第13章閉環(huán)傳感器

1、13 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器工作原理及特點(diǎn)工作原理及特點(diǎn)13.1力、力矩平衡式傳感器力、力矩平衡式傳感器第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器前述各章介紹的傳感器均是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件與測(cè)量電路組成的開環(huán)傳感器，加上相應(yīng)的放大、顯示等電路即構(gòu)成完整的開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)，即各環(huán)節(jié)之間相互串聯(lián)（個(gè)別環(huán)節(jié)可能存在局部的內(nèi)部反饋），如圖131所示。由第1章知，開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：（1）系統(tǒng)的總靈敏度為各環(huán)節(jié)靈敏度之積；（2）系統(tǒng)的總相對(duì)誤差為各環(huán)節(jié)相對(duì)誤差之和。因此，每個(gè)環(huán)節(jié)的相對(duì)誤差對(duì)系統(tǒng)總相對(duì)誤差的影響是等權(quán)的。欲保證系統(tǒng)的總精度，必須降低每一環(huán)節(jié)的誤差。若串聯(lián)環(huán)節(jié)越多，分

2、配給每一環(huán)節(jié)的允許誤差就越小，要求也越嚴(yán)。 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器圖131 開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)框圖 例如應(yīng)變儀，為了保證應(yīng)變測(cè)量精度，必須對(duì)應(yīng)變計(jì)、電橋、放大器、衰減器、解調(diào)器、濾波器等環(huán)節(jié)都提出嚴(yán)格要求，只要其中一個(gè)環(huán)節(jié)超差或動(dòng)態(tài)特性不佳，就會(huì)限制總的精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)傳感器提出了越來(lái)越高的要求：測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)具有寬的頻率響應(yīng)，大的動(dòng)態(tài)范圍，高的靈敏度、分辨力、精度以及高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性等。采用開環(huán)測(cè)量系統(tǒng)很難同時(shí)滿足上述諸方面的要求。因此利用反饋控制技術(shù)與傳感器相結(jié)合而構(gòu)成的閉環(huán)平衡式傳感器應(yīng)運(yùn)而生。閉環(huán)傳感器與前述開環(huán)式傳感器的差別在于增加了“反饋環(huán)

3、節(jié)”，構(gòu)成了閉環(huán)的反饋測(cè)量系統(tǒng)第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器反饋測(cè)量系統(tǒng)中采用的比較與平衡的方式有力和力矩平衡、電壓平衡、電流平衡、熱平衡等。在機(jī)械量電測(cè)領(lǐng)域中常用的是力和力矩平衡形式。這時(shí)“反饋環(huán)節(jié)”為反向傳感器力矩器或力發(fā)生器。整個(gè)傳感器的框圖如圖132所示，這類力平衡式傳感器又稱伺服式傳感器。132 反饋測(cè)量系統(tǒng)原理框圖第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器具有高精度、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，當(dāng)然其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，工藝要求高，成本昂貴，體積較大。航天、航空或航海中使用的超低頻、低g加速度計(jì)，測(cè)量氣體或液體壓力的力平衡式壓力（或差壓）傳感器，高精度稱重用的力平衡式電子天平等是其典

4、型的應(yīng)用實(shí)例。 由于材料與元器件制造工藝的發(fā)展和完善，集成電路技術(shù)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，近年來(lái)出現(xiàn)了一些新的平衡式傳感器。如力平衡式石英擺加速度計(jì)、電荷平衡式電容測(cè)微儀和力平衡式硅微型加速度計(jì)（見11.8節(jié)）等。隨著閉環(huán)傳感器體積與重量的減小，成本的不斷下降，其應(yīng)用將日益廣泛。 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 圖132所示為力平衡式閉環(huán)傳感器的組成。所采用的敏感元件、傳感器和反向傳感器隨應(yīng)用不同而異。例如，常采用撓性桿、石英擺片或液浮擺作為加速度敏感元件，用膜片、膜盒作為壓力敏感元件。對(duì)它們的要求是靈敏度高、性能穩(wěn)定。傳感器常用的為電容式、電感式、電渦流式以及電位計(jì)式和應(yīng)變式等。反向傳感器則為磁

5、電式、靜電式和壓電式等具有雙向特性的傳感器。伺服放大回路的方案可分為模擬電路和脈沖電路兩大類。模擬電路以隨誤差信號(hào)連續(xù)變化的模擬電流為反饋量；脈沖電路則以幅值穩(wěn)定、寬度或脈沖數(shù)隨誤差信號(hào)變化的脈沖電流為反饋量。第一節(jié)第一節(jié) 作原理及特點(diǎn)作原理及特點(diǎn)第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器圖133 閉環(huán)系統(tǒng)原理框圖 閉環(huán)傳感器系利用負(fù)反饋技術(shù)構(gòu)成的。傳感器和伺服放大電路是閉環(huán)系統(tǒng)的前向環(huán)節(jié)；反向傳感器是反饋環(huán)節(jié)。因此圖 132可簡(jiǎn)化成圖133。此時(shí)，閉環(huán)反饋測(cè)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為式中 A（s）前向環(huán)節(jié)的總傳遞函數(shù)； 一一反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)。第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器假定前向環(huán)節(jié)總的傳遞函數(shù)為 式

6、中 k0靜態(tài)增益； T時(shí)間常數(shù)。則有 式中 閉環(huán)靜態(tài)傳遞函數(shù)，； 閉環(huán)時(shí)間常數(shù)，。 0k000/(1)kkk T0/(1)TTk 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器由此可見，閉環(huán)傳感器具有以下特點(diǎn)： （1）精度高、穩(wěn)定性好 當(dāng)前向環(huán)節(jié)為高增益，保證，則閉環(huán)靜態(tài)傳遞函數(shù)（即靜態(tài)靈敏度），與前向環(huán)節(jié)無(wú)關(guān)。因此前向環(huán)節(jié)增益的波動(dòng)對(duì)閉環(huán)傳感器測(cè)量精度和穩(wěn)定性影響很小，傳感器的精度和穩(wěn)定性主要取決于反向傳感器的精度和穩(wěn)定性。 （2）靈敏度高 閉環(huán)傳感器工作于平衡狀態(tài)，相對(duì)初始平衡位置的偏離很小，外界干擾因素較少（例如力平衡式傳感器的剩余彈性力和摩擦力可以減小到遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸人力幾個(gè)數(shù)量級(jí)以下）。所以，閉環(huán)傳

7、感器將比一般傳感器具有更低的閾值。只要前向環(huán)節(jié)的檢偏傳感器死區(qū)小、靈敏度高，傳感器將具有極低的閾值。 01k01/k 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器（3）線性好、量程大 同樣由于相對(duì)初始位置的偏離很小，故反向傳感器的非線性影響也很小，因而閉環(huán)傳感器比一般傳感器具有更寬的工作量程。 （4）動(dòng)態(tài)特性優(yōu)良 閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)了比開環(huán)時(shí)間常數(shù)T減小了倍，即，因此閉環(huán)傳感器動(dòng)態(tài)特性將大大改善。 此外，從控制理論可知，在電路中采用校正網(wǎng)絡(luò)可用純電的方法調(diào)整傳感器的等效阻尼和固有頻率，使閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼比臺(tái)達(dá)到最佳值（0.60.8），從而獲得較寬的工作頻帶范圍和較理想的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。對(duì)閉環(huán)傳感器而言，這種

8、純電的方法比調(diào)整傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法更為靈活和方便。0(1)kTT第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器本節(jié)介紹幾種典型的力或力矩平衡式傳感器，并對(duì)力平衡式加速度傳感器的傳遞函數(shù)、靜態(tài)特性與動(dòng)態(tài)特性作較為詳細(xì)的分析。該分析方法同樣適用于其他（如力矩）平衡式傳感器。第二節(jié)第二節(jié) 力、力矩平衡式傳感器力、力矩平衡式傳感器 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 1313.2.1 .2.1 力平衡式加速度傳感器力平衡式加速度傳感器 力平衡式加速度傳感器由慣性敏感系統(tǒng)、位移傳感器、伺服放大器和磁電式力發(fā)生器組成，如圖134所示。 圖134 力平衡式加速度傳感器 1外殼；2慣性敏感元件；3彈性支撐元件；4阻

9、尼器；5電容位移傳感器；6伺服電子線路；7力矩器；8慣性基準(zhǔn) 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器使用時(shí)，將力平衡式加速度傳感器固定在被測(cè)體上。當(dāng)傳感器殼體感受到圖示方向的加速度a時(shí)，慣性質(zhì)量m因慣性力而產(chǎn)生相對(duì)殼體的位移，高靈敏度的位移傳感器將此位移變成電信號(hào)，并經(jīng)過(guò)伺服放大器放大后輸出電流至磁電式力發(fā)生器的動(dòng)圈。磁電式力發(fā)生器永磁系統(tǒng)和殼體固連，而動(dòng)圈與慣性質(zhì)量相連。當(dāng)動(dòng)圈中通有電流時(shí)，將有電磁力作用在可動(dòng)部分上，并與被測(cè)加速度作用于慣性質(zhì)量上所產(chǎn)生的慣性力相平衡，使慣性質(zhì)量回到零位。磁電式力發(fā)生器產(chǎn)生的電磁力。其中 B為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度；為動(dòng)圈繞組導(dǎo)線工作長(zhǎng)度；o為流人動(dòng)圈的電流。因此可得式

10、中：Uo為輸出電阻R兩端的輸出電壓；Io或Uo與被測(cè)加速度a成正比。oFB l I 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 1力平衡式加速度傳感器的傳遞函數(shù)力平衡式加速度傳感器的傳遞函數(shù) 力平衡式加速度傳感器的原理框圖如圖135。圖中慣性敏感系統(tǒng)為mkC二階系統(tǒng)。作用在慣性質(zhì)量m上的力有慣性力、彈性力。阻尼力和反饋力F，力平衡方程為圖135 力平衡式加速度傳感器原理框圖 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器式中x傳感器殼體相對(duì)于慣性空間的位移； y慣性質(zhì)量相對(duì)于傳感器殼體的位移。令，代表與被測(cè)加速度成正比的輸入力，上式可改寫為 由此可推出輸人為不平衡力、輸出為相對(duì)位移的慣性敏感系統(tǒng)的傳遞函數(shù) （13

11、1） 位移傳感器的傳遞函數(shù)為Kd（見圖135）。22/xFm d x 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器為使閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼增加一項(xiàng)等效電阻尼，在伺服放大電路中引人微分環(huán)節(jié)。故該放大電路的傳遞函數(shù)，其中Ao為放大電路的靜態(tài)增益，T為放大電路的時(shí)間常數(shù)。于是前向環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為（132） 式中如為前向環(huán)節(jié)的靜態(tài)增益。此閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖如圖136所示。由圖可得力平衡式加速度傳感器閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為20( )(1)A sATs00/dkAK第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器圖136 力平衡式加速度傳感器傳遞函數(shù)框圖 （133） 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器2 2力平衡式加速度傳感器的靜態(tài)

12、特性力平衡式加速度傳感器的靜態(tài)特性當(dāng)傳感器輸入為恒定加速度時(shí)，F(xiàn)x為靜態(tài)力，則s0。此時(shí)傳遞函數(shù)即為力平衡式傳感器的靜態(tài)靈敏度，可由式（133）式得出（134）可見力平衡式傳感器的靈敏度僅由反向傳感器的反饋系數(shù)（即力發(fā)生器的機(jī)電耦合常數(shù)Bl）決定。 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器3 3力平衡式加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性力平衡式加速度傳感器的動(dòng)態(tài)特性力平衡式傳感器中的慣性敏感元件構(gòu)成了單自由度機(jī)械二階系統(tǒng)，其固有角頻率 ，阻比 。當(dāng)伺服放大電路中未引入超前的微分環(huán)節(jié)時(shí)（T0），前向環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可由式（132）得出 （135） 閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（即靈敏度函數(shù)）為 令為閉環(huán)系統(tǒng)固有角頻率；為閉環(huán)

13、系統(tǒng)機(jī)械阻尼比，則上式可表達(dá)為（136） /nk m/(2)第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器從式（136）可見，閉環(huán)后的傳遞函數(shù)仍然是典型的M階低通濾波器的傳遞函數(shù)，其閉環(huán)系統(tǒng)的固有角頻率。二比機(jī)械系統(tǒng)的固有角頻率n增大了倍，而阻尼比卻降低了 倍。閉環(huán)系統(tǒng)固有頻率的提高將有利于擴(kuò)展傳感器的工作頻帶，但阻尼比的急劇下降，幅頻特性的諧振峰將增高，影響頻率范圍的擴(kuò)展，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性變差。應(yīng)使閉環(huán)系統(tǒng)的阻尼比保持在0.60.7左右，這必然要求有非常大的機(jī)械系統(tǒng)阻尼比。如果，則要求。這樣大的機(jī)械阻尼是難以實(shí)現(xiàn)的。有效的方法是在前向通道中串入電氣微分環(huán)節(jié)，如圖136所示。此時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)式（133

14、）成為01k4010k0(0.6 0.7) 160 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器式中 閉環(huán)系統(tǒng)電阻尼比 ?？梢婇]環(huán)系統(tǒng)的阻尼比 是由機(jī)械阻尼比和電阻尼比兩部分組成，通常 。當(dāng)正弦激勵(lì)時(shí)，由式（137）得出的頻率傳遞函數(shù)為T00/(1)/2/2TnnkkTTTT（137）第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 當(dāng)取歸化頻率比 ，并同時(shí)考慮到 ，可得歸化頻率的傳遞函數(shù) 當(dāng) （即 ）時(shí)，其幅頻特性和相頻特性分別為（138） （139）/ 2/TnTTT 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 由上兩式可做出頻率比 ，阻尼比 的幅頻特性和相頻特性曲線族，如圖137所示。 0.110 0 5T圖137 力

15、平衡式傳感器的幅頻特性和相頻特性第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 從曲線可見，阻尼比 具有相當(dāng)大的工作頻率范圍，幅頻特性平坦，相頻特性近似呈線性關(guān)系。因此對(duì)正弦輸人或復(fù)雜的瞬態(tài)輸人具有良好的不失真響應(yīng)。 實(shí)際的力平衡式傳感器中，由于開環(huán)系統(tǒng)中實(shí)際存在的、具有一定時(shí)間常數(shù)的微分和積分環(huán)節(jié)，改變了開環(huán)系統(tǒng)的幅頻和相頻特性，當(dāng)系統(tǒng)閉合后可能會(huì)出現(xiàn)自激振蕩而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，需要在前向環(huán)節(jié)中加入校正環(huán)節(jié)，對(duì)開環(huán)頻率特性進(jìn)行校正，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)（快速響應(yīng)和減小超調(diào)量），同時(shí)又有足夠的穩(wěn)定儲(chǔ)備。5 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 13.2.2 13.2.2 力矩平衡式加速度傳感器力矩平衡

16、式加速度傳感器液浮擺式加速度計(jì)是利用偏心擺原理制成的力矩平衡式加速度傳感器，它可以作為力矩平衡式傳感器的典型例子。 在介紹液浮擺式加速度計(jì)前，先看一下圖138所示，質(zhì)量為m、擺長(zhǎng)為l的鉛垂擺。當(dāng)其支承體受加速度a作用時(shí)，慣性將使擺偏離鉛垂位置角而達(dá)到新的平衡位置。這時(shí)由圖可見： 當(dāng)加速度a較小時(shí)，很小， ， ，于是 （1310） 即與a成正比。利用測(cè)角傳感器測(cè)知值，就能得到被測(cè)加速度a值。第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 圖圖138 鉛雪擺工作原理鉛雪擺工作原理 圖圖139 液浮擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖液浮擺式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 圓筒形液浮擺式加速度傳感器是閉環(huán)擺式傳感器的一種，原理結(jié)構(gòu)如圖1

17、39所示。它由表頭和測(cè)量電路兩部分組成。表頭主要由浮于偏心擺、角度傳感器和力矩器組成。表內(nèi)充油，使浮于處于液浮狀態(tài)，以減小擺的摩擦力矩并產(chǎn)生油阻尼。 第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 浮子偏心擺的退轉(zhuǎn)軸稱為輸出軸y。無(wú)加速度時(shí)，浮子擺處于鉛垂（z向）位置。垂直于y、x的方向稱為輸入軸x（敏感方向）。 當(dāng)質(zhì)量為m，偏心距為l的偏心擺受到沿x方向的加速度a時(shí)，產(chǎn)生偏擺力矩mla，使擺反方向偏轉(zhuǎn)，差動(dòng)變壓器式角度傳感器將這偏轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波變成直流輸人永磁力矩器的動(dòng)圈，產(chǎn)生恢復(fù)力矩I0，將擺拉回零位。穩(wěn)定時(shí)，偏擺力矩與力矩器恢復(fù)力矩平衡，即mla0。由此得（1311）

18、只要m、l及力矩器力矩系數(shù)恒定，這種加速度傳感器可獲得很好的線性輸出。第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 液浮擺式加速度計(jì)原理框圖見圖1310。圖中J為浮子偏心擺的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。圖1310 液浮擺式加速度計(jì)原理框圖第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器13.2.3 13.2.3 力平衡式差壓變速器力平衡式差壓變速器 力平衡式差壓變送器是一種輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器。它是力平衡式傳感器的又一實(shí)例，工作原理如圖1311所示。圖1311 力平衡式差壓變進(jìn)器原理圖第第13章章 閉環(huán)傳感器閉環(huán)傳感器 被測(cè)差壓（PP1P2）通過(guò)彈性敏感元件1（膜片）轉(zhuǎn)換成作用于主杠桿2的力F，力Fi在主杠桿上以軸封膜片3作為支點(diǎn)（O1），產(chǎn)生力矩 MiFili，使主杠桿偏轉(zhuǎn)中1角，主杠桿的偏轉(zhuǎn)通過(guò)聯(lián)接簧片8使副杠桿7以十字簧片作支點(diǎn)（O2）偏轉(zhuǎn)2角，從而使固定于副杠桿上的位移檢測(cè)片5產(chǎn)生位移d。通過(guò)