测试仪器简介
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第2132页（6964字）
(1)基本仪器的分类
在液压试验中要求测试各种元件和系统的静、动态特性；被测量的参数变化多端，需要采用各种行之有效的测试方法。这些都涉及各式各样的测试仪器。常用的基本仪器可分为三类：
A．信号发生器
在试验中主要是作为信号源使用的。液压试验中所涉及的信号发生器，按频率范围来分，主要有两种：音频范围20Hz～20kHz；超低频范围0．001～200Hz。所使用信号的波形有正弦波、方波、三角波和脉冲。
(A)音频信号发生器
频率范围为20Hz～20kHz输出波形为正弦波；一般为电压输出，有的还带有一定的功率输出。在液压试验中的主要用途有：
载波电源 主要用在调制－解调线路中，如作为差动变压器式位移传感器的激磁电源(1000～3000Hz)；供给解调器中的相敏整流器作参考电压等。
颤振信号 为了改善电液伺服系统或伺服阀的品质指标，要求在它们的输入处叠加一定频率、振幅的正弦信号或方波信号作为颤振信号。这是由音频信号发生器提供，一般为200Hz以下的小振幅信号。
(B)超低频信号发生器
频率范围为0．001～200Hz左右。输出波形有正弦波、方波、三角波、锯齿波等。它在液压试验中的主要用途是作为被试电流伺服系统或元件的试验激励信号源。在静态试验中为了获得所要求的特性曲线而采用连续描迹的方法时，要求超低频信号发生器提供频率为0．01～0．02Hz的三角波作为输入信号；在动态试验中测试频率响应特性时，被试对象要求的激励信号为振幅不变而频率按一定规律扫描(线性扫描或对数扫描)的正弦信号。频率范围在0．1～200Hz以内。当进行阶跃响应特性试验时，则要求输入方波信号作为阶跃信号。
(C)伪随机信号发生器
在用现代谱分析法来测试伺服系统或元件的频率特性时，要求输入伪随机信号作为激励信号，分别测出输入和输出信号的互功率谱密度函数及输入信号的自功率谱密度函数，二者的比值即为被试对象的频率特性。这种伪随机信号可由独立的伪随机信号发生器提供，也可由信号处理机中的信号发生器获得。
B．信号调节放大器
在测量系统中它是处于参数传感器与测量、记录、显示仪器之间的。担负着信号的传递、放大、转换等预处理的功能。属于信号调节放大的仪器有：
(A)调制－解调器
主要用于非电量电测中。它一般包含在一些测试仪器中，如伺服放大器、比例阀控制器中。也有独立配置的调制－解调器，如天津电子仪器f生产的BB－3型调制－解调器。
(B)数据放大器
它是一种宽频带放大器，能将微弱的信号在较宽的频率范围内不失真地加以放大。是较为有用的、通用的中间放大器。
(C)动态电阻应变仪
它与应变电阻式传感器及后续的记录、显示仪器相匹配，担负着信号的转换、放大、调制、解调、滤波等功能；保证其输出信号的形式和功率满足后续仪器的要求。
(D)A／D和D／A转换器
由于目前数字式仪器大量应用和计算机进入液压试验领域，而很多传感器和执行器却是模拟量的，所以要求模拟量和数字量信号之间的相互转换，这就是A／D和D／A转换器的任务。
C．测量、记录和显示仪器
它们是测量系统中的最后一个环节，测量的结果由它们以不同的形式反映出来。
(A)测量仪器
由于各种传感器将非电量参数转换成不同的电量，信号经预处理后到达最后环节仍为电量信号，当然就需要各种电量测量仪表与之相配，如电压表、电流表、频率计、相位差计等。
(B)记录、显示仪器
由它们如实地将各参数的变化和测量结果记录和显示出来。例如用函数记录仪可把两参数的函数关系直接画出来；用光线示波器可把信号变化情况拍摄下来或用示波器的屏幕把信号变化显示出来等。
(C)专用的特性分析和测定仪器
这类仪器是属于专门设计，用于某些项目的分析、研究的仪器，如频率特性分析仪，信号分析仪是用来测试系统和元件的频率特性和谱分析等动态特性及模态识别的仪器。容积效率测定仪则是更为专用的仪器了。
(2)基本仪器介绍
鉴于电子学和电工学方面的一些经常使用的通用仪器，在工作中都较熟悉和了解，这里就不介绍了，只着重介绍在液压试验中经常用到而又较为重要的几种测试仪器。
A．函数记录仪(X－Y记录仪)
函数记录仪是一种通用的静态记录仪。在具有某函数关系的两个参数所对应的电压作用下，记录笔可自动描绘出它们之间的函数关系，即y=f(x)。在多笔的函数记录仪中则可同时描绘出对应一个自变量x的几个因变量(y1、y2、y3)的函数关系。在液压试验中，根据各种传感器输出的模拟量信号，如压力、流量、转矩、转速等可连续画出各种静态特性曲线。如液压泵的压力－流量曲线、电液伺服阀的各种静态特性曲线等。配合试验中的自动化措施，函数记录仪可免除人工逐点描迹画曲线，实现连续自动描绘曲线，从而达到了数据可靠、提高试验效率的目的。在自动试验系统中，通过适当的接口装置，它可与数字计算机相连，作为其输出的一种形式。它与频率特性测试仪相连，可自动画出各种动态特性曲线，如奈魁斯特图、波德图和尼科尔斯图等。所以对于液压试验而言，它是一种极为有用的记录仪器。其记录笔沿X轴或Y轴的运动是由两套互相独立的小功率位置随动系统驱动的。若为多笔记录仪则驱动系统数目相应增加。图35．2－50所示为其原理框图。
图35．2－50 X轴驱动系统的原理框图
1－衰减器；2－测量电路；3－稳压电源；4－振动变流器；5－交流放大器；6－解调滤波器；7－直流放大器；8－直流伺服电动机；9－直流测速发电机；10－减速器；11－速度反馈电路；12－记录笔
被测信号先通过衰减器1后输往比较测量电路2。比较电路将被测信号与位置反馈信号进行比较，以获得随动系统赖以工作的误差信号。此误差信号需要经过振动变流器4进行调制处理，然后再经交流放大器5放大后，通过解调和滤波恢复成原输入信号的形式。经直流放大器7获得足够功率的直流信号驱动直流伺服电动机8。电动机旋转一方面带动记录笔架运动；同时还要带动反馈电位计的滑臂运动，以减小误差信号。另外电机轴还带动直流测速发电机9旋转，输出的电压信号作为速度负反馈信号输往直流放大器，给系统提供足够的阻尼，以改善整个系统快速运行时的稳定性。图35．2－51所示为函数记录仪的工作原理图。
图35．2－51 函数记录仪的工作原理框图
1－衰减器；2－测量比较电路；3－电子放大器；4－伺服电动机；5－测速发电机；6－记录笔；7－笔架；8－走纸机构
由于笔尖运动是由X、Y两套系统驱动，所以其运动为两信号控制的合成，轨迹为两者的函数关系。
为了获得输入信号与时间的函数关系，即y=f(t)，在仪器中设置了走纸机构。走纸速度是可调的，即时间坐标的变换。
国产函数记录仪(LM19型)主要技术指标见表35．2－9。
表35．2－9
B．光线示波器
它是－种通用的模拟量电压或电流的记录仪器。通过各种物理参数传感器转换成的电压或电流的变化，由它变成相应的光点移动，再由其中的光路系统投射到感光记录纸带上，将光轨迹记录下来即代表着被测量的变化。
光线示波器的主要特点有：记录线数多(国产光线示波器中最高记录线数可达60线)，灵敏度高，记录纸容量大，直接记录，显示方便，操作简单，还具有测量动态参数的能力。作为记录仪器在科研和生产中得到广泛应用。图35．2－52所示为其简单工作原理图。
图35．2－52 光线示波器工作原理简图
1－光源；2、7－聚光透镜；3－光栅；4－悬丝；5－小镜片；6－线圈；8－传动机构；9－记录纸
由光源1发出的光，经聚光透镜2及光栅3后投射到小镜片5上。通过镜片的反射，经聚光透镜7形成一个光点投射到由传动机构8带动的感光记录纸9上。若小镜片5按一定规律摆动的话，则光点在感光记录纸上也以同样的规律摆动。当记录纸移动时，光点的轨迹就被记录下来了。小镜片5被固定在垂直方向拉紧的悬丝4上，而悬丝还与线圈6连接，它们是安装在永久磁场中的。由悬丝、镜片及线圈等零、部件组成一个独立的部件称为振动子。当外加的被测电流信号接入线圈后，线圈在磁场中受力，带动小镜片摆动，因而导致由它反射的光点移动。
在光线示波器中一般有三条光路构成的光学系统：振动子光路、时标光路和分格线光路。图35．2－53所示为国产SC60型光线示波器的光路图。振动子光路为实线所示；分格线光路为点划线所示；时标线光路为虚线所示。
图35．2－53 SC60型光线示波器光路图
1－振动子；2、4、8、9、10－反射镜；3－时标灯；5－透镜；6－高压汞灯；7－弧形透镜；11－分格线光栅；12－柱面透镜；13－分格线格子片；14－观察窗；15－记录纸；16－记录纸传动机构
C．动态电阻应变仪
应变仪主要是用来测量材料及结构的动态应变量的。它必须与由应变片组成的测量电桥配合，对电桥的输出信号进行放大和处理，以便足以驱动后续记录、显示仪器，若与各种应变电阻式参数传感器(如压力传感器等)相配合，可用于对各种参数的变化进行测量。由于应变仪具有灵敏度高、使用方便；与它配合使用的应变片重量轻、体积小，实现各种参数对应变量的转换容易等优点，所以在各种学科领域得到广泛应用。与其配合的后续仪器有光线示波器、磁带记录仪、笔录仪等，只有通过它们才能测量和显示出测量结果。为了能进行多点同时测量，动态应变仪通常有几个数据测量通道(俗称为几线)，如Y6D－3A型动态电阻应变仪为六线的。图35．2－54所示为其原理框图。
图35．2－54 应变仪工作原理框图
1－电桥盒；2－载波放大器；3－相敏检波器；4－滤波器；5－振荡器；6－缓冲器；7－电源
它主要由桥式测量电路、振荡器、缓冲级、载波放大器、相敏检波器、滤波器和电源等组成。国产应变仪的种类和规格繁多，在液压试验中常用的为Y6D－3A型动态电阻应变仪，其主要技术数据见表35．2－10。
表35．2－10
D．频率响应分析仪
对于用古典频率域法的原理来测试电液伺服系统的动态特性时，需要利用频率响应分析仪。这类仪器的基本原理是基于被试对象在正弦信号的激励下，测量频率响应特性的模R(ω)、相位差θ(ω)或同相分量A(ω)、正交分量B(ω)。它主要由函数发生器和计算显示装置两大部分组成。函数发生器的作用是产生频率和振幅均可调节，且稳定、精确的正弦、余弦信号；计算显示装置是用来计算和显示测量结果R、θ或A、B的；并具有坐标转换功能。
按计算显示装置的种类不同，频率响应分析仪可分为：
(A)直接式仪器
由三台独立式测试仪器组成测量系统。用超低频信号发生器产生正弦激励信号输往被试系统；而将输入和输出信号同时输往超低频峰值电压表和超低频相位频率计，前者测量模R(ω)或振幅比；后者测量两信号之间的相位差θ(ω)。测量原理框图如图35．2－55所示。测量结果可数字显示或表头显示读数。在测试过程中需要逐点测量和换算，使用麻烦，测量精度低。对高次谐波和噪声的抑制能力差。
图35．2－55 直接式频率响应分析仪原理框图
1－超低频信号发生器；2－被试系统；3－超低频峰值电压表；4－超低频相位频率计
(B)相关式仪器
它是根据相关滤波技术设计的，是目前一种较为先进的频率响应测量仪。由于频率法分析主要是需要对输入纯正弦信号激励的系统稳态输出量进行分析，因而对输出信号中除基波分量以外的其他分量应全部滤掉。在实际的频率特性测试过程中，一般系统的输出信号均由四部分分量组成：
基波分量Rsin(ωt+θ)；
基波的各次谐波Rksin(kωt+θk)；
直流分量；
由各种随机干扰信号引起的噪声干扰。
输出信号可由下式表示
式中：a0为直流分量；ak、bk为博里叶系数；ζ(t)为随机噪声分量。
将输出信号y(t)与sinωt和cosωt作相关运算。通过运算，在获得基波分量的同相分量a和正交分量b的同时，就较好地抑制了直流分量、高次谐波和随机噪声。
相关式仪器由两大部分组成：一是函数发生器，产生对被试系统激励的正弦和余弦信号；一是相关器。其作用是对采集的信号进行相关运算、坐标转换和数字显示。图35．2－56所示为其原理框图。
图35．2－56 相关式频率响应分析仪原理框图
Ⅰ信号发生器 Ⅱ相关器
1－数字式振荡器；2－D／A转换器；3－被式系统；4－A／D转换器；5、5′－乘法器；6、6′－平均积分器；7－坐标换算；8、8′－显示器
由于这种仪器采用了相关滤波技术，故它具有抑制高次谐波和噪声干扰的能力强，测量准确度高，使用方便等优点。目前在国内外得到广泛应用。英国输力强公司生产的1250系列频率响应分析仪就属于此类仪器。1253型增益相位分析仪是此系列中的一种仪器，其主要技术指标见表35．2－11。
表35．2－11
