第三講傳感器構(gòu)成論

1、1一、傳感器的基本構(gòu)成一、傳感器的基本構(gòu)成 1敏感元件敏感元件 2轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件 3轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 傳感器的定義傳感器的定義：傳感器是以一定的精確度把被測量（物理：傳感器是以一定的精確度把被測量（物理量、生物量、化學(xué)量）轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的便于處理應(yīng)量、生物量、化學(xué)量）轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的便于處理應(yīng)用的某種物理量（如電量、光學(xué)量）的測量部件或裝置。通用的某種物理量（如電量、光學(xué)量）的測量部件或裝置。通常由常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路組成。組成。2n 但有些傳感器，三部分不一定齊全，如：但有些傳感器，三部分不一定齊全，如：熱電偶、差動(dòng)變壓式熱電偶、差動(dòng)變壓式

2、位移位移傳感器傳感器 由由1 1組成組成； 電容式位移傳感器、壓阻式傳感器電容式位移傳感器、壓阻式傳感器 由由1 1、3 3組成；組成；壓電式加速度傳感器、差動(dòng)變壓式壓電式加速度傳感器、差動(dòng)變壓式力力傳感器傳感器 由由1 1、2 2組成；組成；電阻應(yīng)變式力傳感器電阻應(yīng)變式力傳感器 由由1 1、2 2、3 3組成。組成。二、傳感器的結(jié)構(gòu)類型二、傳感器的結(jié)構(gòu)類型根據(jù)根據(jù)結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)組成可將傳感器按其構(gòu)成方法分為以下幾類：可將傳感器按其構(gòu)成方法分為以下幾類： 1.1.通用型、通用型、2.2.參比型、參比型、3.3.差動(dòng)型、差動(dòng)型、4.4.反饋型反饋型。每一類型，根據(jù)能量變換，一般都可分為：每一類型，

3、根據(jù)能量變換，一般都可分為： 能量變換型能量變換型 能量控制型能量控制型3 1.通用型 根據(jù)組成可分為：根據(jù)組成可分為：能量變換基本型能量變換基本型、能量控制基本型能量控制基本型、能能量變換特殊型量變換特殊型（輔助能源型）、（輔助能源型）、電路參數(shù)型電路參數(shù)型和和多級(jí)變換型多級(jí)變換型。 （1）能量變換基本型能量變換基本型敏感元件敏感元件物理、化物理、化學(xué)、生物學(xué)、生物輸入輸入電量電量輸出輸出輸入量為被測非電量，輸出是電流、電壓。輸入量為被測非電量，輸出是電流、電壓。4典型例子：典型例子：熱電偶（塞貝克效應(yīng)）熱電偶（塞貝克效應(yīng)）光電池（光生伏特效應(yīng)）光電池（光生伏特效應(yīng)）壓電式傳感器壓電式傳感器

4、壓電式超聲波探頭壓電式超聲波探頭特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1 1）只由敏感元件構(gòu)成。）只由敏感元件構(gòu)成。（2 2）不需外加電源，敏感元件就是能量變換元件，能量從被測對(duì)象）不需外加電源，敏感元件就是能量變換元件，能量從被測對(duì)象 獲得，輸出能量較弱。獲得，輸出能量較弱。（3 3）利用）利用熱平衡現(xiàn)象熱平衡現(xiàn)象或或傳輸現(xiàn)象傳輸現(xiàn)象中的中的一次效應(yīng)一次效應(yīng)制成是可逆的。制成是可逆的。（4 4）對(duì)被測對(duì)象有負(fù)荷效應(yīng)（因輸出逆效應(yīng)而影響輸入）。）對(duì)被測對(duì)象有負(fù)荷效應(yīng)（因輸出逆效應(yīng)而影響輸入）。（5 5）輸出能量不可能大于被測對(duì)象的能量輸出能量不可能大于被測對(duì)象的能量。（壓電效應(yīng)）（壓電效應(yīng)）5（2 2）能量變換特殊型

5、（輔助能源型）能量變換特殊型（輔助能源型）典型例子：典型例子： 光電管光電管 光電倍增管光電倍增管 CCD CCD 磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器 霍爾式傳感器（霍爾型較特殊，可以看作上面的混合型）霍爾式傳感器（霍爾型較特殊，可以看作上面的混合型）輸出輸出輸入輸入敏感元件敏感元件輔助能源輔助能源6特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）只由敏感元件構(gòu)成。）只由敏感元件構(gòu)成。（2）能量從被測對(duì)象獲得，）能量從被測對(duì)象獲得，屬能量變換型屬能量變換型。（3）輔助能源輔助能源是為了是為了增加抗干擾能力增加抗干擾能力或或提高穩(wěn)定性提高穩(wěn)定性，或，或取出取出信號(hào)信號(hào)，或?yàn)?，或?yàn)樵硭枰褂霉潭ù艌鲈硭枰褂霉潭ù艌?/p>

6、。 如霍爾式傳感器，使用固定磁場，這是利用磁鐵來代替動(dòng)力如霍爾式傳感器，使用固定磁場，這是利用磁鐵來代替動(dòng)力源，這時(shí)不把磁鐵看作動(dòng)力源，而看作輔助能源。源，這時(shí)不把磁鐵看作動(dòng)力源，而看作輔助能源。7 （3）能量控制基本型特點(diǎn)： （1 1）也由）也由敏感元件敏感元件組成，但需外加電源才能將被測非電量組成，但需外加電源才能將被測非電量轉(zhuǎn)換成電量輸出。轉(zhuǎn)換成電量輸出。 （2 2）輸出能量可大于被測對(duì)象具有的能量輸出能量可大于被測對(duì)象具有的能量。 （3 3）無需變換電路即可有較大的電量輸出。）無需變換電路即可有較大的電量輸出。輸出輸出輸入輸入敏感元件敏感元件電源電源典型例子：變壓器式位移傳感器典型例子

7、：變壓器式位移傳感器 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器8 （4）電路參數(shù)型特點(diǎn)：(1) (1) 敏感元件對(duì)輸入非電信號(hào)進(jìn)行阻抗變換。敏感元件對(duì)輸入非電信號(hào)進(jìn)行阻抗變換。(2) (2) 轉(zhuǎn)換電路含有該敏感元件。轉(zhuǎn)換電路含有該敏感元件。(3) (3) 電源向轉(zhuǎn)換電路提供能量從而輸出電量，屬于能量控制型。電源向轉(zhuǎn)換電路提供能量從而輸出電量，屬于能量控制型。(4) (4) 輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量。輸出能量遠(yuǎn)大于輸入能量。(5) (5) 利用傳輸現(xiàn)象中的二次效應(yīng)都屬于此類傳感器。利用傳輸現(xiàn)象中的二次效應(yīng)都屬于此類傳感器。 它由敏感元件以及包含敏感元件它由敏感元件以及包含敏感元件在內(nèi)的轉(zhuǎn)換電路和電源組成。在內(nèi)的轉(zhuǎn)換電

8、路和電源組成。輸出輸出輸入輸入 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路敏感元件敏感元件電源電源典型例子：典型例子： 自感式、電容式、電渦流式、氣敏電阻、濕自感式、電容式、電渦流式、氣敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻等。敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻等。9 （5 5）多級(jí)變換型）多級(jí)變換型輸出輸出輸入輸入敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件能量變換型能量變換型輸入輸入輸出輸出 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件電源電源能量控制型例如，壓電式例如，壓電式加速度傳感器加速度傳感器目前大多數(shù)傳感器都是利用目前大多數(shù)傳感器都是利用敏感元件敏感元件把被測非電量轉(zhuǎn)換成某種可利用的把被測非電量轉(zhuǎn)換成某種可利用的中間變換物

9、理量，再通過中間變換物理量，再通過轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件，有時(shí)還需要，有時(shí)還需要轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成便于測轉(zhuǎn)換成便于測量的電量輸出。量的電量輸出。例如，應(yīng)變例如，應(yīng)變式力傳感器式力傳感器10 熱平衡二次效應(yīng)熱平衡二次效應(yīng)R2R1DvDv膜片膜片懸臂支架懸臂支架應(yīng)變片應(yīng)變片P應(yīng)變式力傳感器、應(yīng)變式力傳感器、光纖式加速度、光纖式加速度、酶熱敏電阻式、酶熱敏電阻式、電容電感式加速度、電容電感式加速度、 霍爾式壓力傳感器。霍爾式壓力傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：設(shè)計(jì)自由度大，可用二級(jí)或二級(jí)以上變換，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)自由度大，可用二級(jí)或二級(jí)以上變換，設(shè)計(jì)出適應(yīng)各種條件的傳感器。出適應(yīng)各種條件的傳感器。11 可利用的可利用的中

10、間變換量中間變換量：是指那些容易轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的物理量。：是指那些容易轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的物理量。 在大多數(shù)情況下，傳感器的輸出采取電量的形式，但是把輸入的物在大多數(shù)情況下，傳感器的輸出采取電量的形式，但是把輸入的物理量直接更換為電量不那么容易，而是轉(zhuǎn)換成為可利用的中間變換量。理量直接更換為電量不那么容易，而是轉(zhuǎn)換成為可利用的中間變換量。 在多數(shù)情況下，采取兩級(jí)或兩級(jí)以上的變換，這就增加了傳感器設(shè)在多數(shù)情況下，采取兩級(jí)或兩級(jí)以上的變換，這就增加了傳感器設(shè)計(jì)的自由度并使之適應(yīng)各種條件。計(jì)的自由度并使之適應(yīng)各種條件。被測量被測量中間變換量中間變換量轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件力、壓力、熱、加速度、扭矩、力、壓力、熱、

11、加速度、扭矩、溫度（雙金屬片）、流速、濕溫度（雙金屬片）、流速、濕度（高分子材料碳粒度（高分子材料碳粒）位移位移電容、電感、應(yīng)變片、壓電容、電感、應(yīng)變片、壓阻、霍爾阻、霍爾位移、轉(zhuǎn)數(shù)、濃度、氣體成分、位移、轉(zhuǎn)數(shù)、濃度、氣體成分、濕度、維生素濕度、維生素光量光量光電器件、射線光電器件、射線濕度、真空度、流速、尿素等濕度、真空度、流速、尿素等熱（溫度）熱（溫度）熱電偶、熱敏電阻熱電偶、熱敏電阻生物量、化學(xué)物質(zhì)、離子濃生物量、化學(xué)物質(zhì)、離子濃度、度、PHPH值、值、O O2 2、葡萄糖、葡萄糖復(fù)合物復(fù)合物（化學(xué)物質(zhì)）（化學(xué)物質(zhì)）電化學(xué)器件電化學(xué)器件（各類電極）（各類電極）12輸入輸入敏感元件敏感元件

12、敏感元件敏感元件輸出輸出環(huán)境量環(huán)境量能量變換型能量變換型 輸出輸出輸入輸入 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路環(huán)境量環(huán)境量敏感元件敏感元件敏感元件敏感元件能量控制型能量控制型 電源電源 為了消除環(huán)境條件變化（如溫度變化、電源電壓波動(dòng)等）的影響。為了消除環(huán)境條件變化（如溫度變化、電源電壓波動(dòng)等）的影響。采用兩個(gè)性能完全相同的傳感元件。采用兩個(gè)性能完全相同的傳感元件。2.2.參比補(bǔ)償型參比補(bǔ)償型13特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) (1) 采用采用兩個(gè)（或兩個(gè)以上）性能完全相同的敏感元件。其兩個(gè)（或兩個(gè)以上）性能完全相同的敏感元件。其 中一個(gè)感受被測量和環(huán)境量，另一個(gè)只感受環(huán)境量作補(bǔ)中一個(gè)感受被測量和環(huán)境量，另一個(gè)只感受環(huán)境量

13、作補(bǔ) 償用。償用。 (2) (2) 兩個(gè)敏感元件同時(shí)接到電橋的相鄰兩臂或反串。兩個(gè)敏感元件同時(shí)接到電橋的相鄰兩臂或反串。 (3) (3) 能消除環(huán)境和條件變化干擾的影響（如溫度、電源電能消除環(huán)境和條件變化干擾的影響（如溫度、電源電 壓）。壓）。14 例：電阻應(yīng)變式壓力傳感器中壓力與溫度變化對(duì)電阻應(yīng)變片的例：電阻應(yīng)變式壓力傳感器中壓力與溫度變化對(duì)電阻應(yīng)變片的電阻都產(chǎn)生影響，且溫度影響程度不能忽略時(shí)，需用溫度補(bǔ)償電阻都產(chǎn)生影響，且溫度影響程度不能忽略時(shí)，需用溫度補(bǔ)償片，構(gòu)成參比型。（一個(gè)為工作片，另一個(gè)為補(bǔ)償片。）片，構(gòu)成參比型。（一個(gè)為工作片，另一個(gè)為補(bǔ)償片。）U0RRR1R2R1R215 3.

14、差動(dòng)結(jié)構(gòu)型特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1) (1) 采用采用兩個(gè)（或兩個(gè)以上）性能完全相同的敏感元件，同時(shí)感受相同的兩個(gè)（或兩個(gè)以上）性能完全相同的敏感元件，同時(shí)感受相同的環(huán)境影響量和方向相反的被測量。環(huán)境影響量和方向相反的被測量。(2) (2) 反串或接入電橋相鄰的兩臂。反串或接入電橋相鄰的兩臂。(3) (3) 輸出信號(hào)提高一倍。輸出信號(hào)提高一倍。(4) (4) 傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)以提高靈敏度、線性度，減小或消除環(huán)境因素的影響。傳感器差動(dòng)結(jié)構(gòu)以提高靈敏度、線性度，減小或消除環(huán)境因素的影響。應(yīng)用：差動(dòng)電阻式、差動(dòng)電容式、差動(dòng)電感式。應(yīng)用：差動(dòng)電阻式、差動(dòng)電容式、差動(dòng)電感式。輸入輸入 轉(zhuǎn)換電路敏感元件敏感元件敏感

15、元件敏感元件反相反相電源電源輸出輸出能量控制型能量控制型1617高壓高壓側(cè)進(jìn)側(cè)進(jìn)氣口氣口低壓側(cè)低壓側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)氣口電子線電子線路位置路位置內(nèi)部不銹鋼內(nèi)部不銹鋼膜片的位置膜片的位置18 4.反饋型特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1) (1) 傳感器的敏感元件（或轉(zhuǎn)換元件）同時(shí)傳感器的敏感元件（或轉(zhuǎn)換元件）同時(shí)兼作反饋元件兼作反饋元件。(2) (2) 是是閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)、傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，故又稱為平衡式傳感器。、傳感器輸入處于平衡狀態(tài)，故又稱為平衡式傳感器。(3) (3) 主要有力（位移）反饋和熱反饋型，如差動(dòng)電容力平衡式加速度感主要有力（位移）反饋和熱反饋型，如差動(dòng)電容力平衡式加速度感 器、熱線熱反饋型流速

16、傳感器等器、熱線熱反饋型流速傳感器等。(4) (4) 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場合（高精度微差壓、高流速）。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，應(yīng)用于特殊場合（高精度微差壓、高流速）。電量電量 輸出輸出輸入輸入敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件伺服伺服放大系統(tǒng)放大系統(tǒng)電源電源逆轉(zhuǎn)換元件逆轉(zhuǎn)換元件19小結(jié)：小結(jié)： 通用型：結(jié)構(gòu)簡單、成本低的場合通用型：結(jié)構(gòu)簡單、成本低的場合 參比型：精度要求高、性能好參比型：精度要求高、性能好 差動(dòng)型：精度要求高、性能好差動(dòng)型：精度要求高、性能好 反饋型：特殊要求場合反饋型：特殊要求場合20三、傳感器與被測對(duì)象的關(guān)聯(lián)三、傳感器與被測對(duì)象的關(guān)聯(lián) 被測對(duì)象分為固體、流體1. 傳感器與固

17、體對(duì)象的關(guān)聯(lián)傳感器與固體對(duì)象的關(guān)聯(lián)特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)(1)傳感器與被測對(duì)象可視為一體，受環(huán)境變動(dòng)的影響相同、傳感器與被測對(duì)象可視為一體，受環(huán)境變動(dòng)的影響相同、易獲得較準(zhǔn)確的信息。易獲得較準(zhǔn)確的信息。 (2)(2)標(biāo)定方法和裝置與具體被測對(duì)象無關(guān)，可事先標(biāo)定，標(biāo)定標(biāo)定方法和裝置與具體被測對(duì)象無關(guān)，可事先標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果對(duì)不同對(duì)象可立即使用，不需再標(biāo)定（現(xiàn)場）。結(jié)果對(duì)不同對(duì)象可立即使用，不需再標(biāo)定（現(xiàn)場）。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 有負(fù)荷效應(yīng)。有負(fù)荷效應(yīng)。（1 1） 接觸型接觸型 負(fù)荷效應(yīng)負(fù)荷效應(yīng)（即被測對(duì)象承受負(fù)荷而改變其狀態(tài)或特性）與（即被測對(duì)象承受負(fù)荷而改變其狀態(tài)或特性）與傳感器體積、剛度、熱容量等參數(shù)

18、大小有關(guān)，小到一定程度時(shí)傳感器體積、剛度、熱容量等參數(shù)大小有關(guān)，小到一定程度時(shí)可忽略，否則要補(bǔ)償，不補(bǔ)償則帶來誤差?？珊雎?，否則要補(bǔ)償，不補(bǔ)償則帶來誤差。21(1)(1)接受由被測對(duì)象發(fā)出的光或電磁波、輻射熱等。例如光接受由被測對(duì)象發(fā)出的光或電磁波、輻射熱等。例如光電傳感器、紅外探測器。電傳感器、紅外探測器。(2)(2)從傳感器向被測對(duì)象發(fā)射信號(hào)或與之構(gòu)成電位差、距離從傳感器向被測對(duì)象發(fā)射信號(hào)或與之構(gòu)成電位差、距離改變等，用傳感器接收相應(yīng)的響應(yīng)。例如超聲波、電渦流、改變等，用傳感器接收相應(yīng)的響應(yīng)。例如超聲波、電渦流、電容傳感器等。電容傳感器等。 高溫、高速回轉(zhuǎn)物體（危險(xiǎn)）、或被測對(duì)象很小、傳感

19、器高溫、高速回轉(zhuǎn)物體（危險(xiǎn)）、或被測對(duì)象很小、傳感器無法安裝、或負(fù)荷效應(yīng)不易補(bǔ)償?shù)葓龊舷聭?yīng)用。無法安裝、或負(fù)荷效應(yīng)不易補(bǔ)償?shù)葓龊舷聭?yīng)用。獲取信息的獲取信息的方法方法：（2） 非接觸型非接觸型22 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 負(fù)荷效應(yīng)一般極小，可以忽略。但激光干涉儀測位移，反光負(fù)荷效應(yīng)一般極小，可以忽略。但激光干涉儀測位移，反光鏡在被測物上，要考慮負(fù)荷效應(yīng)。鏡在被測物上，要考慮負(fù)荷效應(yīng)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1)被測物的放射性、被測對(duì)象與傳感器之間的介質(zhì)特性，在被測物的放射性、被測對(duì)象與傳感器之間的介質(zhì)特性，在傳感器附近的其它物體，傳感器與被測物間距離變化影響輸傳感器附近的其它物體，傳感器與被測物間距離變化影響輸

20、出。出。(2)安裝位置任意，不能事先標(biāo)定，故要現(xiàn)場標(biāo)定。標(biāo)定不僅安裝位置任意，不能事先標(biāo)定，故要現(xiàn)場標(biāo)定。標(biāo)定不僅取決于安裝位置，還與被測物形狀尺寸、物理參數(shù)以及環(huán)境取決于安裝位置，還與被測物形狀尺寸、物理參數(shù)以及環(huán)境等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。結(jié)論：根據(jù)具體使用目的、場合選擇。結(jié)論：根據(jù)具體使用目的、場合選擇。23 接觸型與非接觸型的比較接觸型與非接觸型的比較項(xiàng)項(xiàng) 目目接觸型接觸型非接觸型非接觸型負(fù)荷效應(yīng)負(fù)荷效應(yīng)大大小小環(huán)境影響環(huán)境影響不容易影響不容易影響易受影響易受影響安裝位置安裝位置固定固定可以移動(dòng)可以移動(dòng)標(biāo)定標(biāo)定預(yù)先預(yù)先現(xiàn)場現(xiàn)場分布檢測分布檢測困難困難容易容易分布檢測：分布檢測： 對(duì)觀測值

21、或誤差是否服從某一分布所作的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)觀測值或誤差是否服從某一分布所作的檢驗(yàn)。檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)檢測值或誤差要計(jì)算一些數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，將這些統(tǒng)計(jì)量與假對(duì)檢測值或誤差要計(jì)算一些數(shù)值統(tǒng)計(jì)量，將這些統(tǒng)計(jì)量與假設(shè)觀測值或誤差服從某一分布時(shí)所得出的臨界值作比較，以設(shè)觀測值或誤差服從某一分布時(shí)所得出的臨界值作比較，以判斷觀測值或誤差是否服從某一分布。判斷觀測值或誤差是否服從某一分布。242.2.流體流體 利用傳感器測量流體的某些參數(shù)（流速、溫度、流量、利用傳感器測量流體的某些參數(shù)（流速、溫度、流量、濃度等），這些參數(shù)是容器或管道中流動(dòng)的一些參數(shù)，所以濃度等），這些參數(shù)是容器或管道中流動(dòng)的一些參數(shù)，所以必須將傳感

22、器安裝在容器里或管道中。因此必須將傳感器安裝在容器里或管道中。因此, ,傳感器對(duì)原來傳感器對(duì)原來流體的狀態(tài)或多或少地會(huì)產(chǎn)生一些影響。流體的狀態(tài)或多或少地會(huì)產(chǎn)生一些影響。特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) (1) 存在負(fù)荷效應(yīng)。存在負(fù)荷效應(yīng)。(2) (2) 要求傳感器與被測對(duì)象間能量授受越小越好，這將要求傳感器與被測對(duì)象間能量授受越小越好，這將導(dǎo)致傳感器的輸入信號(hào)很弱，必須采用高靈敏傳感器。導(dǎo)致傳感器的輸入信號(hào)很弱，必須采用高靈敏傳感器。差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)25四、四、 傳感器對(duì)信號(hào)的選擇傳感器對(duì)信號(hào)的選擇1. 傳感器信號(hào)選擇機(jī)理傳感器信號(hào)選擇機(jī)理 2. 傳感器的信號(hào)選擇方式傳感器的信號(hào)選擇方式 261.

23、 1. 傳感器信號(hào)選擇機(jī)理傳感器信號(hào)選擇機(jī)理傳感器的基本機(jī)能是采集與變換被測信號(hào)。為使其正傳感器的基本機(jī)能是采集與變換被測信號(hào)。為使其正確采集應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料學(xué)等方面加以保證，確保采集確采集應(yīng)從結(jié)構(gòu)、材料學(xué)等方面加以保證，確保采集有用信號(hào)，阻止或剔除無用信號(hào)。有用信號(hào)，阻止或剔除無用信號(hào)。設(shè)設(shè)輸入變量輸入變量x1,x2,xn,傳感器傳感器內(nèi)部變量內(nèi)部變量u1,u2,ur,輸出變量輸出變量y1,y2ym,則傳感器的一般則傳感器的一般數(shù)學(xué)模型表達(dá)式數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：為： yi=fi(x1,x2,xn, u1,u2,ur)其中其中i=1,2,m 如果被測信號(hào)為如果被測信號(hào)為x1,與之對(duì)應(yīng)的輸出為與之對(duì)

24、應(yīng)的輸出為y1，則，則 y1=f1(x1,x2,xn, u1,u2,ur)為了得到為了得到x1與與y1一一對(duì)應(yīng)，則必須使除一一對(duì)應(yīng)，則必須使除x1以外的變量（稱干以外的變量（稱干擾量）固定或即使有變化，對(duì)擾量）固定或即使有變化，對(duì)x1也不產(chǎn)生影響或影響很小可忽也不產(chǎn)生影響或影響很小可忽略略。27例如：金屬導(dǎo)線例如：金屬導(dǎo)線R金屬種類、純度、尺寸、溫度、應(yīng)力。金屬種類、純度、尺寸、溫度、應(yīng)力。如果如果測溫測溫，必須選擇只隨溫度變化，結(jié)構(gòu)上應(yīng)防止變形影響；，必須選擇只隨溫度變化，結(jié)構(gòu)上應(yīng)防止變形影響；如果選擇電阻隨尺寸、如果選擇電阻隨尺寸、應(yīng)力應(yīng)力而變化，則應(yīng)防止溫度的影響，而變化，則應(yīng)防止溫度的

25、影響，使之輸入、輸出一一對(duì)應(yīng)。使之輸入、輸出一一對(duì)應(yīng)。下面討論幾種常見的傳感器對(duì)信號(hào)的選擇方式：下面討論幾種常見的傳感器對(duì)信號(hào)的選擇方式：282. 2. 傳感器信號(hào)選擇方式傳感器信號(hào)選擇方式 （1）固定方式 把把x x1 1之外的其他變量之外的其他變量固定，或用控制方法使其為定值，例熱電偶：固定，或用控制方法使其為定值，例熱電偶： 嚴(yán)格控制材料純度，使嚴(yán)格控制材料純度，使dudu1 1/dt/dt、dudu2 2/dt=0/dt=0；基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度；基準(zhǔn)結(jié)點(diǎn)溫度x x2 2固定為冰水固定為冰水點(diǎn)，熱電偶插入保護(hù)管內(nèi)，避免因周圍環(huán)境及氣氛的影響。點(diǎn)，熱電偶插入保護(hù)管內(nèi)，避免因周圍環(huán)境及氣氛的影響。

26、三相點(diǎn)：三相點(diǎn)：物質(zhì)的固相、液相物質(zhì)的固相、液相及其上方的蒸汽相三相平衡及其上方的蒸汽相三相平衡共存時(shí)的溫度和壓強(qiáng)是一個(gè)共存時(shí)的溫度和壓強(qiáng)是一個(gè)固定值。例如水的三相點(diǎn)溫固定值。例如水的三相點(diǎn)溫度是度是273.16K.273.16K.dcba 基準(zhǔn)接點(diǎn)基準(zhǔn)接點(diǎn)（一般為冰點(diǎn)）（一般為冰點(diǎn)）+ + 電電- - 路路測量測量接點(diǎn)接點(diǎn)銅線銅線金屬絲金屬絲A A金屬絲金屬絲B B測試測試接頭接頭接監(jiān)接監(jiān)測測電位電位計(jì)計(jì)銅線銅線29 （2）補(bǔ)償方式（參比）補(bǔ)償方式（參比） 利用被測量和干擾量共同作用的利用被測量和干擾量共同作用的第一第一函數(shù)量和只有干擾量作函數(shù)量和只有干擾量作用的用的第二第二函數(shù)量函數(shù)量之差

27、之差（干擾量作用效果與被測量相加時(shí)）或（干擾量作用效果與被測量相加時(shí)）或之比之比（干擾量作用效果與被測量相乘時(shí)）來消除干擾量的影（干擾量作用效果與被測量相乘時(shí)）來消除干擾量的影響的一種方式。響的一種方式。設(shè)：被測量設(shè)：被測量x1，變量，變量x1；干擾量；干擾量x2，變量，變量x2共同作用的函數(shù)：共同作用的函數(shù)：f (x1+x1 , x2+x2)只有干擾作用的函數(shù)：只有干擾作用的函數(shù)： f (x1 , x2+x2) 分別在分別在x1，x2附近泰勒展開，忽略二次以上的高階微小量附近泰勒展開，忽略二次以上的高階微小量30 2222221212212122211212211)x( )xx(2)x( 2

28、1 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(xfxxfxffxf )x( 2!1 +xxf+）x，x（ =）x + x， (222222221221xffxf)()(),(22211121xfaxfaxxf如果函數(shù)如果函數(shù)f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之和。例如之和。例如則取上兩式之差，可得則取上兩式之差，可得)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf31)(!22)(!21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf)()(),(2221112

29、1xfaxfaxxf0)0(21212xaxxf設(shè)函數(shù)設(shè)函數(shù)f(x1,x2)是是x1和和x2的線性組合。例如的線性組合。例如時(shí)， 兩式之差為：兩式之差為： )(! 212121211xxfxxfx2的影響在輸出中被消除了，達(dá)到全補(bǔ)償?shù)挠绊懺谳敵鲋斜幌?，達(dá)到全補(bǔ)償32如果函數(shù)如果函數(shù)f(x1,x2)是是f1(x1)和和f2(x2)之積，例如之積，例如)()(),(221121xfxafxxf則取上兩式之比，它們的輸出為則取上兩式之比，它們的輸出為（作用函數(shù)：）（作用函數(shù)：）)()(),(2221112211xxfxxafxxxxf)()(),(22211221xxfxafxxxf)()(),

30、(),(111112212211xfxxfxxxfxxxxf消除了干擾量影響，得到了完全補(bǔ)償。消除了干擾量影響，得到了完全補(bǔ)償。例子：工作應(yīng)變片與補(bǔ)償應(yīng)變片接成橋式電路。例子：工作應(yīng)變片與補(bǔ)償應(yīng)變片接成橋式電路。333.差動(dòng)方式 （3 3）差動(dòng)方式）差動(dòng)方式 被測量朝兩個(gè)方向?qū)ΨQ變化，而作為影響量的次要變量則朝被測量朝兩個(gè)方向?qū)ΨQ變化，而作為影響量的次要變量則朝一個(gè)方向變化，然后取差，就能將被測量選擇出來。一個(gè)方向變化，然后取差，就能將被測量選擇出來。 使傳感器的兩個(gè)相反的方向（即一個(gè)增大，另一個(gè)減?。┦箓鞲衅鞯膬蓚€(gè)相反的方向（即一個(gè)增大，另一個(gè)減?。惺芡槐粶y量，而且以兩個(gè)相同方向感受干

31、擾量，取兩個(gè)，感受同一被測量，而且以兩個(gè)相同方向感受干擾量，取兩個(gè)函數(shù)之差作為輸出。函數(shù)之差作為輸出。 例如：差動(dòng)結(jié)構(gòu)傳感器有例如：差動(dòng)結(jié)構(gòu)傳感器有差動(dòng)式電容差動(dòng)式電容、電感傳感器電感傳感器、變壓器式變壓器式以及利用傳播時(shí)間差原理的以及利用傳播時(shí)間差原理的超聲波流速儀超聲波流速儀、應(yīng)變式電橋應(yīng)變式電橋傳感器傳感器等。等。 設(shè)被測量為設(shè)被測量為x1，干擾量為，干擾量為x2，則差動(dòng)式作用函數(shù)分別為，則差動(dòng)式作用函數(shù)分別為),(),(22112211xxxxfxxxxf34 )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf+）x，x（ =）x + x， x(22222212122121222112

32、12211xfxxfxffxf )x( )xx(2)x( 21 + xxf+xxf- ）x，x（ =）x + x， x(2222221212212122211212211 xfxxfxffxf)(2)(2）x + x， x(- ）x + x， x(212121122112211xxxxfxxfxfxf用多項(xiàng)式展開，忽略兩次以上的高階量，并求差得：用多項(xiàng)式展開，忽略兩次以上的高階量，并求差得：)(! 22)(! 21),(),(2121221212112212211xxxxfxxfxxfxxxfxxxxf35 0212xxf 可知與補(bǔ)償法相比，靈敏度提高了一倍，消除了可知與補(bǔ)償法相比，靈敏度提高了一倍，消除了(x2 )2非線性項(xiàng)，改善了傳感器的非線性。非線性項(xiàng)，改善了傳感器的非線性。當(dāng)當(dāng)x1, ,x2為算術(shù)迭加時(shí)，為算術(shù)迭加時(shí)， 例：一維線性組合例：一維線性組合 )()(),(22211121xfaxfaxxf此時(shí)此時(shí)x2的影響可完全消除。的影響可完全消除。36（4）頻率域頻率域及時(shí)間域的選擇及時(shí)間域的選擇 信號(hào)和噪聲的頻帶重迭時(shí)，可以對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行