汽車試驗學(xué) 第2版 課件 第二章 機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)

1第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)（汽車試驗的基本理論）模塊化與電測法P9整套測試系統(tǒng)是由若干既相互聯(lián)系、又相對獨立的環(huán)節(jié)（可稱之為“子系統(tǒng)”）組成，這就是模塊化。Modularization現(xiàn)代的專業(yè)測試技術(shù)，普遍是先將被測非電量轉(zhuǎn)換為某種電信號，再進行后續(xù)的傳輸、處理和記錄顯示等，這就是電測法。Electrical

measuring第一節(jié)測試系統(tǒng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換特性將整套測試裝置看做一個系統(tǒng)，其功能就是將輸入x轉(zhuǎn)換為輸出y。

“測試系統(tǒng)”的范疇：僅指針對被測信號的感知、傳輸處理和記錄分析等流程所使用的裝置。P9

本節(jié)重點從數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的角度研究測試系統(tǒng)的特性，不詳細(xì)介紹測試元件的物理構(gòu)型與原理。P13數(shù)學(xué)特性為物理元件提供設(shè)計指導(dǎo)和評價準(zhǔn)則第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)2一、測試系統(tǒng)的組成其主干包括P10：傳感器

信號調(diào)節(jié)器

記錄器（顯示）另有定度及校準(zhǔn)裝置。傳感器sensor：將被測物理量（通常是非電量）轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。P10信號調(diào)節(jié)器（中間變換）adjustment的作用：對來自傳感器的信號，經(jīng)過中間處理后，才能成為合適的電信號，供記錄或顯示。

P10為使測試系統(tǒng)正常工作，還需有定度和校準(zhǔn)設(shè)備calibration&correction……2第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)3一、測試系統(tǒng)的組成其主干包括P10：傳感器

信號調(diào)節(jié)器

記錄器（顯示）另有定度及校準(zhǔn)裝置。2第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)定度：確定測試裝置的輸出—輸入定量關(guān)系。亦稱標(biāo)定。校準(zhǔn)：在同一輸入信號的作用下，用該工作裝置與更高精度等級的標(biāo)準(zhǔn)裝置的輸出信號進行比較，找出工作裝置的誤差，進行修正。4二、對測試系統(tǒng)的基本要求（理想化）1.具有單值、確定的輸出—輸入關(guān)系：即“一一映射”（亦稱“單調(diào)性”

）否則，同一個輸入會引起不同的輸出、或者同一個輸出對應(yīng)不同的輸入，系統(tǒng)將無法工作。2.具有單向性

簡言之，測試系統(tǒng)不影響被測系統(tǒng)。就是說不能因為安置了測試系統(tǒng)而影響被測系統(tǒng)原來的工作狀況。

3.滿足線性度即系統(tǒng)的輸出—輸入關(guān)系成線性。由于很多測試裝置的物理背景就是非線性的，所以需要設(shè)法優(yōu)化硬件裝置，或在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中將非線性數(shù)據(jù)修正成線性的。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)5三、系統(tǒng)的基本思想

系統(tǒng)，可理解為“將輸入x轉(zhuǎn)換成輸出y的裝置”。將其功能視作一個函數(shù)：在輸入、系統(tǒng)和輸出三者中，已知兩個，就可以求另一個：已知系統(tǒng)特性和輸出，求輸入，就是測量。已知輸入和輸出，求系統(tǒng)特性，就是定度（標(biāo)定）。求輸出，稱為輸出信號預(yù)測（可看做某種仿真）。（三者不可能都已知，否則會出現(xiàn)冗余、即“數(shù)據(jù)干涉”。）系統(tǒng)特性=輸出與輸入的關(guān)系。聯(lián)系：汽車?yán)碚撈巾樞缘难芯?，有的原理。此處，研究的目的是確定__？系統(tǒng)特性指的是__？第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)對于試驗來說，為了“由輸出推測輸入”，必須研究系統(tǒng)特性。6四、測試系統(tǒng)的靜態(tài)特性

“靜態(tài)”，輸入和/或辨析P13輸出不隨時間變化。

（靜態(tài)/動態(tài)，不同于穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)。static≠steady）由此可知，靜態(tài)特性的表達和描述中，不會出現(xiàn)時間t。我們可以直接研究輸入x和輸出y之間的關(guān)系。P13靜態(tài)基本數(shù)學(xué)模型

其中，x為系統(tǒng)的輸入量、y為輸出量；a0~an為常數(shù)。系統(tǒng)及其特性，就取決于a0~an的數(shù)值。給定一組a0~an，在數(shù)學(xué)上就是確定了一個系統(tǒng)。如果系統(tǒng)是絕對理想的，滿足單值、單向和線性的條件，那么其輸出—輸入關(guān)系式應(yīng)該是一條過原點的直線

。絕對理想的系統(tǒng)是不存在的，系統(tǒng)的實際特性曲線與上述理想直線之間存在著各方面的偏差，就構(gòu)成了系統(tǒng)的靜態(tài)特性。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)71.曲線的截距—零點漂移零點漂移:當(dāng)測試系統(tǒng)的輸入為零時，輸出不為零。顯然，這就是

a0不為零造成的。零點漂移不會造成嚴(yán)重的測量誤差，只是數(shù)據(jù)曲線不通過原點，不大符合人們的認(rèn)知習(xí)慣。其消除也不困難。（如果a0隨時間變動，則需認(rèn)真對待，設(shè)法消除。）2.曲線的斜率—靈敏度靈敏度S是系統(tǒng)的輸出增量Δy與輸入增量Δx之比，也就是輸出—輸入關(guān)系曲線上各點的斜率。靈敏度是很重要的靜態(tài)特性參數(shù)，反映系統(tǒng)將輸入轉(zhuǎn)換成輸出時的“放大能力”。顯然靈敏度就是輸出對輸入的一階導(dǎo)數(shù)，其數(shù)值取決于公式中a0~an等系數(shù)。注意，靈敏度不一定是無量綱的，因為輸出和輸入的物理量可能不同。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)8

一般來說，測試裝置的靈敏度高些為好。但靈敏度過高，往往會引起測量范圍變窄、裝置的穩(wěn)定性下降。對于給定的測試系統(tǒng)，由于系統(tǒng)自身特性的改變或者環(huán)境條件改變等因素的影響，造成公式中a0~an等系數(shù)變化，也即靈敏度的改變，或者叫“靈敏度漂移”。P16第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)93.對細(xì)節(jié)的感知能力—分辨率

分辨率又稱分辨力或靈敏限，指的是測試裝置能將兩個相鄰的獨立細(xì)節(jié)區(qū)分開的最小間隔。換言之，當(dāng)測試系統(tǒng)的輸入（即被測量）變化量由無窮小逐漸增大到該間隔時，其產(chǎn)生的輸出將會被察覺到。例如，對于模擬儀表來說，分辨率就是標(biāo)尺最小刻度值的一半；對于數(shù)字儀表，就是顯示末位的1個單位值。

分辨率與靈敏度有類似之處、但不完全是一個概念。通俗地講，靈敏度指的是一定輸入下，系統(tǒng)的輸出被“放大”了多少倍；而分辨率是說輸入的變動達到一定程度，輸出就會被“感知”到。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)104.曲線與直線的偏差—非線性度非線性度是指測試系統(tǒng)的實際輸出—輸入關(guān)系與理想線性關(guān)系的偏差。如圖所示。圖中實線為定度曲線P17，也就是通過測試得到的系統(tǒng)輸出—輸入關(guān)系實際特性；虛線是根據(jù)實際特性進行擬合得到的理論直線。B是實際曲線與理論直線的最大差值，A是儀器的標(biāo)稱輸出范圍（即滿量程）。定量評價：非線性度=B/A×100%

工作中，實際關(guān)系特性曲線往往以數(shù)據(jù)點的形式給出；理論直線也不是實際特性曲線的簡單首尾相連。4第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)115.曲線上行和下行的差異—回程誤差“單值、確定的輸出—輸入關(guān)系”沒有得到滿足，表現(xiàn)為同一輸入量下，正向輸入（輸入量由小到大，即加載）和反向輸入（輸入量由大到小，即卸載）時，所對應(yīng)的輸出量不同，這就是回程誤差。如圖所示?；爻陶`差

=最大滯后量/全量程×100%

回程誤差的產(chǎn)生，主要來源于①各種滯后的物理效應(yīng)，②儀器設(shè)備存在不工作區(qū)（死區(qū)—輸入變化而輸出幾乎不變的區(qū)間P17改）。

滯后效應(yīng)包括磁性材料的磁化與退磁、彈性材料的變形與恢復(fù)等；

機械運動結(jié)構(gòu)中的摩擦和間隙（自由行程）則是產(chǎn)生不工作區(qū)的主要原因。

摩擦思考題……非線性度不需要討論其產(chǎn)生原因。Hysteresisloop第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)126.信噪比

SNR,signal-to-noiseratio

信噪比，即信號幅值對噪聲幅值之比，通常用分貝值dB等對數(shù)參數(shù)表示P211。這里的“噪聲”，指的是雜亂無章的隨機干擾。

幅值的含義：對于正弦信號，幅值可以取均方根值RMS或者峰值Peakvalue；對于非正弦信號，取信號峰值。相互影響：裝置的靈敏度和分辨率過高，其信噪比往往較低。因此，要權(quán)衡各方面因素，綜合考慮。P18嚴(yán)格來說，“信噪比”應(yīng)該屬于動態(tài)范疇，因為信號有可能是隨時間變化的。但是其定義和分析思路，與下文的頻率響應(yīng)特性有很大不同，故置于此處。綜上所述，從靜態(tài)特性的角度看，良好的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有足夠高和足夠穩(wěn)定的靈敏度、分辨率和信噪比；非線性度和回程誤差則要盡可能地??；零點漂移可設(shè)法消除。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)13五、測試系統(tǒng)的動態(tài)特性

動態(tài)指的是系統(tǒng)的輸入和/或輸出隨時間變化的狀態(tài)。

對于汽車試驗來說，因為被測量（輸入）大多處于變化中，所以研究測試系統(tǒng)的動態(tài)特性更有意義。同時，與靜態(tài)特性相比，動態(tài)特性也更復(fù)雜。辨析與討論：對于靜態(tài)特性，由于輸入x和輸出y之間存在唯一的對應(yīng)關(guān)系，我們可以直接研究y-x的關(guān)系。即：第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)14

而對于動態(tài)特性，由于輸入和輸出都在變化，研究其個體值的對應(yīng)關(guān)系很困難、也沒有意義。例如：

所以，需要研究的是輸入函數(shù)x(t)和輸出函數(shù)y(t)之間的關(guān)系。系統(tǒng)的功能，或者說系統(tǒng)特性，就是如何把函數(shù)x(t)轉(zhuǎn)換成函數(shù)y(t)。換言之，系統(tǒng)的特性，必然體現(xiàn)為y(t)—x(t)的關(guān)系。

類推Mathematicalideas：靜態(tài)特性，研究兩個變量之間的關(guān)系，所以系統(tǒng)的功能是一個代數(shù)函數(shù)；

動態(tài)特性，研究兩個函數(shù)之間的關(guān)系，那么系統(tǒng)的功能就應(yīng)該相當(dāng)于一個微分方程。（聯(lián)系汽理操穩(wěn)性、平順性等）第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)系統(tǒng)處于動態(tài)，x與y個體值的關(guān)系不易確定。151.測試系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型——微分方程系統(tǒng)特性體現(xiàn)為輸出量和輸入量之間的關(guān)系，所以首先要建立系統(tǒng)的輸出—輸入關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

數(shù)學(xué)模型，一般是在對實物原型進行適當(dāng)假設(shè)和簡化的基礎(chǔ)上，根據(jù)物理定律，建立起一個或者一組（微分）方程，將系統(tǒng)的輸入量和輸出量聯(lián)系起來。P16大多數(shù)測試系統(tǒng)都是線性的，而且系統(tǒng)參數(shù)為常數(shù)，所以其數(shù)學(xué)模型是常系數(shù)線性微分方程。（亦稱“時不變線性系統(tǒng)”或“線性定常系統(tǒng)”等）其通式可以寫作：不需常數(shù)項a0~an、b0~bm為常數(shù)。前提：結(jié)構(gòu)參數(shù)。P16第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)162.線性系統(tǒng)的主要性質(zhì)（1）疊加特性

：幾個輸入同時作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于這些輸入單獨作用于系統(tǒng)所引起的輸出之和。疊加特性又稱可加性。這個特性的本質(zhì)就是：一個激勵的存在，并不影響其他激勵引起的響應(yīng)。由此，可以衍生出信號分析中廣泛使用的“分量”的思想。P16（2）比例特性

：某輸入的若干倍作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入單獨作用于系統(tǒng)所引起的輸出的若干倍。（3）微分特性

：某輸入先求微分、然后作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出、再求微分。（4）積分特性

：某輸入先求積分、然后作用于系統(tǒng)所引起的輸出，等于該輸入直接作用于系統(tǒng)所引起的輸出、再求積分。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)（5）頻率保持性

：線性系統(tǒng)，若輸入為某一頻率的正弦信號，則其穩(wěn)態(tài)輸出將保持同一頻率。

（注意：必須是穩(wěn)態(tài)條件下，即輸入和輸出都進入等幅周期振蕩狀態(tài)。）

意義和作用：

由于信號在線性系統(tǒng)中傳輸和變換時，其頻率不會改

變，所以，我們通常以信號的頻率作為其“索引信息”。P17

另外，對于線性測試系統(tǒng)，如果確知輸入的頻率，那么系統(tǒng)的輸出信號中就只有該頻率的成分才有可能是這個輸入引起的，其余頻率的分量都是噪聲干擾，可以采取諸如濾波等技術(shù)手段將其去除。17動態(tài)特性回顧：線性微分方程、線性系統(tǒng)的性質(zhì)……第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)183.傳遞函數(shù)（相對次要）

由數(shù)學(xué)分析可知，對微分方程進行拉普拉斯變換（拉氏變換Laplacetransform），可以建立傳遞函數(shù)H(s)。定義：傳遞函數(shù)

=輸出的拉氏變換/輸入的拉氏變換有：

，

s是一個復(fù)參量回顧：微分方程傳遞函數(shù)僅取決于系統(tǒng)自身的特性，與輸入量無關(guān)。傳遞函數(shù)僅在數(shù)學(xué)的層面上反映系統(tǒng)的動態(tài)特性，與系統(tǒng)的具體物理結(jié)構(gòu)無關(guān)。

P17第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)19可以看出，當(dāng)我們利用頻率響應(yīng)函數(shù)分析系統(tǒng)的動態(tài)特性、而并不需要研究傳遞函數(shù)本身時，可以由微分方程直接導(dǎo)出頻響函數(shù)。4.頻率響應(yīng)函數(shù)（頻率響應(yīng)特性）Frequencyresponsefunction

非常重要（1）頻率響應(yīng)函數(shù)的數(shù)學(xué)定義當(dāng)系統(tǒng)的輸入為簡諧輸入時，可以取

。則傳遞函數(shù)

就變成頻率響應(yīng)函數(shù)

，簡稱頻響函數(shù)或頻響。建議復(fù)習(xí)汽理的定義聯(lián)系P18“復(fù)振幅”第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)20（2）頻率響應(yīng)特性的基本思想（頻率響應(yīng)函數(shù)的工程解釋）對于一個線性系統(tǒng)，令其輸入為任意正弦信號

那么根據(jù)頻率保持性，達到穩(wěn)態(tài)時其輸出的頻率將保持不變，輸出量與輸入量的差異在于幅值和相位。于是可以將穩(wěn)態(tài)輸出寫作：可見，系統(tǒng)的特性（轉(zhuǎn)換關(guān)系）就表現(xiàn)為將X0轉(zhuǎn)換為Y0、

φ1轉(zhuǎn)換為φ2。于是定義頻率響應(yīng)函數(shù)：系統(tǒng)的輸出諧量與輸入諧量之比P21

復(fù)振幅P18：包含幅值與相位信息頻響函數(shù)是復(fù)數(shù)，存在模和相角……第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)21經(jīng)過詳細(xì)數(shù)學(xué)推證，我們定義：幅頻函數(shù)（幅頻特性）:頻率響應(yīng)函數(shù)的模，又稱幅值比，為輸出幅值與輸入幅值之比。即相頻函數(shù)（相頻特性）:頻率響應(yīng)函數(shù)的相角，為輸出向量與輸入向量的相位之差。即系統(tǒng)特性就是輸出—輸入關(guān)系。對于穩(wěn)態(tài)正弦信號，就體現(xiàn)為幅值比和相位差，也就是幅頻特性和相頻特性。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)22由上述分析和討論可知，求解系統(tǒng)動態(tài)特性的思路如下：確定系統(tǒng)的物理模型，進行數(shù)學(xué)抽象，生成微分方程；由微分方程可以確定傳遞函數(shù)、進而寫出頻率響應(yīng)函數(shù)，或者由微分方程直接寫出頻響函數(shù)；求頻響函數(shù)的模，就是幅頻特性；求頻響函數(shù)的相角，就是相頻特性。線性系統(tǒng)的動態(tài)特性就體現(xiàn)為幅頻特性

和相頻特性。（不同研究內(nèi)容和目的，對幅頻特性和相頻特性的重視程度可能不同。

聯(lián)系汽理，操穩(wěn)性和平順性……）下面，我們研究一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性……第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)23（3）一階系統(tǒng)

如果系統(tǒng)的微分方程中求導(dǎo)的最高階數(shù)是一階，就稱該系統(tǒng)為一階系統(tǒng)。

結(jié)合教材推證P20、18、19；重點結(jié)論如下系統(tǒng)特征參數(shù)：靈敏度和時間常數(shù)；幅頻函數(shù)、相頻函數(shù)及其曲線；時間常數(shù)對幅頻特性和相頻特性的影響P20一階系統(tǒng)的實例，有忽略質(zhì)量的彈簧阻尼系統(tǒng)和忽略電感的簡單RC電路等。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)感性推測：為了測試效果“好”，對時間常數(shù)的要求是____？返回不失真24（4）二階系統(tǒng)

無論是測試系統(tǒng)還是其他應(yīng)用的工作系統(tǒng)，以二階系統(tǒng)最為常見。

重點結(jié)論：P20、21（過程相對次要）系統(tǒng)特征參數(shù)：靈敏度（常令為1）、固有頻率和阻尼比；幅頻特性、相頻特性及其曲線，共振的概念；阻尼比和固有頻率對幅頻、相頻特性的影響。二階系統(tǒng)的實例，有彈簧阻尼質(zhì)量系統(tǒng)和簡單LRC電路等。思考：為什么和汽車?yán)碚摗捌巾樞浴钡玫降那€不完全一樣？（下頁）第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)返回不失真253.幅頻特性曲線的討論3）高頻段

懸架對輸入位移起衰減作用，阻尼比ζ減小對減振有利。與ζ無關(guān)第三節(jié)汽車振動系統(tǒng)的簡化，單質(zhì)量系統(tǒng)的振動0.1110頻率比λ=ω/ω010lg|z/q|-101-1lgλ0.11|z/q|10-2:1-1:1單質(zhì)量系統(tǒng)位移輸入與位移輸出的幅頻特性用于評價？不太重要可見，本課程所講述的頻率響應(yīng)特性，其具體表達未必具有普遍性。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)265.不失真測量的條件對任何測試系統(tǒng)，我們總是希望其頻響特性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快和時間滯后小。然而，全面滿足這些要求是困難的、有些甚至是矛盾的。那么對于動態(tài)測試來說，首先要實現(xiàn)不失真測量。不失真測量：輸出與輸入波形精確地相似，幅值和相位允許有差異。如圖所示。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)27由數(shù)學(xué)分析可知，對于線性系統(tǒng)，要實現(xiàn)不失真測量，必須同時滿足兩個條件：幅頻特性為常數(shù)、相頻特性成線性。一階系統(tǒng)不失真測量的條件就是時間常數(shù)τ越小越好。二階系統(tǒng)不失真測量的要求有如下三點：1.阻尼比ζ≈0.7（一般認(rèn)為取0.6~0.8之間比較合適）；2.頻率比或者固有頻率足夠高；3.固有頻率也不能太高，否則影響靈敏度。P23第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)28

P24在本節(jié)分析中，認(rèn)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性取決于系統(tǒng)參數(shù)，即a0~an、b0~bm等參數(shù)。這種思路適用于系統(tǒng)的原理分析、設(shè)計和選擇等工作。

但是，如果該系統(tǒng)是測試研究的對象，工作目的是確定某個給定系統(tǒng)的特性，那么上述參數(shù)很可能是不知道的。此時，就需要采用試驗的方法，利用輸出和輸入的關(guān)系來求解系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)?？梢詤⒖吹诹吕霉β首V密度函數(shù)求解系統(tǒng)頻響特性的有關(guān)內(nèi)容。拓展思考：關(guān)于懸架系統(tǒng)阻尼比的計算，有兩個公式：

和。請結(jié)合上文討論，分析各自的思想和應(yīng)用范圍。（參見《汽車?yán)碚摗稰277、217。）第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)29本節(jié)內(nèi)容較多，小結(jié)如下：測試系統(tǒng)的基本組成包括傳感器、信號調(diào)節(jié)器和記錄與顯示裝置三個主干環(huán)節(jié)，以及定度和校準(zhǔn)等輔助裝置。理想的測試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值確定的輸出—輸入關(guān)系，并具有單向性。最好是線性的。為了進行試驗（測量），必須研究測試系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。系統(tǒng)的靜態(tài)特性包括零點漂移、靈敏度、分辨率、非線性度、回程誤差和信噪比等。動態(tài)特性（主要）指的就是頻率響應(yīng)特性，具體來說由幅頻特性和相頻特性構(gòu)成。已知系統(tǒng)參數(shù)，就可以寫出微分方程、傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻函數(shù)和相頻函數(shù)。良好的、不失真的測量系統(tǒng)，要求幅頻特性為常數(shù)、相頻特性成線性。對于一階系統(tǒng)而言，就是要求時間常數(shù)盡量?。粚τ诙A系統(tǒng)而言，就是要求有適中的阻尼比和足夠高（但不能過高）的固有頻率。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)30第二節(jié)傳感器傳感器是將被測物理量（通常是非電量）轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，也稱為感應(yīng)器或變送器。

在實際工作中，同一物理量可以采用多種傳感器來測量；同一類型的傳感器也可以用來測量多種物理量。

傳感器的基本構(gòu)造可以分為兩部分：敏感元件和輔助元件。敏感元件是傳感器的核心，直接負(fù)責(zé)將被測非電量轉(zhuǎn)換為輸出的電信號；其它輔助元件則為敏感元件提供必要的機械聯(lián)接、支承與定位、防護以及信號傳送等。根據(jù)輸出電信號的性質(zhì)，傳感器可以分為兩類：發(fā)電式和參量式。發(fā)電式傳感器輸出的是電動勢，包括電壓、電流和電荷等，不需要外電源；參量式傳感器的輸出是各種電參量，包括電阻、電容和電感等，需要外電源。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)31一、電阻式傳感器凡是能將被測非電量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器，都可稱為電阻式傳感器。電阻式傳感器產(chǎn)生的電阻變化需要經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電動勢，才能進行進一步的傳輸、處理和記錄。電阻式傳感器可以測量力、力矩（包括彎矩和扭矩）、壓強、線應(yīng)變（不能測量剪應(yīng)變）、加速度、位移、溫度等非電量，應(yīng)用范圍很廣。電阻式傳感器根據(jù)產(chǎn)生電阻變化的機理不同，又可分為電阻應(yīng)變片式傳感器和滑變電阻式傳感器。前者更常見、更經(jīng)典。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)321.電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片Resistancestraingauge，簡稱應(yīng)變片，是一種將試件的線應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化率的傳感裝置。

事實上，任何物理量，只要能設(shè)法轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，都可以由應(yīng)變片來測量。而且應(yīng)變片還具有尺寸小、重量輕、使用方便、響應(yīng)速度快、對被測系統(tǒng)影響小以及環(huán)境適應(yīng)性較強等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于力、力矩、壓強、溫度及加速度等的測量。簡介：電阻應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變片的種類、特性、粘貼工藝、應(yīng)變片式傳感器等……P26~30第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)33將電阻變化率與應(yīng)變之比稱作導(dǎo)線材料的靈敏系數(shù)：

sensitivitycoefficient當(dāng)試件在一維應(yīng)力作用下，應(yīng)變片主軸線與主應(yīng)力方向一致時，應(yīng)變片的電阻變化率與試件主應(yīng)變的比值，稱為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)：二者的準(zhǔn)確含義是不同的。由于存在橫向效應(yīng)和膠層傳遞應(yīng)變失真等因素，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)小于導(dǎo)線材料的靈敏系數(shù)。K的具體數(shù)值需要做標(biāo)定試驗來確定。P28基本傳遞：應(yīng)變導(dǎo)線材料/應(yīng)變片電阻變化率第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)342.滑變電阻式傳感器即電位計式傳感器第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)典型實例圓柱式測力傳感器（詳細(xì)原理參見電橋部分）35

滑變電阻式傳感器原理簡單、制造容易、輸入—輸出的線性度較好。其主要問題在于，為確保良好接觸，觸點和電阻器之間需要一定的預(yù)接觸壓力，當(dāng)觸點運動時產(chǎn)生一定的摩擦力，有可能影響被測物體原來的運動狀況，特別是對于低輸入能量的運動量。（“低輸入能量”，指的是被測系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)能力較弱，較小的阻力就能影響乃至阻礙其正常運轉(zhuǎn)。）這就是一種“單向性”差的表現(xiàn)。翼片式空氣流量傳感器節(jié)氣門位置傳感器第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)專業(yè)試驗儀器與車上傳感設(shè)備P736P31自閱

上述應(yīng)變片式和滑變電阻式傳感器，主要都是靠機械運動或變形來改變電阻值。

還有一類電阻式傳感器，不依賴運動和變形，而是單純靠溫度變化來改變電阻材料的電阻率，從而改變輸出。例如，用于測量發(fā)動機冷卻水溫和進氣溫度的繞線電阻式溫度傳感器，其傳感核心是高純度的鎳線電阻，其電阻值隨水溫或氣溫的改變而變化。這種傳感器響應(yīng)速度較慢，不能用于追蹤迅速變化的溫度。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)37二、電容式傳感器電容式傳感器是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值變化的一種傳感裝置，屬于參量式傳感器。其基本構(gòu)造就是一個具有可變參數(shù)的電容器。平行板式電容器電容式傳感器的三種類型：變極距、變面積、變介電常數(shù)變極距型電容傳感器最擅長的是測量位移，特別是微小的位移。應(yīng)用實例：聲級計、進氣壓力、不分光氣體分析。電容式傳感器的性能特點、對于極板間距的要求P34差動測量…最常見第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)38

為提高靈敏度及線性度，且消除外界干擾，可以采用差動測量。差動測量定義：是一種應(yīng)用廣泛的測試方法，其基本思想是設(shè)計兩套相同的測量裝置，同一個被測量同時施加于這兩個裝置，但兩者的輸出相反，一個增大、一個減小。將兩個測量裝置的輸出相減，最終得到的輸出就提高了一倍；同時，由于兩個裝置相同、工作環(huán)境也相同，可以在很大程度上抵消外界干擾的影響。

(a+b)-(-a+b)=2a原理與特性：39三、電感式傳感器電感式傳感器，就是將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感的傳感器，屬于參量式傳感器。這類傳感器的結(jié)構(gòu)特征是具有參數(shù)可變的電感繞組（即線圈）。

電感式傳感器本身并不利用電磁感應(yīng)原理工作P39。故單向性好。電感式傳感器分為自感式和互感式兩類。

自感又分為可動鐵芯型（即螺管型）和可動銜鐵型（包括變氣隙型和變截面型）

差動型：第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)自學(xué)，下次課研討40互感式通常制成差動變壓器。電感式傳感器的性能特點優(yōu)點：與電容式傳感器相比，可測較大位移。本身無機械摩擦，單向性好和工作壽命優(yōu)于電位計。靈敏度和分辨率較高。缺點：動作部分的慣量比較大，固有頻率降低，只能測量低頻信號，不適合測量高頻信號。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)研討41四、壓電式傳感器壓電效應(yīng)Piezoelectriceffect：某些材料當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┘訅毫Γɑ蚶Γr，材料不僅發(fā)生機械變形，而且內(nèi)部發(fā)生極化，在兩側(cè)表面出現(xiàn)等量的異號電荷，電荷量與壓力大小成正比。當(dāng)外力去掉后，該材料又重新回到不帶電的狀態(tài)。汽車試驗中，主要用于測振動加速度（不適于制動減速度）。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)42主要問題：傳感器的輸出信號弱、阻抗高。解決方案：配套前置放大器pre-amplifier

。兩片壓電晶體，可以采取串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接。性能對比：P40當(dāng)壓電晶體串聯(lián)series時，適于采用電壓放大式前置放大器。其性能較差（放大器輸出受信號頻率和電路分布電容影響，對導(dǎo)線要求較高），成本較低。當(dāng)壓電晶體并聯(lián)parallel時，適于采用電荷放大式前置放大器。其性能較好（放大器輸出與信號頻率和電路分布電容無關(guān)，測量頻帶寬），成本較高。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)43五、磁電式傳感器電磁感應(yīng)：通過閉合回路面積內(nèi)的磁通量發(fā)生變化時，回路內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小正比于磁通量的變化率。在汽車試驗中，磁電式傳感器主要用于轉(zhuǎn)速的測量。測速發(fā)電機與脈沖轉(zhuǎn)速計“測頻率比測幅值更可靠”P42第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)被測轉(zhuǎn)速由輸出電脈沖的頻率反映，與輸出電量的幅值等無關(guān)。與P41圖2-39原理相同44六、霍爾式傳感器霍爾效應(yīng)Halleffect

P42典型應(yīng)用:施加一個給定的控制電流，通過測量輸出霍爾電壓，來測量所在位置的磁場方向和磁感應(yīng)強度。

其他物理量如位移、電流或者速度，如果能引起這個磁場的變化，那么也可以使用霍爾傳感器來測量。在汽車試驗中，常用于測量轉(zhuǎn)速或角位移?；魻栯妷海夯魻栃?yīng)第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)45觸發(fā)葉輪進入/離開空氣隙傳感器輸出信號霍爾式曲軸轉(zhuǎn)速與位置傳感器通過輸出的脈沖頻率反映被測轉(zhuǎn)速，與磁電式有類似之處。與磁電式相比，霍爾式傳感器：單向性較好P43；輸出電壓幅值與轉(zhuǎn)速無關(guān)P44。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)46七、光電式傳感器光電效應(yīng)photoelectriceffect四種類型P45

一般了解（1）外光電效應(yīng)

又稱光電子發(fā)射效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體光電材料在光照下表面逸出光電子，這是最經(jīng)典、最狹義的光電效應(yīng)。典型器件是光電管和光電倍增管。（2）光伏特效應(yīng)

半導(dǎo)體PN結(jié)在光照下產(chǎn)生電動勢。典型器件是光電池和光敏二極管、三極管。（3）光導(dǎo)效應(yīng)

又稱內(nèi)光電效應(yīng)。高電阻率的半導(dǎo)體在光照下導(dǎo)電載流子增加，電阻率下降。典型器件是光敏電阻、或稱光導(dǎo)管。（4）熱電效應(yīng)

某些陶瓷材料在光照下受熱，表面產(chǎn)生移動電荷（但不逸出）。鋯鈦酸鉛（PZT）等壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，同時也具有這種熱電效應(yīng)。

光電式傳感器體積小、精度和集成度高，在工業(yè)制造和控制領(lǐng)域常用于測量物體的形狀和位置、位移和距離、感光光學(xué)特性，以及非接觸測量高溫物體的溫度等。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)自學(xué)，下次課研討47在汽車試驗中，常用于轉(zhuǎn)速的測量。

投射式

反射式簡要了解自閱

在進行給定路段的車速試驗時，有時采用一種光電管遮蔽的原理測量汽車到達起點或終點的時刻。P46

另外，在機油品質(zhì)的檢測或柴油機煙度的測試等需要判定被測物質(zhì)清潔度的試驗中，也常采用光電式傳感器。P46

一些四輪定位儀，也采用光電式測量原理。

P46第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)研討：聯(lián)想與比較48八、熱電式傳感器主要類型及各自特點、工作范圍P46-48

重點了解：熱電偶汽車試驗使用的傳感器種類繁多、原理各異。有些試驗使用的專用傳感器，沒有包含在本節(jié)的傳感器分類定義中，在第七章和第八章汽車試驗部分會有所介紹。熱電偶thermocouple基本原理：A和B兩極之間的熱電動勢，取決于T和T0兩端之間的溫差。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)49第三節(jié)信號的中間變換、傳輸與記錄

傳感器將被測非電量轉(zhuǎn)換為電信號后，一般還不能直接讀取或記錄，要通過信號調(diào)節(jié)器進行中間變換。

針對不同的傳感器和不同的試驗?zāi)康?，需要進行的中間變換方法很多，所使用的變換裝置（信號調(diào)節(jié)器）可能是通用的、也可能是針對某種測量專用的。這里按大類介紹幾種典型的信號調(diào)節(jié)器。

本節(jié)還要介紹信號的記錄和傳輸問題。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)50一、電橋電橋是將電阻（電容或電感等）電參量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵龅囊环N中間變換電路，一般與應(yīng)變片式傳感器配合使用。由于電阻電橋的電路較簡單，調(diào)節(jié)容易，靈敏度和線性度較理想，而且與之配套的電阻應(yīng)變片式傳感器技術(shù)十分成熟，因此在測試信號的處理變換中得到廣泛應(yīng)用。

電橋按照供橋電壓（激勵電壓）的不同，可分為直流電橋和交流電橋。

按照輸出測量方式的不同，可分為平衡式電橋與非平衡式電橋。

目前應(yīng)用較多的是非平衡式交流電橋。

直流電橋和交流電橋的基本原理完全相同，只是交流電橋的調(diào)節(jié)和測量方式更復(fù)雜一些，下面主要以直流電橋為例介紹電橋的基本理論。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)511.電橋電路與平衡條件電橋輸出電壓（精確值）P48可見，電橋平衡條件就是：一般的電橋在初始狀態(tài)下，四個橋臂阻值都相等，即：平衡條件自然滿足。式中，R1~R4指的是某個橋臂的電阻值，未必是一個電阻元件。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)522.電橋輸出電壓與加減特性現(xiàn)在令每個橋臂的電阻值都發(fā)生變化：同時假定各橋臂電阻變化量ΔR遠小于原始電阻R0，則電橋輸出電壓（近似）為：或因此，可以將電橋輸出電壓公式總結(jié)為電橋加減特性：電橋可以把各橋臂電阻變化所引起的輸出電壓自動加減而后輸出。P50電橋加減特性概括為：對臂相加、鄰臂相減。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)533.電橋的不同接法與靈敏度被測載荷→彈性體→線應(yīng)變→應(yīng)變片→電阻變化率→電橋→輸出電壓

靈敏系數(shù)K

靈敏度S單臂電橋Wheatstone

bridg雙臂電橋KelvinBridge全橋Fullbridge電橋靈敏度就是輸出電壓與電阻變化率之比，即：掌握（1+μ）問題自閱P51第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)544.電橋加減特性的應(yīng)用（1）消除溫度變化的影響—將溫度相同的應(yīng)變片接為鄰臂包括補償片法和工作片自行消除。（2）放大輸出，提高靈敏度利用“對臂相加”：將兩個感受同號應(yīng)變的應(yīng)變片，接在電橋的對臂；利用“鄰臂相減”：將兩個感受異號應(yīng)變的應(yīng)變片，接在電橋的鄰臂。（3）消除無關(guān)載荷的影響利用“對臂相加”：將感受異號干擾的應(yīng)變片，接在電橋的對臂；利用“鄰臂相減”：將感受同號應(yīng)變的應(yīng)變片，接在電橋的鄰臂。第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)55現(xiàn)舉一例P52：一根轉(zhuǎn)動的圓軸，同時受到彎矩和扭矩，要求測量扭矩、也就是要消除彎矩的影響，同時還要盡量放大輸出。應(yīng)如何貼片和接橋？掌握不等臂電橋的特性

自閱P53掌握具體解釋P53第二章機械量的電測量技術(shù)基礎(chǔ)56課程作業(yè)一1.針對P29圖2-17的圓柱式力傳感器：1）解釋其貼片和接橋的道理。（也就是如何消除溫度變化的影響、如何測量并盡量放大拉/壓力。）2）該電橋的靈敏度是多大？3）為什么在同一橋臂上串接兩個電阻？（也就是說，相對于只接一個應(yīng)變片，有何好處？提示：測量拉壓力時，可能存在彎矩，這是需要消除的干擾。）2.在扭矩的測量