測(cè)量元件概述課件

自動(dòng)控制元件及線(xiàn)路

-測(cè)量元件目錄測(cè)量元件的作用測(cè)量元件的定義、組成和分類(lèi)測(cè)量元件的特性選擇測(cè)量元件時(shí)的注意事項(xiàng)測(cè)量元件的發(fā)展小結(jié)1.測(cè)量元件的作用1.測(cè)量元件的作用1.測(cè)量元件的作用1.測(cè)量元件的作用1.測(cè)量元件的作用伺服控制器(硬件)---人的大腦、小腦的生理組織控制結(jié)構(gòu)與策略(軟件)---人的控制意識(shí)、策略結(jié)構(gòu)與材料子系統(tǒng)---骨骼系統(tǒng)/皮膚系統(tǒng)功放與執(zhí)行器子系統(tǒng)---肌肉系統(tǒng)傳感子系統(tǒng)---五官等神經(jīng)感知系統(tǒng)能源子系統(tǒng)---消化、呼吸系統(tǒng)電氣/液連接子系統(tǒng)---循環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)實(shí)例分析控制系統(tǒng)中為什么需要反饋（測(cè)量元件）？1.測(cè)量元件的作用1.測(cè)量元件的作用

所有不確定性的影響，在輸出上都有體現(xiàn)，我們可以通過(guò)測(cè)量元件獲取被控量的信息，采取相應(yīng)的控制方法對(duì)不確定性的影響進(jìn)行有效的抑制。 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(cè)量元件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。執(zhí)行元件和測(cè)量元件哪個(gè)更重要？1.測(cè)量元件的作用沒(méi)有執(zhí)行元件就談不上控制沒(méi)有測(cè)量元件只是開(kāi)環(huán)控制1.測(cè)量元件的作用兩種元件相互依賴(lài)一些測(cè)量元件中用到執(zhí)行元件一些執(zhí)行元件中用到測(cè)量元件 自動(dòng)化過(guò)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(dòng)檢測(cè)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(huì)信息技術(shù)（傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)）的三大支柱之一，是信息系統(tǒng)的“源頭”。1.測(cè)量元件的作用2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)

測(cè)量元件:檢測(cè)一種物理量，（按照一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系/精確度）轉(zhuǎn)換成容易處理的另一種物理量。功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。處理：放大、加減、積分、微分、濾波、存儲(chǔ)和傳送。容易處理的物理量：主要指的是電信號(hào)。物理量電量傳感器的組成把物理量轉(zhuǎn)化成電路參量感受或響應(yīng)被測(cè)量并轉(zhuǎn)化成另一種物理量將電路參數(shù)量轉(zhuǎn)換成特定形式的電量，（信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算、調(diào)制）2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)例：氣體壓力傳感器壓力位移電感電壓敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)例子：其它傳感器2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)變送器:

輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器。將一種量變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（另一種量）并把它送出去。常用的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)：物理量的形式和數(shù)值范圍 電壓：-10～+10V，0～10V；電流：4～20mA、0～10mA；氣壓20～100kPa 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間也可以用轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換（氣/電）。物理量的形式和數(shù)值范圍都符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，兼容性好、互換性好。2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)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。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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電容式、電感式傳感器。根據(jù)輸出信號(hào)形式2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)計(jì)數(shù)型（二次型+計(jì)數(shù)型）電壓，電流型（熱電偶,Cds電池）有接點(diǎn)型(微動(dòng)開(kāi)關(guān)，接觸開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān))

傳感器電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無(wú)接點(diǎn)型(光電開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）電感，電容型（可變電容）2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi) 例：氣體壓力傳感器屬于哪一類(lèi)傳感器？

壓力傳感器電磁感應(yīng)原理結(jié)構(gòu)型模擬型2測(cè)量元件的定義、組成、分類(lèi)1．變換函數(shù)：描述靜特性的數(shù)學(xué)方程3測(cè)量元件的靜特性—變換函數(shù)對(duì)大多數(shù)測(cè)量元件：

變換函數(shù)：3測(cè)量元件的靜特性—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?yàn)的基礎(chǔ)上建立的，其參數(shù)多在實(shí)際標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，利用統(tǒng)計(jì)分析和曲線(xiàn)擬合的方法予以確定。 曲線(xiàn)擬合方法很多，有理論擬合、過(guò)零擬合、端點(diǎn)擬合、端點(diǎn)平移擬合、最小二乘擬合等。

最小二乘擬合在實(shí)際中應(yīng)用較多，多采用線(xiàn)性方程式：y=ax+b的形式。以N個(gè)測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到系數(shù)a和b，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)擬合直線(xiàn)上對(duì)應(yīng)值殘差的平方和最小。2．靈敏度和線(xiàn)性度（非線(xiàn)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)的一階導(dǎo)數(shù)或靜特性曲線(xiàn)的斜率。非線(xiàn)性的，不同的點(diǎn)有不同的靈敏度。線(xiàn)性的靜特性，靈敏度不變。3測(cè)量元件的靜特性—靈敏度2．靈敏度和線(xiàn)性度（非線(xiàn)性誤差）線(xiàn)性度或非線(xiàn)性誤差：靜特性曲線(xiàn)偏離某種擬合直線(xiàn)或規(guī)定直線(xiàn)的程度。3測(cè)量元件的靜特性—線(xiàn)性度在非線(xiàn)性誤差不太大的情況下，通常采用直線(xiàn)擬合的方法來(lái)線(xiàn)性化。采取不同的方法選取擬合直線(xiàn)，可以得到不同的線(xiàn)性度。2023/2/6333測(cè)量元件的靜特性—線(xiàn)性度3．滯環(huán)（遲滯）

測(cè)量元件正反行程中輸入輸出曲線(xiàn)不重合的現(xiàn)象稱(chēng)為滯環(huán)特性或遲滯，它由上升分支和下降分支組成。對(duì)應(yīng)同一輸入量，兩個(gè)分支所對(duì)應(yīng)的輸出不同。滯環(huán)誤差的計(jì)算同上。

3測(cè)量元件的靜特性—滯環(huán)機(jī)械部分摩擦和間隙，敏感材料結(jié)構(gòu)缺陷，磁性材料磁滯4．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(shí)的誤差。3測(cè)量元件的靜特性—重復(fù)性誤差5．靜態(tài)誤差定義：全量程范圍內(nèi)，測(cè)量元件輸出值與理論值的偏離誤差。求取方法：測(cè)試數(shù)據(jù)與理論輸出值的標(biāo)準(zhǔn)偏差3測(cè)量元件的靜特性—靜態(tài)誤差

取2σ或3σ作為測(cè)量元件的靜態(tài)誤差。

綜合性誤差、非線(xiàn)性、遲滯、重復(fù)性等。

5．靜態(tài)誤差3測(cè)量元件的靜特性—靜態(tài)誤差其它幾種提法：精度：測(cè)量的精確程度。真實(shí)值與測(cè)量值之差絕對(duì)誤差：測(cè)量值與被測(cè)量真值之差：測(cè)量值-真實(shí)值，有單位、有正負(fù)相對(duì)誤差：|測(cè)量值-真實(shí)值|/|測(cè)量值|×100%，用來(lái)說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。3測(cè)量元件的靜特性—其它性能參數(shù)測(cè)量范圍和量程

測(cè)量元件能夠滿(mǎn)足規(guī)定精度時(shí)檢測(cè)到的最小輸入量和最大輸入量，稱(chēng)為測(cè)量范圍。 測(cè)量元件能夠滿(mǎn)足規(guī)定精度時(shí)檢測(cè)到的最大輸入量和最小輸入量之差，稱(chēng)為量程。 如果被測(cè)量最小輸入量為零，可以不做區(qū)分，如力矩、速度等。

3測(cè)量元件的靜特性—其它性能參數(shù)分辨率和分辨力

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，輸出不會(huì)變化。分辨率和分辯力都是表示傳感器能檢測(cè)被測(cè)量最小值的性能指標(biāo)。分辨率是以滿(mǎn)量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，無(wú)量綱；分辯力是以最小量程的單位值來(lái)表示，有量綱。在最小輸入處的分辨力被稱(chēng)為閾值。2023/2/640穩(wěn)定性:

傳感器在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。3測(cè)量元件的靜特性—其它性能參數(shù)漂移:

漂移是指在外界的干擾下，在一定時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出量發(fā)生與輸入量無(wú)關(guān)的或不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等，如圖所示。

如果采用差動(dòng)、對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)和差動(dòng)電路（如電橋）相結(jié)合的差動(dòng)技術(shù)，可以達(dá)到消除零位值、減小非線(xiàn)性、提高靈敏度、實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)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。3測(cè)量元件的靜特性提高傳感器性能的技術(shù)途徑:測(cè)量元件的輸入量由一個(gè)數(shù)值變到另一個(gè)數(shù)值的過(guò)程中，呈現(xiàn)的特性就是動(dòng)特性。數(shù)學(xué)式中含有變量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。3測(cè)量元件的動(dòng)特性和控制系統(tǒng)類(lèi)似有三種描述方式？1微分方程2傳遞函數(shù)3頻率特性傳感器動(dòng)態(tài)特性研究方法1瞬態(tài)響應(yīng)法；2頻率響應(yīng)法；3沖擊響應(yīng)法；一階測(cè)量元件（慣性環(huán)節(jié)）

T為時(shí)間常數(shù)，T

越小，響應(yīng)速度越快。3測(cè)量元件的動(dòng)特性二階測(cè)量元件3測(cè)量元件的動(dòng)特性零階測(cè)量元件： 傳遞函數(shù)是常數(shù)K?？刂葡到y(tǒng)中，測(cè)量元件都可看成是零階測(cè)量元件—比例環(huán)節(jié)。

從時(shí)域角度看，測(cè)量元件的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)具有足夠快的響應(yīng)速度和適當(dāng)?shù)淖枘岜?。從頻域角度看，測(cè)量元件應(yīng)當(dāng)具有足夠?qū)挼念l帶寬度。

3測(cè)量元件的動(dòng)特性4選擇測(cè)量元件時(shí)的注意事項(xiàng)1靜態(tài)性能要求量程、精度、分辨率2動(dòng)態(tài)性能要求頻域：測(cè)量的帶寬高于系統(tǒng)帶寬的3-5倍時(shí)域：延時(shí)短、響應(yīng)快，輸出更新頻率3環(huán)境要求溫度、濕度、化學(xué)度、沖擊振動(dòng)等4接口要求信號(hào)形式，外形結(jié)構(gòu)尺寸4選擇測(cè)量元件時(shí)的注意事項(xiàng)5熟悉程度盡量使用熟悉的元件6其它要求價(jià)格、可靠性、維護(hù)等原則：滿(mǎn)足指標(biāo)要求的前提下用最成熟的測(cè)量元件。

伴隨材料、電子、光學(xué)等等學(xué)科的發(fā)展，新原理、新材料的測(cè)量元件不斷出現(xiàn)，性能指標(biāo)不斷提升5控制元件的發(fā)展趨勢(shì)

測(cè)量元件向多信息融合的自主智能發(fā)展5控制元件的發(fā)展趨勢(shì)

測(cè)量元件向高度集成化的方向迅速發(fā)展5控制元件的發(fā)展趨勢(shì)測(cè)量元件環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)的要求：掌握常用測(cè)量元件的工作原理。熟悉常用測(cè)量元件的特點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，能夠根據(jù)控制系統(tǒng)需要正確選擇。熟悉常用測(cè)量元件使用方法，能夠正確使用。6小結(jié)與作業(yè)本節(jié)課學(xué)習(xí)要點(diǎn)：測(cè)量元