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第6章光电检测技术《机械工程测试技术(第3版)》教学课件

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机械工程测试技术基础教学PPT

机械工程测试技术基础教学PPT
测量的基础知识
#2022
*
测量的基础知识
基本量和导出量 基本量： 长度、质量、时间、温度、电流、发 光强度、物质的量 导出量：由基本量按一定函数关系来定义的
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测量的基础知识
3、基准与标准
基准：用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。 国家基准、副基准和工作基准 计量标准：用于检定工作计量器具的计量器具 工作计量器具是指用于现场测量而不用检定工作的计量器具。
物质所固有，客观存在或运动状态的特征 非物质，不具有能量，传输依靠物质和能量
*
四、测试技术的内容
测试技术的内容 测量原理：实现测量所依据的物理、化 学、生物等现象及有关定律。 测量方法：分为直接或间接测量、接触 或非接触测量、破坏或非破坏测量 测量系统 数据处理
*
测试过程：首先利用酒精（敏感元件）检测出被测对象温度变化并将其转换成自身体积的变化（热胀冷缩），然后经过等截面的中空玻璃管（中间变换器）再转换成高度的变化（分析处理），最后由外面的刻度线显示出测试结果（显示、记录）并提供给观察者或输入后续的控制系统。
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教材、参考书与课时安排 教材 机械工程测试技术基础(第3版) 熊诗波 黄长艺编著 机械工业出版社 测试技术与信号处理 郭迎福，焦锋，李曼主编 中国矿业大学出版社 课时安排 授课 ：36学时 实验 ：4学时
教材、参考书与课时安排
*
教学目的和要求 测试技术是工科院校机械类各专业本科生一门重要的技术基础课，内容包括传感器、测量电路、测试系统的特性，信号分析与数据处理 。 通过本课程的学习： 掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试系统和测量电路以及信号分析的基本原理和分析方法。为后续课程打好基础。
领域：工业、农业、航天、军事等

机械工程测试技术三PPT学习教案

机械工程测试技术三PPT学习教案

（: 1）由应变片测出的是构件或弹性体上某出的应变，通过换算（或标定
）才能得到应力、力或位移。
标定
（2）应变片是粘贴在弹性元件上才能正常工作的。所以粘贴工艺（胶
、贴前处理、固化处理、防潮等）至关重要。
贴片工
艺
（3）动态测量时，应考虑弹性元件和应变片的动态特性。 动态特性
（4）温度对电阻值的变化影响不容忽略，考虑温度补偿。 温度补偿
式（3-8）可简化为 dR (1 2 )
R
（3-9）
表明电阻相对变化率与应变成正比。比值 Sg称为应变系数或灵敏度
。
dR
Sg
R 1 2 dl
常数
（3-10）
l
制造中 Sg在1.7~3.6之间，几种常用电阻丝材料物理性能见 表3-2 ，一般市场上电阻应变片标准为 60，120，350，600，1000 Ω等
dR E
R dR
Sg
R dl
E
l
（3-11） （3-12）
这一数值比金属丝式大50~70倍，几种常用的半导体材料特性见表3-3
优点： 灵敏度高 缺点：（1）温度稳定性差（2）灵敏度分散度大(由于晶向杂质等因数）
（3）非线性大
小结：（1）金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化。 （2）半导体应变片是利用半导体电阻率变化而引起电阻的变化。
（（（123）））当当当贴贴贴心心心在向向中上下心运运时动动时时，，e，1 ee=11 e><2
→ห้องสมุดไป่ตู้=0 ee22，其输出特性见
b) 图
P
W1
W
W2 x a)
W
P
1
e1 e0=
e1-
W
e2

《机械工程测试技术》(三)-机本06

《机械工程测试技术》(三)-机本06

3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类
常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋
转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空 度,力矩,风速,流速,流量;
声:
磁: 温度: 光：
声压,噪声.
磁通,磁场. 温度,热量,比热. 亮度，色彩
机械工程测试技术 第3章 常用传感器 概述 传感器定义 传感器的构成 常用传感器分类 电阻式传感器 变阻器式 等效电路 应用 电阻应变式 工作原理 应变计参数 测量电桥 应用
•半导体压阻材料的灵敏度比金属应变片大 50～70倍，见表3－3
机械工程测试技术 第3章 常用传感器 概述 传感器定义 传感器的构成 常用传感器分类 电阻式传感器 变阻器式 等效电路 应用 电阻应变式 工作原理 应变计参数 测量电桥 应用
金属应变计
机械工程测试技术 第3章 常用传感器 概述 传感器定义 传感器的构成 常用传感器分类 电阻式传感器 变阻器式 等效电路 应用 电阻应变式 工作原理 应变计参数 测量电桥 应用
易检测、处理 多为电学量
非电量
被测量
传感器 （器件、装置）
输出量
狭义上讲，传感器是把外界输入的非电 信号转换成电信号的装置。
机械工程测试技术 第3章 常用传感器 概述 传感器定义 传感器的构成 常用传感器分类 电阻式传感器 变阻器式 等效电路 应用 电阻应变式 工作原理 应变计参数 测量电桥 应用
2、 应变片的主要参数
(1）几何参数：敏感栅尺寸、基底尺寸， 制。
(2）电阻值：应变计的原始电阻值。
(3）灵敏系数：表示应变计变换性能的 重要参数。
BE120-2FB型，
BE120-2AA型，
箔式电阻，酚醛基底

机械工程测试技术 第3版 第6章 光电检测技术

机械工程测试技术 第3版 第6章 光电检测技术
特点： 发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可达到几十兆赫
6.2 典型光电检测方法及系统应用
（2）相干光源——激光器 按工作物质的不同分为：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等； 按工作方式分为：连续工作激光器、脉冲工作激光器； 按工作波长范围分为：紫外光激光器、可见光激光器、红外激光器等。
可测量的物理量： 转速，形状，信号隔离器，开关量等
光电元件共性特征: (1) 每种光电元件均有其自身的光谱特性（适用波长）； (2) 光学与电学性质受温度影响很大。 (3) 光电元件的电信号可达mA 级。 （4）非接触测量，适应环境能力强。
6.1 光电检测器的工作原理与性能
如：光电管 光电倍增管
如：光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管
如：光电池
2. 光电检测器（光电子元件）的工作原理 （1）光电管的工作原理——外光电效应
球形或圆柱形玻璃壳抽成真空 球面内或圆柱面内涂一层光电材料作为阴极 球心或圆柱中心放置金属丝作为阳极
光照射到阴极光电材料表面 阴极电子逸出表面 形成电子发射 电子被阳极吸引 产生电流
第六章 光电检测技术
√
第六章 光电检测技术
本章内容 光电检测器工作原理及其性能 典型光电检测方法及测量系统 固态图像传感器及其应用 光纤传感器测量技术
6.1 光电检测器的工作原理与性能
6.1 光电检测器的工作原理 基于光电子元件的光电效应。 1. 光电效应 当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，将光信号转换为电信号，从而实现光电转换。
6.1 光电检测器的工作原理与性能
光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”，暗电阻越大越好，一般是兆欧数量级； 光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”，亮电阻越小越好，一般为千欧数量级

机械工程测试技术基础课件第六章

机械工程测试技术基础课件第六章

dz dt
频特性 ( )如下：
图 7 1 单自由度系统在质量块 受力所引起的受迫振动
Байду номын сангаас
k H(ω) 1( ω )2 2 j ξ ω ω ωn n
1
A(ω)
(其中c为粘性阻尼系数，k为 弹性刚度，激 振力f(t)为系 统的输入，振 动位移z为系统 的输出)
1
1(
ω ωn
)2
( 2 ξ
小结：⑴在激振频率远小于固有频率时,输出位移随激振
频率的变化非常小;⑵当激振频率大于固有频率时 输出位移为零,质量块近于静止;⑶当激振频率接近 固有频率时,系统的响应特性取决于系统阻尼,并随 频率的变化而剧烈的变化.
二、由基础运动引起的受迫振动
设基础的绝对位移Z1，质量块m的绝对位移为Z0如图示：
§第二节
单由度系统的受迫振动
一、质量块受力引起的受迫振动 如图所示的单自由度系统，其质量块m在外力 f(t)作用下的运动方程为： f (t) f(t)
m
k
z
c
d2t m 2 dt 求系统频率响应H(ω )和幅频特性A(ω )、相
d 2t dz m c kz f (t ) 2 dt dt
kz c
1 2 D 3 n 1 2 D 2
2 D 2
2 2 D 2
2
表7-1 单自由度振动系统 的频率响应
2
§第三节 振动的激励 激振方式的分类 稳态正弦激振
稳态正弦激振是最普 遍的激振方法，主要 优点：激振功率大、 信噪比高能保证测试 的精确度； 缺点是：测试周期长。
随机激振
随机激振是宽带 激振方法.优点可 以实现快速甚 “实时”测试.缺 点：所需设备复 杂而且价格昂贵。

《光电检测技术》PPT课件

《光电检测技术》PPT课件

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二、光度量
光度量与人眼有关联，所以只与可见光发生联系。
为避免混淆，在辐射度量符号上加下标“e”，而在光度量符号上加下标“v”
1. 视见函数
光视效能
K v e
光谱光视效能
K () v
e
K（λ）值表示在某一波长上，每1W光功率对目视引起刺激的光通量
光视效能与光谱光视效能的关系
、() 、 (都) 是波(长)的函数
分别称为光谱反射率 、光谱吸收率 、光谱透射率
27
2. 朗伯定律和朗伯—比耳定律
（1）朗伯定律 （吸收定律） 只考虑介质的吸收 设有一平行辐射束在均匀（即不考虑散射）的吸收介质内传播距离为dx 路程之后，其辐射功率减少dP ，实验证明，被介质吸收掉的辐射功率的相对 值 dP/P 与通过的路程dx 成正比
1 Myriametre
万 米 = 1 mam = 104 metres
间 1 Kilometre
千 米 = 1 km
= 103 metres
1 Hectometre 百 米 = 1 hm
= 102 metres
1 Decametre
十 米 = 1 dam = 10 metres
1 Metre
米 = 1m
22
2. 互易定理
设有两个面积分别为A1 和 A2 的均匀朗伯辐射面，其辐射亮度分别为L1 和 L2
P12
L1 cos1
cos2
l2
1
2
P21
L2
cos1
cos2
l2
1
2
两朗伯面所接收到的
P12 L1
辐射功率之比

机械工程测试技术基础 第三版 第六章

机械工程测试技术基础 第三版 第六章

图6-2 a 悬臂梁及贴片 b应变片接桥
6
第二节 常用的位移传感器
二、应变片式位移传感器
对于等断面梁，贴片处的应变 与位移 系为
间的关
3 hx ＝ 3 2l
或
2 l3 3 hx
式中 l、h为梁的长度、厚度 X为从自由端到贴片处距离 这种测量方法一般只用于小位移 <250 m的情况下。
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第三节 位移测量的应用
二、物位测量
1、 沉筒式液位变送器
带有差动变压器的沉筒 式液位变送器的沉筒由 固定段1和浮力段2两部 分组成。如图6-14。
图6-14 1 沉筒固定段 2 沉筒浮力段 2 测量弹簧 4 差动变压器 5 衔铁 6 密封隔离筒 7沉筒室壳体
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第三节 位移测量的应用
二、物位测量
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第三节 位移测量的应用
一、 回转轴径向运动误差的测量
双向测量法，如图6-11所示
图6-11 Tx,Ty位移传感器 M1M2测量仪
21
第三节 位移测量的应用
一、 回转轴径向运动误差的测量
单向测量法，如图6-12所示。
图6-12
T位移传感器用
一、 回转轴径向运动误差的测量
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第三节 位移测量的应用
一、回转轴径向运动误差的测量
回转轴运动误差是指在回转过程中回转轴线偏离理想位置而出现 的附加运动。 运动误差是回转轴上任何发生与轴线平行的移动和在垂直于轴线 的平面内的移动。前一种移动称为该点的端面运动误差，后一种 移动称为该点的径向运动误差。
端面运动误差因测量点所在半径位置不同而异，径向运动误 差则因测量点所在的轴向位置不同而异。所以在讨论运动误 差时，应指明测量点的位置。
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9
光电流随入射光强度的 变化而相应变化
光的强度越大，反向电 流也越大
▪ 光敏三极管又称光电三极管 ▪ 有两个PN结，具有电流增益，比光敏二极管灵敏度高。
当光线透过光孔照到发 射极和基极之间的PN 结时，就能获得较大的 集电极电流输出
输出电流的大小随光照 强度的增强而增加
灵敏度与入射光的方向 有关
应保持光源与光敏晶体 管的相对位置不变
14
❖ 1. 非相干光源——发光二极管
原理：PN结上未加电压时构成一 定的势垒
加上正向偏压时，P区的空穴和N 区的电子就向对方扩散运动，构 成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴 的复合
一个电子和一个空穴每一次复合， 将释放出一定能量，该能量会以 热能、光能的形式辐射出来
特点： 发光二极管可利用交流供电或 脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制 频率可达到几十兆赫
▪ 相干光检出被测信息时需要利用光波相干原理。
17
❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用
▪ 定义：将待测光信号直接入射到光电检测器件光敏面上 ▪ 光电检测器件输出的电流或电压与光信号的辐射强度有关 ▪ 特点：不需要稳定的激光频率，光路设计上也不需要精准的
准直 ▪ 简单而又实用的测量方法
18
❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用 ❖ 1. 转速测量
阴极电子逸出金属表面， 形成电子发射
电子被阳极吸引
产生电流
必须在其阴极与阳极之间 加上电势，使阳极的电位
高于阴极
5
▪ 光电倍增管 ▪ 将微弱的光信号转换成可测电信号 ▪ 二次发射得到倍增放大，收集作为信号输出
探测紫外、可见和近红外区，具有极高的灵敏度和极低的噪声
6
▪ 光敏电阻 ▪ 原理：半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小
特点：激光具有很好的单色性、高 亮度、方向性、相干性以及随时间、 空间的可聚焦性
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❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用
❖ 非相干光电检测方法和相干光电检测方法
▪ 无论光源是非相干光源或是相干性好的激光光源，非相干光 电检测方法都是利用光源出射光束的强度携带被测信息
▪ 相干光电检测方法则是利用光波的振幅、频率、相位来携带 被测信息
测速范围可达每分钟 几十万转，对被测轴 无干扰
射光式转速测量系统
56 7
透射光式转速测量系统
43
8 2
1
光电三极管上输出与转速成比例的电脉
冲信号，其脉冲频率正比于转轴的转速
和白色条纹的数目
19
脉冲信号的频率正比于转轴的 转速和多孔圆盘的透光孔数
13
❖ 6.2.1 光源及其特性
▪ 相干光源的波长范围极窄，近单色光源（激光） ▪ 非相干光源是除激光光源以外的其他光源
❖ 1. 非相干光源——发光二极管
▪ 热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）、气体放电光源（汞灯、 脉冲氙灯等）、固体发光光源（发光二极管）
▪ 发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光 的一种半导体光源
10
▪ 光电池 ▪ 光电池有一个大面积的PN结，当光线照射到PN结上时，便在
结两端出现电动势
▪ 这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应
电极引线(-)
半透明金属电极 N型硒化镉
PN结
P型硒
电极引线(+)
光电池在应用中常用作电流源
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❖ 6.1.2 光电检测器性能比较
选择要点
• 与辐射信号源及光学系 统的光谱特性相匹配
一般光敏电阻的光照特 性呈非线性， 光敏电阻常用在开关电 路中作光电信号变换器。
8
▪ 光敏二极管 ▪ 由一个PN结组成的半导体器件，单方向导电特性
原理：入射光照射在内 部PN结管芯，PN结具 有单向导电性，
当无光照时，电路中有 很小的反向饱和漏电流， 此时相当于光敏二极管 截止
当有光照射时，PN结 区域受光子的轰击，反 向饱和漏电流大大增加， 称为光电流
“十三五”国家重点出版物出版规划项目
机械工程测试技术
Measurement Technology in Mechanical Engineering 第3版
授课院校
授课教师
第六章 光电检测技术
❖ 测量精度高、速度快、非接触、频带宽和信息量大 ❖ 在机械工程测试技术中应用非常广泛。
❖ 本章大纲
▪ 介绍光电检测器工作原理及其性能 ▪ 介绍光电检测技术在机械工程中的应用 ▪ 电荷耦合器件工作原理及其在图像检测中应用 ▪ 光纤传感器技术
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❖ 2. 相干光源——激光器
▪ 可按激光工作物质的不同，分为气体激光器、固体激光器、半导 体激光器等；
▪ 按工作方式可分为连续工作激光器和脉冲工作激光器； ▪ 按工作波长范围又可分为紫外光激光器、可见光激光器和红外激
光器等
原理: 泵浦源提供外界能量，激光 工作物质产生光增益，谐振腔提供 光学正反馈，形成激光模式
2
第六章 光电检测技术
❖ 6.1 光电检测器的工作原理
▪ 基于光电子元件的光电效应
▪ 当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时，具有辐射能 量的微粒将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以 附加能量，将光信号转换为电信号，从而实现光电转换。
第六章 光电检测技术
外光电效应
物体内的电子逸出物体 表面向外发射的现象
内光电效应
物质内部电子能量状态 产生变化
光电管、光电倍增管
光电导效应 光生伏特效应
光敏电阻 光敏二极管/三极管
光电池
4
第六章 光电检测技术
❖ 6.1.1 常用光电检测器的工作原理
▪ 光电管
球形或圆柱形玻璃壳抽成真空， 在半球面内或圆柱面内涂一层光 电材料作为阴极，球心或圆柱中 心放置金属丝作为阳极
金属电极
入射光
光敏电阻
Ip
Ub
光敏电阻的两端加上偏置电压后， 产生电流
当入射光的光学参数变化
光敏电阻的阻值变化
相应的电流也会发生变化
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▪ 光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”，暗电阻越大越 好，一般是兆欧数量级；
▪ 光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”，光照越强，亮电 阻就越小，一般为千欧数量级
• 与入射辐射能量相匹配
• 与光信号的调制形式、 信号频率及波形相匹配
• 与输入电路以及后续电 路在电特性上相互匹配
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❖ 6.2 典型光电检测方法及系统应用
光
被
光
光
电 信
存储
光 源
学
测
系
对
统
象
学
电
号
变
转
处
显示
换
换
理
ห้องสมุดไป่ตู้
控制
需要可以产生光信号的光源，才可把被测信号加载于光载波以便测量
简单介绍作为光源的发光器件 根据光电变换中光的调制方式不同，介绍两类光电测量系统及其应用