《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第5章 显示记录装置

机械工程测试技术第5章显示记录装置学习目标了解各种显示记录装置工作原理及适用场合。对于检流计式记录仪中的光线示波器，要定性掌握其（振子的）动态特性。能正确选用各种显示记录装置以实现信号的不失真记录。学习重点与难点重点：检流计式记录仪的动态特性。难点：检流计式记录仪的动态特性。显示记录装置用来显示、记录反映被测信号变化过程（本章主要介绍后者），它是测试系统中不可缺少的输出环节，其作用可归纳为两个方面：●显示测试系统所获取的信号，使之变成人们能够直接观察的图形：?保存测试系统所获取的信号，并使之能够借助其他仪器进行分析和重放。5.1电位计式记录仪电位计式记录仪用来记录己转化成电压的信号。在工业上和实验室中最常用的电位计式记录仪有电子电位差记录仪、自动平衡电桥记录仪和两维记录的X一Y函数记录仪等，它们基本上都是采用闭环零位平衡系统的伺服记录仪。5.1.1一维电位计式记录仪偏差伺服电动机输人。交流放大调制器eiAeS电压与解调参考电压一标尺传动带、almllnsi电位器、指针记录纸标准电池调制器传感器放大解调m-伺服电动机带传动电位计零位自动平衡记录仪原理1 / 7《机械工程测试技术》第13讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 1 / 7 第 5 章 显示记录装置 学习目标 了解各种显示记录装置工作原理及适用场合。对于检流计式记录仪中的光线示波器，要 定性掌握其（振子的）动态特性。能正确选用各种显示记录装置以实现信号的不失真记录。 学习重点与难点 重点：检流计式记录仪的动态特性。 难点：检流计式记录仪的动态特性。 显示记录装置用来显示、记录反映被测信号变化过程（本章主要介绍后者），它是测试 系统中不可缺少的输出环节，其作用可归纳为两个方面： ● 显示测试系统所获取的信号，使之变成人们能够直接观察的图形； ● 保存测试系统所获取的信号，并使之能够借助其他仪器进行分析和重放。 5.1 电位计式记录仪 电位计式记录仪用来记录己转化成电压的信号。在工业上和实验室中最常用的电位计 式记录仪有电子电位差记录仪、自动平衡电桥记录仪和两维记录的 X—Y 函数记录仪等，它 们基本上都是采用闭环零位平衡系统的伺服记录仪。 5.1.1 一维电位计式记录仪 零位自动平衡记录仪原理

机械工程测试技术5.1.2X-Y函数记录仪二维伺服式笔式记录仪，数字电压信号输入驱动两路开环线性步进电机作，使绘图笔的偏移量与被记录信号的瞬时幅值成正比。电位计式记录仪的特点：●是一种记录电压信号的电位计式记录仪，属于零位平衡式伺服系统。●记录幅值的精度较高，误差一般不超过满量程的0.2%~0.5%●因其运动部分的机械惯性较大，故只能记录变化缓慢的低频信号（一般在10Hz以下)。5.2检流计式记录仪检流计式记录仪用来记录已转换成电流的信号。这种记录仪的测量部分相当于一个动圈式磁电式检流计，用放在磁场中的线圈上的载流导线受的力来驱动记录头。实际测试中使用的检流计式记录仪有笔式记录仪和光线示波器等。5.2.1检流计式笔式记录仪游线笔杆（反力弹簧）/线圈记录纸一线圈笔杆磁铁油水磁铁记录笔b)-检流计式笔式记录仪a)结构b）受力及运动分析工作原理：通电线圈在磁场中受力而产生偏转，从而将其输入电流的变化（由被测量的变化转化而来）转换为记录笔位移的变化。1.动力学分析当线圈置于磁场中并通以电流（0）时，将受到以下三个力矩的作用。●电磁力矩M（）（因洛仑兹力所致）M,(t)=K,i(0)式中K，为常数，主要取决于磁场强度及线圈的结构参数。阻尼力矩M，（t）（因线圈的运动所致）《机械工程测试技术》第13讲2/7

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 2 / 7 5.1.2 X-Y 函数记录仪 二维伺服式笔式记录仪，数字电压信号输入驱动两路开环线性步进电机作，使绘图笔的 偏移量与被记录信号的瞬时幅值成正比。 电位计式记录仪的特点： ● 是一种记录电压信号的电位计式记录仪，属于零位平衡式伺服系统。 ● 记录幅值的精度较高，误差一般不超过满量程的 0.2%~0.5% 。 ● 因其运动部分的机械惯性较大，故只能记录变化缓慢的低频信号（一般在 10Hz 以 下）。 5.2 检流计式记录仪 检流计式记录仪用来记录已转换成电流的信号。这种记录仪的测量部分相当于一个动 圈式磁电式检流计，用放在磁场中的线圈上的载流导线受的力来驱动记录头。实际测试中使 用的检流计式记录仪有笔式记录仪和光线示波器等。 5.2.1 检流计式笔式记录仪 检流计式笔式记录仪 a) 结构 b) 受力及运动分析 工作原理： 通电线圈在磁场中受力而产生偏转，从而将其输入电流的变化（由被测量的变化转化 而来）转换为记录笔位移的变化。 1. 动力学分析 当线圈置于磁场中并通以电流 i(t) 时，将受到以下三个力矩的作用。 ● 电磁力矩 M (t) i （因洛仑兹力所致） M (t) K i(t) i = i 式中 Ki 为常数，主要取决于磁场强度及线圈的结构参数。 ● 阻尼力矩 M (t) D （因线圈的运动所致）

机械工程测试技术Mp(t)=-Ddo()dt式中D为阻尼系数，与线圈的阻尼形式及运动时的摩擦力矩有关。●游丝的反力矩Mc(）（因游丝在工作时产生扭转所致）M(t)=-GO(t)式中G为游丝的扭转刚度系数。根据运动学原理，有M,(0)+M,()+ Ma()=Jd"00)dt式中J为转动部分的转动惯量。电流i(t)为系统的输入，转角e()为系统的输出。线圈（笔杆）的运动方程为Jd'o2 + Dd0( +G0()= K,(0)dt?dt2.传递函数K.So,0(s)JH(s):D.IGI(s)52+250,5+0252 +S+JJK,式中S-静态灵敏度；GG固有频率；0.=VJD5=阻尼比。2/GJ3.特点●检流计式笔录仪是一个二阶系统。为了能够不失真地记录被测信号，工作时应使其阻尼比调整为=0.707左右，且可记录信号的最高频率mx与系统的固有频率0，之比应满足mm≤0.4。On●由于其转动部分的转动惯量较大、游丝刚度较小，因此固有频率较低，再加上记录笔与记录纸之间的摩擦，因此可记录信号的频率较低，通常≤100Hz。5.2.2光线示波器光线示波器也是一种检流计式记录仪，它用一个转动惯量较小的振子取代了检流计式笔录仪的动圈部分，同时用“光笔"取代了机械笔，由于の，=/GIJ，从而使其具有较高的固3/7《机械工程测试技术》第13讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 3 / 7 dt d t M D t D ( ) ( )  = − 式中 D 为阻尼系数，与线圈的阻尼形式及运动时的摩擦力矩有关。 ● 游丝的反力矩 M (t) G （因游丝在工作时产生扭转所致） M (t) G (t) G = −  式中 G 为游丝的扭转刚度系数。 根据运动学原理，有 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) dt d t M t M t M t J i D G  + + = 式中 J 为转动部分的转动惯量。电流 i(t) 为系统的输入，转角  (t) 为系统的输出。线圈（笔 杆）的运动方程为 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 G t K i t dt d t D dt d t J + +  = i   2. 传递函数 2 2 2 ( ) 2 2 ( ) ( ) n n n i s s S J G s J D s J K I s s H s    + + = + + =  = 式中 G K S i = ——静态灵敏度； J G  n = ——固有频率； GJ D 2  = ——阻尼比。 3. 特点 ● 检流计式笔录仪是一个二阶系统。为了能够不失真地记录被测信号，工作时应使其 阻尼比调整为  = 0.707 左右，且可记录信号的最高频率  max 与系统的固有频率  n 之比应满 足 0.4 max   n  。 ● 由于其转动部分的转动惯量较大、游丝刚度较小，因此固有频率较低，再加上记录 笔与记录纸之间的摩擦，因此可记录信号的频率较低，通常≤100Hz。 5.2.2 光线示波器 光线示波器也是一种检流计式记录仪，它用一个转动惯量较小的振子取代了检流计式笔 录仪的动圈部分，同时用“光笔”取代了机械笔，由于 G J n  = / ，从而使其具有较高的固

机械工程测试技术有频率，可以实现对高频（最高可达10kHz）信号的不失真记录。光线示波器的工作原理1一光源2一圆柱透镜3一狭缝光阑4一壳体5一张丝6一支承7一反射镜8一线圈 9一永久磁铁10一弹簧11一圆柱透镜12一感光纸1.工作原理光线示波器主要由振子、磁系统、光学系统、记录纸传动系统组成●振（动）子一一相当于一个检流计，其工作原理与6.2节所述相同。●磁系统一一两块永久磁铁所作的磁极为检流计的工作提供恒定的磁场。?光学系统一一“光源1→圆柱透镜2→狭缝光阑3-→小反射镜7→圆柱透镜11→感光记录纸12”，所形成光点在垂直于记录纸走纸方向的横向偏移取决与小反射镜的偏转量（即输入电流的瞬时幅值大小）。记录纸传动系统一一带动感光记录纸匀速运动，与光点的横向偏移一起使光点在感光纸上记录下与所记录电流一致的波形。2.特点●光线示波器（的振子）是一个典型的二阶系统。其动态特性与检流计式笔录仪等二阶系统相似。为实现信号的不失真记录，应满足~0.707且のmax/0，≤0.4的条件。●记录信号时，主要应根据上面的要求，通过选择固有频率相当的振子来实现信号的不失真记录。振子的阻尼比根据振子的固有频率以油阻尼和电磁阻尼的形式进行调节，以保证其值在0.707左右：固有频率较高（f，>400Hz）一一油阻尼：固有频率较低（f，≤400Hz）一一电磁阻尼。《机械工程测试技术》第13讲4 /7

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 4 / 7 有频率，可以实现对高频（最高可达 10kHz）信号的不失真记录。 光线示波器的工作原理 1—光源 2—圆柱透镜 3—狭缝光阑 4—壳体 5—张丝 6—支承 7—反射镜 8—线圈 9—永久磁铁 10—弹簧 11—圆柱透镜 12—感光纸 1. 工作原理 光线示波器主要由振子、磁系统、光学系统、记录纸传动系统组成。 ● 振（动）子——相当于一个检流计，其工作原理与 6.2 节所述相同。 ● 磁系统——两块永久磁铁所作的磁极为检流计的工作提供恒定的磁场。 ● 光学系统——“光源 1→圆柱透镜 2→狭缝光阑 3→小反射镜 7→圆柱透镜 11→感光 记录纸 12”，所形成光点在垂直于记录纸走纸方向的横向偏移取决与小反射镜的偏转量（即 输入电流的瞬时幅值大小）。 ● 记录纸传动系统——带动感光记录纸匀速运动，与光点的横向偏移一起使光点在感 光纸上记录下与所记录电流一致的波形。 2. 特点 ● 光线示波器（的振子）是一个典型的二阶系统。其动态特性与检流计式笔录仪等二 阶系统相似。为实现信号的不失真记录，应满足   0.707 且  max  n  0.4 的条件。 ● 记录信号时，主要应根据上面的要求，通过选择固有频率相当的振子来实现信号的 不失真记录。 ● 振子的阻尼比根据振子的固有频率以油阻尼和电磁阻尼的形式进行调节，以保证其 值在 0.707 左右： 固有频率较高（  400Hz n f ）——油阻尼； 固有频率较低（  400Hz n f ）——电磁阻尼

机械工程测试技术5.3磁带记录仪5.3.1工作原理信号输入重放输出偏置电源62磁带记录仪的基本组成1一记录放大器2一重放放大器3一磁带传动装置4一驱动轮5一重放磁头6一记录磁头7一导轮8一磁带9一磁带盘磁带记录仪一般由四部分组成：磁头、磁带、磁带传动装置和放大器。·磁头一一包括记录磁头和重放磁头。记录磁头将输入的电流信号的变化转换为磁场的变化，使磁带磁化。重放磁头将磁带上的剩磁转换为电压信号。磁头的结构●磁带一一记录信号的接受者和存储部件。●磁带传动系统一一由电机、驱动机构和伺服控制机构组成。它的功能是驱动磁带，使之匀速稳定地运动，并具有一定的调速范围。●放大器一一包括记录放大器和重放放大器。记录放大器将输入电信号变换并放大后送到记录磁头；重放放大器将重放磁头输出的信号进行变换并放大，然后输出所记录的信号。5.3.2记录方式1.模拟方式●直接记录方式（DR方式）●调频记录方式（FM方式）●脉宽调制方式（PDM方式）5/7《机械工程测试技术》第13讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 5 / 7 5.3 磁带记录仪 5.3.1 工作原理 磁带记录仪的基本组成 1—记录放大器 2—重放放大器 3—磁带传动装置 4—驱动轮 5—重放磁头 6—记录磁头 7—导轮 8—磁带 9—磁带盘 磁带记录仪一般由四部分组成：磁头、磁带、磁带传动装置和放大器。 ● 磁头——包括记录磁头和重放磁头。记录磁头将输入的电流信号的变化转换为磁场 的变化，使磁带磁化。重放磁头将磁带上的剩磁转换为电压信号。 磁头的结构 ● 磁带——记录信号的接受者和存储部件。 ● 磁带传动系统——由电机、驱动机构和伺服控制机构组成。它的功能是驱动磁带， 使之匀速稳定地运动，并具有一定的调速范围。 ● 放大器——包括记录放大器和重放放大器。记录放大器将输入电信号变换并放大后 送到记录磁头；重放放大器将重放磁头输出的信号进行变换并放大，然后输出所记录的信号。 5.3.2 记录方式 1. 模拟方式 ● 直接记录方式（DR 方式） ● 调频记录方式（FM 方式） ● 脉宽调制方式（PDM 方式）

机械工程测试技术2.数字方式（脉冲码调制PCM方式5.3.3磁带记录仪的特点工作频带宽，可以记录直流信号及数兆赫兹的交流信号。●所记录的信息可以长久保存，必要时可以实现信号的重放。能同时记录多路信号，在工作频带内可以保证这些信号之间的时间和相位关系。具有变换信号时基（时间尺度）的能力一一“快速记录慢速重放”或“慢速记录快速重放”。既可记录模拟信号，也可记录数字信号。?记录速度快，记录数字信号时可高达1MB/s。可以和计算机配合，进行大量复杂的数据处理、分析。5.4数字存储示波器数字存储示波器（DigitalStorageOscilloscope,DSO）一一在示波器中可以对输入信号进行数字存储、数字处理、数字输出。5.4.1工作原理被记录的输入信号经抗混叠滤波器滤波后，被A/D（模/数）转换器转换成数字信号并存储起来。根据需要，可以对存储的数字信号数据进行D/A（数/模）转换，然后经波形重构滤波器恢复出原模拟信号，输出到阴极射线管（CRT）上显示。输人信援轮接存储器波形重构D/A.转换器RAM滤波器1+4t外触发触发电路控制电路水平扫描亮度数字存储示波器的组成原理5.4.2工作方式●模拟方式一一示波器像传统示波器一样工作，此时的工作频带不受A/D转换器转换速度的影响，可以高达100MHz。●存储方式一一输入信号经A/D转换后按一定的方式被存储起来，经D/A转换、波形重构、功率放大，在CRT上显示出由采样点重构出的波形。5.4.3特殊功能《机械工程测试技术》第13讲6/7

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 6 / 7 2. 数字方式（脉冲码调制 PCM 方式） 5.3.3 磁带记录仪的特点 ● 工作频带宽，可以记录直流信号及数兆赫兹的交流信号。 ● 所记录的信息可以长久保存，必要时可以实现信号的重放。 ● 能同时记录多路信号，在工作频带内可以保证这些信号之间的时间和相位关系。 ● 具有变换信号时基（时间尺度）的能力——“快速记录慢速重放”或“慢速记录快 速重放”。 ● 既可记录模拟信号，也可记录数字信号。 ● 记录速度快，记录数字信号时可高达 1MB/s。 ● 可以和计算机配合，进行大量复杂的数据处理、分析。 5.4 数字存储示波器 数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope, DSO）——在示波器中可以对输入信号进 行数字存储、数字处理、数字输出。 5.4.1 工作原理 被记录的输入信号经抗混叠滤波器滤波后，被 A/D（模/数）转换器转换成数字信号并 存储起来。根据需要，可以对存储的数字信号数据进行 D/A（数/模）转换，然后经波形重 构滤波器恢复出原模拟信号，输出到阴极射线管（CRT）上显示。 数字存储示波器的组成原理 5.4.2 工作方式 ● 模拟方式——示波器像传统示波器一样工作，此时的工作频带不受 A/D 转换器转换 速度的影响，可以高达 100MHz。 ● 存储方式——输入信号经 A/D 转换后按一定的方式被存储起来，经 D/A 转换、波形 重构、功率放大，在 CRT 上显示出由采样点重构出的波形。 5.4.3 特殊功能

机械工程测试技术●信号算术运算一一信号的加、减、乘、微分和积分等运算；信号的功率、功率损耗等参数的计算。●窗口工作模式一一可以将示波器屏幕分成多个窗口，用来对所存储的、不同时刻采集到的波形进行比较。●波形参数的自动测量一一峰-峰值、均方根值、均值（直流成分）、频率、脉冲宽度、上升时间等。●数字信号处理一一快速傅立叶变换、相关分析、谱分析、数字滤波等。●通信接口一一RS-232C串行接口、通用接口总线GPIB（IEEE-488总线）等软硬件接口，使之可以与PC或其他设备进行通信，还可以通过计算机对DSO进行控制。?记录信号波形的硬拷贝一一通过连接数字绘图仪或打印机来制作被记录信号的硬拷贝。本章小结传统的显示记录装置是电位计式记录仪和检流计式记录仪。电位计式记录仪由于机械传动系统的存在而只能记录变化缓慢的信号，检流计式记录仪由于固有频率及灵敏度较高，因此可以记录频率较高的信号。光线示波器是一种检流计式记录仪，其核心部件是振子，它具有二阶系统的特性。通过选用适当的振子可以保证不失真地记录测试信号。近年来出现的数字存储示波器，通过微处理器、存储器等实现信号的数据采集，除了能实现基本的显示记录功能外，还能以数字方式对信号进行存储、重构与回放、分析与处理，使之成为当今显示记录装置的主流。7/7《机械工程测试技术》第13讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 13 讲 7 / 7 ● 信号算术运算——信号的加、减、乘、微分和积分等运算；信号的功率、功率损耗 等参数的计算。 ● 窗口工作模式——可以将示波器屏幕分成多个窗口，用来对所存储的、不同时刻采 集到的波形进行比较。 ● 波形参数的自动测量——峰-峰值、均方根值、均值（直流成分）、频率、脉冲宽度、 上升时间等。 ● 数字信号处理——快速傅立叶变换、相关分析、谱分析、数字滤波等。 ● 通信接口——RS-232C 串行接口、通用接口总线 GPIB（IEEE-488 总线）等软硬件 接口，使之可以与 PC 或其他设备进行通信，还可以通过计算机对 DSO 进行控制。 ● 记录信号波形的硬拷贝——通过连接数字绘图仪或打印机来制作被记录信号的硬拷 贝。 本章小结 传统的显示记录装置是电位计式记录仪和检流计式记录仪。电位计式记录仪由于机械传 动系统的存在而只能记录变化缓慢的信号，检流计式记录仪由于固有频率及灵敏度较高，因 此可以记录频率较高的信号。光线示波器是一种检流计式记录仪，其核心部件是振子，它具 有二阶系统的特性。通过选用适当的振子可以保证不失真地记录测试信号。近年来出现的数 字存储示波器，通过微处理器、存储器等实现信号的数据采集，除了能实现基本的显示记录 功能外，还能以数字方式对信号进行存储、重构与回放、分析与处理，使之成为当今显示记 录装置的主流