測量元件綜述

1、測量元件綜述目目 錄錄測量元件的作用測量元件的作用測量元件的定義、組成和分類測量元件的定義、組成和分類測量元件的特性測量元件的特性選擇測量元件時的注意事項選擇測量元件時的注意事項測量元件的發(fā)展測量元件的發(fā)展小結(jié)小結(jié)1. 測量元件的作用測量元件的作用1 1執(zhí)行元件：功能是驅(qū)動被控對象，控制或改變被控量。執(zhí)行元件：功能是驅(qū)動被控對象，控制或改變被控量。2 2放大元件：提供能量，將微弱控制信號放大驅(qū)動執(zhí)行元件。放大元件：提供能量，將微弱控制信號放大驅(qū)動執(zhí)行元件。3 3校正元件：作用是改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能正?？煽康毓ぷ鞑⑦_到校正元件：作用是改善系統(tǒng)的性能，使系統(tǒng)能正?？煽康毓ぷ鞑⑦_到規(guī)定的性能指標

2、規(guī)定的性能指標 。4 4測量元件：功能是將檢測被控量，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)希望的另一種容易處理和測量元件：功能是將檢測被控量，并轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)希望的另一種容易處理和使用的量。使用的量。1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用伺服控制器伺服控制器(硬件硬件)-人的大腦、小腦的生理組織人的大腦、小腦的生理組織控制結(jié)構(gòu)與策略控制結(jié)構(gòu)與策略(軟件軟件)- 人的控制意識、策略人的控制意識、策略結(jié)構(gòu)與材料子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與材料子系統(tǒng)-骨骼系統(tǒng)骨骼系統(tǒng)/皮膚系統(tǒng)皮

3、膚系統(tǒng)功放與執(zhí)行器子系統(tǒng)功放與執(zhí)行器子系統(tǒng)- 肌肉系統(tǒng)肌肉系統(tǒng)傳感子系統(tǒng)傳感子系統(tǒng)-五官等神經(jīng)感知系統(tǒng)五官等神經(jīng)感知系統(tǒng)能源子系統(tǒng)能源子系統(tǒng)-消化、呼吸系統(tǒng)消化、呼吸系統(tǒng)電氣電氣/液連接子系統(tǒng)液連接子系統(tǒng)-循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)實例分析控制系統(tǒng)實例分析控制系統(tǒng)中為什么需要反饋（測量元件）？控制系統(tǒng)中為什么需要反饋（測量元件）？1. 測量元件的作用測量元件的作用1. 測量元件的作用測量元件的作用控制系統(tǒng)中存在各種不確定性控制系統(tǒng)中存在各種不確定性1. 模型結(jié)構(gòu)不確定性（假設(shè)、降階、近似）模型結(jié)構(gòu)不確定性（假設(shè)、降階、近似）2. 模型參數(shù)不確定性（老化、溫度、工況、工藝）模型參數(shù)不確定性（老化、

4、溫度、工況、工藝）3. 各種外部擾動各種外部擾動0( )( )( )G sG sG s ( )()()KG ss LsR JsD ,KK LL RR JJ DD 1. 測量元件的作用測量元件的作用 所有不確定性的影響，在輸出上都有體現(xiàn)，我們可以所有不確定性的影響，在輸出上都有體現(xiàn)，我們可以通過測量元件獲取被控量的信息，采取相應(yīng)的控制方法對不通過測量元件獲取被控量的信息，采取相應(yīng)的控制方法對不確定性的影響進行有效的抑制。確定性的影響進行有效的抑制?？刂葡到y(tǒng)要有效抑制各種不確定性，保證一定的控制性能控制系統(tǒng)要有效抑制各種不確定性，保證一定的控制性能，就必須測量元件實現(xiàn)閉環(huán)控制。，就必須測量元件實現(xiàn)

5、閉環(huán)控制。執(zhí)行元件和測量元件哪個更重要？執(zhí)行元件和測量元件哪個更重要？1. 測量元件的作用測量元件的作用沒有執(zhí)行元件就談不上控制沒有執(zhí)行元件就談不上控制沒有測量元件只是開環(huán)控制沒有測量元件只是開環(huán)控制1. 測量元件的作用測量元件的作用兩種元件相互依賴兩種元件相互依賴一些測量元件中用到執(zhí)行元件一些測量元件中用到執(zhí)行元件一些執(zhí)行元件中用到測量元件一些執(zhí)行元件中用到測量元件在檢測與控制系統(tǒng)中，傳感器和檢測電路用于信息的提取、轉(zhuǎn)換與處在檢測與控制系統(tǒng)中，傳感器和檢測電路用于信息的提取、轉(zhuǎn)換與處理，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)的精度、性能往往取決于測量元件理，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，整個系統(tǒng)的精度、性能往往取決

6、于測量元件的精度和性能。的精度和性能。測量元件是控制系統(tǒng)的感覺器官，只有能知道生產(chǎn)過程的具體測量元件是控制系統(tǒng)的感覺器官，只有能知道生產(chǎn)過程的具體情況才能進行自動控制。起情況才能進行自動控制。起“眼、耳、鼻、觸覺眼、耳、鼻、觸覺”的作用。的作用。1. 測量元件的作用測量元件的作用自動化過程與控制系統(tǒng)，大量使用傳感器。傳感器與傳感器技術(shù)是自動化過程與控制系統(tǒng)，大量使用傳感器。傳感器與傳感器技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動檢測與控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。現(xiàn)代工業(yè)自動檢測與控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)。 傳感器與傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息社會信息技術(shù)（傳感器技術(shù)傳感器與傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息社會信息技術(shù)（傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)

7、）的三大支柱之一，是信息系統(tǒng)的、通信技術(shù)和計算機技術(shù)）的三大支柱之一，是信息系統(tǒng)的“源源頭頭”。1. 測量元件的作用測量元件的作用2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類 測量元件測量元件: : 檢測一種物理量，（按照一定的對應(yīng)關(guān)系檢測一種物理量，（按照一定的對應(yīng)關(guān)系/ /精確度）轉(zhuǎn)換精確度）轉(zhuǎn)換成容易處理的另一種物理量。成容易處理的另一種物理量。功能：檢測和轉(zhuǎn)換。功能：檢測和轉(zhuǎn)換。處理：放大、加減、積分、微分、濾波、存儲和傳送。處理：放大、加減、積分、微分、濾波、存儲和傳送。容易處理的物理量：主要指的是電信號。容易處理的物理量：主要指的是電信號。物理量物理量電量電量傳感器的組

8、成傳感器的組成 把物理量轉(zhuǎn)化成把物理量轉(zhuǎn)化成電路參量電路參量感受或響應(yīng)被測感受或響應(yīng)被測量并轉(zhuǎn)化成另一量并轉(zhuǎn)化成另一種物理量種物理量將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成特定形式的換成特定形式的電量，電量，（信號調(diào)節(jié)、（信號調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、放大、轉(zhuǎn)換、放大、運算、調(diào)制）運算、調(diào)制）2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類例：氣體壓力傳感器例：氣體壓力傳感器轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將電感轉(zhuǎn)換成電壓將電感轉(zhuǎn)換成電壓 轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件可變電感可變電感3 ，把位，把位移量轉(zhuǎn)換成電感移量轉(zhuǎn)換成電感敏感元件敏感元件膜盒，把氣壓轉(zhuǎn)膜盒，把氣壓轉(zhuǎn)換成位移換成位移2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成

9、、分類例：氣體壓力傳感器例：氣體壓力傳感器壓力壓力位移位移電感電感電壓電壓敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類例子：其它傳感器例子：其它傳感器2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類變送器變送器: : 輸出標準信號的傳感器。將一種量變換成標準信號（另輸出標準信號的傳感器。將一種量變換成標準信號（另一種量）并把它送出去。一種量）并把它送出去。常用的標準信號常用的標準信號：物理量的形式和數(shù)值范圍：物理量的形式和數(shù)值范圍 電壓：電壓：-10-10+10V+10V，0 010V10V；電流：；電流：4 420mA20mA、 0 010mA10

10、mA；氣壓；氣壓 2020100kPa100kPa 標準信號與非標準信號以及標準信號之間也可以用轉(zhuǎn)換器進標準信號與非標準信號以及標準信號之間也可以用轉(zhuǎn)換器進行相互轉(zhuǎn)換（氣行相互轉(zhuǎn)換（氣/ /電）。物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標準的電）。物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國際標準的信號，兼容性好、互換性好。信號，兼容性好、互換性好。2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類根據(jù)被測量的性質(zhì)：根據(jù)被測量的性質(zhì)： 位移（角位移、線位移）、速度、加速度、溫度、力矩、壓力位移（角位移、線位移）、速度、加速度、溫度、力矩、壓力等等根據(jù)工作原理根據(jù)工作原理: 電磁式（旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速

11、發(fā)電機等）、電阻式、電電磁式（旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速發(fā)電機等）、電阻式、電容式、電感式、變壓器式、應(yīng)變式、熱電式、光電式傳感器等容式、電感式、變壓器式、應(yīng)變式、熱電式、光電式傳感器等2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類根據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu) 可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。可分為結(jié)構(gòu)型、物性型和復(fù)合型傳感器。 物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換，如：熱電偶、應(yīng)變片。現(xiàn)信號變換，如：熱電偶、應(yīng)變片。 結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號變換，結(jié)構(gòu)型傳感器是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)

12、信號變換，如：電容式、電感式傳感器。如：電容式、電感式傳感器。根據(jù)輸出信號形式根據(jù)輸出信號形式2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類例：氣體壓力傳感器例：氣體壓力傳感器屬于哪一類傳感器？屬于哪一類傳感器？ 壓力傳感器壓力傳感器電磁感應(yīng)原理電磁感應(yīng)原理結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型模擬型模擬型2 測量元件的定義、組成、分類測量元件的定義、組成、分類 理想特性：輸入和輸出一一對應(yīng)。理想特性：輸入和輸出一一對應(yīng)。 靜態(tài)特性：輸入量和輸出量都為常量，或變化極慢時，輸靜態(tài)特性：輸入量和輸出量都為常量，或變化極慢時，輸出和輸入之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系式中

13、無變量對時間的微分出和輸入之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系式中無變量對時間的微分。 動態(tài)特性：輸入量和輸出量都隨時間變化時的關(guān)系。動態(tài)特性：輸入量和輸出量都隨時間變化時的關(guān)系。數(shù)學(xué)關(guān)系式中有變量對時間的微分。數(shù)學(xué)關(guān)系式中有變量對時間的微分。3 測量元件的特性測量元件的特性1 1變換函數(shù)：描述靜特性的數(shù)學(xué)方程變換函數(shù)：描述靜特性的數(shù)學(xué)方程kxy 3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性變換函數(shù)變換函數(shù)對大多數(shù)測量元件：對大多數(shù)測量元件： 變換函數(shù)：變換函數(shù)：3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性變換函數(shù)變換函數(shù)變換函數(shù)的結(jié)構(gòu)和形式一般是在分析或?qū)嶒灥幕A(chǔ)上建立的，其變換函數(shù)的結(jié)構(gòu)和形式一般是在分析或?qū)嶒灥幕A(chǔ)上建

14、立的，其參數(shù)多在實際標定實驗中，利用統(tǒng)計分析和曲線擬合的方法予以確定。參數(shù)多在實際標定實驗中，利用統(tǒng)計分析和曲線擬合的方法予以確定。曲線擬合方法很多，有理論擬合、過零擬合、端點擬合、曲線擬合方法很多，有理論擬合、過零擬合、端點擬合、端點平移擬合、最小二乘擬合等。端點平移擬合、最小二乘擬合等。最小二乘擬合在實際中應(yīng)用較多，多采用線性方程式：最小二乘擬合在實際中應(yīng)用較多，多采用線性方程式：y=ax+b的形式。以的形式。以N個測試點數(shù)據(jù)，計算得到系數(shù)個測試點數(shù)據(jù)，計算得到系數(shù)a和和b，使實驗數(shù)據(jù)，使實驗數(shù)據(jù)對擬合直線上對應(yīng)值殘差的平方和最小。對擬合直線上對應(yīng)值殘差的平方和最小。2 2靈敏度和線性度（

15、非線性誤差）靈敏度和線性度（非線性誤差）靈敏度：輸出量的微小增量與輸入量微小增量的比值，變換函數(shù)靈敏度：輸出量的微小增量與輸入量微小增量的比值，變換函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)或靜特性曲線的斜率。非線性的，不同的點有不同的的一階導(dǎo)數(shù)或靜特性曲線的斜率。非線性的，不同的點有不同的靈敏度。線性的靜特性，靈敏度不變。靈敏度。線性的靜特性，靈敏度不變。ddyykxx3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性靈敏度靈敏度2 2靈敏度和線性度（非線性誤差）靈敏度和線性度（非線性誤差）線性度或非線性誤差：靜特性曲線偏離某種擬合直線或規(guī)定直線的線性度或非線性誤差：靜特性曲線偏離某種擬合直線或規(guī)定直線的程度。程度。3 測量元件的靜

16、特性測量元件的靜特性線性度線性度在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化在非線性誤差不太大的情況下，通常采用直線擬合的方法來線性化。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。采取不同的方法選取擬合直線，可以得到不同的線性度。2022-5-9333 測量元件的靜特性測量元件的靜特性線性度線性度3 3滯環(huán)（遲滯）滯環(huán)（遲滯） 測量元件正反行程中輸入輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱為滯環(huán)特性測量元件正反行程中輸入輸出曲線不重合的現(xiàn)象稱為滯環(huán)特性或遲滯，它由上升分支和下降分支組成。對應(yīng)同一輸入量，兩個分支或遲滯，它由上升分支和下降分支組成。對應(yīng)同一輸入量，兩個分支所對應(yīng)的輸出不同。滯環(huán)

17、誤差的計算同上。所對應(yīng)的輸出不同。滯環(huán)誤差的計算同上。 3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性滯環(huán)滯環(huán)機械部分摩擦和間隙，機械部分摩擦和間隙，敏感材料結(jié)構(gòu)缺陷，敏感材料結(jié)構(gòu)缺陷，磁性材料磁滯磁性材料磁滯4 4重復(fù)性誤差重復(fù)性誤差 輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時的誤差。輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時的誤差。3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性重復(fù)性誤差重復(fù)性誤差5 5靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差定義：全量程范圍內(nèi)，測量元件輸出值與理論值的偏離誤差。定義：全量程范圍內(nèi)，測量元件輸出值與理論值的偏離誤差。求取方法：測試數(shù)據(jù)與理論輸出值的標準偏差求取方法：測試數(shù)據(jù)與理論輸出值的標準偏差3 測量元件的靜特

18、性測量元件的靜特性靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差 取取2或或3作為測量元件的靜態(tài)誤差。作為測量元件的靜態(tài)誤差。 綜合性誤差、非線性、遲滯、重復(fù)性等。綜合性誤差、非線性、遲滯、重復(fù)性等。 5 5靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性靜態(tài)誤差靜態(tài)誤差其它幾種提法：其它幾種提法：精度：測量的精確程度。真實值與測量值之差精度：測量的精確程度。真實值與測量值之差絕對誤差：測量值與被測量真值之差：測量值絕對誤差：測量值與被測量真值之差：測量值-真實值，有單位、有真實值，有單位、有正負正負相對誤差：相對誤差：|測量值測量值-真實值真實值|/|測量值測量值|100%， 用來說明測量用來說明測量結(jié)果的準確程度。

19、結(jié)果的準確程度。3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性其它性能參數(shù)其它性能參數(shù) 測量范圍和量程測量范圍和量程測量元件能夠滿足規(guī)定精度時檢測到的最小輸入量和最測量元件能夠滿足規(guī)定精度時檢測到的最小輸入量和最大輸入量，稱為測量范圍。大輸入量，稱為測量范圍。測量元件能夠滿足規(guī)定精度時檢測到的最大輸入量和最測量元件能夠滿足規(guī)定精度時檢測到的最大輸入量和最小輸入量之差，稱為量程。小輸入量之差，稱為量程。 如果被測量最小輸入量為零，可以不做區(qū)分，如力矩、速度等如果被測量最小輸入量為零，可以不做區(qū)分，如力矩、速度等。 3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性其它性能參數(shù)其它性能參數(shù) 分辨率和分辨力分辨率和分辨力

20、傳感器的輸入傳感器的輸入/輸出關(guān)系不可能做到處處連續(xù)。輸入量太小，輸出輸出關(guān)系不可能做到處處連續(xù)。輸入量太小，輸出不會變化。不會變化。 分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測被測量最小值的性能分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測被測量最小值的性能指標。指標。 分辨率是以滿量程的百分數(shù)來表示，無量綱；分辨率是以滿量程的百分數(shù)來表示，無量綱； 分辯力是以最小量程的單位值來表示，有量綱。分辯力是以最小量程的單位值來表示，有量綱。 在最小輸入處的分辨力被稱為閾值在最小輸入處的分辨力被稱為閾值 。2022-5-940 穩(wěn)定性穩(wěn)定性: : 傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。傳感器在一個較長的時間內(nèi)保

21、持其性能參數(shù)的能力。3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性其它性能參數(shù)其它性能參數(shù) 漂移漂移: : 漂移是指在外界的干漂移是指在外界的干擾下，在一定時間間隔內(nèi)，擾下，在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的或不需要的變化。量無關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。度漂移等，如圖所示。 如果采用差動、對稱結(jié)構(gòu)和差動電如果采用差動、對稱結(jié)構(gòu)和差動電路（如電橋）相結(jié)合的差動技術(shù)，可以達路（如電橋）相結(jié)合的差動技術(shù)，可以達到消除零位值、減小非線性、提高靈敏度到消除零位值、減小非線性、提高靈敏度、實現(xiàn)溫度補償和抵消共模誤差干擾等的

22、、實現(xiàn)溫度補償和抵消共模誤差干擾等的效果，改善傳感器的技術(shù)性能。效果，改善傳感器的技術(shù)性能。3 測量元件的靜特性測量元件的靜特性提高傳感器性能的技術(shù)途徑提高傳感器性能的技術(shù)途徑: : 測量元件的輸入量由一個數(shù)值變到另一個數(shù)值的過程中，測量元件的輸入量由一個數(shù)值變到另一個數(shù)值的過程中，呈現(xiàn)的特性就是動特性。數(shù)學(xué)式中含有變量對時間的導(dǎo)數(shù)。呈現(xiàn)的特性就是動特性。數(shù)學(xué)式中含有變量對時間的導(dǎo)數(shù)。3 測量元件的動特性測量元件的動特性和控制系統(tǒng)類似有三種描述方式？和控制系統(tǒng)類似有三種描述方式？1 微分方程微分方程2 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)3 頻率特性頻率特性傳感器動態(tài)特性研究方法傳感器動態(tài)特性研究方法1 瞬態(tài)響應(yīng)

23、法；瞬態(tài)響應(yīng)法；2 頻率響應(yīng)法；頻率響應(yīng)法；3 沖擊響應(yīng)法；沖擊響應(yīng)法； 一階測量元件（慣性環(huán)節(jié)）一階測量元件（慣性環(huán)節(jié)） T T 為時間常數(shù)，為時間常數(shù)，T T 越小，響應(yīng)速度越快。越小，響應(yīng)速度越快。 1KHjj T 3 測量元件的動特性測量元件的動特性 dy tTy tKx tdt 二階測量元件二階測量元件3 測量元件的動特性測量元件的動特性 22212nnd y tdy ty tKx tdtdt 零階測量元件：零階測量元件：傳遞函數(shù)是常數(shù)傳遞函數(shù)是常數(shù)K K?？刂葡到y(tǒng)中，測量元件都可看成是零階測量控制系統(tǒng)中，測量元件都可看成是零階測量元件元件比例環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)。從時域角度看，測量元件的動態(tài)特性應(yīng)具有足夠快的從時域角度看，測量元件的動態(tài)特性應(yīng)具有足夠快的響應(yīng)速度和適當?shù)淖枘岜?。從頻域角度看，測量元件應(yīng)當響應(yīng)速度和適當?shù)淖枘岜?。從頻域角度看，測量元件應(yīng)當具有足夠?qū)挼念l帶寬度。具有足夠?qū)挼念l帶寬度。 3 測量元件的動特性測量元件的動特性4 選擇測量元件時的注意事項選擇測量元件時的注意事項1 靜態(tài)性能要求靜態(tài)性能要求量程、精度、分辨率量程、精度、分辨率2 動態(tài)性能要求動態(tài)性能要求頻域：測量的帶寬高于系統(tǒng)帶寬的頻域：測量的帶