1、MEASUREMENTINFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING,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,04:30,课件资料下载：邮箱地址： 密码：注意下载时不要删除原始文件,04:30,3,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,04:30,4,第四章 信息转换与传输,4
2、-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,04:30,5,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),04:30,6,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,04:30,7,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
3、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,04:30,8,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,04:30,9,振动网络传感器,智能压力网络传感器,智能传感器,04:30,10,GSM/SMS,智能传感器,04:30,11,工程中的传感器,二、工程中的传感器,04:30,12,工程中的传感器,04:30,13,工程中的传感器,04:30,14,1 声压传感器-动圈式,动圈式声压传感器,04:30,15,动圈式传感器,图 动圈式传声器,04:30,16,1 声压传感器-电容式,04:30,17,极距变化型
4、,04:30,18,1 声压传感器-光纤式 P 96,声-光相位调制,04:30,19,2 振动测量传感器-涡流式位移传感器,04:30,20,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,04:30,21,涡流磁场影响高频线圈的等效阻抗Z变化：,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、i，等有关，若只改变而其他系数不变，则可将位移
5、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。,高频反射式涡流传感器原理,04:30,22,涡流式传感器原理,发射线圈1和接收线圈2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1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2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
6、即可测量其厚度。,低频透射式涡流传感器原理,04:30,23,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1m。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,04:30,24,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,04:30,25,涡流式传感器产品,04:30,26,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,04:30,
7、27,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。,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。,3 磁电式传感器,B为磁场感应强度,04:30,28,2 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,v,线圈,N,S,N,S,线圈运动,线圈与磁铁不动，物体运动磁阻变化,04:30,29,动圈式传感器,线速度型,3 磁电式传感器,04:30,30,角速度型,测速电机,3 磁电式传感器,04:30,31,磁阻式传感器,3 磁电式传感器,04:30,32
8、,案例：鼠笼电机转子断细条检测,3 磁电式传感器,04:30,33,3 磁电式传感器结构示意图,04:30,34,3 磁电式传感器幅频特性,04:30,35,3 磁电式传感器幅频特性,04:30,36,压电式传感器,1.变换原理：压电效应,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。,4 压电式传感器,04:30,37,2、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
9、算放大器,04:30,38,4 压电式传感器,04:30,39,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,4 压电式传感器,04:30,40,案例：飞机模态分析,4 压电式传感器案例：飞机模态分析,04:30,41,4 压电式传感器案例：热轧设备诊断,04:30,42,振动传感器选择,传感器标定和选择,04:30,43,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16Hz20KHz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
10、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,04:30,44,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,04:30,45,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,04:30,46,超声波传感器对,超声波检测传感器,04
11、:30,47,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,超声波检测传感器,04:30,48,案例：输油管检测检测机器人,超声波检测传感器,04:30,49,倒车雷达,超声波检测传感器,04:30,50,鱼群探测器,超声波检测传感器,04:30,51,2、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,04:30,52,案例：材料断裂等结构监测,声发射传感器,04:30,53,半导体传感器,半导体传感器,04:30,54,霍尔元件由霍尔片、
12、四根引线和壳体组成，如图示。,半导体传感器,04:30,55,半导体传感器,04:30,56,测转角：,半导体传感器,04:30,57,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,04:30,58,铁磁材料裂纹检测,半导体传感器,04:30,59,叶片和齿轮位置传感器,应用,半导体传感器,04:30,60,案例：汽车速度测量:,半导体传感器,04:30,61,2 磁电阻元件,磁阻效应,半导体传感器,04:30,62,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
13、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,04:30,63,3 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,04:30,64,产品,半导体传感器,04:30,65,案例：转速测量,半导体传感器,04:30,66,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,04:30,67,热敏传感器,04:30,68,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
14、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,04:30,69,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
15、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,04:30,70,2. 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,04:30,71,k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。,热敏传感器,04:30,72,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。,2)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
16、导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,热敏传感器,04:30,73,3)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：,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,04:30,74,热敏传感器,04:30,75,热敏传感器,04:30,76,3 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。,热敏传感器,04:30,77,热敏传感器,04:30,78,热敏传感器,04:30,79
17、,产品,热敏传感器,04:30,80,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、电子体温计等,热敏传感器,04:30,81,气敏电阻传感器,气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,气敏电阻传感器,04:30,82,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏
18、元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,气敏电阻传感器,04:30,83,气敏电阻传感器,04:30,84,气敏电阻传感器,04:30,85,实验室中的传感器,气敏电阻传感器,04:30,86,燃气报警器,烟雾报警器,气敏电阻传感器,04:30,87,酒精传感器,气敏电阻传感器,04:30,88,光电传感器,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。,光敏电阻、光敏二极管和光敏
19、三极管,光电传感器,04:30,89,3. 传感器原理,光电传感器,04:30,90,3. 传感器原理,照相机自动测光光控灯工业控制,光电传感器,04:30,91,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,半导体敏感元件传感器,04:30,92,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,半导体敏感元件传感器,04:30,93,半导体敏感元件传感器,04:30,94,半导体敏感元件传感器,04:30,95,半导体敏感元件传感器,04:30,96,案例：光电鼠标
20、就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,半导体敏感元件传感器,04:30,97,亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。,半导体敏感元件传感器,04:30,98,相机测距反射式光电传感器,半导体敏感元件传感器,04:30,99,半导体敏感元件传感器,04:30,100,光纤传感器,物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。,1）物性型光纤传感器,光纤传感器,04:30,101,光纤流速传感器,光纤传感器,04:30,102,结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电
21、路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,2）结构型光纤传感器,光纤传感器,04:30,103,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,光纤传感器,04:30,104,CCD固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,CCD固态图象传感器,04:30,105,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会
22、感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,CCD固态图象传感器,04:30,106,CCD固态图象传感器,04:30,107,特点:(1) 非接触检测;(2) 响应快;(3) 可靠性高,为修简便;(4) 测量精度高;(5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接(6) 对被测物体需要强光照射;(7) 受被测物体以外的光的影响.应用:(1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,条形码扫描器,CCD固态图象传感器,04:30,108,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,CCD固态图象传感器,04:30,109,其它
23、类型的传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，根据普朗克辐射定律有以下表达式：,其它类型的传感器,04:30,110,应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,其它类型的传感器,04:30,111,生物传感器,生物传感器与其它传感器是检测对象中含生命物质。根据敏感物质不同,生物传感器分酶传感器、微生物传感器、组织传感器、细胞器传感器、免疫传感器等。,生物传感器,04:30,112,2、环境监测,3.医学,应用领域,1、发酵工业(食品),生物传感器,04:30,113,血糖乳酸测定流程,体育上耐力训练,生物传感器
24、,04:30,114,德国研发的环境废水BOD分析仪,生物传感器,04:30,115,手掌型葡萄糖(glucose)分析仪,生物传感器,04:30,116,工厂发酵车间化验员正在分析样品,发酵工厂谷氨酸-葡萄糖分析,生物传感器,04:30,117,三、 传感器的标定 1. 静态标定 直线性 灵敏度 滞后量 重复性 刚度 横向灵敏度 2. 动态标定 频率特性 固有频率 阻尼率四、 传感器选用原则 1. 灵敏度 2. 响应特性 3. 线性 4. 稳定性 5. 精确度 6. 测量方式 7. 其他,传感器的标定和选用原则,04:30,118,三、传感器的标定,零阶系统：如放大镜、测力环；代数方程式描述
25、一阶系统：如热电偶、水银温度计、RC低通滤波器二阶系统：如千分表、电感量头、电阻式压力计、电容式拾音计、压电式(磁电式)加速度计静态标定直线性灵敏度滞后量 重复性刚度横向灵敏度,04:30,119,三、传感器的标定,动态标定：测定传感器的动态特性频率特性 工作频带 谐振频率 固有频率 阻尼率相位特性动态标定方法：正弦、冲击力、白噪声或伪随机白噪声激励冲击力激励 图4-26 P102多维传感器的标定多维传感器的补偿,白噪声的特点: 1.瞬时值服从正态分布；2.功率谱在全频带内是均匀的；3.具有极良好的相关特性。,04:30,120,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测
26、量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。,四、传感器选用原则,04:30,121,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3 线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,四、传感器选用原则,04:30,122,4 稳定性,稳定
27、性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,5 精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,四、传感器选用原则,04:30,123,6 测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,四、传感器选用原则,7 其他,价格、生产厂家、安装方式等。,04:30,124,一、Shannon 信道容量关系式 信道最大的信息传输率称为信道容量,F 为信道带宽 Ps 为输入信号的平均功率Pn 为引入信道的干扰噪声的平均功率,4-2 信息传输,广义信道：传输信息
28、的媒质或途径能流：信息传输需要物质和能量,信道频率特性,04:30,125,4-2 信息传输,N 维高斯信道的信道容量,一维高斯信道的信道容量,一 维随机变量,一 维随机变量,可加性高斯噪声,04:30,126,4-2 信息传输,信道容量Ct与信道带宽F的关系当带宽F较小时，随F增加Ct增加很快P0/N0：信号功率与噪声功率谱密度比值F增大时， Ct趋于极限值,04:30,127,二、信道频率特性与波形失真,4-2 信息传输,一般系统：频率失真、幅值失真、相位失真线性系统：幅值失真、相位失真(频率保持性和叠加性),04:30,128,4-2 信息传输,H()对源信号x(t)的谱X()幅值加权，相位加权,x(t)的谱X() 幅值加权系数不等,()- 非线性关系,04:30,129,4-2 信息传输,信息传输过程中的干扰,
