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1、兵器动态测控技术,李 强,中北大学机电工程学院,兵器特点：,1. 高温； 2. 高压 3. 高速； 4. 瞬态,1. 工作条件差：传感器环境，靶场环境 2. 动态：独立变化，随时间变化率大。 3. 时间短：测试时间短，准备时间长。 4. 同步性：测试参数多，现场设备多。,测试特点：,第一章 概述,典型火炮系统的测试,1. 力学参数：应力、应变、压力、位移、速度、加速度、角速度等。 2. 几何参数：质量、质心、转动惯量等。 3. 姿态参数：角度，位置等。 4. 环境参数：温度，冲击波等。,具备的知识和能力,重点：物理量的测量原理和测量信号分析处理,为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起
2、构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。,在工程领域，科学实验、产品开发、生产监督、质量控制,应用涉及到航天、武器、机械等每一个工程领域。,工程应用,超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。,生产加工过程监测,楼宇控制与安全防护,图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。,家庭与办公自动化,全自动洗衣机中的传感器：衣物重量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质传感器，透光率光传感器(洗净度) 液位传感器，电阻传感器(衣
3、物烘干检测)。,指纹传感器,透光率传感器,鼠标:光电位移传感器,摄象头:CCD传感器,声位笔:超声波传感器,麦克风:电容传声器,声卡:A/D卡 + D/A卡,软驱:速度,位置伺服,PC机中技术应用,技术发展趋势,1、传感器方面,a)利用新发现的材料和新发现的生物、物理、化学效应开发出的新型传感器,光纤流速传感器,荧光材料制作的电子鼻传感器,生物酶血样分析传感器,b)传感器+嵌入式计算机 智能传感器,振动网络传感器,嵌入式计算机,智能压力网络传感器,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,2、测量信号处理方面,计算机虚拟仪器技术,用PC机仪器板卡 代替传统仪器 用计算机软件 代替硬件分
4、析电路,优点,主要传感器和测试仪器生产厂商,3、测量分析仪器,测试系统是执行测试任务的传感器、仪器和设备的总称。,一般说来，测试系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。,第二部分 测试系统 基本概念,信息转换,信息提取,如果测量时，测试装置的输入、输出信号不随时间而变化，则称为静态测量。静态测量时，测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性。,当测试装置的输入x有一增量x,引起输出y发生相应变化y时,定义: S=y/x,(1)灵敏度,静态响应特性,标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度。 非线性度=B/A100%,(2)非线性度,测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中，对于
5、同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax，则定义回程误差为: (hmax/A)100%,(3)回程误差,(4) 静态响应特性的其他描述,精度：是与评价测试装置产生的测量 误差大小有关的指标,灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量 起始点不灵敏的程度。,分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。,测量范围：是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围。,可靠性：是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述。,稳定性：是指在一定工作条件下，当输入量不变时，输出量随时间变化的程度。,无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看
6、待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。,测试系统的动态响应特性,3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。(预测),系统分析中的三类问题：,1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。(系统辨识),2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。 (反求),测试系统基本要求,理想的测试系统应该具有单值的、确定的输入输出关系。对于每一输入量都应该只有单一的输出量与之对应。知道其中一个量就可以确定另一个量。其中以输出和输入成线性关系最佳。,系统输入x(t)和输出y(t)间的关系可以用常系数线性
7、微分方程来描述：,线性系统(时域描述),一般在工程中使用的测试装置都是线性系统。,线性系统性质：,a)叠加性 系统对各输入之和的输出等于各单个输入的输出之和，即 若 x1(t) y1(t)，x2(t) y2(t) 则 x1(t)x2(t) y1(t)y2(t),b)比例性 常数倍输入所得的输出等于原输入所得输出的常数倍，即: 若 x(t) y(t) 则 kx(t) ky(t),c)微分性 系统对原输入信号的微分等于原输出信号的微分，即 若 x(t) y(t) 则 x(t) y(t),d)积分性 当初始条件为零时，系统对原输入信号的积分等于原输出信号的积分，即 若 x(t) y(t) 则 x(t
8、)dt y(t)dt,e)频率保持性 若系统的输入为某一频率的谐波信号，则系统的稳态输出将为同一频率的谐波信号，即 若 x(t)=Acos(t+x) 则 y(t)=Bcos(t+y),线性系统的这些主要特性，特别是符合叠加原理和频率保持性，在测量工作中具有重要作用。,拉氏变换(数学定义)：,富氏变换(数字计算):,测试系统动态响应特性传递函数,测试系统的动态响应特性,传递函数:直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况。,优点：简单，信号发生器，双踪示波器 缺点：效率低,从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax，逐步增加正弦激励信号频率f，记录下各频率对应的幅值比和相位差，绘
9、制就得到系统幅频和相频特性。,设测试系统的输出y(t)与输入x(t)满足关系 y(t)=A0x(t-t0),系统不失真测量条件,该系统的输出波形与输入信号的波形精确地一致，只是幅值放大了A0倍，在时间上延迟了t0而已。这种情况下，认为测试系统具有不失真的特性。,y(t)=A0x(t-t0) Y()=A0e-jt0X(),系统不失真测量的条件,不失真测试系统条件的幅频特性和相频特性应分别满足 A()=A0=常数 ()=-t0,做傅立叶变换,第三部分 传感器与测量原理介绍,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭
10、义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,2. 传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,能量转换型和能量控制型.,3)按信
11、号变换特征:,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,4.电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,变阻器式传感器产品,5 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原
12、理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,应变计,电阻式传感器,金属应变计,应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,电阻式传感器,3) 应变片测量电路,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间
13、阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,3.2 电阻式传感器,7.电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片
14、。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,8 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,电感式接近传感器（金属）,3.4 电感式传感器,涡流式,原理:涡流效应,产品：,电感式传感器,差动变压器位移传感器,9 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,
15、线速度型,角速度型,磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,磁电式传感器,角速度型,测速电机,磁电式传感器,磁阻式传感器,磁电式传感器,10 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,压电式传感器,飞机模态分析,压电式传感器,11 磁敏元件传感器,磁敏元件传感器,叶片和齿轮位置传感器,应用,磁敏元件传感器,案例：汽车速度测量:,磁敏元件传感器,2. 热电温度计(热电偶),热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一
16、个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,12 热敏传感器,热敏传感器,12 光电传感器,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,半导体敏感元件传感器,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,半导体敏感元件传感器,半导体敏感元件传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,半导体敏感元件传感器,相机测距反射式光电传感器,13 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六
