動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)

1、兵器動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)兵器動(dòng)態(tài)測(cè)控技術(shù)李李 強(qiáng)強(qiáng)中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院兵器特點(diǎn)：兵器特點(diǎn)： 1. 1. 高溫；高溫； 2. 2. 高壓高壓 3. 3. 高速；高速； 4. 4. 瞬態(tài)瞬態(tài) 1. 1. 工作條件差：傳感器環(huán)境，靶場(chǎng)環(huán)境工作條件差：傳感器環(huán)境，靶場(chǎng)環(huán)境 2. 2. 動(dòng)態(tài)：獨(dú)立變化，隨時(shí)間變化率大。動(dòng)態(tài)：獨(dú)立變化，隨時(shí)間變化率大。 3. 3. 時(shí)間短：測(cè)試時(shí)間短，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。時(shí)間短：測(cè)試時(shí)間短，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。 4. 4. 同步性：測(cè)試參數(shù)多，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多。同步性：測(cè)試參數(shù)多，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備多。測(cè)試特點(diǎn)：測(cè)試特點(diǎn)： 第一章第一章 概述概述典型火炮系統(tǒng)的測(cè)試典型火炮系統(tǒng)的測(cè)試 1. 1

2、. 力學(xué)參數(shù)：應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、速度、加力學(xué)參數(shù)：應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、位移、速度、加速度、角速度等。速度、角速度等。 2. 2. 幾何參數(shù)：質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。幾何參數(shù)：質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。 3. 3. 姿態(tài)參數(shù)：角度，位置等。姿態(tài)參數(shù)：角度，位置等。 4. 4. 環(huán)境參數(shù)：溫度，沖擊波等。環(huán)境參數(shù)：溫度，沖擊波等。具備的知識(shí)和能力具備的知識(shí)和能力重點(diǎn)：物理量的測(cè)量原理重點(diǎn)：物理量的測(cè)量原理和和測(cè)量信號(hào)分析處理測(cè)量信號(hào)分析處理 為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成為提高測(cè)量精度和自動(dòng)化程度，以便于和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成自動(dòng)化裝置，通常先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)

3、進(jìn)行自動(dòng)化裝置，通常先將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電量，再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和輸出。處理和輸出。航天航天農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)武器武器醫(yī)學(xué)醫(yī)學(xué) 在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制在工程領(lǐng)域，科學(xué)實(shí)驗(yàn)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)監(jiān)督、質(zhì)量控制,應(yīng)應(yīng)用涉及到航天、武器、機(jī)械等每一個(gè)工程領(lǐng)域。用涉及到航天、武器、機(jī)械等每一個(gè)工程領(lǐng)域。工程應(yīng)用工程應(yīng)用 超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅超聲波測(cè)距傳感器、判斷建筑物內(nèi)人和物所在位置；紅外線(xiàn)色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和外線(xiàn)色彩傳感器運(yùn)動(dòng)軌跡和AGVAGV小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，小車(chē)位置識(shí)別；條形碼傳感器，貨品識(shí)別貨品識(shí)別。石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道、儲(chǔ)油管道、儲(chǔ)油罐

4、等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測(cè)。和泄露檢測(cè)。生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)生產(chǎn)加工過(guò)程監(jiān)測(cè) 樓宇控制與安全防護(hù)樓宇控制與安全防護(hù)圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系圖示為某公司樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、統(tǒng)。該系統(tǒng)分為：電源管理、安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)安全監(jiān)測(cè)、照明控制、空調(diào)控制、停車(chē)管理、水控制、停車(chē)管理、水/廢水管廢水管理和電梯監(jiān)控。理和電梯監(jiān)控。煙霧傳感器亮度傳感器紅外人體探測(cè)器家庭與辦公自動(dòng)化家庭與辦公自動(dòng)化全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，透光率光傳感器傳感器，透光率光傳感

5、器(洗凈度洗凈度) 液位傳感器，電液位傳感器，電阻傳感器阻傳感器(衣物烘干檢測(cè)衣物烘干檢測(cè))。指紋傳感器指紋傳感器透光率傳感器透光率傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器溫度傳感器鼠標(biāo)鼠標(biāo):光電位移傳感器光電位移傳感器攝象頭攝象頭:CCD傳感器傳感器聲位筆聲位筆:超聲波傳感器超聲波傳感器麥克風(fēng)麥克風(fēng):電容傳聲器電容傳聲器聲卡聲卡:A/D卡卡 + D/A卡卡軟驅(qū)軟驅(qū):速度速度,位置伺服位置伺服PC機(jī)中技術(shù)應(yīng)用機(jī)中技術(shù)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1、傳感器方面、傳感器方面 a)利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效利用新發(fā)現(xiàn)的材料和新發(fā)現(xiàn)的生物、物理、化學(xué)效應(yīng)開(kāi)發(fā)出的新型傳感器應(yīng)開(kāi)發(fā)出的新

6、型傳感器光纖流速傳感器光纖流速傳感器熒光材熒光材料制作料制作的電子的電子鼻傳感鼻傳感器器生物酶血樣分析傳感器生物酶血樣分析傳感器熱熱/光光電量電量b)傳感器傳感器+嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī) 智能傳感器智能傳感器 振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器嵌入式計(jì)算機(jī)嵌入式計(jì)算機(jī)智能壓力網(wǎng)絡(luò)智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器傳感器智能智能傾角傾角RS232RS232傳感器傳感器IC總線(xiàn)數(shù)字溫度總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器傳感器2、測(cè)量信號(hào)處理方面、測(cè)量信號(hào)處理方面 計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù)計(jì)算機(jī)虛擬儀器技術(shù) 用用PC機(jī)儀器板卡機(jī)儀器板卡 代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器用計(jì)算機(jī)軟件用計(jì)算機(jī)軟件 代替硬件分析電路代替硬件分析電路優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)主要傳感器和測(cè)

7、試儀器生產(chǎn)廠商主要傳感器和測(cè)試儀器生產(chǎn)廠商2、振動(dòng)、振動(dòng)/噪聲傳感器噪聲傳感器 丹麥丹麥B&K（振動(dòng)測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量領(lǐng)域最富盛名振動(dòng)測(cè)量、聲學(xué)測(cè)量領(lǐng)域最富盛名）http:/ 美國(guó)美國(guó)霍尼威爾霍尼威爾公司（有全球最大公司（有全球最大傳感器傳感器技術(shù)研究中心）技術(shù)研究中心） http:/ 美國(guó)國(guó)家儀器公司美國(guó)國(guó)家儀器公司(全球最大的計(jì)算機(jī)虛擬儀器生產(chǎn)商全球最大的計(jì)算機(jī)虛擬儀器生產(chǎn)商)http:/ 測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)是執(zhí)行測(cè)試任務(wù)的傳感器、儀器和設(shè)備的總稱(chēng)。的總稱(chēng)。 簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單測(cè)試系統(tǒng)(光電池光電池)V 一般說(shuō)來(lái)，測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記一般

8、說(shuō)來(lái)，測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、中間變換裝置和顯示記錄裝置三部分組成。錄裝置三部分組成。 第二部分第二部分 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng) 基本概念基本概念 信息轉(zhuǎn)換信息轉(zhuǎn)換信息提取信息提取 如果測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間而變?nèi)绻麥y(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置的輸入、輸出信號(hào)不隨時(shí)間而變化，則稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置表現(xiàn)出的響化，則稱(chēng)為靜態(tài)測(cè)量。靜態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)試裝置表現(xiàn)出的響應(yīng)特性稱(chēng)為靜態(tài)響應(yīng)特性。應(yīng)特性稱(chēng)為靜態(tài)響應(yīng)特性。 當(dāng)測(cè)試裝置的輸入當(dāng)測(cè)試裝置的輸入x x有一增量有一增量x,x,引起輸出引起輸出y y發(fā)發(fā)生相應(yīng)變化生相應(yīng)變化y y時(shí)時(shí), ,定義定義: S=: S=y/y/x xy yx xx xy

9、y(1)靈敏度靈敏度靜態(tài)響應(yīng)特性靜態(tài)響應(yīng)特性 標(biāo)定曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)的偏離程度就是非線(xiàn)性度。標(biāo)定曲線(xiàn)與擬合直線(xiàn)的偏離程度就是非線(xiàn)性度。 非線(xiàn)性度非線(xiàn)性度=B/A=B/A100%100%y yx xB B(2)非線(xiàn)性度非線(xiàn)性度 測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過(guò)測(cè)試裝置在輸入量由小增大和由大減小的測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于同一個(gè)輸入量所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的程中，對(duì)于同一個(gè)輸入量所得到的兩個(gè)數(shù)值不同的輸出量之間差值最大者為輸出量之間差值最大者為hmaxhmax，則定義回程誤差為，則定義回程誤差為: : (hmax/A)(hmax/A)100%100%y yx xhmaxhmaxA A(3)回程誤差回程誤

10、差(4) (4) 靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述靜態(tài)響應(yīng)特性的其他描述精度：精度：是與評(píng)價(jià)測(cè)試裝置產(chǎn)生的測(cè)量是與評(píng)價(jià)測(cè)試裝置產(chǎn)生的測(cè)量誤差大小有關(guān)的指標(biāo)誤差大小有關(guān)的指標(biāo) 靈敏閥：靈敏閥：又稱(chēng)為死區(qū)，用來(lái)衡量測(cè)量又稱(chēng)為死區(qū)，用來(lái)衡量測(cè)量起始點(diǎn)不靈敏的程度。起始點(diǎn)不靈敏的程度。 分辨力：分辨力：指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最指能引起輸出量發(fā)生變化時(shí)輸入量的最小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的小變化量，表明測(cè)試裝置分辨輸入量微小變化的能力。能力。測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：是指測(cè)試裝置能正常測(cè)是指測(cè)試裝置能正常測(cè)量最小輸入量和最大輸入量之間的量最小輸入量和最大輸入量之間的范圍。范圍。 可靠性：可靠性：

11、是與測(cè)試裝置無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)是與測(cè)試裝置無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)的一種描述。的一種描述。 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性：是指在一定工作條件下，是指在一定工作條件下，當(dāng)輸入量不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間當(dāng)輸入量不變時(shí)，輸出量隨時(shí)間變化的程度。變化的程度。 無(wú)論復(fù)雜度如何，把測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)無(wú)論復(fù)雜度如何，把測(cè)量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)看待。問(wèn)題簡(jiǎn)化為處理輸入量來(lái)看待。問(wèn)題簡(jiǎn)化為處理輸入量x(t)x(t)、系統(tǒng)傳輸、系統(tǒng)傳輸特性特性h(t)h(t)和輸出和輸出y(t)y(t)三者之間的關(guān)系。三者之間的關(guān)系。x(t)h(t)y(t)輸入量輸入量系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性輸出輸出測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 y(t

12、)=X(t)*h(t)卷積分卷積分3)3)如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸如果輸入和系統(tǒng)特性已知，則可以推斷和估計(jì)系統(tǒng)的輸出量。出量。( (預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)) ) 系統(tǒng)分析中的三類(lèi)問(wèn)題：系統(tǒng)分析中的三類(lèi)問(wèn)題：1)1)當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的當(dāng)輸入、輸出是可測(cè)量的( (已知已知) )，可以通過(guò)它們推斷系，可以通過(guò)它們推斷系統(tǒng)的傳輸特性。統(tǒng)的傳輸特性。( (系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)) )2)2)當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通過(guò)它們推斷導(dǎo)致當(dāng)系統(tǒng)特性已知，輸出可測(cè)量，可以通過(guò)它們推斷導(dǎo)致該輸出的輸入量。該輸出的輸入量。 ( (反求反求) )x(t)h(t)y(t)測(cè)試系統(tǒng)基本要求測(cè)試系統(tǒng)基本要求

13、理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸理想的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具有單值的、確定的輸入輸出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之出關(guān)系。對(duì)于每一輸入量都應(yīng)該只有單一的輸出量與之對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸對(duì)應(yīng)。知道其中一個(gè)量就可以確定另一個(gè)量。其中以輸出和輸入成出和輸入成線(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)性關(guān)系最佳。最佳。 xy線(xiàn)性線(xiàn)性xy線(xiàn)性線(xiàn)性xy非線(xiàn)性非線(xiàn)性 系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入x(t)x(t)和輸出和輸出y(t)y(t)間的關(guān)系可以用常間的關(guān)系可以用常系數(shù)線(xiàn)性微分方程來(lái)描述：系數(shù)線(xiàn)性微分方程來(lái)描述： 線(xiàn)性系統(tǒng)線(xiàn)性系統(tǒng)(時(shí)域描述時(shí)域描述)一般在工程中使用的測(cè)試裝置都是線(xiàn)性系統(tǒng)。一般在工程中使

14、用的測(cè)試裝置都是線(xiàn)性系統(tǒng)。0111)(.)()(atyatyatyannnn0111)(.)()(btxbtxbtxbmmmm線(xiàn)性系統(tǒng)性質(zhì)：線(xiàn)性系統(tǒng)性質(zhì)：a)a)疊加性疊加性 系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的系統(tǒng)對(duì)各輸入之和的輸出等于各單個(gè)輸入的輸出之和，即輸出之和，即 若若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 則則 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t) b)b)比例性比例性 常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍輸入所得的輸出等于原輸入所得輸出的常數(shù)倍，即常數(shù)倍，即: : 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 則則 kx(t) ky(t) kx(t)

15、ky(t) c)c)微分性微分性 系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的微分等于原輸出信號(hào)的微分，即分，即 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 則則 x(t) y(t) x(t) y(t) d)d)積分性積分性 當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積當(dāng)初始條件為零時(shí)，系統(tǒng)對(duì)原輸入信號(hào)的積分等于原輸出信號(hào)的積分，即分等于原輸出信號(hào)的積分，即 若若 x(t) y(t) x(t) y(t) 則則 x(t)dt y(t)dt x(t)dt y(t)dt e)e)頻率保持性頻率保持性 若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)若系統(tǒng)的輸入為某一頻率的諧波信號(hào)，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出

16、將為同一頻率的諧波信號(hào)，即的穩(wěn)態(tài)輸出將為同一頻率的諧波信號(hào)，即 若若 x(t)=Acos(t+x) x(t)=Acos(t+x) 則則 y(t)=Bcos(t+y)y(t)=Bcos(t+y) 線(xiàn)性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合線(xiàn)性系統(tǒng)的這些主要特性，特別是符合疊加原理和頻率保持性，在測(cè)量工作中具有疊加原理和頻率保持性，在測(cè)量工作中具有重要作用。重要作用。 )(/ )()(sXsYsH拉氏變換拉氏變換( (數(shù)學(xué)定義數(shù)學(xué)定義) )：)(/ )()(jXjYjH富氏變換富氏變換(數(shù)字計(jì)算數(shù)字計(jì)算):22)(Im)(Re)()(jHjHjHA)(Im/)(Re)(jHjHarctg測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特

17、性傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性傳遞函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù):直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分直觀的反映了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分輸入信號(hào)的扭曲情況。輸入信號(hào)的扭曲情況。A優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單，信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器，雙蹤示波器雙蹤示波器缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：效率效率低低 從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率從系統(tǒng)最低測(cè)量頻率fminfmin到最高測(cè)量頻率到最高測(cè)量頻率fmaxfmax，逐，逐步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率步增加正弦激勵(lì)信號(hào)頻率f f，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅，記錄下各頻率對(duì)應(yīng)的幅值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。值比和相位差，繪制就得到系統(tǒng)幅頻和相頻特性。 設(shè)測(cè)試

18、系統(tǒng)的輸出設(shè)測(cè)試系統(tǒng)的輸出y(t)y(t)與輸入與輸入x(t)x(t)滿(mǎn)足關(guān)系滿(mǎn)足關(guān)系 y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t-tx(t-t0 0) )系統(tǒng)不失真測(cè)量條件系統(tǒng)不失真測(cè)量條件 該系統(tǒng)的輸該系統(tǒng)的輸出波形與輸入信出波形與輸入信號(hào)的波形精確地號(hào)的波形精確地一致，只是幅值一致，只是幅值放大了放大了A A0 0倍，在倍，在時(shí)間上延遲了時(shí)間上延遲了t t0 0而已。這種情況而已。這種情況下，認(rèn)為測(cè)試系下，認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)具有不失真的統(tǒng)具有不失真的特性。特性。t tA Ax(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t)x(t)y(t)=Ay(t)=A0 0 x(t- tx(t- t0 0

19、) )時(shí)域條件時(shí)域條件 y(t)=A0 x(t-t0) Y()=A0e-jt0X()系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件系統(tǒng)不失真測(cè)量的條件 不失真測(cè)試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性不失真測(cè)試系統(tǒng)條件的幅頻特性和相頻特性應(yīng)分別滿(mǎn)足應(yīng)分別滿(mǎn)足 A()=AA()=A0 0= =常數(shù)常數(shù) ()=-t()=-t0 0做傅立葉變換做傅立葉變換 頻域定義頻域定義第三部分第三部分 傳感器與測(cè)量原理介紹傳感器與測(cè)量原理介紹1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。換成另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為

20、電信號(hào)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。2. 2. 傳感器的構(gòu)成傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV3. 3. 傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi)1)1)按被測(cè)物理量分類(lèi)按

21、被測(cè)物理量分類(lèi)常見(jiàn)的被測(cè)物理量常見(jiàn)的被測(cè)物理量機(jī)械量機(jī)械量: :長(zhǎng)度長(zhǎng)度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角, ,轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)數(shù), ,質(zhì)量質(zhì)量, ,重量重量, ,力力, , 壓力壓力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,風(fēng)速風(fēng)速, ,流速流速, , 流量流量; ;聲聲: : 聲壓聲壓, ,噪聲噪聲. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁場(chǎng)磁場(chǎng). .溫度溫度: : 溫度溫度, ,熱量熱量, ,比熱比熱. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩機(jī)械式機(jī)械式, ,電氣式電氣式, ,光學(xué)式光學(xué)式, ,流體式等流體式等. .2)2)按工作的物理基礎(chǔ)分類(lèi)按工作的物理基礎(chǔ)分類(lèi): :

22、能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .3)3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :能量轉(zhuǎn)換型能量轉(zhuǎn)換型: :直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. . 例如例如: :熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì), ,壓電式加速度計(jì)壓電式加速度計(jì). .能量控制型能量控制型: :從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化供給能量的變化. .例如例如: :電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片. .4)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化

23、來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. .如如: :水銀溫度計(jì)水銀溫度計(jì). .結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型: :依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. . 例如例如: :電容式和電感式傳感器電容式和電感式傳感器. .4.4.電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器種傳感器, , 按工作的原理可分為按工作的原理可分為: :變阻器式、電阻應(yīng)變式、變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式熱敏式、光敏式、電敏式.1 1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器變阻器式傳感器產(chǎn)品變阻器式傳感器產(chǎn)品5 5 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變

24、式傳感器-應(yīng)變片應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形電阻值隨著所受機(jī)械變形( (伸長(zhǎng)或縮短伸長(zhǎng)或縮短) )的變化而發(fā)的變化而發(fā)生變化象。生變化象。 應(yīng)變計(jì)電阻式傳感器電阻式傳感器金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì) 應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù) 4 4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 1 1）幾何參數(shù)：表距）幾

25、何參數(shù)：表距L L和絲柵寬度和絲柵寬度b b，制造廠常用，制造廠常用 b bL L表示。表示。2 2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3 3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 電阻式傳感器電阻式傳感器3) 3) 應(yīng)變片測(cè)量電路應(yīng)變片測(cè)量電路VER1R2R3R4ERRRRRRRRV)(32413142電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù) 1.1.目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)折痕目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)折痕. .斷絲等斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.2.用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值

26、大用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆歐姆. .3.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無(wú)黑跡為止。酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無(wú)黑跡為止。4.4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼: :在應(yīng)變片基底上擠一小滴在應(yīng)變片基底上擠一小滴502502膠水，膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。5.5.焊線(xiàn)焊線(xiàn): :用電烙鐵將應(yīng)變片的引線(xiàn)焊接到導(dǎo)引線(xiàn)上。用電烙鐵將應(yīng)變片的引線(xiàn)焊接到導(dǎo)引線(xiàn)上。6

27、.6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于大于500M500M歐。歐。7.7.應(yīng)變片保護(hù)：用應(yīng)變片保護(hù)：用704704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。受潮。3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器7.7.電容式傳感器電容式傳感器 變換原理變換原理: :將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電兩平行極板組成的電容器容器, ,它的電容量為它的電容量為: :AC0+ A 、A A或或發(fā)生變發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。電容的變化。駐極體電容傳聲器駐極體電容傳聲器 它采用聚四氟乙

28、烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。 8 8 電感式傳感器電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類(lèi)分類(lèi): :電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型電感式接近傳感器（金屬）

29、電感式接近傳感器（金屬）3.4 電感式傳感器電感式傳感器渦流式渦流式原理原理: :渦流效應(yīng)渦流效應(yīng)產(chǎn)品：產(chǎn)品：電感式傳感器電感式傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器差動(dòng)變壓器位移傳感器9 9 磁電式傳感器磁電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: : 磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。dtdWe感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e e為為磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)速度有磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 cosSB

30、),(mdtdRB2 2 分類(lèi)分類(lèi) 磁磁電電式式動(dòng)圈式動(dòng)圈式磁阻式磁阻式線(xiàn)速度型線(xiàn)速度型角速度型角速度型N磁電式傳感器磁電式傳感器 動(dòng)圈式傳感器動(dòng)圈式傳感器 線(xiàn)速度型線(xiàn)速度型磁電式傳感器磁電式傳感器 角速度型角速度型測(cè)速電機(jī)測(cè)速電機(jī)磁電式傳感器磁電式傳感器 磁阻式傳感器磁阻式傳感器 磁電式車(chē)速傳感器磁電式車(chē)速傳感器磁電式傳感器磁電式傳感器 10 10 壓電式傳感器壓電式傳感器 1.1.變換原理變換原理: :壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) +串聯(lián)串聯(lián)+并聯(lián)并聯(lián) 某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部

31、會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。F+q=DF產(chǎn)品產(chǎn)品壓力變送器壓力變送器加速度計(jì)加速度計(jì)力傳感器力傳感器 壓電式傳感器壓電式傳感器 飛機(jī)模態(tài)分析飛機(jī)模態(tài)分析壓電式傳感器壓電式傳感器 11 11 磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器 sinIBKVHH 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。 1 1 霍爾元件霍爾

32、元件 磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器葉片和齒輪位置傳感器葉片和齒輪位置傳感器應(yīng)用應(yīng)用 磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器案例：案例：汽車(chē)速度測(cè)量汽車(chē)速度測(cè)量:磁敏元件傳感器磁敏元件傳感器2. 2. 熱電溫度計(jì)熱電溫度計(jì)( (熱電偶熱電偶) ) 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng) 將兩種不同材料的導(dǎo)體將兩種不同材料的導(dǎo)體A A和和B B串接成一個(gè)閉合串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。生熱電勢(shì)，形成電流，此現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。12 12 熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器熱敏傳感器12 12 光電傳感器光電傳感器 光電傳感器通

33、常是指能敏感到由紫外線(xiàn)到紅外光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線(xiàn)到紅外線(xiàn)光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。線(xiàn)光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì), ,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng), ,光線(xiàn)愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光線(xiàn)愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象, ,稱(chēng)為稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 。光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)

34、體敏感元件傳感器 光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式式( (直射式直射式) )、吸收式、遮光式、反射式、四種、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式?；拘问健?半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 3.7 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 半導(dǎo)體敏感元件傳感器半導(dǎo)體敏感元件傳感器 相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器相機(jī)測(cè)距反射式光電傳感器13 13 傳感器選用原則傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線(xiàn)選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線(xiàn)性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面性范圍、穩(wěn)定性、

35、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。的問(wèn)題。 1 1、靈敏度、靈敏度 一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但，一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但，在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 a)a)靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題；靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題； b)b)量程范圍。量程范圍。 c)c)交叉靈敏度問(wèn)題。交叉靈敏度問(wèn)題。 2 2 響應(yīng)特性響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。保持不失真的測(cè)量條件。 實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好

36、。延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。 3 3 線(xiàn)性范圍線(xiàn)性范圍 任何傳感器都有一定線(xiàn)性工作范圍。在線(xiàn)任何傳感器都有一定線(xiàn)性工作范圍。在線(xiàn)性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線(xiàn)性范圍愈性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線(xiàn)性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。作在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。 4 4 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5 5 精確度精確度 傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。 6 6 測(cè)量方式測(cè)量方式 傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破慮的重要因