機電一體化基本概念

機電一體化基本概念第1頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月目前，由于電子技術(shù)的進步，使電學(xué)量具有傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等特點，因此通常傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。6.1.1.2傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，如圖6.1第2頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.1傳感器組成框圖第3頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)敏感元件直接感受被測量，并以確定關(guān)系輸出某一物理量，如彈性敏感元件將力轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變輸出。(2)轉(zhuǎn)換元件將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、光強等）轉(zhuǎn)換成點參數(shù)（如電阻、電感、電容等）量。第4頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)基本轉(zhuǎn)換電路將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成便于被測量的電量，如電壓、電流、頻率等。實際的傳感器，有的很簡單，有的則很復(fù)雜。有些傳感器只有敏感元件（如熱電偶），感受被測溫差時直接輸出電動勢。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，無需基本轉(zhuǎn)換電路，如壓電式加速度傳感器。還有些傳感器由敏感元件和基第5頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月本轉(zhuǎn)換電路組成，如電容式位移傳感器。有些傳感器轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換才能輸出電量，大多數(shù)傳感器是開環(huán)系統(tǒng)，但也有個別是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。當前，由于空間的限制及技術(shù)等原因，基本轉(zhuǎn)換電路一般不和敏感元件、轉(zhuǎn)換元件裝在一個殼體內(nèi)，而是裝在電箱中。但不少傳感器需要通過基本轉(zhuǎn)換電路才能輸出便于測量的電量，而基本

第6頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)換電路的類型又與不同工作原理的傳感器有關(guān)。因此常把基本轉(zhuǎn)換電路作為傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。6.1.2傳感器的分類目前較多采用傳感器的分類方法有以下幾種：6.1.2.1按被測物理量分類這個分類方法明確地表示了傳感器的用途，便于使用者選擇。如位移傳感器用于測量位移，溫第7頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月度傳感器用于測量溫度等。一些常見的非電基本物理量與其對應(yīng)的派生量表見表6.1。第8頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.1基本物理量與其派生物理量第9頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2.2按傳感器工作原理分類這種分類方法清楚地表明了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設(shè)計和應(yīng)用（1）能量轉(zhuǎn)換型又稱發(fā)電型，不需要外加電源而將被測能量轉(zhuǎn)換成電能輸出。這類傳感器有壓電式、磁電感應(yīng)式、熱電藕、光電池等。第10頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）能量控制器又稱參量型，需外加電源才能輸出電能量。這類傳感器有電阻式、電容式、電感式等傳感器，還有熱敏電阻、光敏電阻、濕敏電阻等。第11頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2.4按傳感器的工作機理分類（1）結(jié)構(gòu)型被測參數(shù)變化引起的傳感器結(jié)構(gòu)變化。使輸出電量變化，利用物理學(xué)中場的定律和運動定律等構(gòu)成，定律方程式就是傳感器工作的數(shù)學(xué)模型，如電感式、電容式、光柵式等傳感器就是屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。第12頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）物性型利用某些物質(zhì)的某些性質(zhì)隨被測參數(shù)的變化而變化的原理構(gòu)成。傳感器的性能和材料密切相關(guān)，如光電管、各種半導(dǎo)體傳感器、壓電式傳感器等都是屬于物性型傳感器。第13頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.1.2.5按傳感器轉(zhuǎn)換過程可逆與否分類（1）單向只能將被測量轉(zhuǎn)換為電量，不能反之的傳感器稱單向傳感器。大多數(shù)的傳感器屬于這一類。（2）雙向能在傳感器的輸入、輸出端作雙向傳輸，即具有可逆特性的傳感器稱為雙向傳感器。如壓電式和磁電感應(yīng)式傳感器。第14頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2.6按傳感器輸出信號的形式分類（1）模擬式傳感器輸出模擬信號。（2）數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號，如編碼器式傳感器。應(yīng)該指出，習(xí)慣上常把工作原理和用途結(jié)合起來命名傳感器，如電位式位移傳感器、壓電式加速度傳感器等。第15頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2傳感器的特性6.2.1傳感器的動靜特性傳感器的特性主要是指輸出與輸入的關(guān)系，有靜態(tài)性和動態(tài)性之分。6.2.1.1傳感器的靜態(tài)特性（1）靜態(tài)特性當傳感器的輸入量為常量或隨時間做緩慢變化時，傳感器的輸出與輸入之間的關(guān)系稱為靜態(tài)第16頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月特性，簡稱靜特性。表征傳感器靜態(tài)特性的指標有線性度、靈敏度、重復(fù)性等。采用那些指標應(yīng)根據(jù)實際的需要來確定。第17頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.1.2傳感器的動態(tài)特性（1）動態(tài)特性傳感器的輸出量對于隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性稱為傳感器的動態(tài)特性。簡稱動特性。（2）動特性的分析方法傳感器的動特性取決于傳感器本身及輸入信號的形式。傳感器按其傳遞、轉(zhuǎn)換信息的形式可分為接觸式（以剛性接觸形式傳遞信息）、模擬第18頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月環(huán)節(jié)（多數(shù)是非剛性傳遞信息）和數(shù)字環(huán)節(jié)三類。若兼有幾種環(huán)節(jié)，則應(yīng)綜合分析，常以其中最薄弱環(huán)節(jié)的動特性為該傳感器的動特性。動態(tài)測量輸入信號的形式，通常采用正弦周期信號和階躍信號來表示。（4）模擬式傳感器的動特性為了分析的方便，通常把模擬傳感器看成是線性、定常、集中參數(shù)的系統(tǒng)，并分別為零階、第19頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月一階和二階的常微分方程表示其輸出與輸入之間的關(guān)系。凡是能用一個一階線性微分方程表示的傳感器稱為一階傳感器，其它類推。實際上模擬傳感器以一階、二階的居多，高階（三階、和三階以上）的較少，且高階傳感器一般可分解為若干個二階環(huán)節(jié)和一階環(huán)節(jié)，有時則采用實驗方法獲得其動態(tài)特性。第20頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）數(shù)字式傳感器的動特性對數(shù)字式傳感器的主要要求是在工作過程中不能丟數(shù)。因此，其動特性為輸入量變化的臨界速度。6.2.2傳感器的性能指標傳感器是非電量電測的首要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部件。傳感器質(zhì)量的好壞，一般通過若干個主要性能指標來表示。

第21頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月對于不同的傳感器，應(yīng)根據(jù)實際需要，確定其主要性能指標參數(shù)。有些指標可以要求低些或不予要求。應(yīng)注意穩(wěn)定性指標，這樣才有可能利用電路或微機對傳感器誤差進行補償和修正，使傳感器成本降低又能達到較高的精度。各種傳感器的變換原理、結(jié)構(gòu)、使用目的、環(huán)境條件雖然不相同，但對它們的主要性能指標要求卻是一致的。這些主要性能指標要求是：第22頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)高精度、低成本，根據(jù)實際要求合理確定靜態(tài)精度與成本的關(guān)系，盡量提高精度降低成本。(2)高靈敏度應(yīng)根據(jù)需要合理確定。(3)工作可靠。(4)穩(wěn)定性好。應(yīng)長期工作穩(wěn)定，抗腐蝕性好。(5)抗干擾能力強。(6)動態(tài)性能良好，測量應(yīng)有良好的動態(tài)性能(7)結(jié)構(gòu)簡單小巧、使用維護方便，通用性強，功耗小等。第23頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3傳感器的輸入、輸出特性和對環(huán)境的要求6.2.3.1輸入特性傳感器的輸入特性是用來衡量傳感器對被測對象的影響（稱為負荷效應(yīng)）程度。其主要參數(shù)是輸入阻抗或靜態(tài)剛度。第24頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）廣義輸入阻抗由于傳感器輸入量不是電量，因此用電阻抗推廣而來的廣義輸入阻抗為

Z=被測作用變量/被測流通變量=q1/q2（6.1）式中：q1—示強變量，表示在某種場合下作用強度的量，如力、壓力、溫度等；

q2——示容變量，表示狀態(tài)變化多少的量，如位移、體積、速度、商等。

第25頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

q1q2的乘積為與能量有關(guān)的量，如力和位移的積為功，力與速度的積為功率，

P=q1×q2（6.2）因而P=q1×q1/Z或P=q1×q1×Z

所以當被測量為作用變量（力、溫度等）時，傳感器的廣義輸入阻抗Z越大，對被測對象的干擾就越小，帶來的誤差也越小。反之，被測量為流通變量（速度、質(zhì)量等）時，傳感器的第26頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月廣義輸入阻抗越小，負荷效應(yīng)也越小。（2）靜態(tài)剛度某些傳感器在靜態(tài)工作時候，例如力傳感器測靜態(tài)力，處于平衡狀態(tài)傳感器受力點的速度為零，因此其才、輸入阻抗為無窮大，這個時用靜態(tài)剛度k表示輸入特性，即

k=F/x

(6.3)式中：

F——作用力x——位移第27頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月響應(yīng)能量P=F2/k(6.4)所以傳感器的剛度越大，從被測對象上獲得的能量越小，負荷效應(yīng)也就越小。6.2.3.2輸出特性非電量電測傳感器的輸出為電量，與測量電路之間有電阻抗匹配問題，因此傳感器的輸出特性的主要參數(shù)為輸出阻抗。第28頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.3.3對電源的要求能量控制型傳感器需外接電源。為了不使電源影響傳感器的精度，應(yīng)根據(jù)不同情況，要求電源的電壓或電流、頻率恒定。6.2.3.4對環(huán)境的要求環(huán)境變化（溫度、震動、噪聲等）將改變傳感器的某些特性，如靈敏度、線性度等指標，造成與被測量無關(guān)的輸出，如零點漂移。為了保證第29頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月測量精確度，根據(jù)使用目的，可對環(huán)境條件提出一定的要求，或采取一定的措施，也可根據(jù)環(huán)境條件和傳感器的環(huán)境參數(shù)指標（零點溫漂、加速度、靈敏度等）。合理選用傳感器；還可以采用反饋環(huán)節(jié)或微機系統(tǒng)來補償甚至消除環(huán)境因素的影響。第30頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2.4傳感器的標定與校準6.2.4.1傳感器的標定利用標準設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量(標準量)，用基準量來確定傳感器電輸出量與非電輸入量之間關(guān)系的過程稱為標定。工程測試中，傳感器的標定應(yīng)在其使用條件相似的環(huán)境狀態(tài)下進行，并將傳感器所配用的濾波器、放大器及電纜和傳感器聯(lián)接后一起標定。

第31頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月標定時應(yīng)按照規(guī)定的安裝條件進行安裝。（1）靜態(tài)指標輸入已知標準非電量，測出傳感器的輸出，給出標定曲線、標定方程和標定常數(shù)，計算靈敏度、線性度、滯差、重復(fù)性等傳感器的靜態(tài)特性指標。傳感器的靜態(tài)標定設(shè)計有力標定設(shè)備(測力砝碼、拉壓式測力計)、壓力標定設(shè)備(活塞十

第32頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月壓力計、水銀式壓力計、麥市真空計)，位移標定設(shè)備(量塊、直尺等)、溫度標定設(shè)備(鉑電阻溫度計、鉑銠-鉑熱電偶、基準光電高溫比較儀)等。對標定設(shè)備的要求是具有足夠的精度，至少應(yīng)比被標定的傳感器及其系統(tǒng)高一個數(shù)量級，并且符合國家計量值傳遞規(guī)定，或經(jīng)計量單位鑒定合格，量程范圍應(yīng)與被標定的傳感器的量程相適應(yīng)，性能穩(wěn)定可靠，使用方便，適應(yīng)多種環(huán)境。第33頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）動態(tài)標定用于確定傳感器的動態(tài)性能指標。通過確定其線性工作范圍（用同一頻率不同幅值的正弦信號輸入傳感器測量其輸出）、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線，來確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時間常數(shù)、阻尼比、固有頻率等。

傳感器的種類繁多，動態(tài)標定方法各異。幾第34頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月種標定中常用的動態(tài)激勵設(shè)備有激振器(電磁振動臺、低頻回轉(zhuǎn)臺、機械振動臺)、激波管、周期與非周期的函數(shù)壓力發(fā)生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、壓力傳感器的動態(tài)標定。6.2.4.2好傳感器的校準傳感器需定期檢測其基本性能參數(shù)，判斷是否可繼續(xù)使用，如能繼續(xù)使用，則應(yīng)對其有變化第35頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月的主要指標（靈敏度）進行數(shù)據(jù)修正，確保傳感器的測量精確度。校準與標定的內(nèi)容是基本相同的。第36頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3常用傳感器及應(yīng)用6.3.1位移和長度傳感器6.3.1.1位移和長度傳感器的選用位移和長度測量的常用傳感器的主要特點和應(yīng)用范圍如下：(1)電感式傳感器主要用于小位移量的測量，如尺寸偏差、形狀偏差、位置偏差、表面粗糙度的測量等。測量第37頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月精度高，用于小偏差測量可達亞微米精度。傳感器輸出阻抗小，有較強抗干擾能力，廣泛用于各種測量，包括加工中測量。能用于幾至幾百赫茲變化量的測量。憑特殊設(shè)計，量程可達幾至幾十毫米。也能用于轉(zhuǎn)換為位移的各種物理量測量。(2)變壓器式傳感器特點與應(yīng)用范圍大致與電感式傳感器相同。日本、美國多用變壓器式傳感器，歐洲多用電感第38頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月式傳感器。我國兩種傳感器均有生產(chǎn)，但高精度場合以用電感式傳感器為多。(3)電渦流式傳感器主要用于尺寸和位移參數(shù)的偏差測量。也可用于不接觸測量，精度可達微米級。用于形位和輪廓誤差測量較少。(4)電容式傳感器主要用于小位移、尺寸偏差等測量。可實現(xiàn)第39頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月不接觸測量，頻率響應(yīng)高(達數(shù)千赫茲)，在機床軸系測量中得到廣泛應(yīng)用。輸出阻抗高，傳感器電容值小，易受到外界環(huán)境因素的干擾，需采取妥善屏蔽措施。靈敏度高，在采取可行屏蔽措施條件下可達到很高的精度(微米至幾十納米)，采用接觸式傳感器可用于測量形位誤差，也可用于加工中測量?？勺龀蓽y角傳感器，或利用介電常數(shù)的變化測量液位等。第40頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月利用容柵可實現(xiàn)大位移測量(測量達數(shù)百毫米)。容柵結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小(與光柵等相比)，常用于數(shù)顯量具中，精度可達幾微米。(5)接觸式傳感器主要用于尺寸、形位與位置誤差的檢測，即根據(jù)它是否超差或在哪一范圍內(nèi)發(fā)出開關(guān)信號。在一維或多維測量中，利用它發(fā)采樣信號，可實現(xiàn)大位移的連續(xù)測量。常用于自動檢測，第41頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月精度可達1μm左右。不適合用于測量連續(xù)變化的參數(shù)。(6)電位器式傳感器可用于中小位移（偏差量和幾十毫米內(nèi)的位移量）和角度、位置、位移的測量（量程可達幾圈），用于精度要求不高的場所。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單成本低。第42頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

(7)應(yīng)變片式傳感器主要用于由力或熱的變形的測量。(8)感應(yīng)同步器用于大線位移與角位移的測量，可測量長達幾米的線位移與360°內(nèi)角位移的測量。輸出阻抗低，抗干擾能力強，對環(huán)境要求不高，廣泛用于各種數(shù)控機床的數(shù)顯裝置上，常用于中低精度的坐標測量機上，精度達每米幾個微米或幾秒。第43頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月通過接長或采用三重型感應(yīng)器同步器，可實現(xiàn)長達幾十米的線位移測量。一般感應(yīng)同步器為增量碼系統(tǒng)，即位置與編碼有一一對應(yīng)關(guān)系，有很強的抗干擾能力，不受移動速度限制，停電后能恢復(fù)讀數(shù)。(9)磁柵式傳感器用于大線位移與360°內(nèi)角位移的測量。尺型磁柵可測1m左右的位移，帶型與同軸型磁柵第44頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月可測數(shù)米位移，特別是帶型尺柵有更大的量程，常用于中等精度數(shù)控機床。尺型磁柵測量精度與感應(yīng)同步器相仿，約每米數(shù)微米。帶型與同軸型精度稍低，為每米0.01mm級。同軸型磁柵體積小，帶型磁柵可用于沒有良好安裝基面的情況。磁尺錄磁方便，磁盤與采用激光錄磁錄得的磁尺都有很高的精度，使得它們廣泛用于機床傳動鏈的測量中。采用磁柵，要求第45頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月沒有強磁場的干擾。

(10)光柵式傳感器用于大線位移測量與360°內(nèi)角位移的測量，測量精度高，可達每米1~2μm，常用于各種精密機床、坐標測量機、測角儀器與傳動鏈儀器中。對環(huán)境有較高的要求，量程常為1m左右，金屬光柵可稍長些。接長不如感應(yīng)同步器方便，長光柵刻畫也較困難。圓光柵測角可達1″或更高的精第46頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月度，光柵為增量碼測量系統(tǒng)?？梢钥讨屏阄粯酥荆雇ｋ姾竽芑謴?fù)原讀數(shù)并形成絕對坐標系，這類光柵稱為零位光柵。玻璃光柵對恒溫有較高要求，否則溫度變化會引起較大測量誤差。(11)光學(xué)碼盤式傳感器是一種絕對碼傳感器。隨著分辨率的提高，要求碼道數(shù)增加，刻畫的難度急劇增大。主要用于抗干擾性能要求特別高和需長期監(jiān)視其角度位

第47頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月置(如航天裝置)的場合。原理上也可構(gòu)成碼尺，但很少用。(12)激光式傳感器激光干涉?zhèn)鞲衅髦饕糜诖罅砍?、高精度的線位移的測量，每米可達0.1~0.2μm

的精度，采取特殊措施還可達更高精度，量程可達數(shù)米。對環(huán)境有嚴格的要求。激光干涉原理也可用于小角度、直線度、垂直度、表面粗糙度等的精密測第48頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月量。激光掃描與衍射可用于中小尺寸的測量。(13)光纖與化學(xué)成相式傳感器光纖式傳感器利用光纖可方便地將光束引到測量部位，如加工區(qū)域，或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)尺寸的測量，常用于小位移的測量和表面粗糙度的測量。電荷耦合器件(CCD)可方便地構(gòu)成圖象傳感器，實現(xiàn)視覺傳感器，進行圖象識別、輪廓測量等。第49頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月

(14)氣電轉(zhuǎn)換傳感器氣電轉(zhuǎn)換傳感器首先將被測尺寸或位移的變化轉(zhuǎn)換為氣壓或氣流量的變化，然后再變?yōu)殡娏?。它可實現(xiàn)不接觸測量，常用于大批量生產(chǎn)的小位移或形狀誤差測量中，也可用于加工中測量，精度可達1μm左右。(15)壓電式位移傳感器由于壓電元件的特性，它只能用于不斷變化第50頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月的位移測量。在幾何量測量中主要用于表面粗糙度與圓度測量，精度比采用電感傳感器低，但成本較低廉。電路簡單。(16)霍爾式傳感器可實現(xiàn)不接觸測量，主要用于一些特殊的場合，如測振動位移，測量力或其他參數(shù)等場合，或精度要求不高的場合，如接近開關(guān)。第51頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2速度傳感器6.3.2.1相關(guān)測速法相關(guān)法測量運動物體的線速度是基于相關(guān)原理，即當兩個平穩(wěn)的隨機信號u1(t)和u2(t)波形完全一致時，其互相關(guān)函數(shù)(T為有限平均時間,τ0為延遲時間)為極大值。第52頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月測量時，在固定距離l安置兩個特性相同的傳感如光電式傳感器（或電容式傳感器、超聲波發(fā)生器和接收傳感器等）。分別接收所在的位置物體運動時的隨機信號。當后一個傳感器接收的信號波形與前一個相同時，信號則延遲了τ0，則可求得運動物體的線速度：v=l/τ0表6.7列出了常用測速傳感器的主要性能和特點第53頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.2.2柵格式空間濾波器測速它是采用對空間頻率(單位空間線度內(nèi)物理量周期性變化的次數(shù)，如光線明暗變化的次數(shù))具有一定的選擇性的柵格式空間濾波器，將相對移動背景的隨機光強變化轉(zhuǎn)換成窄帶隨機信號，其中心頻率正比于相對運動速度，從而將移動速度的測量轉(zhuǎn)換成為頻率的測量。它不僅可以測量線速度，也可以測轉(zhuǎn)速，而且在測量目標上不需第54頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月作任何標記。6.3.2.3利用位移傳感器或加速度傳感器測速利用各種位移傳感器和微分電路可以測量運動物體的運動速度，也可利用加速度傳感器和積分電路測量運動速度。這種測速方法特別適用于運動體周圍不易獲得位移和速度測量參考物的情況，如空間飛行器的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。第55頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月表6.7常用測速傳感器的主要性能和特點類型精度線性度分辨率或靈敏度特點磁電感應(yīng)式5%~10%0.02%~0.1%600mV·s/cm靈敏度較高，性能穩(wěn)定，具有一定寬度，中頻響應(yīng)好（10~500Hz），不需外加電源，輸出為電壓，可直接與通用電子放大器連接，使用方便，但頻率下限受限制，體積，重量（約1Kg）較大轉(zhuǎn)子陀螺＜+2°/S±2%滿度值（0.6~2）°/s用于測量角速度和角位移，是一種慣性傳感器，安裝簡單，使用方便，但有機械活動部件，被測角速度范圍為±（30°~120°）/S，重量較重，為0.5kg左右，成本高，壽命較低第56頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型精度線性度分辨率或靈敏度特點壓電陀螺2%(讀數(shù)值)0.1%~1%(滿度值)<0.04°/s穩(wěn)定可靠，壽命長，（可達10000h以上，能承受惡劣環(huán)境，體積小重量輕，價格較低，為轉(zhuǎn)子陀螺的1/25~1/50，響應(yīng)快，線性度好，滯后小，功耗小，用于測量角度激光陀螺10-4~10-5rad/s靈敏度高，無機械活動部件，被測角速度一般大于100°/h,太低時會發(fā)生鎖定現(xiàn)象，即頻差小，必須采取措施加以防止，成本較高第57頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型精度線性度分辨率或靈敏度特點光纖陀螺穩(wěn)定性(0.03°~0.04°)/h可達10-8rad/s（理論值）精度高，穩(wěn)定性好，性能價格比高，重量輕，體積小，無閉鎖現(xiàn)象，靈敏度高，無活動部件，是一種有前途的角速度傳感器，正在發(fā)展中差動變壓器式0.2%~1%0.1%~0.5%50mV·s/mm漂移?。ā?.1%C°，≤0.1%/8h)，但只能測低速，±（10~200）mm/s第58頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型精度線性度分辨率或靈敏度特點光電式0.1%~0.5%或±1脈沖結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，非接觸測量，工作可靠，成本低，精度高，可測速度和轉(zhuǎn)速電容式±1脈沖非接觸測量，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，可用于測量轉(zhuǎn)速電渦流式±1脈沖結(jié)構(gòu)簡單，非接觸測量，耐油及污水，主要用來測量轉(zhuǎn)速霍爾式±1脈沖結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但對溫度敏感，用來測量轉(zhuǎn)速測速發(fā)電機0.2%~1%(0.4~0.5)mV·min/r線性度好，靈敏度高，輸出信號大，性能穩(wěn)定，用于工控中測量和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，一般測量范圍（20~400）r/min第59頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型精度線性度分辨率或靈敏度特點多普勒效應(yīng)測速精度高，測量范圍寬，用激光可測1cm/h超低速至超高速，非接觸測量，但裝置較復(fù)雜，成本較高相關(guān)法測速0.1%~0.5%非接觸測量，可連續(xù)地對大行程物體進行測量，不易受外界影響，但安裝調(diào)整較難柵格式空間濾波器±0.2%，綜合為0.5%±0.2%結(jié)構(gòu)簡單，非接觸測量，安裝調(diào)整較容易，但對柵格形狀和尺寸有所要求第60頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型精度線性度分辨率或靈敏度特點熱敏電阻式±4%反應(yīng)時間3~10s頻響好，可測風(fēng)速和瞬時轉(zhuǎn)速，但性能穩(wěn)定性較差，標定和讀出系統(tǒng)較復(fù)雜光纖式結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，環(huán)境影響小，測量范圍大，頻響特性好，磁電感應(yīng)式無轉(zhuǎn)動部分，對被測液體除要求導(dǎo)電外無其他要求，可測平均轉(zhuǎn)速，也可測脈動轉(zhuǎn)速熱線、熱膜式靈敏度高，測量范圍大（1cm/s~20m/s)，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可測紊流邊界層流速，接觸測量，對流場有干擾第61頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.3力傳感器傳感器的重要一類是力、力矩和壓力傳感器，其類型及用途見表6.8：第62頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用電阻應(yīng)變式測量范圍寬，精度高，動態(tài)性能好，壽命長，體積小，重量輕，價格便宜，可在高速、高壓、振動、磁場、輻射、腐蝕等惡劣條件工作粘貼在彈性元件表面，可測量力、壓力、扭矩、荷重、壓阻式靈敏度高，機械滯后小，分辨力高，測量范圍大，頻響好，體積小，功耗小，易集成、使用方便，但有較大的非線性誤差和溫度誤差，需采取溫度補償措施各種場合，目前主要用于測力，是一種有發(fā)展前途的傳感器壓電式線性好，頻響寬，靈敏度高，遲滯小，重復(fù)性良好，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用方便，無需外加電源，抗聲、磁干擾能力強，溫度系數(shù)低。要求后級輸入阻抗高。用于測量靜態(tài)力到動態(tài)力、壓力，更適宜于動態(tài)和惡劣環(huán)境中力的測量。第63頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用聲表面波SAW精度高，靈敏度高，輸出頻率信號，易集成，體積小，重量輕，功耗小，抗干擾能力強測量壓力、稱重、壓磁式輸出功率大，信號強，抗干擾能力和過載能力強，牢固可靠，壽命長。能在惡劣環(huán)境下工作。精度較低（均1%），反應(yīng)速度較低。常用于機械、冶金、礦山、運輸?shù)炔块T測力、測扭矩和稱重光纖式重量輕，可制成任意形狀，頻響范圍寬，靈敏度高，抗電磁干擾能力強，可在惡劣環(huán)境下工作。用于測量壓力、水聲，適宜于易燃易爆、強腐蝕、電磁干擾等工業(yè)環(huán)境中使用，尤其適用于遙測。第64頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用氣電式宜于實現(xiàn)自動化，可在高溫、磁場等環(huán)境中工作。響應(yīng)時間較長（0.2~1s），需凈化氣源。測量壓力、壓差壓磁式輸出功率大，信號強，抗干擾能力和過載能力強，牢固可靠，壽命長。能在惡劣環(huán)境下工作。精度較低（均1%），反應(yīng)速度較低。常用于機械、冶金、礦山、運輸?shù)炔块T測力、測扭矩和稱重振弦式靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單測量范圍大，輸出頻率信號。精度較低，（約±1.5%滿量程）并且要求振弦材料性能和加工工藝較高測量大氣壓力，可達幾十兆帕，也可用于測量扭矩振筒式遲滯誤差和漂移極小，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，分辨力高，輕便，成本低，輸出頻率信號。有非線性誤差，不能測大的氣壓測量氣體壓力第65頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用振膜式測量范圍大，精度高（如測量10MPa精度可達0.1%)，輸出頻率信號。有非線性誤差。測量壓力振動式穩(wěn)定度高，尺寸小，重量輕，量程可達107N，輸出頻率信號。有非線性，當頻率變化10%時有3%~5%的非線性誤差。測量靜態(tài)力和緩變力（0~50Hz）石英諧振式精度高，靈敏度高，線性好，測量范圍寬，體積小，重量輕，動態(tài)響應(yīng)好，功耗低，輸出頻率信號?？垢蓴_能力強，價格較貴。測量靜壓力和準靜壓力，也可以測動態(tài)壓力力平衡式精度高，穩(wěn)定性好，動特性好，靈敏度高，橫向靈敏度低，調(diào)整方便靈活。體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格貴可測力和壓力，但目前主要用于超低頻加速度測量第66頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用核輻射式不受溫度等因素影響，精度一般為0.1%，裝置復(fù)雜，需特殊防護。測量氣體壓力，稱重電容式結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，動特性好，過載能力強，環(huán)境要求低，成本低。但干擾大，寄生電容影響大，需屏蔽。測量壓力霍爾式結(jié)構(gòu)簡單，體積小，頻帶寬（直流至微波），動態(tài)范圍大，（輸出電勢變化1000：1），壽命長，可靠性高，易集成，但轉(zhuǎn)換效率低，溫度影響大。測量壓力電位器式結(jié)構(gòu)簡單，線性較好，輸出信號大，使用方便，但一般精度不高，動態(tài)響應(yīng)較差測量壓力第67頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月類型特點應(yīng)用自感式和差動變壓器式工作可靠，靈敏度高，分辨力高，線性度可達±0.1%，有較大的輸出功率。要求電源電壓的頻率和幅值穩(wěn)定。頻率響應(yīng)差，不宜快速動態(tài)測量，且非線性誤差和測量范圍有關(guān)，誤差大時，范圍大，分辨力低。測量力、壓力、扭矩、轉(zhuǎn)矩、荷重等。磁電感應(yīng)式無需外加電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗低。但尺寸重量較大，需定期檢修，不適宜高溫工作測量扭矩第68頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.4物位傳感器6.3.4.1放射性同位素物位傳感器放射性同位素的射線射入一定厚度的介質(zhì)時，只有一部分射線能穿過介質(zhì)，其余部分被介質(zhì)吸收，穿過介質(zhì)的射線強度I隨介質(zhì)厚度δ增加而減弱，即

I=I0e

-μδ

（6.5）式中，I0是射入介質(zhì)的射線強度；μ是介質(zhì)第69頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月對射線的吸收系數(shù)。不同介質(zhì)吸收射線的能力不同，通常固體吸收能力最高，液體次之，氣體最弱。當放射性元素和被測介質(zhì)一定時，I0和μ為常數(shù)，故檢測出通過介質(zhì)的射線強度I即可確定被測介質(zhì)的厚度δ。應(yīng)用放射性同位素檢測物位的方法有四種：單點對應(yīng)法，自動跟蹤檢測法，定點檢測法和單射源多接收器組合檢測法。單點對應(yīng)法見圖6.2第70頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月所示，它是在容器外部相對應(yīng)的位置分別安裝放射源和接收器。當射線通過容器中的液體時被吸收，吸收量隨液體h升高而增加，因此由接收器檢測到的射線強度可確定液體高度h。單點對應(yīng)法有安裝方便、便于維修等優(yōu)點，缺點是檢測液體的范圍較窄。主要性能：檢測范圍500mm（H2O）線性度1%第71頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.2單點對應(yīng)法第72頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月6.3.4.2超聲物位傳感器超聲物位傳感器工作原理如圖6.3所示，它是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播的回聲測距原理檢測物位，故超聲物位傳感器有氣體介質(zhì)式、液體介質(zhì)式和固體介質(zhì)式三類。圖6.3(a)、(c)為單探頭形式，即探頭(換能器)發(fā)射超聲波，又接收超聲波。圖6.3(b)、(d)為雙探頭形式，即一個探頭發(fā)射超聲波，另一個探頭第73頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6.3超聲物位傳感器工作原理第74頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月接收超聲波。液體介質(zhì)式超聲波探頭既可安裝在如圖6.3(a)所示液體介質(zhì)底部，亦可安裝在容器外部。設(shè)被測介質(zhì)的高度為h，超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度為v，超聲波從單探頭發(fā)射到介質(zhì)面，又由介質(zhì)面反射到探頭共需時間t。則介質(zhì)面高度為

h=vt/2

(6.6)圖6.3(c)的工作原理同圖6.3(a)的工作原理，但第75頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月式中是超聲波在空氣中的傳播速度。

圖6.3(b)、(d)中，超聲波經(jīng)過介質(zhì)的路程為2S，而因此，被測液位高為式中,α為兩探頭之間距離的一半。超聲物位傳感器可用于危險場所非接觸檢測(6.7)(6.8)第76頁，課件共86頁，創(chuàng)作于2023年2月物位，有精度高和換能器壽命長等優(yōu)點，缺點是液體波浪大時誤差大。單探頭式不能檢測