机电一体化基本概念精选文档.ppt

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1、机电一体化基本概念本讲稿第一页，共八十六页目前，由于电子技术的进步，使电学量具有传输、转换、处理、显示等特点，因此通常传感器是将非电量转换成电量输出。6.1.1.2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部分组成，如图6.1 本讲稿第二页，共八十六页图6.1 传感器组成框图本讲稿第三页，共八十六页(1)敏感元件 直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量，如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。(2)转换元件 将敏感元件输出的非电物理量（如位移、应变、光强等）转换成点参数（如电阻、电感、电容等）量。本讲稿第四页，共八十六页(3)基本转换电路 将电路参数量转换成便于被测量的

2、电量，如电压、电流、频率等。实际的传感器，有的很简单，有的则很复杂。有些传感器只有敏感元件（如热电偶），感受被测温差时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本讲稿第五页，共八十六页本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器转换元件不止一个，要经过若干次转换才能输出电量，大多数传感器是开环系统，但也有个别是带反馈的闭环系统。当前，由于空间的限制及技术等原因，基本转换电路一般不和敏感元件、转换元件装在一个壳体内，而是装在电箱中。但不少传感器需要通过基本转换电路才能输出便于测量的电量，而基本 本讲稿第六页，共八十六页

3、转换电路的类型又与不同工作原理的传感器有关。因此常把基本转换电路作为传感器的组成环节之一。6.1.2传感器的分类 目前较多采用传感器的分类方法有以下几种：6.1.2.1 按被测物理量分类 这个分类方法明确地表示了传感器的用途，便于使用者选择。如位移传感器用于测量位移，温本讲稿第七页，共八十六页度传感器用于测量温度等。一些常见的非电基本物理量与其对应的派生量表见表6.1。本讲稿第八页，共八十六页表6.1 基本物理量与其派生物理量本讲稿第九页，共八十六页6.1.2.2按传感器工作原理分类 这种分类方法清楚地表明了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和应用（1）能量转换型 又称发电型 ，不需要外加电

4、源而将被测能量转换成电能输出。这类传感器有压电式、磁电感应式、热电藕、光电池等。本讲稿第十页，共八十六页（2）能量控制器 又称参量型 ，需外加电源才能输出电能量。这类传感器有电阻式、电容式、电感式等传感器，还有热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。本讲稿第十一页，共八十六页6.1.2.4 按传感器的工作机理分类（1）结构型 被测参数变化引起的传感器结构变化。使输出电量变化，利用物理学中场的定律和运动定律等构成，定律方程式就是传感器工作的数学模型，如电感式、电容式、光栅式等传感器就是属于结构型传感器。本讲稿第十二页，共八十六页（2）物性型 利用某些物质的某些性质随被测参数的变化而变化的原理构成。传感器

5、的性能和材料密切相关，如光电管、各种半导体传感器、压电式传感器等都是属于物性型传感器。本讲稿第十三页，共八十六页6.1.2.5 按传感器转换过程可逆与否分类（1）单向 只能将被测量转换为电量，不能反之的传感器称单向传感器。大多数的传感器属于这一类。（2）双向 能在传感器的输入、输出端作双向传输，即具有可逆特性的传感器称为双向传感器。如压电式和磁电感应式传感器。本讲稿第十四页，共八十六页6.1.2.6 按传感器输出信号的形式分类（1）模拟式 传感器输出模拟信号。（2）数字式 传感器输出数字信号，如编码器式传感器。应该指出，习惯上常把工作原理和用途结合起来命名传感器，如电位式位移传感器、压电式加速

6、度传感器等。本讲稿第十五页，共八十六页6.2 传感器的特性6.2.1 传感器的动静特性 传感器的特性主要是指输出与输入的关系，有静态性和动态性之分。6.2.1.1传感器的静态特性（1）静态特性 当传感器的输入量为常量或随时间做缓慢变化时，传感器的输出与输入之间的关系称为静态本讲稿第十六页，共八十六页特性，简称静特性。表征传感器静态特性的指标有线性度、灵敏度、重复性等。采用那些指标应根据实际的需要来确定。本讲稿第十七页，共八十六页6.2.1.2传感器的动态特性（1）动态特性 传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性称为传感器的动态特性。简称动特性。（2）动特性的分析方法 传感器的动特性取决

7、于传感器本身及输入信号的形式。传感器按其传递、转换信息的形式可分为接触式（以刚性接触形式传递信息）、模拟本讲稿第十八页，共八十六页环节（多数是非刚性传递信息）和数字环节三类。若兼有几种环节，则应综合分析，常以其中最薄弱环节的动特性为该传感器的动特性。动态测量输入信号的形式，通常采用正弦周期信号和阶跃信号来表示。（4）模拟式传感器的动特性 为了分析的方便，通常把模拟传感器看成是线性、定常、集中参数的系统，并分别为零阶、本讲稿第十九页，共八十六页一阶和二阶的常微分方程表示其输出与输入之间的关系。凡是能用一个一阶线性微分方程表示的传感器称为一阶传感器，其它类推。实际上模拟传感器以一阶、二阶的居多，高

8、阶（三阶、和三阶以上）的较少，且高阶传感器一般可分解为若干个二阶环节和一阶环节，有时则采用实验方法获得其动态特性。本讲稿第二十页，共八十六页（5）数字式传感器的动特性 对数字式传感器的主要要求是在工作过程中不能丢数。因此，其动特性为输入量变化的临界速度。6.2.2 传感器的性能指标 传感器是非电量电测的首要环节和关键部件。传感器质量的好坏，一般通过若干个主要性能指标来表示。本讲稿第二十一页，共八十六页 对于不同的传感器，应根据实际需要，确定其主要性能指标参数。有些指标可以要求低些或不予要求。应注意稳定性指标，这样才有可能利用电路或微机对传感器误差进行补偿和修正，使传感器成本降低又能达到较高的精

9、度。各种传感器的变换原理、结构、使用目的、环境条件虽然不相同，但对它们的主要性能指标要求却是一致的。这些主要性能指标要求是：本讲稿第二十二页，共八十六页(1)高精度、低成本，根据实际要求合理确定静态精度与成本的关系，尽量提高精度降低成本。(2)高灵敏度应根据需要合理确定。(3)工作可靠。(4)稳定性好。应长期工作稳定，抗腐蚀性好。(5)抗干扰能力强。(6)动态性能良好，测量应有良好的动态性能(7)结构简单小巧、使用维护方便，通用性强，功耗小等。本讲稿第二十三页，共八十六页6.2.3 传感器的输入、输出特性 和对环境的要求6.2.3.1 输入特性 传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响

10、（称为负荷效应）程度。其主要参数是输入阻抗或静态刚度。本讲稿第二十四页，共八十六页（1）广义输入阻抗 由于传感器输入量不是电量，因此用电阻抗推广而来的广义输入阻抗为 Z=被测作用变量/被测流通变量=q1/q2（6.1）式中：q1示强变量，表示在某种场合下作用强 度的量，如力、压力、温度等；q2示容变量，表示状态变化多少的量，如位移、体积、速度、商等。本讲稿第二十五页，共八十六页 q1q2的乘积为与能量有关的量，如力和位移的积为功，力与速度的积为功率，P=q1q2 （6.2）因而 P=q1q1/Z 或 P=q1q1Z 所以当被测量为作用变量（力、温度等）时，传感器的广义输入阻抗Z越大，对被测对象

11、的干扰就越小，带来的误差也越小。反之，被测量为流通变量（速度、质量等）时，传感器的本讲稿第二十六页，共八十六页广义输入阻抗越小，负荷效应也越小。（2）静态刚度 某些传感器在静态工作时候，例如力传感器测静态力，处于平衡状态传感器受力点的速度为零，因此其才、输入阻抗为无穷大，这个时用静态刚度k表示输入特性，即 k=F/x (6.3)式中：F作用力 x位移 本讲稿第二十七页，共八十六页响应能量 P=F2/k (6.4)所以传感器的刚度越大，从被测对象上获得的能量越小，负荷效应也就越小。6.2.3.2 输出特性 非电量电测传感器的输出为电量，与测量电路之间有电阻抗匹配问题，因此传感器的输出特性的主要参

12、数为输出阻抗。本讲稿第二十八页，共八十六页6.2.3.3 对电源的要求 能量控制型传感器需外接电源。为了不使电源影响传感器的精度，应根据不同情况，要求电源的电压或电流、频率恒定。6.2.3.4 对环境的要求 环境变化（温度、震动、噪声等）将改变传感器的某些特性，如灵敏度、线性度等指标，造成与被测量无关的输出，如零点漂移。为了保证本讲稿第二十九页，共八十六页测量精确度，根据使用目的，可对环境条件提出一定的要求，或采取一定的措施，也可根据环境条件和传感器的环境参数指标（零点温漂、加速度、灵敏度等）。合理选用传感器；还可以采用反馈环节或微机系统来补偿甚至消除环境因素的影响。本讲稿第三十页，共八十六页

13、6.2.4 传感器的标定与校准6.2.4.1 传感器的标定 利用标准设备产生已知的非电量(标准量)，用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程称为标定。工程测试中，传感器的标定应在其使用条件相似的环境状态下进行，并将传感器所配用的滤波器、放大器及电缆和传感器联接后一起标定。本讲稿第三十一页，共八十六页标定时应按照规定的安装条件进行安装。（1）静态指标 输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器的静态特性指标。传感器的静态标定设计有力标定设备(测力砝码、拉压式测力计)、压力标定设备(活塞十 本讲稿第三十二页，共八十

14、六页压力计、水银式压力计、麦市真空计)，位移标定设备(量块、直尺等)、温度标定设备(铂电阻温度计、铂铑-铂热电偶、基准光电高温比较仪)等。对标定设备的要求是具有足够的精度，至少应比被标定的传感器及其系统高一个数量级，并且符合国家计量值传递规定，或经计量单位鉴定合格，量程范围应与被标定的传感器的量程相适应，性能稳定可靠，使用方便，适应多种环境。本讲稿第三十三页，共八十六页（2）动态标定 用于确定传感器的动态性能指标。通过确定其线性工作范围（用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器测量其输出）、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线，来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常

15、数、阻尼比、固有频率等。传感器的种类繁多，动态标定方法各异。几本讲稿第三十四页，共八十六页种标定中常用的动态激励设备有激振器(电磁振动台、低频回转台、机械振动台)、激波管、周期与非周期的函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。6.2.4.2好 传感器的校准 传感器需定期检测其基本性能参数，判断是否可继续使用，如能继续使用，则应对其有变化本讲稿第三十五页，共八十六页的主要指标（灵敏度）进行数据修正，确保传感器的测量精确度。校准与标定的内容是基本相同的。本讲稿第三十六页，共八十六页6.3 常用传感器及应用6.3.1 位移和长度传感器6.3.1.1 位移和长度

16、传感器的选用 位移和长度测量的常用传感器的主要特点和应用范围如下：(1)电感式传感器 主要用于小位移量的测量，如尺寸偏差、形状偏差、位置偏差、表面粗糙度的测量等。测量本讲稿第三十七页，共八十六页精度高，用于小偏差测量可达亚微米精度。传感器输出阻抗小，有较强抗干扰能力，广泛用于各种测量，包括加工中测量。能用于几至几百赫兹变化量的测量。凭特殊设计，量程可达几至几十毫米。也能用于转换为位移的各种物理量测量。(2)变压器式传感器 特点与应用范围大致与电感式传感器相同。日本、美国多用变压器式传感器，欧洲多用电感本讲稿第三十八页，共八十六页式传感器。我国两种传感器均有生产，但高精度场合以用电感式传感器为多

17、。(3)电涡流式传感器 主要用于尺寸和位移参数的偏差测量。也可用于不接触测量，精度可达微米级。用于形位和轮廓误差测量较少。(4)电容式传感器 主要用于小位移、尺寸偏差等测量。可实现本讲稿第三十九页，共八十六页不接触测量，频率响应高(达数千赫兹)，在机床轴系测量中得到广泛应用。输出阻抗高，传感器电容值小，易受到外界环境因素的干扰，需采取妥善屏蔽措施。灵敏度高，在采取可行屏蔽措施条件下可达到很高的精度(微米至几十纳米)，采用接触式传感器可用于测量形位误差，也可用于加工中测量。可做成测角传感器，或利用介电常数的变化测量液位等。本讲稿第四十页，共八十六页利用容栅可实现大位移测量(测量达数百毫米)。容栅

18、结构简单、尺寸小 (与光栅等相比)，常用于数显量具中，精度可达几微米。(5)接触式传感器 主要用于尺寸、形位与位置误差的检测，即根据它是否超差或在哪一范围内发出开关信号。在一维或多维测量中，利用它发采样信号，可实现大位移的连续测量。常用于自动检测，本讲稿第四十一页，共八十六页精度可达1m左右。不适合用于测量连续变化的参数。(6)电位器式传感器 可用于中小位移（偏差量和几十毫米内的位移量）和角度、位置、位移的测量（量程可达几圈），用于精度要求不高的场所。优点是结构简单成本低。本讲稿第四十二页，共八十六页(7)应变片式传感器 主要用于由力或热的变形的测量。(8)感应同步器 用于大线位移与角位移的测

19、量，可测量长达几米的线位移与360内角位移的测量。输出阻抗低，抗干扰能力强，对环境要求不高，广泛用于各种数控机床的数显装置上，常用于中低精度的坐标测量机上，精度达每米几个微米或几秒。本讲稿第四十三页，共八十六页通过接长或采用三重型感应器同步器，可实现长达几十米的线位移测量。一般感应同步器为增量码系统，即位置与编码有一一对应关系，有很强的抗干扰能力，不受移动速度限制，停电后能恢复读数。(9)磁栅式传感器 用于大线位移与360内角位移的测量。尺型磁栅可测 1 m左右的位移，带型与同轴型磁栅本讲稿第四十四页，共八十六页可测数米位移，特别是带型尺栅有更大的量程，常用于中等精度数控机床。尺型磁栅测量精度

20、与感应同步器相仿，约每米数微米。带型与同轴型精度稍低，为每米0.01mm级。同轴型磁栅体积小，带型磁栅可用于没有良好安装基面的情况。磁尺录磁方便，磁盘与采用激光录磁录得的磁尺都有很高的精度，使得它们广泛用于机床传动链的测量中。采用磁栅，要求本讲稿第四十五页，共八十六页没有强磁场的干扰。(10)光栅式传感器 用于大线位移测量与360内角位移的测量，测量精度高，可达每米12m，常用于各种精密机床、坐标测量机、测角仪器与传动链仪器中。对环境有较高的要求，量程常为1m左右，金属光栅可稍长些。接长不如感应同步器方便，长光栅刻画也较困难。圆光栅测角可达1或更高的精本讲稿第四十六页，共八十六页度，光栅为增量

21、码测量系统。可以刻制零位标志，使停电后能恢复原读数并形成绝对坐标系，这类光栅称为零位光栅。玻璃光栅对恒温有较高要求，否则温度变化会引起较大测量误差。(11)光学码盘式传感器 是一种绝对码传感器。随着分辨率的提高，要求码道数增加，刻画的难度急剧增大。主要用于抗干扰性能要求特别高和需长期监视其角度位 本讲稿第四十七页，共八十六页置(如航天装置)的场合。原理上也可构成码尺，但很少用。(12)激光式传感器 激光干涉传感器主要用于大量程、高精度的线位移的测量，每米可达0.10.2m 的精度，采取特殊措施还可达更高精度，量程可达数米。对环境有严格的要求。激光干涉原理也可用于小角度、直线度、垂直度、表面粗糙

22、度等的精密测本讲稿第四十八页，共八十六页量。激光扫描与衍射可用于中小尺寸的测量。(13)光纤与化学成相式传感器 光纤式传感器利用光纤可方便地将光束引到测量部位，如加工区域，或实现内尺寸的测量，常用于小位移的测量和表面粗糙度的测量。电荷耦合器件(CCD)可方便地构成图象传感器，实现视觉传感器，进行图象识别、轮廓测量等。本讲稿第四十九页，共八十六页(14)气电转换传感器 气电转换传感器首先将被测尺寸或位移的变化转换为气压或气流量的变化，然后再变为电量。它可实现不接触测量，常用于大批量生产的小位移或形状误差测量中，也可用于加工中测量，精度可达1m左右。(15)压电式位移传感器 由于压电元件的特性，它

23、只能用于不断变化本讲稿第五十页，共八十六页的位移测量。在几何量测量中主要用于表面粗糙度与圆度测量，精度比采用电感传感器低，但成本较低廉。电路简单。(16)霍尔式传感器 可实现不接触测量，主要用于一些特殊的场合，如测振动位移，测量力或其他参数等场合，或精度要求不高的场合，如接近开关。本讲稿第五十一页，共八十六页6.3.2 速度传感器6.3.2.1 相关测速法 相关法测量运动物体的线速度是基于相关原理，即当两个平稳的随机信号u1(t)和u2(t)波形完全一致时，其互相关函数 (T为有限平均时间,0为延迟时间)为极大值。本讲稿第五十二页，共八十六页测量时，在固定距离 l 安置两个特性相同的传感如光电

24、式传感器（或电容式传感器、超声波发生器和接收传感器等）。分别接收所在的位置物体运动时的随机信号。当后一个传感器接收的信号波形与前一个相同时，信号则延迟了0 0，则可求得运动物体的线速度：v=l/0表6.7列出了常用测速传感器的主要性能和特点本讲稿第五十三页，共八十六页6.3.2.2 栅格式空间滤波器测速 它是采用对空间频率(单位空间线度内物理量周期性变化的次数，如光线明暗变化的次数)具有一定的选择性的栅格式空间滤波器，将相对移动背景的随机光强变化转换成窄带随机信号，其中心频率正比于相对运动速度，从而将移动速度的测量转换成为频率的测量。它不仅可以测量线速度，也可以测转速，而且在测量目标上不需本讲

25、稿第五十四页，共八十六页作任何标记。6.3.2.3 利用位移传感器或加速度传感器测速 利用各种位移传感器和微分电路可以测量运动物体的运动速度，也可利用加速度传感器和积分电路测量运动速度。这种测速方法特别适用于运动体周围不易获得位移和速度测量参考物的情况，如空间飞行器的惯性制导系统。本讲稿第五十五页，共八十六页表表6.7 6.7 常用测速传感器的主要性能和特点常用测速传感器的主要性能和特点类型精度线性度分辨率或灵敏度特点磁电感应式5%10%0.02%0.1%600mVs/cm灵敏度较高，性能稳定，具有一定宽度，中频响应好（10500Hz），不需外加电源，输出为电压，可直接与通用电子放大器连接，使

26、用方便，但频率下限受限制，体积，重量（约1Kg）较大转子陀螺+2/S2%满度值（0.62）/s用于测量角速度和角位移，是一种惯性传感器，安装简单，使用方便，但有机械活动部件，被测角速度范围为（30120）/S，重量较重，为0.5kg左右，成本高，寿命较低本讲稿第五十六页，共八十六页类型精度线性度分辨率或灵敏度特点压电陀螺2%(读数值)0.1%1%(满度值)0.04/s稳定可靠，寿命长，（可达10000h以上，能承受恶劣环境，体积小重量轻，价格较低，为转子陀螺的1/251/50，响应快，线性度好，滞后小，功耗小，用于测量角度激光陀螺10-410-5rad/s灵敏度高，无机械活动部件，被测角速度一

27、般大于100/h,太低时会发生锁定现象，即频差小，必须采取措施加以防止，成本较高本讲稿第五十七页，共八十六页类型精度线性度分辨率或灵敏度特点光纤陀螺稳定性(0.030.04)/h可达10-8rad/s（理论值）精度高，稳定性好，性能价格比高，重量轻，体积小，无闭锁现象，灵敏度高，无活动部件，是一种有前途的角速度传感器，正在发展中差动变压器式0.2%1%0.1%0.5%50mVs/mm漂移小（0.1%C，0.1%/8h)，但只能测低速，（10200）mm/s本讲稿第五十八页，共八十六页类型精度线性度分辨率或灵敏度特点光电式0.1%0.5%或1脉冲结构简单，体积小，重量轻，非接触测量，工作可靠，成

28、本低，精度高，可测速度和转速电容式1脉冲非接触测量，结构简单，可靠性高，可用于测量转速电涡流式1脉冲结构简单，非接触测量，耐油及污水，主要用来测量转速霍尔式1脉冲结构简单，体积小，但对温度敏感，用来测量转速测速发电机0.2%1%(0.40.5)mVmin/r线性度好，灵敏度高，输出信号大，性能稳定，用于工控中测量和调节电动机的转速，一般测量范围（20400）r/min本讲稿第五十九页，共八十六页类型精度线性度分辨率或灵敏度特点多普勒效应测速精度高，测量范围宽，用激光可测1cm/h超低速至超高速，非接触测量，但装置较复杂，成本较高相关法测速0.1%0.5%非接触测量，可连续地对大行程物体进行测量

29、，不易受外界影响，但安装调整较难栅格式空间滤波器0.2%，综合为0.5%0.2%结构简单，非接触测量，安装调整较容易，但对栅格形状和尺寸有所要求本讲稿第六十页，共八十六页类型精度线性度分辨率或灵敏度特点热敏电阻式4%反应时间310s频响好，可测风速和瞬时转速，但性能稳定性较差，标定和读出系统较复杂光纤式结构简单，使用方便，环境影响小，测量范围大，频响特性好，磁电感应式无转动部分，对被测液体除要求导电外无其他要求，可测平均转速，也可测脉动转速热线、热膜式灵敏度高，测量范围大（1cm/s20m/s)，体积小，结构简单，可测紊流边界层流速，接触测量，对流场有干扰本讲稿第六十一页，共八十六页6.3.3

30、 力传感器 传感器的重要一类是力、力矩和压力传感器，其类型及用途见表6.8：本讲稿第六十二页，共八十六页类型特点应用电阻应变式测量范围宽，精度高，动态性能好，寿命长，体积小，重量轻，价格便宜，可在高速、高压、振动、磁场、辐射、腐蚀等恶劣条件工作粘贴在弹性元件表面，可测量力、压力、扭矩、荷重、压阻式灵敏度高，机械滞后小，分辨力高，测量范围大，频响好，体积小，功耗小，易集成、使用方便，但有较大的非线性误差和温度误差，需采取温度补偿措施各种场合，目前主要用于测力，是一种有发展前途的传感器压电式线性好，频响宽，灵敏度高，迟滞小，重复性良好，结构简单，工作可靠，使用方便，无需外加电源，抗声、磁干扰能力强

31、，温度系数低。要求后级输入阻抗高。用于测量静态力到动态力、压力，更适宜于动态和恶劣环境中力的测量。本讲稿第六十三页，共八十六页类型特点应用声表面波SAW精度高，灵敏度高，输出频率信号，易集成，体积小，重量轻，功耗小，抗干扰能力强测量压力、称重、压磁式输出功率大，信号强，抗干扰能力和过载能力强，牢固可靠，寿命长。能在恶劣环境下工作。精度较低（均1%），反应速度较低。常用于机械、冶金、矿山、运输等部门测力、测扭矩和称重光纤式重量轻，可制成任意形状，频响范围宽，灵敏度高，抗电磁干扰能力强，可在恶劣环境下工作。用于测量压力、水声，适宜于易燃易爆、强腐蚀、电磁干扰等工业环境中使用，尤其适用于遥测。本讲稿

32、第六十四页，共八十六页类型特点应用气电式宜于实现自动化，可在高温、磁场等环境中工作。响应时间较长（0.21s），需净化气源。测量压力、压差压磁式输出功率大，信号强，抗干扰能力和过载能力强，牢固可靠，寿命长。能在恶劣环境下工作。精度较低（均1%），反应速度较低。常用于机械、冶金、矿山、运输等部门测力、测扭矩和称重振弦式灵敏度高，结构简单测量范围大，输出频率信号。精度较低，（约1.5%满量程）并且要求振弦材料性能和加工工艺较高测量大气压力，可达几十兆帕，也可用于测量扭矩振筒式迟滞误差和漂移极小，稳定性和重复性好，分辨力高，轻便，成本低，输出频率信号。有非线性误差，不能测大的气压测量气体压力本讲稿第

33、六十五页，共八十六页类型特点应用振膜式测量范围大，精度高（如测量10MPa精度可达0.1%)，输出频率信号。有非线性误差。测量压力振动式稳定度高，尺寸小，重量轻，量程可达107N，输出频率信号。有非线性，当频率变化10%时有3%5%的非线性误差。测量静态力和缓变力（050Hz）石英谐振式精度高，灵敏度高，线性好，测量范围宽，体积小，重量轻，动态响应好，功耗低，输出频率信号。抗干扰能力强，价格较贵。测量静压力和准静压力，也可以测动态压力力平衡式精度高，稳定性好，动特性好，灵敏度高，横向灵敏度低，调整方便灵活。体积较大，结构较复杂，价格贵可测力和压力，但目前主要用于超低频加速度测量本讲稿第六十六页

34、，共八十六页类型特点应用核辐射式不受温度等因素影响，精度一般为0.1%，装置复杂，需特殊防护。测量气体压力，称重电容式结构简单，灵敏度高，动特性好，过载能力强，环境要求低，成本低。但干扰大，寄生电容影响大，需屏蔽。测量压力霍尔式结构简单，体积小，频带宽（直流至微波），动态范围大，（输出电势变化1000：1），寿命长，可靠性高，易集成，但转换效率低，温度影响大。测量压力电位器式结构简单，线性较好，输出信号大，使用方便，但一般精度不高，动态响应较差测量压力本讲稿第六十七页，共八十六页类型特点应用自感式和差动变压器式工作可靠，灵敏度高，分辨力高，线性度可达0.1%，有较大的输出功率。要求电源电压的频

35、率和幅值稳定。频率响应差，不宜快速动态测量，且非线性误差和测量范围有关，误差大时，范围大，分辨力低。测量力、压力、扭矩、转矩、荷重等。磁电感应式无需外加电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗低。但尺寸重量较大，需定期检修，不适宜高温工作测量扭矩本讲稿第六十八页，共八十六页6.3.4 物位传感器6.3.4.1 放射性同位素物位传感器 放射性同位素的射线射入一定厚度的介质时，只有一部分射线能穿过介质，其余部分被介质吸收，穿过介质的射线强度 I 随介质厚度 增加而减弱，即 I=I 0 e-（6.5）式中，I 0是射入介质的射线强度；是介质本讲稿第六十九页，共八十六页对射线的吸收系数。不同介质吸收射线的能

36、力不同，通常固体吸收能力最高，液体次之，气体最弱。当放射性元素和被测介质一定时，I0 和为常数，故检测出通过介质的射线强度 I 即可确定被测介质的厚度。应用放射性同位素检测物位的方法有四种：单点对应法，自动跟踪检测法，定点检测法和单射源多接收器组合检测法。单点对应法见图6.2本讲稿第七十页，共八十六页所示，它是在容器外部相对应的位置分别安装放射源和接收器。当射线通过容器中的液体时被吸收，吸收量随液体 h 升高而增加，因此由接收器检测到的射线强度可确定液体高度 h。单点对应法有安装方便、便于维修等优点，缺点是检测液体的范围较窄。主要性能：检测范围 500mm（H2O）线性度 1%本讲稿第七十一页

37、，共八十六页图6.2 单点对应法本讲稿第七十二页，共八十六页6.3.4.2超声物位传感器 超声物位传感器工作原理如图6.3所示，它是利用超声波在气体、液体和固体介质中传播的回声测距原理检测物位，故超声物位传感器有气体介质式、液体介质式和固体介质式三类。图6.3(a)、(c)为单探头形式，即探头(换能器)发射超声波，又接收超声波。图6.3(b)、(d)为双探头形式，即一个探头发射超声波，另一个探头本讲稿第七十三页，共八十六页图6.3 超声物位传感器工作原理本讲稿第七十四页，共八十六页接收超声波。液体介质式超声波探头既可安装在如图6.3(a)所示液体介质底部，亦可安装在容器外部。设被测介质的高度为

38、h，超声波在该介质中的传播速度为 v，超声波从单探头发射到介质面，又由介质面反射到探头共需时间 t。则介质面高度为 h=v t/2 (6.6)图6.3(c)的工作原理同图6.3(a)的工作原理，但本讲稿第七十五页，共八十六页式中是超声波在空气中的传播速度。图6.3(b)、(d)中，超声波经过介质的路程为2S，而因此，被测液位高为 式中,为两探头之间距离的一半。超声物位传感器可用于危险场所非接触检测(6.7)(6.8)本讲稿第七十六页，共八十六页物位，有精度高和换能器寿命长等优点，缺点是液体波浪大时误差大。单探头式不能检测小于盲区的距离，双探头式虽然理论上无盲区，但由于电路耦合和探头的侧向超声辐

39、射对接收器的作用，使接收电路有微弱输出。主要性能：检测范围 10-2104 m 精度 0.1%（校准）本讲稿第七十七页，共八十六页6.3.4.3超声界面传感器 利用超声波可检测液-液或液-固两种介质界面的位置，图 6.4为反射时间差法检测液-液相界面位置的原理图。超声换能器安装在容器底部，其中两种不同本讲稿第七十八页，共八十六页液位A、B总高度为h1(已知)，相界面位置在高度h 处，超声波在它们中的传播速度分别为v1和v2。设超声探头发射的超声波在液体 A中传播时的往返时间为t1,在A、B两种液体中传播时往返时间为t2，则(6.9)(6.10)本讲稿第七十九页，共八十六页 由上两式可知，检测出

40、t1、v1 即可求得界面位置 h，或者检测出 t1、t2 和 v2，亦可求得 h。因为 h=h 2 h 1。本讲稿第八十页，共八十六页 6.3.4.4 微波物位传感器 微波是波长为0.011m的电磁波，它能在各种障碍物上产生良好的反射；在传播过程中定向辐射性好，被测介质对微波的吸收量跟介质的介电系数成正比。水吸收微波最多，在传输过程中，烟、尘、火、强光对微波的影响很小。微波的这些特性可用于检测物位或位移。图6.5为微波物位传感器的原理图。发射天线和接收天线构成本讲稿第八十一页，共八十六页 图6.5 微波物位 传感器 原理图本讲稿第八十二页，共八十六页一定角度，微波从被测面反射后进入接收天线，接

41、收功率为式中 P0-发射天线的功率（W）；G-接收天线的增益；G0-发射天线的增益；S-发射天线到接收天线间的距离（m）；(6.7)本讲稿第八十三页，共八十六页 S1-两天线位置离被测面的距离（m）；-微波波长(m)式（6.7）中P0、G、G0、S 和 为已知数，若令 k=2P0GG0 /162，则 设 S1 的增量为 S1，则微分上式可得本讲稿第八十四页，共八十六页 式中:P 是S1 的增量为S1时对应的微波功率增量，测得P后，即可确定物位（位移）变化S1。微波物位传感器有检测范围宽和性能稳定等优点，缺点是精度不高，这种传感器可用于检测(6.8)本讲稿第八十五页，共八十六页物位和液位变化，但应注意，当微波频率高于3000MHz时，由于水分子吸收微波能量，故若被测环境周围有水蒸气或有大的温度变化，则微波物位传感器的检测效果会受到影响。微波物位传感器的主要性能 检测范围 10-21.0 m 精度 2%本讲稿第八十六页，共八十六页