智能制造技術與工程應用第三章智能傳感器技術浙江省普通本科高校‘十四五’重點教材目錄2工業應用中的常用傳感器Commonsensorsinindustrialapplications01傳感器工作原理與應用案例Sensorworkingprincipleandapplicationcase02案例分析Intelligentmanufacturingtechnologyarchitecture03智能傳感器技術概述單靠人們自身的感覺器官研究自然現象和規律以及生產活動，它們的功能就遠遠不夠了。為適應這種情況，就需要一種特殊的信息獲取器件——傳感器。可以說，傳感器是人類五官的延長，又稱之為電五官。在利用信息的過程中，傳感器是獲取自然和生產領域中信息的最為主要途徑與手段。工業傳感器幾乎涵蓋所有傳感器類別，包括接近、位置、速度、水平、溫度、力和壓力，其中包括工業過程控制、能源、航空、安全和安保、汽車、醫療和建筑自動化等領域。傳感器定義：傳感器是一種能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求的檢測裝置。特點：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化在現代工業生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數，使設備工作在正常狀態或最佳狀態，并使產品達到最好的質量。傳感器的組成1.敏感元件:直接感受被測量，并輸出與被測量有確定關系的物理量信號。2.轉換元件:

將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號。3.轉換電路:

負責對轉換元件輸出的電信號進行放大調制。4.轉換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。圖3?1傳感器的組成傳感器一般由敏感元件、轉換元件、轉換電路和輔助電源四部分組成。傳感器的分類1.按照用途分:壓力和力敏傳感器、位置傳感器、液位傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器等2.按照原理分:振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器、真空度傳感器、生物傳感器等3.按照輸出信號分:模擬傳感器、數字傳感器、開關傳感器等。溫度傳感器測溫方式類別原理典型儀表測溫范圍/℃接觸式膨脹類利用液體或氣體的熱膨脹及物質的蒸汽壓變化玻璃液體溫度計-100～600壓力式溫度計-100～500雙金屬溫度計-80～600利用兩種金屬的熱膨脹差雙金屬溫度計-80～600熱電類利用熱電效應熱電偶-200～1800電阻類固體材料的電阻隨溫度而變化鉑熱電阻-260～850銅熱電阻-50～150熱敏電阻-50～300電學類半導體器件溫度效應集成溫度傳感器-50～150晶體固有頻率隨溫度變化石英晶體溫度計-50～120非接觸式光纖類利用光纖的溫度特性或作為傳光介質光纖溫度傳感器-50～400光纖輻射溫度計200～4000輻射類利用普朗克定律光電高溫計800～3200輻射傳感器400～2000比色溫度計500～3200表3?1溫度檢測方法的分類溫度傳感器8圖3?2普通型熱電偶結構熱電偶是工業生產中一種應用較為廣泛的溫度傳感器。溫度傳感器鎧裝型熱電偶定義：鎧裝型熱電偶是由熱電極、絕緣材料和金屬保護套管一起拉制加工而成的堅實纜狀組合體。它可以做得細長型，使用中可隨需要任意彎曲；測溫范圍通常在1100℃以下。優點：1.測溫端熱容量小，因此熱慣性小、動態響應快2.壽命長，機械強度高，彎曲性好，可安裝在結構復雜的裝置上。圖3?3常見熱電偶溫度傳感器薄膜型熱電偶定義：薄膜型熱電偶是將兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板（云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等）上制成的一種特殊熱電偶。特點：薄膜熱電偶的接點可以做得很小、很?。?.01～0.1um），熱容量小、響應速度快（ms級）。應用：適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度的測量，測溫范圍在300℃以下。圖3?4常見熱電偶溫度傳感器熱電偶溫度傳感器原理熱電偶溫度傳感器的是基于熱電效應來測量溫度的。工作原理：1.由兩種不同的導體，兩端相互緊密地連接組成一個閉合回路。2.當閉合回路兩接點間溫度不等時（設t>t0），忽略導體中溫差電勢影響，回路中就會產生大小和方向與導體材料及兩接點的溫度有關的電動勢，這種現象稱為熱電效應（也叫塞貝克效應），該電動勢稱為熱電動勢。把這兩種不同導體的組合稱為熱電偶，稱A、B兩導體為熱電極。兩個接點，一個為工作端或熱端（t），測溫時將它置于被測溫度場中；另一個叫自由端或冷端（t0），一般要求它恒定在某一溫度場中。圖3?5熱電偶結構原理圖溫度傳感器熱電偶遵循的導體定律熱電偶遵循均質導體定律、中間導體定律和中間溫度定律。均質導體定律：由一種均質導體（或半導體）組成的閉合回路，不論導體（或半導體)的截面積和長度如何，以及各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。中間導體定律：在熱電偶測溫回路內接入第三種導體，只要接入的第三種導體兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。中間溫度定律：熱電偶在兩接點溫度分別為t、t0時的熱電動勢EAB(t,t0)等于它在接點溫度、時的熱電動勢EAB(t,tc)和tc、t0時的熱電動勢的代數和，即：溫度傳感器中間導體定律的意義在于：在實際的熱電偶測溫應用中，測量儀表（如直流毫伏表、電子電位差計等）和連接導線可以作為第三種導體對待，可以直接通過測量儀表讀取熱電偶的熱電動勢大小。中間溫度定律為補償導線的使用提供了理論依據。它表明：如果熱電偶的兩個電極通過連接兩根導體的方式來延長，只要接入的兩根導體的熱電特性與被延長的兩個電極的熱電特性一致，且它們之間連接的兩點間溫度相同，則回路總的熱電動勢只與延長后的兩端溫度有關，與連接點溫度無關。同時，中間溫度定律也為非線性輸出的熱電偶（熱電勢輸出大小與溫度呈非線性關系）查表法測溫提供了理論依據，即在獲取熱電偶熱端相對環境溫度輸出的熱電勢基礎上，疊加上環境溫度相對0℃的熱電勢，就可轉換為熱電偶熱端相對0℃的熱電勢，再由該電動勢查詢相對應的分度表（我國常用的標準化的熱電偶有K、E、B、S、T都是基于冷端為0℃時給出的熱電勢與溫度間的對應關系)，即可獲取熱端溫度。溫度傳感器溫度補償法由熱電偶的測溫原理知道，熱電偶產生的熱電動勢大小與兩端溫度有關，熱電偶的輸出電動勢只有在冷端溫度不變的條件下，才與工作端溫度成單值函數關系。測量中為確保冷端溫度不變，通常需要進行冷端溫度補償。常用的方法有：補償導線法，冷端恒溫法，冷端溫度校正法，自動補償法。溫度傳感器1.補償導線法

熱電偶的長度一般只有1m左右，要保證熱電偶的冷端溫度不變，可以把熱電極加長，使自由端遠離工作端，放置到恒溫或溫度波動較小的地方。

對于由貴金屬材料制成的熱電偶來說將使投資增加，所以采用一種稱為補償導線的特殊導線，將熱電偶的冷端延伸出來。原理：補償導線實際上是一對與熱電極化學成分不同的導線，在0～150℃溫度范圍內與配接的熱電偶具有相同的熱電特性，但價格相對便宜。利用補償導線將熱電偶的冷端延伸到溫度恒定的場所（如儀表室），且它們具有一致的熱電特性，相當于將熱電極延長，根據中間溫度定律，只要熱電偶和補償導線的兩個接觸點溫度一致，就不會影響熱電動勢的輸出。15溫度傳感器2.冷端恒溫法

把熱電偶的冷端置于某些溫度不變的裝置中，以保證冷端溫度不受熱端測量溫度的影響。恒溫裝置可以是電熱恒溫器或冰點槽（槽中裝冰水混合物，溫度保持在0℃）。3.冷端溫度校正法

如果熱電偶的冷端溫度偏離0℃，但穩定在℃，根據中間溫度定律對儀表指示值進行修正。4．自動補償法

也稱電橋補償法，它是在熱電偶與儀表間加上一個補償電橋，當熱電偶冷端溫度升高，導致回路總電動勢降低時，這個電橋感受自由端溫度的變化，產生一個電位差，其數值剛好與熱電偶降低的電動勢相同，兩者互相補償。這樣，測量儀表上所測得的電動勢將不隨自由端溫度而變化。自動補償法解決了冷端溫度校正法不適合連續測溫的問題。壓力傳感器工業生產過程中重要的過程參數——壓力常見的壓力傳感器有彈性式、液柱式、電氣式以及活塞式。在許多工業過程中，壓力可以直接測量，如鍋爐的爐膛壓力，煙道壓力，加熱爐壓力等。有些過程參數如溫度、流量、壓力等往往要通過壓力來間接測量。圖3?6壓力傳感器壓力傳感器種類主要特點應用場合彈性式壓力計測壓范圍寬，使用范圍廣；結構簡單，使用方便，價格低廉；但是有彈性滯后現象用于測壓力或負壓力，可現場指示、遠傳、記錄、報警和控制，還可測易結晶與腐蝕性介質的壓力與負壓力液柱式壓力計結構簡單，使用方便；測量精度受工作液毛細管作用、密度等因素影響；測壓范圍較窄，只能測低壓與微壓；若用水銀作為工作業，則易造成環境污染用于測低壓與負壓力，用于作為標準計量儀器電氣式壓力計按作用原理不同，還可分為振頻式、壓電式、壓阻式等；根據不同形式，輸出信號可以是電阻、電流、電壓或頻率等；適用范圍較寬用于遠傳、發信與自動控制，可測壓力變化快、脈動壓力、高真空與超高壓場合活塞式壓力計測量精度高，可達0.05%～0.02%；結構復雜，價格較高；精度受溫度、浮力等因素影響，使用時需要修正作為標準計量儀器用于檢定低一級活塞式壓力計或檢驗精密壓力計下表為幾種常見的壓力傳感器類型的主要特點及應用場景。表3?2各類壓力傳感器的性能及應用場合壓力傳感器常見的壓力傳感器1.彈性式壓力計原理：利用各種形式的彈性元件，在被測介質壓力的作用下，使彈性元件受壓后產生彈性變形的原理而制成的測壓儀表。優點：結構簡單、使用可靠、讀數清晰、牢固可靠、價格低廉、測量范圍寬以及有足夠的精度等。彈性式壓力計可用來測量幾百帕到數千兆帕范圍內的壓力。彈性元件是一種簡易可靠的測壓敏感元件。當測壓范圍不同時，所用的彈性元件也不一樣。圖3?7彈性元件示意圖壓力傳感器2.應變式壓力計構成：利用電阻應變原理構成，其敏感元件為應變片，是由金屬導體或半導體材料制成的電阻體。通常應變片要和彈性元件結合使用，將應變片粘貼在彈性元件上，構成應變片壓力傳感器。原理：1.應變片基于應變效應工作，當它受到外力作用產生機械形變（伸長或收縮）時，應變片的阻值也將發生變化。2.在應變片的測壓范圍內，其阻值的相對變化與應變系數成正比。種類：應變片壓力傳感器所用彈性元件可以根據被測介質和測量范圍的不同而采用各種形式，常見的有圓膜片式、彈性梁式、應變筒式等。圖3?8應變式壓力計流量傳感器控制生產過程達到優質高產和安全生產以及進行經濟核算所必需的一個重要參數——流量由于流量檢測條件的多樣性和復雜性，檢測流量的手段多樣，種類繁多，目前還沒有統一的分類方法?？梢园凑諜z測量不同、測量原理不同分類：按照檢測量的不同，可分為體積流量檢測和質量流量檢測。按照測量原理，又可分為容積式、速度式、節流式和電磁式。圖3?9電磁流量計流量傳感器名稱被測介質測量精度安裝直管段要求制造成本容積式（橢圓齒輪流量計）氣體、液體±（0.2～0.5）%不需要直管段較高渦輪流量計氣體、液體±（0.5～1）%需要直管段中等轉子流量計氣體、液體±（1～2）%不需要直管段低差壓流量計氣體、液體、蒸汽±2%需要直管段中等電磁流量計導電性液體±（0.5～1.5）%上游需要，下游不需要高表3?3幾種主要流量計的性能比較幾種主要流量計的新能比較如下表所示：流量傳感器常見流量計1.差壓式流量計差壓式（也稱節流式）流量計是基于流體流動的節流原理，利用流體流經節流裝置時產生的壓力差而實現流量測量的。流體在有節流裝置的管道中流動時，在節流裝置前后的管壁處，流體的靜壓力產生差異的現象稱為節流現象。流體在管道界面Ⅰ前，還未受到截流元件影響，記此處靜壓力為p1，平均流速為v1，流體密度為ρ1；在接近節流元件處，由于流通面積減小，留束收縮，流速增加；通過孔板后，在截面Ⅱ處留束達到最小，流速達到最大v2，此時記靜壓力為p2，流體密度為ρ2；之后留束逐漸擴大，速度減慢，到截面Ⅲ后平均流速v3恢復為v1；但是由于流通截面積的變化，使流體產生了局部渦流，損耗了能量，所以靜壓力p3<p1，存在壓力損失。在孔板前后的管壁上分別選擇兩個固定的取壓點測量壓差，即可根據流量基本方程式計算出流量大小。圖3?10孔板裝置及壓力、流速分布圖流量傳感器2.質量流量計科里奧利質量流量計是一種常用的質量流量計。原理：利用流體在震動管道中流動時產生的科里奧利力與質量流量成正比來直接測量質量流量。在U型管道的A、B、C三處分別安裝壓電換能器。換能器A在外加交流電壓的作用下產生交變力，使管道震動；換能器B和C對管道相應位置的震動進行檢測，C處的震動信號相位超前B處，根據相位相差與質量流量成正比的關系，可以測得質量流量。圖3?11科里奧利式質量流量計原理光電式傳感器定義：光電式傳感器（或稱光敏傳感器）是利用光電器件把光信號轉換成電信號（電壓、電流、電荷、電阻等）的裝置。

原理:光電式傳感器工作時，先將被測量轉換為光量的變化，然后通過光電器件把光量的變化轉換為相應的電量變化，從而實現對非電量的測量。光電式傳感器定義：光電開關（如右圖所示）是光電接近開關的簡稱。

原理：它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而檢測物體的有無。物體不限于金屬，所有能反射光線（或者對光線有遮擋作用）的物體均可以被檢測。光電開關將輸入電流在發射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。應用：安防系統中常見的光電開關煙霧報警器，工業中經常用它來計數機械臂的運動次數。26圖3?12光電開關光電式傳感器常用的紅外線光電開關，是利用物體對近紅外線光束的反射原理，由同步回路感應反射回來的光的強弱而檢測物體的存在與否來實現功能的。過程：光電傳感器首先發出紅外線光束到達或透過物體或鏡面對紅外線光束進行反射，光電傳感器接收反射回來的光束，根據光束的強弱判斷物體的存在。分類：一般來說有鏡反射式光電開關、漫反射式、槽式、對射式、光纖式等幾個主要種類。在不同的場合使用不同的光電開關，例如在電磁振動供料器上經常使用光纖式光電開關，在間歇式包裝機包裝膜的供送中經常使用漫反射式光電開關。圖3?13光電開關激光位移傳感器定義:激光位移傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。組成：它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。功能：1.激光傳感器是新型測量儀表，能夠精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化。2.可以測量位移、厚度、振動、距離、直徑等精密的幾何測量。3.激光有直線度好的優良特性，同樣激光位移傳感器相對于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。激光位移傳感器激光位移傳感器原理按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法。1.三角測量法激光發射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體表面散射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可獨立設置檢測窗口。圖3?14三角測量法示意圖1-信號處理器；2-半導體激光器；3-線性CCD陣列；4-鏡片；5-被測物體a；6-被測物體b三角測量法示意圖激光位移傳感器2.回波分析法激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光發射器、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發射器每秒發射一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出。即所謂的脈沖時間法測量的。激光回波分析法適合于長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠檢測距離可達250m。激光位移傳感器激光位移傳感器的主要應用場景

尺寸測定微小零件的位置識別；傳送帶上有無零件的監測；材料重疊和覆蓋的探測；機械手位置（工具中心位置）的控制；器件狀態檢測；器件位置的探測（通過小孔）；液位的監測；厚度的測量；振動分析；碰撞試驗測量；汽車相關試驗等。

金屬薄片和薄板的厚度測量厚度的變化檢出可以幫助發現皺紋，小洞或者重疊，以避免機器發生故障。

電子元件的檢查用兩個激光掃描儀，將被測元件擺放在兩者之間，最后通過傳感器讀出數據，從而檢測出該元件尺寸的精確度及完整性。

長度的測量將測量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光位移傳感器檢測到該組件并與觸發的激光掃描儀同時進行測量，最后得到組件的長度。光柵傳感器定義：光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10～100線/毫米。由光柵形成的疊柵條紋（莫爾條紋）具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。構成：傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。原理：1.標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。2.這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。圖3?16光柵讀數頭示意圖圖3?15光柵尺光柵傳感器傳感器的光路形式有兩種：1.透射式光柵它的柵線刻在透明材料（如工業用白玻璃、光學玻璃等）上；2.反射式光柵它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優點是量程大和精度高。光柵式傳感器應用在程控、數控機床和三坐標測量機構中，可測量靜、動態的直線位移和整圓角位移。在機械振動測量、變形測量等領域也有應用。圖3?17莫爾條紋編碼器定義：編碼器是將信號（如比特流）或數據進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。原理：增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。圖3?18增量式編碼器編碼器編碼器分類按碼盤的刻孔方式不同可將編碼器分為增量式和絕對式兩種。增量式增量式編碼器是每轉過單位的角度就發出一個脈沖信號（也有發正余弦信號，然后對其進行細分，斬波出頻率更高的脈沖），通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據延遲關系可以區別正反轉，而且通過取A相、B相的上升和下降沿可以進行2或4倍頻；Z相為單圈脈沖，即每圈發出一個脈沖。一般意義上的增量編碼器內部無存儲器件，故不具有斷電數據保持功能，數控機床必須通過“回參考點”操作來確定計數基準與進行實際位置“清零”。圖3?19增量式編碼器絕對式絕對編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線...編排，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。絕對編碼器由機械位置決定的每個位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。圖3?20絕對式編碼器絕對編碼器在定位方面明顯地優于增量式編碼器，已經越來越多地應用于工控定位中。缺點：1.絕對型編碼器因其高精度，輸出位數較多如仍用并行輸出，其每一位輸出信號必須確保連接很好，2.對于較復雜工況還要隔離，連接電纜芯數多，由此帶來諸多不便和降低可靠性。絕對編碼器在多位數輸出型，一般均選用串行輸出或總線型輸出，德國生產的絕對型編碼器串行輸出最常用的是SSI（同步串行輸出）。圖3?20絕對式格雷母線工作原理：格雷母線定位系統利用格雷母線和天線箱之間的電磁耦合來進行通信，并在通信的同時檢測到天線箱在格雷母線長度方向上的位置。可以理解為在平行于軌道一定間隙處架起一條刻度精確的皮尺，軌道機車行到任何位置都可以準確檢測出來，并且能夠通過程序控制軌道機車定點啟停。需要檢測多長的位移就鋪設多長的格雷母線。圖3?21格雷母線定位系統格雷母線組成：格雷母線定位系統包括一臺地面電氣柜（含地址解碼器等）、一臺車載電氣柜（含地址編碼器等）、格雷碼母線以及天線箱等。格雷碼母線是由扁平狀的尼龍加纖合成材質外殼材料和內部按照二進制數字編碼規律編制的芯線構成，類似一把有刻度的標尺，一般安裝在沿移動搬運設備運行軌道單側邊，或者沿運行軌跡鋪設在地面上，亦或安裝在軌道旁的柵欄立柱上均可，需要檢測多長的位移就鋪設多長的格雷母線。天線箱安裝在移動搬運設備上，用于識別本移動搬運設備所在的位置。天線箱相對格雷碼母線平行非接觸移動，天線箱指向的刻度即是當前位置值，可以在車上或地上得到位移量，無需初始參考點，定位精度5毫米，分辨率2毫米，可以斷續或連續檢測，尤其適用于軌道不平整的大車或環形運動機械位移檢測。防水、防油、防塵、耐酸堿，適用于冶金、礦山、水利、港口碼頭堆場、倉儲、化工等條件比較惡劣的環境。格雷母線格雷母線的特點1）無磨損的非接觸式位置檢測，使用壽命長2）可以斷續或連續檢測，測距長達5公里，位移檢測長度可以根據需要定制3）耐污染能力超強，可用在水下、防蒸汽、耐酸堿4）安裝簡單更換方便（無需改變現場環境），免維護5）高穩定性、高可靠性、多種信號輸出方式選擇6）具有反向極性保護功能、防雷擊、防射頻干擾、防靜電7）無需參考點的位移量輸出，不怕掉電8）位置的取樣時間和測量長度沒有關系，可以用在環形運動機械位置檢測9）可以埋在水泥地面內，方便安裝和防護，不影響作業環境加速度傳感器定義：加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。組成：加速度傳感器通常由質量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調電路等部分組成。原理：傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。分類：根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。圖3?22三軸加速度傳感器加速度傳感器加速度傳感器分類壓電式壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計。它也屬于慣性式傳感器。原理：利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應，在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。1-基座；2-電極；3-壓電鏡片；4-質量塊；5-彈性元件；6-外殼圖3?23壓電式加速度傳感器加速度傳感器電容式電容式加速度傳感器/電容式加速度計是比較通用的加速度傳感器。在某些領域無可替代，如安全氣囊，手機移動設備等。它采用了微機電系統（MEMS）工藝，在大量生產時變得經濟，從而保證了較低的成本。伺服式伺服式加速度傳感器是一種閉環測試系統，具有動態性能好、動態范圍大和線性度好等特點。工作原理：傳感器的振動系統由“m-k”系統組成，與一般加速度計相同，但質量m上還接著一個電磁線圈，當基座上有加速度輸入時，質量塊偏離平衡位置，該位移大小由位移傳感器檢測出來，經伺服放大器放大后轉換為電流輸出，該電流流過電磁線圈，在永久磁鐵的磁場中產生電磁恢復力，力圖使質量塊保持在儀表殼體中原來的平衡位置上，所以伺服加速度傳感器在閉環狀態下工作。加速度傳感器加速度傳感器常見應用在汽車安全領域：用于汽車安全氣囊、防抱死系統、牽引控制系統等安全性能方面。在GPS導航領域：通過加裝加速度傳感器及以前我們所通用的慣性導航，便可以進行系統死區的測量。案例分析液位控制問題是工業生產和日常生活中的一類常見問題，并且在不同的系統中，穩定性、相應快速性和魯棒性的要求也有所不同。此次以水箱實驗裝置為研究對象，設計水箱液位控制系統，對水箱液位控制系統的各種數據進行實時采集以及監控。該系統是用臺達PLC作為控制核心，由液位檢測裝置、管壓檢測裝置、水閥、水泵、水箱和儲水箱組成。檢測裝置將信號轉換為電信號傳達到臺達PLC，臺達PLC對采集到的液位信號做出判斷，以此來控制水泵和閥。案例分析問題描述液位控制系統的控制對象為單容水箱系統，系統的輸入量為液位的高度和管道的壓力，均為4～20mA電流信號；系統輸出量為變頻器的給定電壓和閥門的給定電流，從而控制電機的轉速和閥門開閉程度。通過構建液位反饋控制結構，設計相應的PID控制算法，實現對水箱液位良好的控制效果。檢測裝置將液位、管壓信號轉換為電信號傳達到臺達PLC，臺達PLC對采集到的信號做出判斷，通過控制器輸出控制水泵和閥。對于臺達PLC采集到的信息開發DIAViewPC組態界面和DOPSoft觸摸屏組態界面，實現可以通過以太網實時進行系統控制、參數調整、報表、趨勢圖等功能。案例分析問題描述本項目的水位控制系統主要硬件設備電氣如下圖所示：圖3?24系統結構示意圖案例分析系統主要設備介紹及分析主控模塊本系統的CPU選用臺達DVP28SV型號。該CPU屬于Slim系列高端主機，DC24V供電，輸入信號形式支持NPN或者PNP，輸出信號支持NPN，標配16DI/12DO，4軸200KHz高速脈沖輸入和脈沖輸出，2個串行通訊接口，COM1:RS-232、COM2:RS-485，支持MODBUS通訊協議（ASCII和RTU）和任何第三方自由口通訊協議。此外該CPU主控模塊除臺達DVP28SV外，還配合了臺達DVPPF02通訊模組、DVPEN01以太網通訊模塊、DVP08ST開關式數字擴充模組、DVP16SP數字量輸入輸出模塊、DVP06XA模擬輸入/輸出混合模塊。結合以上CPU主控模塊可以實現和DIAView和DOP上位機的通信、與PC進行以太網調試和數據傳輸、對PLC程序的準確執行、采集輸出相應的電流電壓量等一系列工作，為整個系統的精準控制奠定充足的控制準備。圖3?25主控模塊案例分析檢測裝置被控對象由亞克力儲水箱、長方體亞克力水箱、和透明水管路組成。水箱包括長方體亞克力水箱和亞克力儲水箱。長方體亞克力水箱，不但堅實耐用，而且透明度高，便于實驗者直能接觀察到液位的變化和記錄結果。在長方體亞克力水箱和亞克力儲水箱之間有一個帶有手動閥門的透明水管相連，通過控制閥門的開合程度，可以限制長方體亞克力水箱的出水速度。在這個水箱系統中，主要的被控對象是長方體亞克力水箱的液位高度（簡稱液位）和緊接磁力齒輪泵的透明水管中的管內水壓力（簡稱管壓）。圖3?26被控對象水箱系統案例分析檢測裝置在本液位控制系統中，主要的檢測裝置（傳感器）為壓力變送器和液位傳感器。壓力變送器右圖為壓力變送表，該壓力變送器位于透明水管路中，用于檢測緊接磁力齒輪泵的透明水管中的管內水壓力，可以通過此壓力變送器檢測到的數據對進水管內水壓進行監測和控制。其監測儀表量程為0～1BAR，工作電壓在本系統中給定于24V，輸出的檢測電流信號為4～20mA。圖3?27壓力變送器案例分析液壓傳感器右圖為液位傳感器，該液位傳感器位于長方體亞克力水箱中，通過檢測水箱底側的水壓來監測此時水箱中的液位高度，可以通過此液位傳感器檢測到的數據對水箱內液位高度進行監測和控制。其監測儀表量程可以滿足監測水箱所有液位高度，工作電壓在本系統中給定于24V，輸出的檢測電流信號為4～20mA。圖3?28液位傳感器案例分析執行機構在本液位控制系統中，主要的執行機構（執行器）為磁力齒輪泵和比例閥。磁力齒輪泵右圖為磁力齒輪泵，該磁力齒輪泵選型10CQB-5，流量最大為5L/min，功率為180W，泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。在本液位控制系統中，該磁力齒輪泵起到將水從亞克力