檢測功能與實際應(yīng)用

1、4.1 檢測裝置概述檢測裝置概述4.2 位移檢測傳感器位移檢測傳感器4.3 速度、加速度傳感器速度、加速度傳感器4.4 力、力矩傳感器力、力矩傳感器4.5 機械式定位、檢測裝置簡介機械式定位、檢測裝置簡介4.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成第四章第四章機電系統(tǒng)定位與檢測裝置設(shè)計機電系統(tǒng)定位與檢測裝置設(shè)計4.1測量系統(tǒng)的基本性能 n 將傳感器配合某些特定功能的電路，可以構(gòu)成一個測量系統(tǒng)。 n在測量系統(tǒng)中，由于測量的范圍不同，而且測量系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)（包括傳感器與各級電路）都可能存在內(nèi)部的噪聲或受到外界的干擾，使測量系統(tǒng)的性能受到影響，因此需要用一些指標來表示一個測量系統(tǒng)的性能。 精度 n精

2、度用三個指標來說明，即：準確性、重復性和精度。 n準確性描述測量器具測得值與被測量真值的偏差程度。n重復性描述測得值的分散程度。 n精度是準確性與重復性的綜合。 (a) (b) (c)準確性、重復性與精度準確性、重復性與精度穩(wěn)定性 n穩(wěn)定性有兩個指標。一是穩(wěn)定度，它表示在某一段時間內(nèi)測量系統(tǒng)輸出值的變化；二是影響量，它表示外部環(huán)境和工作條件的變化所引起的測量系統(tǒng)輸出值的不穩(wěn)定。 n穩(wěn)定度指在規(guī)定時間內(nèi)（通常有每小時、每月、每年）工作環(huán)境條件不變的情況下，測量系統(tǒng)輸出值的變化程度。 n影響量指溫度、濕度、氣壓、振動、電源電壓和電源頻率等環(huán)境因素變化所引起的測量系統(tǒng)輸出值的變化程度。 輸入輸出特性

3、 n靜態(tài)特性 n量程和測量范圍。通常用可測量上限與可測量下限的差來表示量程，而用區(qū)間可測量上限，可測量下限來表示測量范圍。 n靈敏度。靈敏度是測量系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下，測量值增量與引起該增量的被測量增量之比，即輸入輸出特性曲線上各點的斜率（導數(shù)）。 n 線性度。用非線性誤差來度量特性曲線與擬合直線之間的偏差。 n 滯環(huán)誤差。滯環(huán)誤差又稱回差、遲滯。反映被測量值增大過程（正行程）中輸出量值與被測量值減小過程（反行程）中輸出量值的差異。n過載能力：測量系統(tǒng)能夠承受的被測量的最大值。 靜態(tài)特性n非線性誤差n滯環(huán)誤差量程、測量范圍與靈敏度量程、測量范圍與靈敏度線性度線性度 滯環(huán)特性滯環(huán)特性 測量系統(tǒng) n測

4、量系統(tǒng)的任務(wù)是獲得機械電子系統(tǒng)內(nèi)部各種需要的狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息來控制系統(tǒng)的運行。 感知n獲取機械電子系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)信息只是測量的一部分，有些系統(tǒng)，尤其是自主型或智能型機械電子系統(tǒng)（如自主型機器人系統(tǒng)等），還需要獲取系統(tǒng)的外部的環(huán)境信息，并要求“理解”環(huán)境，這部分功能稱為“感知”。n有時，除了“獲取”環(huán)境信息外，還要“理解”環(huán)境。 n測量與感知都是系統(tǒng)的測量部分，只是兩者對測量對象、測量范圍和測量的要求不同，在本書中測量模塊主要指的傳統(tǒng)測量方式，針對機械電子內(nèi)部狀態(tài)信息的測量，感知模塊則是指采用傳統(tǒng)測量方式和現(xiàn)代測量技術(shù)對機械電子外部信息的測量。 測量技術(shù)的歷史1n測量技術(shù)并不是一門新的技

5、術(shù)，它可以追溯到開始有商品交換的年代。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了更多的專用測量儀器以滿足人們對自然界研究的需要。 n在機械制造的手工時期，加工質(zhì)量（尺寸、幾何形狀、精度和表面粗糙度等）主要是保證尺寸合格。 n到了簡單機械時期，由于蒸汽動力的機床可以進行小批量生產(chǎn)，因此提出了互換性的精密度要求。 n機械工業(yè)進一步的發(fā)展對測量系統(tǒng)提出了更高的要求，為了監(jiān)測一個機械裝置或一個生產(chǎn)過程，要求測量的物理量日益增多，如位移、速度、加速度、力、力矩、應(yīng)變、溫度、壓力、流量和液位等。 測量技術(shù)的歷史2n1798年美國技師兼工業(yè)家惠特尼（E. Whitney）為了完成萬支來復槍的生產(chǎn)要求，提出了互換性的概念，并

6、進行了互換性零件的生產(chǎn)； n1851和1852年英國的惠特沃思(J.B. Whitworth)展出了他制造的塞規(guī)和螺旋測微裝置；n1851年和1867年，美國人布朗(J.R. Brown)先后發(fā)明了游標卡尺和千分尺（其精度為0.025毫米），并開始成批地生產(chǎn)； n1898年瑞典人約翰遜(C.E. Johansson)制成了塊規(guī)， 1907年他進一步將塊規(guī)同巴黎米原器的標準統(tǒng)一起來。 測量技術(shù)的歷史3n最早的儀器本質(zhì)上都采用模擬方法，提供一些關(guān)于過程動作的簡單物理參數(shù)，而反饋則是由操作者完成的，操作者根據(jù)儀表讀數(shù)進行必要的調(diào)節(jié)，保持過程正常運行。n進一步的發(fā)展是自動反饋控制機構(gòu)的應(yīng)用，儀表逐漸與

7、過程統(tǒng)一于一體，儀表把信息反饋到控制器，而控制過程只需很少的人工干預就可調(diào)節(jié)系統(tǒng)動作。測量技術(shù)的歷史4n在20世紀60年代后期，人們認識到分散控制的優(yōu)點，并將繼電器用于生產(chǎn)過程控制。有一段時間，計算機監(jiān)測系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)共同使用，計算機主要作為中央單元依次接收來自各個檢測點的信號，起監(jiān)視作用。后來出現(xiàn)了帶有微處理器的可編程控制器和采用嵌入式微處理器的分布式控制系統(tǒng)。n20世紀70年代中期以來，微電子和計算機技術(shù)的發(fā)展，使處理器的性能價格比大大提高。在許多情況下，現(xiàn)有的傳感器和換能器已不能滿足要求，從而導致新型傳感器和換能器的發(fā)展。今天人們往往把具有現(xiàn)場處理能力的敏感器件和信號處理電路甚至微

8、處理器集成在一個硅片上。 4.1測量系統(tǒng)的基本性能 n 將傳感器配合某些特定功能的電路，可以構(gòu)成一個測量系統(tǒng)。 n在測量系統(tǒng)中，由于測量的范圍不同，而且測量系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)（包括傳感器與各級電路）都可能存在內(nèi)部的噪聲或受到外界的干擾，使測量系統(tǒng)的性能受到影響，因此需要用一些指標來表示一個測量系統(tǒng)的性能。 動態(tài)特性 n測量系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量其動態(tài)響應(yīng)的性能指標，它表示當被測物理量隨時間變化時，測量系統(tǒng)的輸出是否能及時、準確地跟隨被測參量變化。 n測量系統(tǒng)的動態(tài)特性通常用微分方程來描述，分析動態(tài)系統(tǒng)的頻域方法和時域方法（如傳遞函數(shù)，或階躍響應(yīng)的上升時間和超調(diào)量等各種時域的指標）均可用于測量系統(tǒng)

9、的動態(tài)性能描述。 4.2測量方法 n測量方法指測量原理和測量方式的組合。n測量方法的分類形式有多種。n按測量手段分類有直接法、間接法；n按測量方式分類有偏差式、零位式和微差式等；n按測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量作用可分為主動式和被動式；n按敏感元器件與被測物體是否有機械接觸可分為接觸式和非接觸式；n按被測量是否隨時間變化可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。6.2測量方法 n測量方法指測量原理和測量方式的組合。n測量方法的分類形式有多種。n按測量手段分類有直接法、間接法；n按測量方式分類有偏差式、零位式和微差式等；n按測量系統(tǒng)是否向被測對象施加能量作用可分為主動式和被動式；n按敏感元器件與被測物體是否有

10、機械接觸可分為接觸式和非接觸式；n按被測量是否隨時間變化可分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。直接法、間接法測量 n使用能對被測量做出直接反映的測量器具對被測量進行測量，這種方法稱為直接測量法。 n在直接測量中，除測量器具之外，參與測量過程的量只有待測量本身。 n如果已知待測量與其它量有確定的函數(shù)關(guān)系，可以測其它量，然后再通過已知的函數(shù)關(guān)系求得待測量值，這種方法稱為間接測量法。 n已知的函數(shù)關(guān)系可能是某種物理、化學規(guī)律，也可以是人為定義某種特定關(guān)系。 聯(lián)立測量法或組合測量法 n有時一個對象的若干個量值須同時測量，而已知的函數(shù)關(guān)系式數(shù)目較少，這種情形下往往需要直接、間接方法聯(lián)合使用。 n即用直接法測出能測的

11、幾個量值，代入已知函數(shù)關(guān)系式中求解出不易直接測的未知參數(shù)值。 n例如直流電功率的測量，以往是用間接法測量，直接測電流和電壓，然后由公式P=UI求功率。n直接測量簡捷、迅速、實時性強，間接測量費時多、手續(xù)繁，只是在不便直接測量的情形下才采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多的間接測量手段可以實現(xiàn)直接化，使日益增多的對象能實時測量。 偏差式、零位式、微差式測量法 n事先標定測量器具的起始點（通常為零點）。測量中，測量儀表對待測量的反映是儀表某個輸出量相對于起始點的偏差。這種方法稱為偏差式測量法 。n零位式測量法是將被測量與一個精度較高的標準量比較，用指零儀表來指示比較的結(jié)果，如果被測量與標準量相等，指零儀

12、表就指向零，否則指向正和負 。n微差式測量法綜合了偏差式的速度和零位式的精度的優(yōu)點。微差式測量法先將被測量X與標準量N比較，并取差值XN，然后用偏差式測量法求得偏差值，簡單計算XN。如果N ，總的測量結(jié)果準確度會很高。 4.3 測量誤差 n在任何測量過程中，都不可避免地要產(chǎn)生誤差。為了評估測得值的可靠程度，必須正確地估算誤差。n測量誤差是測得值X與真值X0之差X： XXX0 n實踐中，被測量真值X0是不知道的，所以只能估算測量誤差。 絕對誤差和相對誤差 n絕對誤差為XXX0n實用中往往指出X的最小值，記為min，稱為極限誤差，從而有 XminX0Xminn相對誤差為n相對誤差用于不同數(shù)量級、不

13、同類型量的測量結(jié)果之間精確程度的比較。而絕對誤差只能用于判斷對同一被測量的測量精確程度。 0100%100%XXXX工具誤差和方法誤差 n工具誤差是由所使用的器具、儀表等工具不完善而造成的誤差。器具、儀表等越簡陋，引起的工具誤差越大。n方法誤差是由于測量方法不當或所依賴的理論有缺陷導致的誤差。例如把非線性特性當作線性特性對待、或線性化處理不當?shù)取?系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差 n系統(tǒng)誤差是在相同測量條件下多次測量同一被測量所呈現(xiàn)的有規(guī)律的誤差。工具誤差和方法誤差都屬于系統(tǒng)誤差。重新選擇測量方法、改用較高精度的工具可以減小工具誤差。 n隨機誤差是由一系列不易控制的偶然因素引起的測量誤差，故又稱為

14、偶然誤差。 n系統(tǒng)誤差決定了測量準確性；隨機誤差決定了測量重復性。 n粗大誤差是指測量結(jié)果中出現(xiàn)的明顯不符合事實或由于重大誤操作引起的誤差。 4.4 信號處理和信息管理 n在信號處理方面，由于現(xiàn)代計算機的出現(xiàn)，除了計算外，還增加了存貯等功能，因此使過去的數(shù)據(jù)計算變?yōu)榻裉斓男盘柼幚怼?n由于傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的現(xiàn)場處理功能，使得各種補償?shù)靡詫崿F(xiàn)。n現(xiàn)場處理功能還可以把測得的信號變換成便于在通訊線路上傳輸?shù)男问剑员銈鬏斀o主機進行進一步處理。n有現(xiàn)場處理能力的傳感器和換能器還可以作常規(guī)的自檢和自校。n主機甚至可以下放一些決策權(quán)給傳感器和換能器。 n由于應(yīng)用了先進的信號數(shù)據(jù)處理技術(shù)，發(fā)展出了所謂“

15、傳感器融合”和“數(shù)據(jù)融合”的概念，即用來自多個信息源的信息構(gòu)成復雜系統(tǒng)的整體圖解。 4.5 測量系統(tǒng)的設(shè)計 n機械電子系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)大多是自動測量系統(tǒng)，它把檢測、數(shù)據(jù)處理和顯示、故障診斷和報警、校驗等技術(shù)結(jié)合在一起。往往是多個傳感器、多路信號有機地構(gòu)成一個測量系統(tǒng)，而不是若干臺儀器儀表的簡單合并。 n自動測量系統(tǒng)往往是在線、實時、動態(tài)、自動測量。另外，測量系統(tǒng)不應(yīng)對被測對象造成任何明顯的影響，為此常把盡量減少了體積的傳感器置于測量現(xiàn)場，用某種連接方式在一定距離以外接收傳感器輸出的信號。 連接方式 測量系統(tǒng)總體設(shè)計需要的因素 n確定所需的信息，同時確定為提供所需信息而測量的系統(tǒng)物理參數(shù)。n用諸

16、如線性度、精度、分辨率等指標來衡量測量系統(tǒng)的特征、質(zhì)量及性能。n確認所能容許的最差效果。n測算漂移對系統(tǒng)性能的影響，特別是零漂。n分析影響傳感器和換能器工作特性的環(huán)境因素，如溫度、干擾等。n成本預算。n信息傳送的形式和性質(zhì)。n系統(tǒng)的可靠性。n人機界面、測量模塊與其它模塊的界面。信息過多或信息不足 n第一種情況（即提供過多信息）是由于不斷提高測量系統(tǒng)的測量水平和不斷擴大測量范圍所致，從而形成了一種以過分的高精度和高分辨率采集所有可以得到的信息的趨勢。結(jié)果使有用的數(shù)據(jù)混在大量無關(guān)的信息中，且由于這些無關(guān)數(shù)據(jù)的存在，給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理帶來了沉重的負擔。n第二種情況（即提供信息不足）大多因為對測量在整個

17、系統(tǒng)中的功能和目的考慮不周所致。這種不能提供所需要全部信息的缺點會導致系統(tǒng)整體功能的顯著下降。測量系統(tǒng)的詳細設(shè)計要考慮的因素 n根據(jù)性能要求選擇測量方法。n選擇適當?shù)膫鞲衅骱蛽Q能器。n考慮所需的現(xiàn)場處理功能。n與傳感器、換能器相配合的硬件和機械、電器裝置的規(guī)格及專用器材的制造。n有關(guān)的軟件及軟件編制。n整個測量系統(tǒng)的設(shè)計過程中，必須認識到測量系統(tǒng)和整個系統(tǒng)的聯(lián)系，包括和其它子系統(tǒng)的聯(lián)系。 一個實例運貨卡車懸掛系統(tǒng) n測量系統(tǒng)的任務(wù)是測出每個車輪相對于車身在垂直方向的位置、速度和加速度以及汽車行駛速度和轉(zhuǎn)向角度。這些信號都要送到微處理器中，并由此確定各執(zhí)行機構(gòu)的動作。 n最佳的測量方法是測量位移

18、和加速度，通過對加速度計的輸出進行積分而得到速度。 n最佳選擇是：將一個可調(diào)直線式電感傳感器安裝在軸上，以把所需行程減少。n因為傳感器易受灰塵、水和腐蝕性鹽的影響。因此，需要把傳感器安裝在一個封閉罩內(nèi)，以充分保護其不受環(huán)境的影響。 n應(yīng)在離懸掛系統(tǒng)較遠的地方安裝一個信號處理器，并用雙絞線屏蔽電纜進行通信。 另一個實例金屬塑性成形過程 n測量系統(tǒng)的任務(wù)是實時測量成形過程中的以下參數(shù)： n總變形力。n模具的錯移力。n成形件特殊部位單位壓力的大小、方向。n壓力中心的位置。n相對應(yīng)的變形速度。金屬塑性成形過程測量系統(tǒng) n位移采用差動式位移傳感器或光柵式位移傳感器來測量。 n通過對位移信號微分來得到設(shè)備

19、的加載速度信號，然后對成形件的變形量進行實時測量，最后得到對應(yīng)于每一成形件、每一變形階段的變形速度。 n變形力和模具錯移力分別采用4只和6只電阻片式測力傳感器來測量；特殊部位的單位壓力采用若干只特別的壓力傳感器來測量；通過對4只測變形力傳感器的安裝位置和測量數(shù)據(jù)計算可以得到壓力中心位置。n由于傳感器的輸出信號很小，需經(jīng)由前置放大器、隔離放大器、高精度電源組成的信號處理電路加以處理，再經(jīng)過由A/D換能器和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)組成的采集系統(tǒng)將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入計算機進行記錄和處理，并在屏幕上實時顯示。n計算機對數(shù)據(jù)實時處理和實時顯示需要編寫專門的軟件。 思考題 n簡述測量系統(tǒng)在機械電子系統(tǒng)中的重要性。

20、n測量系統(tǒng)有哪些主要指標？n測量方法有哪些分類形式？n請自己選擇一個工業(yè)系統(tǒng)，設(shè)計其測量方法，并說明原因。4.5.1 概述 n在許多測量系統(tǒng)中，傳感器和轉(zhuǎn)換器都是用來獲取系統(tǒng)狀態(tài)信息的。本書采用以下定義，但在使用時通常不做嚴格區(qū)分。 n傳感器在測量系統(tǒng)中，對所測(特定)物理參數(shù)發(fā)生響應(yīng)的器件。n轉(zhuǎn)換器把能量和信息從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過程的同時，能量形式也可能發(fā)生變化。數(shù)據(jù)測量時的預處理和后處理 n除了傳感器和轉(zhuǎn)換器，測量系統(tǒng)還包括一個預處理級和后處理級 n預處理級是在信號與傳感器接觸之前提取信號特征，然后對輸入信號檢測、響應(yīng)并將輸入信號提供給傳感器。n從傳感器輸出的信

21、號經(jīng)過后處理級的處理后得到最終輸出信號。 一個實例轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng) n從光源發(fā)出的光經(jīng)過帶有狹縫的圓盤(稱為編碼盤)后產(chǎn)生一系列的脈沖，換能器接收這些脈沖并將其轉(zhuǎn)換成電脈沖。n后處理級對一定時間間隔內(nèi)發(fā)生的脈沖進行計數(shù)，并計算出編碼盤的旋轉(zhuǎn)速度。 可用于信息傳遞的能量形式n傳感器傳遞信息的物理基礎(chǔ)是能量轉(zhuǎn)化。有六種能量形式可用于信息傳遞。n輻射能包括所有的電磁波譜。主要參數(shù)有：頻率、相位、強度和極化方向等。n機械能主要參數(shù)有：距離、速度、尺寸和力等。n熱能可以利用多種溫度效應(yīng)和熱效應(yīng)。主要參數(shù)有熱容、潛熱和相變特性等。n電能主要參數(shù)有電流、電壓、電阻、電容和電感等。n磁能包括磁場參數(shù)，如磁場強度和

22、磁通密度等。n化學能涉及到物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為，主要參數(shù)有：濃度、晶體結(jié)構(gòu)和凝聚狀態(tài)等。 無源和有源傳感器 n根據(jù)能源利用情況，傳感器可分為無源(直接式)傳感器和有源(間接式)傳感器。n無源傳感器在轉(zhuǎn)換中不需要外界附加能量。n光電轉(zhuǎn)換裝置和熱電偶等直接式傳感器就是直接把輸入能量轉(zhuǎn)換成電能輸出的。n有源傳感器在轉(zhuǎn)換中需要外界附加能量。n應(yīng)變片和霍爾器件等間接式傳感器則需要附加能量以產(chǎn)生電信號。 傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類 n根據(jù)功能分類 ，典型的被測量如下 n位移線位移和角位移。n速度線速度、角速度和流速等。n加速度振動。n幾何量位置、長度、面積、厚度、體積、表面粗糙度等。n質(zhì)量重力、負載、密度。n力靜

23、力、動力、壓差、力矩、功率。n其它硬度、粘度。傳感器和轉(zhuǎn)換器的分類n根據(jù)性能分類 n性能可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈敏度、量程等靜態(tài)性能和響應(yīng)特性的動態(tài)指標來評估。 n根據(jù)輸出信號分類 n模擬量輸出產(chǎn)生一個連續(xù)的輸出信號，信號的某些性質(zhì)直接與被測量大小有關(guān)。n數(shù)字量輸出產(chǎn)生一個串行的或并行的數(shù)字信號，信息可以在一些固定的時間間隔上提取，也可以按要求提取。n頻率輸出 產(chǎn)生的信號頻率是被測量的函數(shù)，輸出是連續(xù)波形或脈沖波形，可以用計數(shù)器和定時器將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式。n編碼輸出 可以產(chǎn)生各種不同的編碼信號，包括：振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制和脈沖位置調(diào)制。傳感器的一般要求n足夠的容量傳感器的工作

24、范圍或量程足夠大；具有一定的過載能力。n靈敏度高，精度適當即要求其輸出信號與被測信號成確定的關(guān)系（通常為線性），且比值要大；傳感器的靜態(tài)響應(yīng)與動態(tài)響應(yīng)的準確度能滿足要求。n響應(yīng)速度快，工作穩(wěn)定，可靠性好。n使用性和適應(yīng)性強體積小，重量輕，動作能量小，對被測對象的狀態(tài)影響小；內(nèi)部噪聲小而又不易受外界干擾的影響；其輸出力求采用通用或標準形式，以便與系統(tǒng)對接。n使用經(jīng)濟成本低，壽命長，且便于使用、維修和校準。傳感器技術(shù)的發(fā)展 n傳感器技術(shù)的發(fā)展主要有：半導體硅材料傳感器、采用光纖的光學系統(tǒng)、壓電器件、超聲器件等等。 集成化智能傳感器簡圖集成化智能傳感器簡圖 傳感器技術(shù)的發(fā)展n固態(tài)轉(zhuǎn)換器 n光電轉(zhuǎn)換器

25、 n壓電轉(zhuǎn)換器 n超聲轉(zhuǎn)換器 n與接觸式測量相比，非接觸式測量有以下優(yōu)點：n減少了接觸爆炸性、放射性、毒性、腐蝕性或易燃物質(zhì)的危險性。n避免了對藥物或食物等被測物的接觸污染。n簡化了對傳感器和轉(zhuǎn)換器的維護。7.2電阻型傳感器 n電位器 n電位器有旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種形式，它們可以用來測量直線位移或角位移。n在任何情況下，只要改變電位器的有效分壓比，就可以得到不同的輸出電壓。n構(gòu)成電位器的主要部分是大量緊繞的電阻線圈和一個滑動觸頭。因此，線圈式電位器的分辨率是單位長度繞圈數(shù)的倒數(shù)。 n要提高電位器的分辨率，可以使用金屬陶瓷電阻或?qū)щ娝芰媳∧ぁ?電位器與負載阻抗n當把測量儀表連接入輸出端時，相當于給

26、輸出加了一個負載，將會產(chǎn)生測量誤差。n當RLR2時，RoR2。因此，為了保證測量精度，通常次級（無論是測量儀表還是信號處理電路）的輸入阻抗越大越好。 a)無負載無負載 b)有負載有負載o1i()ooRuuRR應(yīng)變片 n若將某種導體或半導體材料沿軸向拉伸，則它的長度將沿加載方向發(fā)生變化，其電阻值也將隨之變化。n典型的電阻應(yīng)變片由一些電阻型金屬薄膜和基襯組成，基襯用來將所加載荷傳給應(yīng)變片。如果沿應(yīng)變片的軸向加載，那么將產(chǎn)生一個應(yīng)變，使得應(yīng)變片的有效長度發(fā)生變化，從而導致電阻變化。 軸向加載的拉伸試樣軸向加載的拉伸試樣 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 橋式測量電路n應(yīng)變式電阻傳感器常用來測量力、轉(zhuǎn)矩、壓力、加

27、速度等物理量。 n電阻的變化（即應(yīng)變）通常是由橋式電路測量的。n由應(yīng)變產(chǎn)生的不平衡電位為n對于電阻變化較小的情況：應(yīng)變片的溫度補償n溫度的變化也會引起應(yīng)變片電阻的變化，因此在橋路上安裝帶補償?shù)膽?yīng)變片與測量的應(yīng)變片具有相同的溫度特性，以消除溫度的影響，n補償應(yīng)變片應(yīng)安裝在離測量應(yīng)變片最近的地方，這就需要將兩個應(yīng)變片以適當角度安裝在被測件上。 電阻式溫度傳感器 n電阻溫度計是阻性溫度轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)，它包括由一段鉑絲做成的小軸心，軸心被空心軸包圍。n金屬圈的熱慣量導致了其靈敏性較低、對溫度變化響應(yīng)速度慢等特點，因此它常用來測量穩(wěn)態(tài)溫度。n在如圖所示的典型應(yīng)用中，使電阻溫度計成為電橋的一個臂。因為熱電阻

28、的阻值很小，而由溫度變化引起的阻值變化也非常小，所以由導線電阻和接觸電阻引入的誤差就不能忽略， 三線電橋電阻溫度計電路 n因此改用如圖所示的三線連接。圖中，電阻溫度計為Rt，導線電阻為r1、r2、r3，一般R1=R2=R為兩橋臂電阻，R3是調(diào)整電橋的精密電阻。n通常，連接在a、b端的測量儀表的內(nèi)阻很大，故流過r3的電流近似于零。當ua=ub時，電橋平衡，流過r3的電流為零，流過r1的電流也要流過r2，抵消其電壓降，如果讓r1=r2，并調(diào)整R3=Rt，即可以消除由導線電阻和接觸電阻引起的誤差。 半導體熱敏元件 n半導體熱敏元件是一種半導體電阻元件，其熱性能已知，通常用來測量范圍在-30200的溫

29、度。由于它體積小、熱慣量小，所以通常用來測量動態(tài)溫度。n必須注意，在使用半導體熱敏元件時，由于熱敏元件本身的發(fā)熱會帶來誤差。n半導體熱敏元件的主要缺點是它的非線性特性，這限制了它的應(yīng)用范圍。但是，由于測量系統(tǒng)使用微處理機，這種固有的非線性可以用軟件來克服，使得半導體熱敏元件的應(yīng)用范圍大大增加。 7.3 電容式傳感器 n平行板電容器的電容量n0為真空狀態(tài)的介電常數(shù)，0=8.85410-12F/m，一般運算中將干燥空氣的介電常數(shù)取為真空狀態(tài)的介電常數(shù)0；nr為絕緣材料的相對介電系數(shù)；nA為平行板的有效正對面積；n為兩平行板之間的距離。 0rAC 電容式傳感器的分類n根據(jù)其改變參數(shù)不同，可將電容式傳

30、感器分為下三種：n改變極板之距離（間隙)的極距型傳感器;n改變極板遮蓋面積（A）的面積型傳感器；n改變電介質(zhì)之介電常數(shù)（r）的介質(zhì)型傳感器n電容式傳感器若按極板的形狀來分，可分為平板形和圓柱形兩種。n圓柱型電容器的電容量 r02lnCLbae ep電容傳感器的非線性n電容量C與兩極板間隙呈非線性關(guān)系。電容的變化量的測量 n電容電橋（交流）的輸出n另外，電容器也可以與一個振蕩器組合起來，作為一個調(diào)諧電路，電容值的改變將使振蕩頻率發(fā)生改變，其頻率改變量由一對諧振電路的輸出電壓差測出 。os2(2)CuuCC用電容傳感器測量壓力和壓差 n圖a)當流體壓力使薄膜產(chǎn)生移動時，電容極板的間隙發(fā)生變化從而引

31、起電容量的改變 n圖b)當需要測量壓力差時，特別是微小的壓力差時，常采用差動式結(jié)構(gòu)的電容傳感器 a) 薄膜壓力計薄膜壓力計 b) 薄膜壓差計薄膜壓差計 dCCd2dCCd實例1發(fā)動機汽缸的密封性能測試系統(tǒng) n因為被測容器要求的保壓值較高，一般情況下密封性能也較好，如選用壓力傳感器則很難達到測量精度要求，因此選擇壓差傳感器 n在加壓過程穩(wěn)定后，關(guān)閉截止閥2和截止閥3。在一定時間間隔之后，如果被測容器的密封很好無泄漏，則傳感器輸出無偏差；如果有泄漏，則根據(jù)測量系統(tǒng)讀數(shù)的大小來判斷產(chǎn)品是否合格 實例2測量液面高度 n用變介質(zhì)式的圓柱電容器測量液面高度 n當液面高度變化時，會引起極間不同介質(zhì)0和r的界

32、面發(fā)生變化，從而導致電容的變化，且輸出電容與液面高度的數(shù)學表達式是一個線性關(guān)系。 7.4 電感式傳感器 n電感式傳感器的優(yōu)點：n結(jié)構(gòu)簡單(因為沒有活動電觸點，所以工作可靠)n測量范圍寬(可達幾百毫米)n靈敏度高(微米級)n重復性好 電感式位移傳感器n電感式位移傳感器具有無滑動觸點，工作位移傳感器具有無滑動觸點，工作時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低時不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下。n線性可調(diào)差動變壓器n線性可調(diào)電感傳感器n感應(yīng)同步器線性可調(diào)差動變壓器 （LVDT）n線性可調(diào)差動變壓器 （LVDT）有一個一次繞組和一

33、對二次繞組，鐵芯的運動會改變一次繞組和二次繞組之間的耦合程度，進而改變二次繞組感應(yīng)電壓的大小。n將二次繞組的輸出反相串聯(lián)，因為輸出電壓uo= u2- u1，再以差動整流電路作為測量電路，則uo將按右圖所示的情況發(fā)生變化。差動變壓器常被用來測位移。 線性可調(diào)電感傳感器 n這種傳感器使用線圈擾流器進行工作。在100Hz或更高頻率下對線圈激磁，這時擾流器中感生的渦流會改變線圈的有效電感，且此電感是關(guān)于擾流器位置的函數(shù)。 n由于這種轉(zhuǎn)換器沒有用磁性材料，因此與其它電感轉(zhuǎn)換器相比，它受雜散磁場的影響較小，且消除了磁滯及磁場非線性，測量位移的范圍可達220mm。 a) 內(nèi)置式擾流器內(nèi)置式擾流器b) 外置式

34、擾流器外置式擾流器感應(yīng)同步器n直線式感應(yīng)同步器包括一個固定導軌（可達幾米長）和一個滑塊。兩者由厚度為0.10.15mm的空氣隔開，它們之間存在磁耦合?；瑝K上裝有一對繞組，兩繞組的相對距離成1/4節(jié)距，即90電角度。n當在滑軌線圈上加一正弦信號時（頻率達幾千赫），滑塊繞組上將產(chǎn)生兩個電壓，兩個電壓的相位差是90，且電壓的大小隨滑塊位置的改變而改變，因為繞組間的耦合是變化的，這種傳感器的輸出電壓，在一定條件下是呈正弦變化的。在幾毫米的距離內(nèi)，其分辨能力可達23m。 直線式感應(yīng)同步器 直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器電感式速度傳感器 n永久磁鐵相對于線圈移動，而線圈的感生電動勢是磁鐵運動速度及線圈尺

35、寸的函數(shù)。 n當需要測量旋轉(zhuǎn)速度時可以采用直流或交流轉(zhuǎn)速表，其輸出電壓即直接與所測角速度成正比。 電感式傳感器的應(yīng)用7.5 熱電傳感器 n常用的熱電傳感器有熱電阻與熱電偶。 n當導體所處的環(huán)境溫度發(fā)生變化時，導體的電阻值也會隨著溫度的變化而變化，熱電阻傳感器就是根據(jù)這一特性來測量溫度的。在工業(yè)應(yīng)用中，熱電阻傳感器常被用來測量-200500范圍的溫度。n熱電偶的工作原理：當兩種不同金屬導線A與B的接觸點處被加熱或冷卻時，在不接觸的兩端就會產(chǎn)生電動勢，這一電動勢是接觸端與非接觸端之間的溫差T（T=T1-T0）的函數(shù)，且與所用的金屬有關(guān)。這就是溫差電勢效應(yīng)，所產(chǎn)生的電動勢為： eo=c1T+c2T

36、2+c3T 3+. 7.6光電傳感器 n從紅外到紫外的譜范圍內(nèi)，都能用光轉(zhuǎn)換器進行測量，在大多數(shù)情況下其測量都是非接觸式的，并且能在惡劣的環(huán)境（諸如超高溫和電磁干擾嚴重的場合）中工作。 電磁波譜電磁波譜光電測量系統(tǒng) n由光電傳感器構(gòu)成的光電測量系統(tǒng)的主要組成部分有將其他能量轉(zhuǎn)換為光的光源、光傳輸介質(zhì)、能夠?qū)⑤斎胛锢砹康哪芰哭D(zhuǎn)換為對光能特性進行修正的轉(zhuǎn)換器、監(jiān)測轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的光能特性變化的檢測器。 光電探測器 n光電探測器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為三種不同的類型。n在光的照射下，物體的電阻（或電導）發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為電導效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)，相應(yīng)的元件有光敏電阻；n在光的照射下，電子逸出物

37、質(zhì)表面的現(xiàn)象被稱為光電發(fā)射效應(yīng)或外光電效應(yīng)，此類器件有光電管、光電倍增管等；n在光的照射下，半導體PN結(jié)產(chǎn)生電動勢或光電流增加的現(xiàn)象被稱為光伏效應(yīng)，光電池、光敏二極管和光敏三極管都屬于光伏效應(yīng)的器件。 光電探測器 n熱敏光電探測器通過監(jiān)測入射的輻射熱在探測器中所產(chǎn)生的熱進行工作。典型的裝置（例如電阻式輻射熱測量計或熱電偶）響應(yīng)波長范圍為0.330m，但其靈敏性較差、響應(yīng)時間長 。n量子光電探測器利用入射光在探測器中產(chǎn)生電子空穴對來進行工作。硅材料的量子光電探測器利用光電效應(yīng)或光導效應(yīng)工作。光電效應(yīng)是在PN結(jié)上產(chǎn)生一個電壓，而光敏效應(yīng)則是利用入射能來改變材料的導電性能。 光電效應(yīng)探測器 n當適當

38、波長的光線照射到如圖a)所示的PN結(jié)的耗盡層上時，會在PN結(jié)上產(chǎn)生一個正比于光強的電位差。 a)受光照的受光照的PN結(jié)結(jié) b)光電特性光電特性 光電效應(yīng)探測器n根據(jù)光伏效應(yīng)的基本原理制成的光電效應(yīng)探測器有以下幾種：n光敏電阻 n光電池 n光電二極管 n光敏晶體管 n光電倍增管 n光電探測器的應(yīng)用較為廣泛，除了上面提到的一些例子之外，還可以用光電高溫計作為傳感器，通過測量由高溫輻射能量所引起的光電流來測量溫度；用光敏器件測量液體、氣體的透明度（混濁度）等。光敏電阻 n當光線照射N型材料時，其導電性發(fā)生顯著變化，這可以通過電橋來檢測 。n對于一定波長的光線來說，在一層二氧化硅（SiO2）上加上特殊

39、的材料就構(gòu)成了光敏電阻。常用的材料有銻化銦（InSb）（適合于波長為7m的光線）和硫化鎘（CdS）（適合于波長為0.7m的光線）。a) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b) 用光敏電阻構(gòu)成的電橋用光敏電阻構(gòu)成的電橋 光電池 n光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換為電能的光電元件，許多材料都能制成光電池，但硅光電池由于其一系列的優(yōu)點用得最多。n硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。n硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計。n砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它主要用于宇宙

40、飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源。n硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)，形成一個大面積的PN結(jié)，當PN結(jié)受到的照射光達到一定光強時，就會在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一定的電壓，即光生電動勢。光電二極管 n光電二極管一般處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射的時候，光電二極管的反向電阻很大、反向電流很小。n而當光線照射到反向偏置PN結(jié)的耗盡層或耗盡層的附近時，耗盡層中會產(chǎn)生電子空穴對，偏置電壓和內(nèi)電場使電子和空穴運動而形成光電流。 a) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b) 應(yīng)用應(yīng)用光電三極管（光敏晶體管） n光電三極管可以看成是一個光敏二級管與一個晶體管組成，兩管共用一個基極。光電二極管產(chǎn)生的反向電流成為三級管

41、的基極電流，三級管將其相應(yīng)地放大。光電三級管由于有了放大功能，因此其靈敏性得到了提高。 a) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b) 應(yīng)用應(yīng)用光電倍增管 n光電倍增管是由一個真空管內(nèi)以及安裝在管內(nèi)的光電陰極、一系列的倍增電極和陽極組成的。n當入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾A，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進行放大。 n光照射陰極時，陰極釋放出的電子被倍增電極上所加的電壓加速，當這些電子到達倍增電極時，倍增電極上釋放出更多的電子，導致電流的倍增。 光電耦合器n光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。n光電耦合器的結(jié)構(gòu)：采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)采用金屬外

42、殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對準，以此來提高靈敏度。管對準，以此來提高靈敏度。采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器

43、耦合器,適用于較高頻率的裝置中。適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。輸效率的光電耦合器。檢測器陣列 n如果把光電二極管排成一維或二維陣列，則當光電二極管陣列受到光照時，每一個光電二極管中的電荷積累速率與它所受的光強成正比，這樣就形成了圖像陣列。 n圖像信息可以用下述方法提取出來。光電編碼器 n混合式編碼器混合式編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器 n從光源

44、發(fā)出的光，先通過圓盤上的窄縫到光電二極管進行預處理。圓盤轉(zhuǎn)動時，照到二極管上的光依次輸出一系列的脈沖，通過對脈沖的計數(shù)可以算出圓盤旋轉(zhuǎn)的角度。圓盤的旋轉(zhuǎn)方向可以根據(jù)兩個光電二極管的明暗變化相位差確定， 增量式直線編碼器 n增量式直線編碼器通常利用莫爾條紋干涉帶進行工作。在一塊長條型的光學玻璃上均勻地刻上明暗相間、寬度相等的線條，就構(gòu)成了一條光柵。光柵相對來說比較便宜，且分辨率能達到微米數(shù)量級 。n把兩個相同的光柵疊在一起，并使它們以一個角度相交，則會產(chǎn)生一個明暗相間的條紋，即莫爾條紋。利用光柵具有莫爾條紋的特性，可以通過測量莫爾條紋的移動數(shù)來測量兩個光柵的相對移動。 位置式(絕對式)編碼器 n

45、位置式編碼器不像增量式編碼器，它不需要任何外部參照。在需要隨時了解物體確切位置的場合下，常用這種編碼器。但是，當編碼器用于轉(zhuǎn)數(shù)超過一周時，就需要一個記錄轉(zhuǎn)數(shù)的計數(shù)器。 n如圖a)所示為一個典型的采用雷格編碼（反射碼）的8位旋轉(zhuǎn)式位置編碼器，它比圖b)所示的二進制編碼器更為優(yōu)越，因為二進制編碼在任何變化時只有一位發(fā)生變化，這就有可能在變化時因錯讀位而產(chǎn)生誤差。 實際編碼器的碼盤增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤直線編碼器的結(jié)構(gòu)和光柵混合式光柵原理圖混合式光柵原理圖增量式光柵增量式光柵絕對絕對-混合式光柵混合式光柵絕對式條紋絕對式條紋增量式條紋

46、增量式條紋7.7 固體傳感器 n技術(shù)的發(fā)展使得制造多種固體傳感器成為現(xiàn)實。由于硅對許多物理現(xiàn)象都具有敏感性，因此可做成多種傳感器。 n磁場的測量 霍爾器件磁敏電阻 磁敏二極管 磁敏三極管 n溫度的測量熱敏電阻熱敏二極管 熱敏三極管 硅熱電堆 固體高溫計 霍爾器件 n當通電半導體薄片置于與它表面相垂直的磁場時，半導體材料內(nèi)部的載流子由于外加磁場的影響而受到洛倫茲力的作用，于是在半導體表面就產(chǎn)生一個與磁場和電流方向都垂直的電勢差?；魻栯妷旱臉O性由半導體的材料（P型或N型）、電流方向和磁場方向決定。 n把金屬氧化物場半導體效應(yīng)管(MOSFET)的柵極面積加大，再置入霍爾接觸電極，也能實現(xiàn)霍爾效應(yīng)，如

47、右圖所示。 磁敏電阻 n磁敏電阻利用的是某些鐵磁性材料在外磁場中呈現(xiàn)的電阻率變化現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以用薄膜技術(shù)實現(xiàn) 。n與霍爾器件相比，磁敏電阻傳感器能檢測到的磁場更弱，這使得它能被用作磁存儲介質(zhì)的讀磁頭。n磁敏電阻可以用于無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置的測量，還可以與一塊永久磁鐵配合用于物體定位。n磁敏電阻易受溫度影響，使用時必須加上適當?shù)臏囟妊a償。 磁敏二極管和磁敏三極管n磁敏二極管 n二極管處于磁場中時，其特性會有變化。磁場能使載流子以不同的復合速率注入、流出P區(qū)和N區(qū)。n磁敏三極管n外磁場不存在時，兩個集電極均分電流。若把該芯片置于外磁場中，電流在兩個集電極中的分配將不再均等。兩集電極電流之差是外

48、加磁場的線性函數(shù)。 熱敏電阻 n鐵、鈷、鉻、鎂、鎳、鈦這類材料的半導體氧化物的電阻隨溫度呈指數(shù)變化： R=R0exp(1/T1/T0)式中 R為溫度為T時熱敏電阻的電阻值； R0為溫度為T0時熱敏電阻的電阻值。 n因為這一溫度特性是高度非線性的，所以此類材料要作溫度測量時，必須加適當?shù)难a償。n負溫度系數(shù)熱敏電阻的一種應(yīng)用就是對其它器件的正溫度系數(shù)作補償。 n熱敏電阻價格低，體積也很小，因而熱慣性小，能對溫度變化快速反應(yīng)。它們常被用在電橋電路中。熱敏二極管 n半導體熱敏二極管的公式是 Uj=kT log(I/Is)/q 式中 Is為反向漏電流； q為電子電荷(q=1.60210-19)； Uj為

49、PN結(jié)電壓； k為波爾茲曼常數(shù)(k=1.3810-23 J/K)； T為熱力學溫度。n熱敏二極管的靈敏度達10mV/K數(shù)量級。其測量范圍受到反向漏電流Is的限制，后者隨溫度變化。 n對于硅材料來說，25時Is為25nA，每上升7，Is就幾乎增加一倍。 熱敏三極管 n如果集電極電流保持恒定，則基極射極電壓Ube隨溫度幾乎呈線性地變化。 Ube=1.27KtT 式中，Kt為常數(shù)；T為熱力學溫度（K） 溫差電動勢效應(yīng) n兩種不同的半導體材料，其聯(lián)結(jié)處相對于參考溫度被加熱或冷卻時，在參考端會有一電壓出現(xiàn)，這一電壓是溫差T和該系統(tǒng)溫差電勢系數(shù)的函數(shù) Uo=sT 式中，s為系統(tǒng)的溫差電勢系數(shù)（V/K）；

50、T為溫差，T=T1-T2。 n應(yīng)用溫差電勢效應(yīng)的硅熱電堆已經(jīng)問世，用于實測電流的有效值，也可測流量、檢測輻射等。固體高溫計 n當鋯鈦酸鉛這類材料薄片在電場中被加熱到恰好低于其居里溫度時，材料內(nèi)的晶體就沿外加電場的方向取向，這一極化現(xiàn)象將一直保持到材料冷卻，這就是高溫生電效應(yīng)，它成為許多固體高溫計的工作原理。 n固體高溫計可以視為一個熱敏電容與一個阻值很大的非線性電阻并聯(lián)，電阻的特性為 r=T(A/C) 式中，為材料高溫生電溫度系數(shù)； A為材料薄片的截面積； C為電極間電容； T為非線性電阻的溫度。7.8壓電傳感器和超聲換能器 n壓電器件 n加速度的測量 n濕度的測量 n超聲系統(tǒng) n超聲波源 n

51、超聲波的耦合 n超聲波接收器 n超聲法測流量 n多普勒流量計 n傳遞時間流量計 n超聲法測距離 壓電器件 n某些材料的晶體和某些聚合物在受到外力的作用而變形時會在一些特定的晶面之間產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。這類材料有石英、酒石酸鉀鈉、鋯鈦酸鉛陶瓷、鈮酸鉀鈉，聚乙二烯等等。n反之，如果加上電壓，這類晶體就會發(fā)生機械運動，即壓電效應(yīng)是可逆的，因此這個現(xiàn)象也被稱為逆效應(yīng)。它是許多敏感器件和換能器的基本原理。 加速度的測量 n加速度計的兩種典型構(gòu)造如圖所示。n加速度的作用是使振動塊對壓電材料施加一個作用力，壓電材料便產(chǎn)生出電荷。這些電荷再由電荷放大器檢測出來。 電荷放大器 n電荷放大器的原理如圖

52、a)所示。電荷放大器的突出特點是：輸出電壓正比于振子的加速度，而與傳輸電纜的長度無關(guān)。假定放大器是理想的，則有： e0=Sqa/Cf 式中，Sq為加速度計的電荷靈敏度；a 為加速度；Cf為反饋電容。 n對于實際的電荷放大器,還要引入反饋電阻Rf以防反饋電容Cf上積累電荷，如圖b)所示。 加速度計對被測物的影響 n為了提高測量精度，加速度計本身的質(zhì)量要盡可能小，不致給被測物體附加過大的負荷。加速度計對被測物的影響近似表示為下列公式 ： a1=a2(ms+ma)/ms f1=f2(ms+ma)/ms1/2 n式中，a1、a2為分別為不安裝加速度計和安裝上加速度計時的加速度；nf1、f2為分別為不安

53、裝加速度計和安裝上加速度計時的諧振頻率；nms為被測物的質(zhì)量；nma為加速度計的質(zhì)量，通常加速度計的質(zhì)量不應(yīng)大于被測物質(zhì)量的1/10 濕度的測量 n如果用易吸濕的材料包覆在壓電晶體振蕩器上，振蕩器的固有頻率就會隨吸濕材料所吸附的水分而變化。按圖中的辦法，把兩只固有頻率相等的晶體接至運算放大器的兩個輸入端，其中一只晶體覆以吸濕材料，另一只置于穩(wěn)定的環(huán)境中，這兩只晶體振蕩器的差頻就能反映濕度。 超聲波源 n1) 壓電超聲源n在壓電材料晶體某些恰當?shù)谋砻嫔霞由辖涣麟妷簳r，它會作機械振動。當激勵信號的頻率等于晶體的共振頻率時，振動幅度達到最大。諧振頻率和幅度由兩個激勵電極之間的晶體厚度而定，若晶體厚度

54、等于其內(nèi)部的機械波波長之半，就會發(fā)生共振，于是共振產(chǎn)生的超聲能量就輻射出來。 n如果把若干塊晶體鑲嵌在一起，構(gòu)成的輻射面就會更大些，這樣可以增強晶體表面上輻射出的超聲波能量。n還可以用陶瓷材料把超聲波源做成某種形狀，能夠把能量聚為一束，在一個很小的面積上產(chǎn)生高強度的超聲能。 超聲波源n2) 磁致伸縮超聲源 n把磁致伸縮材料置于磁場中，能引起材料沿磁場方向的幾何尺寸變化。這種效應(yīng)使磁致伸縮材料能做成超聲波源。 n先通以直流電流使磁芯產(chǎn)生一個初始伸展，而后疊加上交流信號。處于諧振狀態(tài)時，沿變換器長度上的某些點上會出現(xiàn)波節(jié)，變換器安裝就利用這些波節(jié)點。選波節(jié)點處安裝可以避免能量的損失，但是總的效率要

55、比壓電超聲源的效率低，因為在磁致伸縮磁芯中還有能量損耗。 超聲波源n3)機械超聲波源n汽笛的原理是用機械辦法阻斷通過一串小孔的氣流，能以約30kHz的頻率發(fā)出幾百瓦的超聲功率，效率約為70%左右。口笛利用的是氣流的動能，可以發(fā)出幾瓦的功率，頻率為4050kHz數(shù)量級，效率比汽笛低。n4) 電磁和靜電超聲源n電磁和靜電超聲源的構(gòu)造與普通的音頻揚聲器相似。它能產(chǎn)生超音頻頻率，在某些場合獨具長處，在如高溫環(huán)境下。 超聲法測流量 n超聲法是一種無損測量方法，它可以用于測量管道中的流體流量。有許多方法可以采用，其原理相差很大，選用哪一種方法須根據(jù)具體應(yīng)用場合而定。n要使超聲流量計有效地工作，測量點處管道

56、內(nèi)的流體流場必須是穩(wěn)定的，也就是說在測量點以前要有一定長度的直管，使流體截面能夠穩(wěn)定。多普勒流量計 n當發(fā)射端以頻率fs發(fā)射一個超聲波時，由于流體中存在著的散射粒子（如固體小顆粒、氣泡、漩渦等），這些粒子將以頻率fs振動。散射粒子隨流體一起運動時，會使接收到的頻率產(chǎn)生一定的頻移，頻移是這些散射粒子運動速度的函數(shù)，于是就可測量流速。n若已知聲波在管道內(nèi)流體的傳播速度為c，且散射粒子的尺寸為l，超聲波的波長必須小于l，根據(jù)上述條件可以求出fs。當管道內(nèi)流體以速度v流動時，由流體流動引起的頻率差為： s2 cosvffc 傳遞時間流量計 n信號逆流傳遞時間與順流傳遞時間不同，這兩者之差是流速的函數(shù)。

57、傳遞時間差可以直接由相位移或頻移測出。測頻移的優(yōu)點是不必知道流體的傳聲特性。 fu1/tu(VsVf cos)/d fd1/td(VsVf cos)/d 頻率差為 ffdfu(2Vf cos)/d 式中，tu為逆流傳遞時間；td為順流傳遞時間；Vs為該種流體的聲傳導速率；Vf為流體流速；fu為信號逆流傳播的實際頻率；fd為信號順流傳播的實際頻率。 超聲法測距離 n超聲測距儀測的是發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時間間隔。設(shè)媒質(zhì)的聲速為Vs，時間間隔為t，發(fā)射處到目標的距離為 d=Vst 反射時為 d=Vst/2 n由于聲波在各種材料的傳遞速度不同，而且隨溫度變化，所以必須引入適當?shù)难a償以使誤差最小。7

58、.9 傳感器的線性化 n為了保證傳感器在整個測量范圍內(nèi)有相同的靈敏度，也為了便利在界面上顯示，往往希望傳感器輸入量與輸出量之間有線性關(guān)系。但是許多傳感器的輸入輸出特性不是線性的。除了在傳感器制造工藝上采取一定措施之外，在測量系統(tǒng)中也要采用一些技術(shù)使傳感器輸入輸出特性盡量接近線性。可采用的技術(shù)有模擬和數(shù)字兩大類。n模擬線性化技術(shù) n開環(huán)式校正法 n閉環(huán)反饋式校正法 n數(shù)字線性化技術(shù) 計算法 查表法 插值法 模擬線性化技術(shù) n開環(huán)式校正法 n在預放大器之后增加一個校正級，校正級的輸入輸出特性u=g(u2)應(yīng)該與傳感器輸入輸出特性u1=f(x)的反函數(shù)有關(guān)。n閉環(huán)反饋式校正法n反饋校正環(huán)節(jié)的輸入輸出

59、特性 ufg(uo)可以用解析法求出，也可以用圖解法求得。 數(shù)字線性化技術(shù)n（1） 計算法n計算法適用于傳感器非線性輸出輸入特性解析式已確知的情形。用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)學表達式的計算即可。這種方法有時使實時性受限制。n（2）查表法n如果傳感器的輸入輸出特性解析式難以得到，或者解析式過于冗長，可以采用查表法。當然，數(shù)據(jù)表要占存儲空間，且數(shù)據(jù)表上標定的數(shù)據(jù)點間隔越小，數(shù)據(jù)量就越大，需要的存儲容量也越大，查表過程也就越費時。n（3）插值法n為了保證足夠的精度，除加密標定數(shù)據(jù)點外，還要在相鄰數(shù)據(jù)之間用各種插值，這又要增加處理時間。n各種數(shù)字線性化技術(shù)可以用軟件實現(xiàn)，也可以做成專用芯片，用硬件實現(xiàn)。 思考題 n

60、有一大型風力發(fā)電機，為了保持風力機在最佳的狀態(tài)下工作，需要測量當前的風速和風向，并進行相應(yīng)的控制。試設(shè)計一個風速風向傳感器。n在某一化工生產(chǎn)的煉油裝置中，有一個行程為600mm長的液壓缸，這個液壓缸的活塞桿位置需要根據(jù)化工生產(chǎn)過程中的溫度、壓力等變量不斷地被調(diào)整。考慮化工生產(chǎn)的現(xiàn)場環(huán)境，試為該液壓缸選用一個合適的傳感器，并說明理由。n在有較大粉塵和油污、且對安裝無特殊要求的現(xiàn)場環(huán)境中，如果要測量某一旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速，應(yīng)選擇哪種傳感器？n為了節(jié)省能源，需要根據(jù)自然光的亮度來開、關(guān)路燈，即只有在夜間或天氣很暗的時候才打開路燈，應(yīng)該用何種器件來控制路燈的開、關(guān)？思考題n某煉油廠有一個存儲產(chǎn)品油的油罐區(qū)