)字式：對(duì)信號(hào)首先編碼，然後傳輸?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)74§4.2信號(hào)的傳輸§4.2.1傳輸介質(zhì)§4.2.2有線傳輸§4.2.3無(wú)線傳輸§4.2.4小結(jié)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)75§4.2.1傳輸介質(zhì)電纜電阻值：0.033歐姆/米；電容值：30pF/米工作頻帶窄、傳輸速率低、保密性能差光纜工作頻帶寬、傳輸速率高、保密性能好空間工作頻帶受限、傳輸距離大、保密性能差現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)76§4.2.2有線傳輸電纜因傳輸引起的信號(hào)失真分析模型相對(duì)失真評(píng)價(jià)eoeirlcrrccll現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)77§4.2.2有線傳輸電纜改善傳輸線路電阻變化引起的信號(hào)失真技術(shù)1：電路環(huán)路傳輸法改善機(jī)制1374-20mA電流轉(zhuǎn)換電路80V傳輸系統(tǒng)用電源數(shù)字式電流錶熱電偶中央控制室4-20mA的電流環(huán)路改善技術(shù)：提高測(cè)量端電壓傳感端作電流信號(hào)轉(zhuǎn)換處理現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)78§4.2.2有線傳輸電纜改善傳輸線路電阻變化引起的信號(hào)失真技術(shù)2：數(shù)字信號(hào)傳輸法改善機(jī)制：建立在有/無(wú)脈衝的機(jī)制上。只要能檢測(cè)出脈衝的有/無(wú)，即使脈衝的大小和精確形狀受到傳輸介質(zhì)的嚴(yán)重?fù)p害，也不會(huì)影響到數(shù)字傳輸系統(tǒng)的精度。數(shù)字傳輸例：電報(bào)。優(yōu)點(diǎn)：可搭載傳輸，如電力網(wǎng)、電話網(wǎng)等。放大器A/D轉(zhuǎn)換器控制門(mén)信號(hào)傳輸解碼器編碼器D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸入模擬輸出編碼方式：脈寬頻率現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)79§4.2.2有線傳輸光纜傳輸系統(tǒng)保密評(píng)價(jià)：不是光纖發(fā)生故障而進(jìn)入光纖是十分困難的。抗干擾評(píng)價(jià)：光纖不會(huì)受到來(lái)自諸如閃電或電源開(kāi)關(guān)的電磁干擾的影響。安全評(píng)價(jià)：光纖不會(huì)產(chǎn)生火花。例：光纜可放在天然氣管道中。傳輸距離：幾米至30公里。電/光轉(zhuǎn)換光/電轉(zhuǎn)換光纜傳輸模/數(shù)信號(hào)模/數(shù)信號(hào)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)80§4.2.3無(wú)線傳輸空間調(diào)頻/調(diào)頻（FM/FM）式信號(hào)傳輸系統(tǒng)第一次調(diào)頻轉(zhuǎn)換：電壓/頻率第二次調(diào)頻增頻：低頻/射頻調(diào)製解調(diào)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)81400Hz70kHz560Hz400Hz560Hz70kHz560Hz調(diào)諧400Hz調(diào)諧70kHz調(diào)諧6Hz截止8Hz截止1050Hz截止電抗調(diào)製器調(diào)頻式接收機(jī)射頻振盪器倍頻器求和功放線性混頻器帶通濾波器數(shù)據(jù)機(jī)低通濾波器感測(cè)器副載波振盪器模擬信號(hào)1182……………接收天線發(fā)射天線現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)82電壓/頻率轉(zhuǎn)換

電源公共端輸入電流輸入電壓基準(zhǔn)電壓R2R1R1R3電壓微調(diào)積分器定時(shí)基準(zhǔn)精密電荷分配器脈衝輸出電路電源R1R1原理：積分電容器的充電速度與積分器的輸入信號(hào)成正比，積分器的輸出與一門(mén)限電壓相比，一旦超出門(mén)限，便產(chǎn)生一面積精確已知的脈衝。於是，一固定的電壓便產(chǎn)生與其成正比的一輸出脈衝系列?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)83頻率/電壓轉(zhuǎn)換失調(diào)電壓調(diào)整濾波電容電流放大器自適應(yīng)式濾波器精密電荷分配器比較器頻率輸入?yún)⒖驾斎雲(yún)R流點(diǎn)滿刻度調(diào)整滿刻度微調(diào)輸出原理：頻率電壓從比較器輸入，電容器將交替地由精密參考電壓充電並通過(guò)下一級(jí)放大器的匯流電放電。每一個(gè)充電/放電週期都有固定數(shù)量的電荷受到控制。輸入頻率越高，流入?yún)R流點(diǎn)的平均電流就越大。然後再有電流放大器的回饋電阻完成電流/電壓轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)84調(diào)幅及解調(diào)解調(diào)器調(diào)製器載波振盪器交流放大器低通濾波器低頻模擬信號(hào)載波高頻信號(hào)載波信號(hào)傳輸?shù)皖l模擬信號(hào)解調(diào)高頻信號(hào)同步解調(diào)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)85§4.2.4小結(jié)傳輸?shù)膶?shí)質(zhì)是移動(dòng)、本質(zhì)是能量流動(dòng)：電流；波動(dòng)：頻率電信號(hào)傳輸模擬式：有損耗，影響信號(hào)精度；數(shù)字式：有損耗，但不影響信號(hào)精度。傳輸介質(zhì)與電磁有關(guān)的介質(zhì)：電纜、空間與電磁無(wú)關(guān)的介質(zhì)：光纜傳輸調(diào)理數(shù)字調(diào)理；頻率調(diào)理；電光調(diào)理?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)86§4.3干擾§4.3.1概述§4.3.2干擾的產(chǎn)生和耦合的一般形式§4.3.3傳導(dǎo)干擾的耦合和抑制§4.3.4共阻抗干擾的耦合和抑制§4.3.5電場(chǎng)干擾的耦合和抑制§4.3.6電感干擾的耦合和抑制§4.3.7小結(jié)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)87§4.3.1概述干擾形成的三要素干擾源自然干擾：宇宙、大氣放電、大氣熱輻射、靜電放電電器設(shè)備干擾：放電、電路開(kāi)關(guān)、脈衝振盪、整流、電路缺陷耦合通道傳導(dǎo)：經(jīng)導(dǎo)線直接耦合到電路中——熱電偶共阻抗：兩個(gè)電路擁有公共阻抗時(shí)電場(chǎng)：電壓形式的干擾波，經(jīng)由電場(chǎng)耦合到電路中互感：電流形式的干擾波，經(jīng)由磁場(chǎng)耦合到電路中被干擾電路現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)88§4.3.2干擾的產(chǎn)生和耦合的一般形式自然干擾宇宙干擾頻率：幾十兆到一、二百兆赫茲電平：1/10微伏大氣放電頻率：幾千赫茲以上，準(zhǔn)脈衝型電平：破壞力極大大氣熱輻射頻率：幾十兆赫茲以內(nèi)電平：1/100伏-100微伏的數(shù)量級(jí)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)89§4.3.2干擾的產(chǎn)生和耦合的一般形式電器設(shè)備干擾放電干擾電暈放電：15kHz-400MHz，主要對(duì)低頻產(chǎn)生影響輝光（氣體）放電：超高頻，幾十微伏到幾十毫伏弧光（金屬霧）放電：0.15-150MHz，100-1000微伏火花放電：0.15-150MHz，幾百-幾千微伏電器開(kāi)關(guān)通斷干擾電流上升時(shí)間*傳輸波形的通頻帶寬=0.5-1.0干擾電平隨頻率降低而減少工頻干擾射頻干擾現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)90§4.3.2干擾的產(chǎn)生和耦合的一般形式耦合的一般形式干擾耦合通過(guò)公共阻抗，由回路1耦合到回路2。干擾抑制降低公共阻抗增加回路1或回路2的阻抗Z12Z1Z2V1V2I2I1現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)91§4.3.3傳導(dǎo)干擾的耦合和抑制傳導(dǎo)干擾抑制干擾去偶防止導(dǎo)線拾取干擾使導(dǎo)線遠(yuǎn)離干擾電源線去偶濾波去偶傳導(dǎo)干擾耦合電路V1例：導(dǎo)線耦合電源線耦合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)92§4.3.4共阻抗干擾的耦合和抑制共阻抗耦合共阻抗干擾抑制減小共阻抗電阻型阻抗電阻率小的導(dǎo)線減小導(dǎo)線長(zhǎng)度增加導(dǎo)線截面積電感型阻抗直線增大磁阻電容型阻抗減小面積增大距離vszzcis現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)93電路2電路1公共地線電阻地線電流1地線電流2電路1對(duì)地電壓電路2對(duì)地電壓地電流流經(jīng)公共地線阻抗的耦合共阻抗干擾——接地線接地線公共阻抗耦合機(jī)制地線電流1和2流經(jīng)地線公共阻抗，電路1的地電位被電路2流經(jīng)公共地線阻抗的電流所調(diào)製。抑制接地線公共阻抗儘量縮短並加粗地線，以降低公共地線阻抗?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)94電源內(nèi)阻公共線路阻抗電源內(nèi)阻及公共線路形成的耦合電路1電路2共阻抗干擾——電源內(nèi)阻電源輸出阻抗耦合機(jī)制電路1的電源電流的任何變化都會(huì)電路2的電源電壓。抑制電源輸出阻抗將電路2的電源引線靠近電源輸出端。採(cǎi)用穩(wěn)壓源降低電源內(nèi)阻。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)95ACBZoZoZoZLZLVsZLVLZcViVib輸出電路的串?dāng)_共阻抗干擾——電路串?dāng)_輸出電路串?dāng)_抑制串?dāng)_減小輸出電路共阻抗增加輸出阻抗和負(fù)載阻抗：B上的干擾電壓：A上的干擾電壓：輸出電路共阻抗：輸出阻抗：負(fù)載阻抗現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)96§4.3.5電場(chǎng)干擾的耦合和抑制電場(chǎng)耦合耦合機(jī)制電路g由Vg形成的電場(chǎng)通過(guò)電容Cj耦合到阻抗Zs上。電場(chǎng)耦合抑制抑制耦合電容減小輸入阻抗VgSgCjZsVs電場(chǎng)耦合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)97§4.3.6電感干擾的耦合和抑制電感耦合載流導(dǎo)線載流線圈耦合機(jī)制磁場(chǎng)穿過(guò)回路產(chǎn)生感應(yīng)電壓磁場(chǎng)與磁場(chǎng)互感產(chǎn)生耦合電壓抑制互感干擾電路遠(yuǎn)離干擾線絞合減少接收回路面積減小角度

igMV磁場(chǎng)穿過(guò)閉合回路互感耦合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)98§4.3.7小結(jié)干擾有自然干擾和電器設(shè)備干擾，干擾頻率和電平有不同的跨度干擾耦合發(fā)生在公共阻抗的存在上抑制干擾的方式有電器元件本身的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)離干擾現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)99自身設(shè)計(jì)各級(jí)電路的連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，高頻電路尤應(yīng)注意。高頻電路應(yīng)儘量避免平行排列導(dǎo)線。儘量避免使各級(jí)電路交叉排列佈置。儘量使各級(jí)電路自成回路。各級(jí)電路採(cǎi)用一點(diǎn)接地或就近接地，大電流用地線和小電流用地線應(yīng)分別設(shè)置。工作頻率相同的電路應(yīng)相隔遠(yuǎn)些。產(chǎn)生電磁場(chǎng)的元件，在佈置時(shí)應(yīng)相互垂直、遠(yuǎn)離或加以遮罩。處?kù)稄?qiáng)磁場(chǎng)中的地線不應(yīng)成閉合回路。電源供電線應(yīng)靠近地線並平行排列佈置，以增大電源濾波效果。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)100§4.4本章小結(jié)能量型信號(hào)才能夠被傳輸信號(hào)傳輸前的處理有：模擬和數(shù)字傳輸?shù)姆绞接校毫鲃?dòng)和波動(dòng)傳輸?shù)慕橘|(zhì)：有線和無(wú)線傳輸?shù)恼{(diào)理：數(shù)字、頻率、光電干擾無(wú)所不在，通過(guò)公共阻抗耦合抑制干擾：元件設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)離干擾現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)101第五章信號(hào)的指示和記錄程曉舫中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院熱科學(xué)和能源工程系現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)102第五章信號(hào)的指示和記錄§5.1 概述§5.2 電壓表和電位差計(jì)§5.3 電氣機(jī)械伺服式記錄儀§5.4 光學(xué)示波與記錄§5.5 陰極射線式示波與記錄§5.6 光門(mén)/熱敏/靜電陣列記錄器§5.7 數(shù)字式示波與記錄§5.8 磁性介質(zhì)記錄/複製器§5.9 匯流排§5.10 本章小結(jié)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)103§5.1 概述被記錄的信號(hào)性質(zhì)：電壓型物理量顯示/記錄本質(zhì)：必須“眼有所見(jiàn)、耳有所聞”顯示/記錄介質(zhì)光線型（眼有所見(jiàn)型）自發(fā)光：射線（示波）反射光：痕跡記錄（筆、光敏、熱敏、靜電）位移型（眼有所見(jiàn)型）指示表語(yǔ)言型（耳有所聞型）？物理量轉(zhuǎn)換電/光轉(zhuǎn)換、電/力轉(zhuǎn)換、電/熱轉(zhuǎn)換、電/聲轉(zhuǎn)換現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)104採(cǎi)樣定理為了能從採(cǎi)樣輸出中恢復(fù)輸入信號(hào)，必須用比輸入信號(hào)週期的1/2還要短的週期採(cǎi)樣，這就是採(cǎi)樣定理。當(dāng)決定採(cǎi)樣週期後，不能滿足採(cǎi)樣定理的輸入信號(hào)中的高頻成分必須用低通濾波器濾除。現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)105§5.2 電壓表和電位差計(jì)電/力轉(zhuǎn)換器——D’Arsonval表頭電動(dòng)機(jī)原理力平衡原理現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)106§5.2 電壓表和電位差計(jì)電位差計(jì)乾電池滑線電阻絲檢流計(jì)被測(cè)電壓尺規(guī)emesl基本型電位差計(jì)乾電池檢流計(jì)em實(shí)用型電位差計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電池測(cè)量校準(zhǔn)手動(dòng)平衡式電位差計(jì)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)107§5.2 電壓表和電位差計(jì)數(shù)字電壓表

高端

低端

精密參考電壓A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字顯示

交流變換器

交流衰減器

直流衰減器

電阻變換器

分流器BCD輸出IEEE-488介面交流

交流

直流

直流

電阻

電阻

電流

輸入

數(shù)字式萬(wàn)用