傳感器的地位與定義重點

1、假假設我們將現(xiàn)代工業(yè)設備具有一定的智能，能對所消費的產(chǎn)品實現(xiàn)準確的控制看成一個生物體，那么機械局部組成了它的骨骼，起承載力和傳遞運動的作用；電力驅(qū)動局部構成它的肌肉，完成能量的轉換，將電能轉換為機械能；控制器模擬的、數(shù)字的作為它的大腦，實現(xiàn)判斷和決策；傳感器和測量系統(tǒng)那么是這個生物體的神經(jīng)系統(tǒng)，承擔著對外界狀態(tài)和內(nèi)部指令執(zhí)行情況的監(jiān)測。一旦傳感器和測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這臺現(xiàn)代工業(yè)設備必然發(fā)生癱瘓。從廣義的角度來說，可以把傳感器定義為：一種能把特定的信息物理量、化學量、生物量等按固定的規(guī)律轉換成某種可用信號可理解并能輸出的器件或裝置。廣義的傳感器一般由信號檢出器件又稱敏感器件和信號處理器件兩局部組

2、成，如圖1-1所示。信號檢出器件信號處理器件被測信息輸出信號圖1-1 廣義傳感器信號檢出器件信號處理器件被測信息輸出信號圖1-1 廣義傳感器框圖以熱敏電阻傳感器為例，被測的溫度信息作用在熱敏電阻上，使熱敏電阻的阻値發(fā)生變化，熱敏電阻就是敏感器件。信號處理器件可以有兩種，一種是供給熱敏電阻恒定的電壓，使變化的溫度信息轉換成模擬這個變化的電流信號輸出；另一種方式是供給熱敏電阻恒定的電流，使變化的溫度信息轉換成模擬這個變化的電壓信號輸出。在這里變化的溫度是我們需要的信息，模擬溫度變化的電信號電流、電壓是溫度信息的載體。狹義的傳感器定義是：把非電量信息轉換成電信號輸出的器件。輸出的電信號可以有三種形式

3、：電壓、電流、電脈沖頻率。從信號傳輸?shù)慕嵌瓤?，最容易受到干擾的是電壓型信號，其次是電流型信號，最不易受干擾的是頻率型信號。從信號處理的角度看，最容易處理，本錢最低的信號是電壓型信號，其次是電流型，頻率型信號的處理本錢最高。基于以上原因，工業(yè)現(xiàn)場對于近間隔 傳輸?shù)男盘栆话悴捎秒妷盒停虚g隔 傳輸102000米以內(nèi)采用電流型，更遠間隔 傳輸采用頻率型。 1.2 傳感器的分類一般來說，對于同一種被測物理量，可能采用的傳感器有多種。同樣，同一種傳感器原理上也可能被用于對多種不同類型被測量的檢測。因此，傳感器的種類很多，分類的方法也是多種多樣。根據(jù)在檢測過程中對外界能源的需要，可以將傳感器分為有源傳感器

4、和無源傳感器。有源傳感器也可稱為能量轉換型傳感器，其特點在于敏感元件本身能將非電量直接轉換成電信號，例如超聲波換能器(壓電轉換)、熱電偶(熱電轉換)、光電池(光電轉換)等。與有源傳感器相反，無源傳感器的敏感元件本身無能量轉換才能，而是隨輸入信號而改變本身的電特性，因此必須采用外加鼓勵源對其進展鼓勵，才能得到輸出信號。大局部傳感器，如濕敏電容、熱敏電阻、壓敏電阻等都屬于這類傳感器。由于被測量僅能在傳感器中起能量控制作用，也稱為能量控制型傳感器。由于需要為敏感元件提供鼓勵源，無源傳感器通常需要比有源傳感器更多的引線，傳感器的總體靈敏度也會受到鼓勵信號幅度的影響。此外，鼓勵源的存在可能增加在易燃易爆

5、氣體環(huán)境中引起爆炸的危險，在某些特殊場合需要引起足夠的重視。根據(jù)輸出信號的類型，可以將傳感器分為模擬傳感器與數(shù)字傳感器。模擬傳感器將被測量的非電學量轉換成模擬電信號，其輸出信號中的信息一般由信號的幅度表達。輸出為方波信號，其頻率或占空比隨被測參量變化而變化的傳感器稱為準數(shù)字傳感器。由于這類信號可直接輸入到微處理器內(nèi)，利用微處理器內(nèi)的計數(shù)器即可獲得相應的測量值，因此，準數(shù)字傳感器與數(shù)字電路具有很好的兼容性。數(shù)字傳感器將被測量的非電學量轉換成數(shù)字信號輸出，數(shù)字輸出不僅重復性好、可靠性高，而且不需要A/D轉換，比模擬量信號更容易傳輸。令人遺憾的是，由于敏感機理、研發(fā)歷史等多方面的原因，目前實用的數(shù)字

6、傳感器種類非常少。市場上的許多所謂數(shù)字傳感器實際上是輸出為頻率或占空比的準數(shù)字傳感器。實際上，最常用的傳感器分類法有兩種。一種是按照被測對象進展分類，這是眾多工業(yè)現(xiàn)場的傳感器用戶所需要的分類方式。物理量傳感器如溫度、壓力、流量、液位、位移傳感器等，化學量傳感器如化學成分、氣味、基因、蛋白質(zhì)等傳感器。但這種分類方式難以包羅萬象，因為需要測量的對象幾乎有無限多個。另一種分類方式是根據(jù)傳感器的工作原理進展分類，這是傳感器研究人員所常用的分類方式。這種分類方式有助于減少傳感器的類別數(shù)，并使傳感器的研究與信號調(diào)理電路直接相關。為了準確地把握傳感器工作原理與信號測量、調(diào)理電路的關系，本教材也按此分類組織教

7、學知識體系。1.3 測量系統(tǒng)的分類工業(yè)現(xiàn)場的測量系統(tǒng)按不同的劃分方式可以分為多種測量系統(tǒng)。如按測量的目的分類，可分為控制型測量系統(tǒng)和監(jiān)測型測量系統(tǒng)。為了控制產(chǎn)品的質(zhì)量，測量多個消費工藝參數(shù)，如化學反響溫度、軋制速度、成型壓力、灌裝重量等參數(shù)，這類參數(shù)參與了控制器的消費工藝參數(shù)決策并受到控制調(diào)整，這類測量系統(tǒng)為控制型測量系統(tǒng)。為了保證設備的正常運行，對設備運轉過程中的電機電流、電壓、軸承溫度、光滑油流量、振動速度等參數(shù)進展測量，當出現(xiàn)異常數(shù)值時發(fā)出報警，以防止發(fā)惹事故，這類測量系統(tǒng)為監(jiān)測型測量系統(tǒng)。舊式的工業(yè)設備采用的是單體型測量系統(tǒng)，每項被測參數(shù)各用各的測量系統(tǒng)，如圖1-2所示。傳感器處理電路

8、記錄顯示儀表圖1-2 單體型測量系統(tǒng)組成框圖新的工業(yè)設備多采用綜合型或稱集成型測量系統(tǒng)，其典型特征是多個傳感器共用1個后續(xù)處理裝置，而且測量系統(tǒng)的后端采用數(shù)字處理的方式。其構造如圖1-3所示。傳感器處理電路圖1-3 綜合型測量系統(tǒng)組成框圖傳感器處理電路傳感器處理電路。 模擬量/數(shù)字量轉換裝置數(shù)字式運算處理裝置顯示器打印機鍵盤鼠標更新型的工業(yè)設備更進一步地采用了網(wǎng)絡型測量系統(tǒng)。如圖1-4所示。顯示器計算機打印機A/D轉換處理電路傳感器A/D轉換處理電路傳感器A/D轉換處理電路傳感器A/D轉換處理電路傳感器圖1- 網(wǎng)絡型測量系統(tǒng)組成框圖網(wǎng)絡或數(shù)字通訊總線1.4 測量誤差在檢測過程中，不管采用什么樣

9、的測量儀表，也不管采用什么樣的測量方式和方法，由于測量儀表本身不夠準確，測量方法不夠完善，以及測量者本人經(jīng)歷缺乏，人的感覺器官受到局限等原因，都會使測量結果與被測量的真值之間存在著差異，這個差值就稱為測量誤差。測量誤差的主要來源可以概括為工具誤差(又稱儀器誤差)、環(huán)境誤差、方法誤差和人員誤差等。測量的目的就是為了求得與被測量真值最接近的測量值，在合理的前提下，這個值越逼近真值越好。但不管怎么樣，測量誤差不可能為零。在實際測量中，只需到達相應的準確度就可以了，決不是準確度越高越好。必須清楚地知道，進步測量準確度是要付出人力、物力，是要以犧牲測量可靠性為代價的。那種不計工本，不顧場合，一味追求越準

10、越好的做法是不可取的，要有技術與經(jīng)濟兼顧的意識，正確的做法應是追求最高的性價比。1.4 .1 測量誤差為了便于對誤差進展分析和處理，人們通常把測量誤差從不同角度進展分類。按照誤差的表示方法可分為絕對誤差、相對誤差和引用誤差；按照誤差出現(xiàn)的規(guī)律可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差；按照被測量與時間的關系可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。1絕對誤差與相對誤差1絕對誤差。絕對誤差是指測量值Ax與被測量真值Ao之間的差值，用表示，即： =AxAo 1-1由式1.1可知，絕對誤差的單位與被測量的單位一樣，且有正負之分。用絕對誤差表示儀表的誤差大小也比較直觀，它被用來說明測量結果接近被測量真值的程度。在實際使用中被

11、測量真值Ao是得不到的，一般用理論真值或計量學約定真值Xo來代替Ao。那么式1.1可寫成 =AxXo 1-2 絕對誤差不能作為衡量測量準確度的標準，例如用一個電壓表測量200V電壓，絕對誤差為1 V，而用另一個電壓表測量10V電壓，絕對誤差為0.5V，前者的絕對誤差雖然大于后者，但誤差值相對于被測量值卻是后者大于前者，即兩者的測量準確度相差較大，為此人們引入了相對誤差。2相對誤差。所謂相對誤差(用表示)是指絕對誤差與被測量真值Xo的百分比。即： (1-3)在上面的例子中：1 0時，其輸出特性稱為階躍響應或瞬態(tài)響應特性。瞬態(tài)響應特性曲線如圖1-12所示。圖1-12 階躍響應特性曲線1最大超調(diào)量p

12、：最大超調(diào)量就是響應曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分數(shù)表示。當穩(wěn)態(tài)值為1，那么最大百分比超調(diào)量 。 最大超調(diào)量反映傳感器的相對穩(wěn)定性。2延滯時間td：td是階躍響應到達穩(wěn)態(tài)值50所需要的時間。3上升時間tr：它是從零上升到第一次到達穩(wěn)態(tài)值所需的時間。4峰值時間tp：響應曲線從零到第一個峰值時所需的時間。5響應時間ts：響應曲線衰減到距穩(wěn)態(tài)值之差不超過5或2時所需要的時間。有時稱又為過渡過程時間。1.6.2 頻率響應法頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。傳感器對正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。對傳感器動態(tài)特性的理論研究，通常是先建立傳感器的數(shù)學模型，通過拉氏變換找

13、出傳遞函數(shù)表達式，再根據(jù)輸入條件得到相應的頻率特性。大局部傳感器可簡化為單自由度一階或二階系統(tǒng)。為了更明晰準確地表述傳感器對動態(tài)信號的響應特性，采用正弦函數(shù)作為標準輸入信號，觀察輸出信號的波形特征。輸入信號：X(t)=Asin(t)輸出信號：Y(t)=Bsin(t+)其中：為園頻率，=2f；f為頻率，次/秒 K=B/A，為輸出/輸入信號的幅值比，K()為幅頻函數(shù)為滯后角，傳感器對不同的輸入信號頻率有不同的滯后， ()為相頻函數(shù)圖1-13顯示了測定傳感器動態(tài)響應的裝置構成。Asin(t)信號發(fā)生器傳感器動態(tài)響應分析儀X(t)Y(t)X(t)圖1-13 動態(tài)響應測定K() ()Asin(t)信號發(fā)

14、生器發(fā)出的信號是幅值A恒定，園頻率從0max變化。動態(tài)響應分析儀同時承受X(t)、Y(t)信號，輸出K()圖像如圖1-14所示：=2f01ac圖1-14 傳感器動態(tài)響應幅頻特性圖頻響特性圖 圖1-14中，0a段的K=1，意味著當信號的頻率a，輸出信號在幅值上將出現(xiàn)失真。其中c是傳感器的固有頻率，當輸入信號的頻率在這附近時，將引起傳感器的共振，使輸出大于輸入。c，傳感器的響應因跟不上輸入信號的變化，而使輸出衰減。頻響特性圖指出：被測信號的最高頻率max應小于傳感器的a，才能保證復現(xiàn)輸入信號。a愈大，傳感器的響應速度愈快。 為了使輸出信號的失真度盡可能的小，通常使被測信號的最高頻率max小于傳感器

15、的 。1.7 傳感器的標定與數(shù)據(jù)處理 使用傳感器測量，是一個根據(jù)傳感器的輸出量斷定傳感器輸入量的過程。因此在測量之前必須將傳感器的輸入與輸出對應關系測定出來，以便在正式測量時，能利用這個對應關系，從輸出值斷定輸入值。這個測定輸入與輸出對應關系的工作過程稱為標定。數(shù)字應變儀打印機螺栓傳感器圖1-16 螺栓傳感器的標定所謂傳感器標定，就是利用的輸入量作用到傳感器上，測量傳感器的輸出量，并進而得到傳感器輸入輸出特性。例如：某次科研工作，需測量在軋鋼過程中軋輥軸承所受到的軸向力。由于軋鋼機的機架不允許電焊，標準傳感器無法安裝到軋機機架上。因此將機架上的一根大螺栓改制成測量傳感器，在這個螺栓傳感器裝上軋

16、機機架之前。必需對螺栓傳感器進展標定。標定在拉力試驗機上進展，如圖1-16所示： 利用拉力試驗機對螺栓傳感器加載，加載準確地定在10噸、20噸、30噸，同時將數(shù)字動態(tài)應變儀輸出的對應電壓記錄下來。這個工作要加載、卸載反復屢次通常在5次以上，對每個噸位的多個測量值進展分析，排除異常數(shù)據(jù)粗大誤差，計算平均值，作為該噸位下傳感器測得的真值。然后作標定曲線圖，如圖1-17所示。根據(jù)標定曲線，擬合螺栓傳感器的輸入輸出方程式如下： Y=4X噸 mv或 X=Ymv/4 噸噸mV10203040504080120160200圖1-17 標定曲線圖園點實測值 虛線擬合曲線 在標定過程中的數(shù)據(jù)處理是一個非常重要的

17、工作，它同時檢驗了傳感器是否滿足測量精度的要求，是否可以用于測量。假設：我們要求本次測量的精度應到達2.5級，即允許誤差2.5%。我們檢驗對應于每個標準噸位，它的各次測量值與它的平均值之間的誤差是否超過允許誤差。舉例：30噸載荷對應的測量值平均值為120mV，它的允許誤差是1202.5%=3mV，因此30噸載荷的各次測量值應在1203 mV內(nèi)。同樣其他噸位的測量數(shù)據(jù)也要到達同樣的指標，才能保證正式測量能到達規(guī)定的精度要求。 按測量系統(tǒng)的最低精度要求是5級，即允許誤差5%，對應于30噸載荷的各次測量值應在1206 mV內(nèi)。假設各次測量值中存在超出這個范圍的數(shù)據(jù)，那么說明這個傳感器制作質(zhì)量不好，必須重做。 傳感器的標定實際上是針對整個測量系統(tǒng)的鑒定試驗，也就包含了后續(xù)儀表。以上例來說就是包含數(shù)字動態(tài)應變儀，因此要求后續(xù)儀表比傳感器有更高的精度?？偟膩碚f，傳感器的標定一般包括如下內(nèi)容：(1) 確定一