傳感器的地位與定義重點(diǎn)

1、假假設(shè)我們將現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備具有一定的智能，能對(duì)所消費(fèi)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制看成一個(gè)生物體，那么機(jī)械局部組成了它的骨骼，起承載力和傳遞運(yùn)動(dòng)的作用；電力驅(qū)動(dòng)局部構(gòu)成它的肌肉，完成能量的轉(zhuǎn)換，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；控制器模擬的、數(shù)字的作為它的大腦，實(shí)現(xiàn)判斷和決策；傳感器和測(cè)量系統(tǒng)那么是這個(gè)生物體的神經(jīng)系統(tǒng)，承擔(dān)著對(duì)外界狀態(tài)和內(nèi)部指令執(zhí)行情況的監(jiān)測(cè)。一旦傳感器和測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這臺(tái)現(xiàn)代工業(yè)設(shè)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(xué)量、生物量等按固定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)可理解并能輸出的器件或裝置。廣義的傳感器一般由信號(hào)檢出器件又稱敏感器件和信號(hào)處理器件兩局部組

2、成，如圖1-1所示。信號(hào)檢出器件信號(hào)處理器件被測(cè)信息輸出信號(hào)圖1-1 廣義傳感器信號(hào)檢出器件信號(hào)處理器件被測(cè)信息輸出信號(hào)圖1-1 廣義傳感器框圖以熱敏電阻傳感器為例，被測(cè)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(hào)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(zhuǎn)換成模擬這個(gè)變化的電流信號(hào)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(zhuǎn)換成模擬這個(gè)變化的電壓信號(hào)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(hào)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(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件。輸出的電信號(hào)可以有三種形式

3、：電壓、電流、電脈沖頻率。從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌瓤?，最容易受到干擾的是電壓型信號(hào)，其次是電流型信號(hào)，最不易受干擾的是頻率型信號(hào)。從信號(hào)處理的角度看，最容易處理，本錢最低的信號(hào)是電壓型信號(hào)，其次是電流型，頻率型信號(hào)的處理本錢最高?；谝陨显?，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于近間隔 傳輸?shù)男盘?hào)一般采用電壓型，中間隔 傳輸102000米以內(nèi)采用電流型，更遠(yuǎn)間隔 傳輸采用頻率型。 1.2 傳感器的分類一般來說，對(duì)于同一種被測(cè)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(duì)多種不同類型被測(cè)量的檢測(cè)。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(cè)過程中對(duì)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(zhuǎn)換型傳感器，其特點(diǎn)在于敏感元件本身能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，例如超聲波換能器(壓電轉(zhuǎn)換)、熱電偶(熱電轉(zhuǎn)換)、光電池(光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換才能，而是隨輸入信號(hào)而改變本身的電特性，因此必須采用外加鼓勵(lì)源對(duì)其進(jìn)展鼓勵(lì)，才能得到輸出信號(hào)。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(cè)量?jī)H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(lì)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(huì)受到鼓勵(lì)信號(hào)幅度的影響。此外，鼓勵(lì)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(xiǎn)，在某些特殊場(chǎng)合需要引起足夠的重視。根據(jù)輸出信號(hào)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(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，其輸出信號(hào)中的信息一般由信號(hào)的幅度表達(dá)。輸出為方波信號(hào)，其頻率或占空比隨被測(cè)參量變化而變化的傳感器稱為準(zhǔn)數(shù)字傳感器。由于這類信號(hào)可直接輸入到微處理器內(nèi)，利用微處理器內(nèi)的計(jì)數(shù)器即可獲得相應(yīng)的測(cè)量值，因此，準(zhǔn)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(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，數(shù)字輸出不僅重復(fù)性好、可靠性高，而且不需要A/D轉(zhuǎn)換，比模擬量信號(hào)更容易傳輸。令人遺憾的是，由于敏感機(jī)理、研發(fā)歷史等多方面的原因，目前實(shí)用的數(shù)字

6、傳感器種類非常少。市場(chǎng)上的許多所謂數(shù)字傳感器實(shí)際上是輸出為頻率或占空比的準(zhǔn)數(shù)字傳感器。實(shí)際上，最常用的傳感器分類法有兩種。一種是按照被測(cè)對(duì)象進(jìn)展分類，這是眾多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(xué)量傳感器如化學(xué)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?yàn)樾枰獪y(cè)量的對(duì)象幾乎有無限多個(gè)。另一種分類方式是根據(jù)傳感器的工作原理進(jìn)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(hào)調(diào)理電路直接相關(guān)。為了準(zhǔn)確地把握傳感器工作原理與信號(hào)測(cè)量、調(diào)理電路的關(guān)系，本教材也按此分類組織教

7、學(xué)知識(shí)體系。1.3 測(cè)量系統(tǒng)的分類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量系統(tǒng)按不同的劃分方式可以分為多種測(cè)量系統(tǒng)。如按測(cè)量的目的分類，可分為控制型測(cè)量系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)型測(cè)量系統(tǒng)。為了控制產(chǎn)品的質(zhì)量，測(cè)量多個(gè)消費(fèi)工藝參數(shù)，如化學(xué)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(fèi)工藝參數(shù)決策并受到控制調(diào)整，這類測(cè)量系統(tǒng)為控制型測(cè)量系統(tǒng)。為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電機(jī)電流、電壓、軸承溫度、光滑油流量、振動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)展測(cè)量，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)值時(shí)發(fā)出報(bào)警，以防止發(fā)惹事故，這類測(cè)量系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)型測(cè)量系統(tǒng)。舊式的工業(yè)設(shè)備采用的是單體型測(cè)量系統(tǒng)，每項(xiàng)被測(cè)參數(shù)各用各的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)組成框圖新的工業(yè)設(shè)備多采用綜合型或稱集成型測(cè)量系統(tǒng)，其典型特征是多個(gè)傳感器共用1個(gè)后續(xù)處理裝置，而且測(cè)量系統(tǒng)的后端采用數(shù)字處理的方式。其構(gòu)造如圖1-3所示。傳感器處理電路圖1-3 綜合型測(cè)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(zhuǎn)換裝置數(shù)字式運(yùn)算處理裝置顯示器打印機(jī)鍵盤鼠標(biāo)更新型的工業(yè)設(shè)備更進(jìn)一步地采用了網(wǎng)絡(luò)型測(cè)量系統(tǒng)。如圖1-4所示。顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器A/D轉(zhuǎn)換處理電路傳感器圖1- 網(wǎng)絡(luò)型測(cè)量系統(tǒng)組成框圖網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字通訊總線1.4 測(cè)量誤差在檢測(cè)過程中，不管采用什么樣

9、的測(cè)量?jī)x表，也不管采用什么樣的測(cè)量方式和方法，由于測(cè)量?jī)x表本身不夠準(zhǔn)確，測(cè)量方法不夠完善，以及測(cè)量者本人經(jīng)歷缺乏，人的感覺器官受到局限等原因，都會(huì)使測(cè)量結(jié)果與被測(cè)量的真值之間存在著差異，這個(gè)差值就稱為測(cè)量誤差。測(cè)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(cè)量的目的就是為了求得與被測(cè)量真值最接近的測(cè)量值，在合理的前提下，這個(gè)值越逼近真值越好。但不管怎么樣，測(cè)量誤差不可能為零。在實(shí)際測(cè)量中，只需到達(dá)相應(yīng)的準(zhǔn)確度就可以了，決不是準(zhǔn)確度越高越好。必須清楚地知道，進(jìn)步測(cè)量準(zhǔn)確度是要付出人力、物力，是要以犧牲測(cè)量可靠性為代價(jià)的。那種不計(jì)工本，不顧場(chǎng)合，一味追求越準(zhǔn)

10、越好的做法是不可取的，要有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)兼顧的意識(shí)，正確的做法應(yīng)是追求最高的性價(jià)比。1.4 .1 測(cè)量誤差為了便于對(duì)誤差進(jìn)展分析和處理，人們通常把測(cè)量誤差從不同角度進(jìn)展分類。按照誤差的表示方法可分為絕對(duì)誤差、相對(duì)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(jī)誤差和粗大誤差；按照被測(cè)量與時(shí)間的關(guān)系可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。1絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差1絕對(duì)誤差。絕對(duì)誤差是指測(cè)量值A(chǔ)x與被測(cè)量真值A(chǔ)o之間的差值，用表示，即： =AxAo 1-1由式1.1可知，絕對(duì)誤差的單位與被測(cè)量的單位一樣，且有正負(fù)之分。用絕對(duì)誤差表示儀表的誤差大小也比較直觀，它被用來說明測(cè)量結(jié)果接近被測(cè)量真值的程度。在實(shí)際使用中被

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

12、：最大超調(diào)量就是響應(yīng)曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)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(duì)穩(wěn)定性。2延滯時(shí)間td：td是階躍響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)值50所需要的時(shí)間。3上升時(shí)間tr：它是從零上升到第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。4峰值時(shí)間tp：響應(yīng)曲線從零到第一個(gè)峰值時(shí)所需的時(shí)間。5響應(yīng)時(shí)間ts：響應(yīng)曲線衰減到距穩(wěn)態(tài)值之差不超過5或2時(shí)所需要的時(shí)間。有時(shí)稱又為過渡過程時(shí)間。1.6.2 頻率響應(yīng)法頻率響應(yīng)法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動(dòng)態(tài)特性。傳感器對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)特性，稱為頻率響應(yīng)特性。對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性的理論研究，通常是先建立傳感器的數(shù)學(xué)模型，通過拉氏變換找

13、出傳遞函數(shù)表達(dá)式，再根據(jù)輸入條件得到相應(yīng)的頻率特性。大局部傳感器可簡(jiǎn)化為單自由度一階或二階系統(tǒng)。為了更明晰準(zhǔn)確地表述傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的響應(yīng)特性，采用正弦函數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，觀察輸出信號(hào)的波形特征。輸入信號(hào)：X(t)=Asin(t)輸出信號(hào)：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(hào)的幅值比，K()為幅頻函數(shù)為滯后角，傳感器對(duì)不同的輸入信號(hào)頻率有不同的滯后， ()為相頻函數(shù)圖1-13顯示了測(cè)定傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的裝置構(gòu)成。Asin(t)信號(hào)發(fā)生器傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析儀X(t)Y(t)X(t)圖1-13 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)定K() ()Asin(t)信號(hào)發(fā)

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

15、的 。1.7 傳感器的標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理 使用傳感器測(cè)量，是一個(gè)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(cè)量之前必須將傳感器的輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系測(cè)定出來，以便在正式測(cè)量時(shí)，能利用這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，從輸出值斷定輸入值。這個(gè)測(cè)定輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系的工作過程稱為標(biāo)定。數(shù)字應(yīng)變儀打印機(jī)螺栓傳感器圖1-16 螺栓傳感器的標(biāo)定所謂傳感器標(biāo)定，就是利用的輸入量作用到傳感器上，測(cè)量傳感器的輸出量，并進(jìn)而得到傳感器輸入輸出特性。例如：某次科研工作，需測(cè)量在軋鋼過程中軋輥軸承所受到的軸向力。由于軋鋼機(jī)的機(jī)架不允許電焊，標(biāo)準(zhǔn)傳感器無法安裝到軋機(jī)機(jī)架上。因此將機(jī)架上的一根大螺栓改制成測(cè)量傳感器，在這個(gè)螺栓傳感器裝上軋

16、機(jī)機(jī)架之前。必需對(duì)螺栓傳感器進(jìn)展標(biāo)定。標(biāo)定在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)展，如圖1-16所示： 利用拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓傳感器加載，加載準(zhǔn)確地定在10噸、20噸、30噸，同時(shí)將數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出的對(duì)應(yīng)電壓記錄下來。這個(gè)工作要加載、卸載反復(fù)屢次通常在5次以上，對(duì)每個(gè)噸位的多個(gè)測(cè)量值進(jìn)展分析，排除異常數(shù)據(jù)粗大誤差，計(jì)算平均值，作為該噸位下傳感器測(cè)得的真值。然后作標(biāo)定曲線圖，如圖1-17所示。根據(jù)標(biāo)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(biāo)定曲線圖園點(diǎn)實(shí)測(cè)值 虛線擬合曲線 在標(biāo)定過程中的數(shù)據(jù)處理是一個(gè)非常重要的

17、工作，它同時(shí)檢驗(yàn)了傳感器是否滿足測(cè)量精度的要求，是否可以用于測(cè)量。假設(shè)：我們要求本次測(cè)量的精度應(yīng)到達(dá)2.5級(jí)，即允許誤差2.5%。我們檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)噸位，它的各次測(cè)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(duì)應(yīng)的測(cè)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(cè)量值應(yīng)在1203 mV內(nèi)。同樣其他噸位的測(cè)量數(shù)據(jù)也要到達(dá)同樣的指標(biāo)，才能保證正式測(cè)量能到達(dá)規(guī)定的精度要求。 按測(cè)量系統(tǒng)的最低精度要求是5級(jí)，即允許誤差5%，對(duì)應(yīng)于30噸載荷的各次測(cè)量值應(yīng)在1206 mV內(nèi)。假設(shè)各次測(cè)量值中存在超出這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，那么說明這個(gè)傳感器制作質(zhì)量不好，必須重做。 傳感器的標(biāo)定實(shí)際上是針對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的鑒定試驗(yàn)，也就包含了后續(xù)儀表。以上例來說就是包含數(shù)字動(dòng)態(tài)應(yīng)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(biāo)定一般包括如下內(nèi)容：(1) 確定一