机电一体化基本概念6.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南科技大学网络教育,传感器技术,6.1,传感器及分类,6.1.1,传感器组成,6.1.1.1,传感器,传感器是一种以一定精度将被测量（如位移、,力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的，,易于精度处理和测量的某种物理量（如电量）的,测量部件或装置。,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,图,6.1,传感器组成框图,(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。,(3),基本转换电路,将电路参数量转换成便于被测量的电量，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,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,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,。,表,6.1,基本物理量与其派生物理量,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。,（,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。,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。,（,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。,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。,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,度传感器等。,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,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。,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,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、,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。,（,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,。,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：,(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。,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（称为负荷效应）程度。其主要参数,是输入阻抗或静态刚度。,（,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,=,q,1/,q,2,（,6.1,）,式中：,q,1,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,；,q,2,示容变量，表示状态变化多少的量，,如位移、体积、速度、商等。,q,1,q,2,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=,q,1,q,2,（,6.2,）,因而,P,=,q,1,q,1/Z,或,P=q1,q1,Z,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,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,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,响应能量,P,=,F,2,/,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,性的主要参数为输出阻抗。,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,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。,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。,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,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。,（,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,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,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。,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,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,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。,(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,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。,利用容栅可实现大位移测量,(,测量达数百毫米,),。,容栅结构简单、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，,精度可达,1,m,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。,(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。,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,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,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,12,m,，,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,度，光栅为增量码测量系统。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,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,0.10.2,m,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、表面粗糙度等的精密测,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。,(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,1,m,左右。,(15),压电式位移传感器,由于压电元件的特性，它只能用于不断变化,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。,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,u,1(,t,),和,u,2(,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。,测量时，在固定距离,l,安置两个特性相同的传感,如光电式传感器（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,，,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,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,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。,表,6.7,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，使用方便，但频率下限受限制，体积，重量（约,1Kg,）较大,转子,陀螺,+2/S,2%,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,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,-4,10,-5,rad/s,灵敏度高，无机械活动部件，被测角速度一般大于,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,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,-8,rad/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,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,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，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,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,6.3.3,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,：,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，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。,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。,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,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,10,7,N,，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,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,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,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,对射线的吸收系数。不同介质吸收射线的能力不,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，,I,0,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,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,（,H,2,O,）,线性度,1%,图,6.2,单点对应法,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,图,6.3,超声物位传感器工作原理,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,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,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),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,-2,10,4,m,精度,0.1%,（校准）,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,液位,A,、,B,总高度为,h,1,(,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,v,1,和,v,2,。,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,t,1,在,A,、,B,两种液体中传播时往返时间,为,t,2,，则,(6.9),(6.10),由上两式可知，检测出,t,1,、,v,1,即可求得界面,位置,h,，或者检测出,t,1,、,t,2,和,v,2,，亦可求得,h,。,因为,h=h,2,h,1,。,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,图,6.5,微波物位,传感器,原理图,一定角度，微波从被测面反射后进入接收天线，,接收功率为,式中,P,0,-,发射天线的功率（,W,）；,G,-,接收天线的增益；,G,0,-,发射天线的增益；,S,-,发射天线到接收天线间的距离（,m,）；,(6.7),S,1,-,两天线位置离被测面的距离（,m,）；,-,微波波长,(,m,),式,（,6.7,）,中,P,0,、,G,、,G,0,、,S,和,为已知数，,若,令,k,=,2,P,0,GG,0,/16,2,，,则,设,S,1,的增量为,S,1,，,则微分上式可得,式中,:,P,是,S,1,的增量为,S,1,时对应的微波功率增量，,测得,P,后，即可确定物位（位移）变化,S,1,。,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),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,-2,1.0 m,精度,2,%,