1、第一章第一章 概述概述1.1 传感器的地位与定义传感器的地位与定义 传感器是测量系统发展的产物，而测量系统则是伴随着人类社会的进步而发展起来的。早期的测量系统都是依赖机械构造实现测量的目的，如用于大地测量的记里鼓车，监测地震的地动仪，辅助船舶在海洋中测定方位的六分仪和航海钟等等。这其中指南针就具有了早期传感器的雏形，它利用磁石对地球磁场的感应，将地球南北极的方位以磁针的指向表现出来。随着人类技术的进步，对测量的要求越来越广泛，越来越复杂，对测定的精度要求也越来越高。电子技术的出现促使古老的测量系统进入传感器的时代。传感器技术是现代工业技术的一项重要的标志，传感器技术应用的水准是一个国家国力强弱
2、的指标之一。假若我们将现代工业设备（具有一定的智能，能对所生产的产品实现精确的控制）看成一个生物体，那么机械部分组成了它的骨骼，起承载力和传递运动的作用；电力驱动部分构成它的肌肉，完成能量的转换，将电能转换为机械能；控制器（模拟的、数字的）作为它的大脑，实现判断和决策；传感器和测量系统则是这个生物体的神经系统，承担着对外界状态和内部指令执行情况的监测。一旦传感器和测量系统出现故障，这台现代工业设备必然发生瘫痪。从广义的角度来说，可以把传感器定义为：一种能把特定的信息（物理量、化学量、生物量等）按固定的规律转换成某种可用信号（可理解）并能输出的器件或装置。广义的传感器一般由信号检出器件（又称敏感
3、器件）和信号处理器件两部分组成，如图1-1所示。信号检出器件信号处理器件被测信息输出信号图1-1 广义传感器信号检出器件信号处理器件被测信息输出信号图1-1 广义传感器框图 以热敏电阻传感器为例，被测的温度信息作用在热敏电阻上，使热敏电阻的阻値发生变化，热敏电阻就是敏感器件。信号处理器件可以有两种，一种是供给热敏电阻恒定的电压，使变化的温度信息转换成模拟这个变化的电流信号输出；另一种方式是供给热敏电阻恒定的电流，使变化的温度信息转换成模拟这个变化的电压信号输出。在这里变化的温度是我们需要的信息，模拟温度变化的电信号（电流、电压）是温度信息的载体。狭义的传感器定义是：把非电量信息转换成电信号输出
4、的器件。输出的电信号可以有三种形式：电压、电流、电脉冲（频率）。从信号传输的角度看，最容易受到干扰的是电压型信号，其次是电流型信号，最不易受干扰的是频率型信号。从信号处理的角度看，最容易处理，成本最低的信号是电压型信号，其次是电流型，频率型信号的处理成本最高。基于以上原因，工业现场对于近距离传输的信号一般采用电压型，中距离传输（102000米以内）采用电流型，更远距离传输采用频率型。1.2 传感器的分类传感器的分类 一般来说，对于同一种被测物理量，可能采用的传感器有多种。同样，同一种传感器原理上也可能被用于对多种不同类型被测量的检测。因此，传感器的种类很多，分类的方法也是多种多样。根据在检测过
5、程中对外界能源的需要，可以将传感器分为有源传感器和无源传感器。有源传感器也可称为能量转换型传感器，其特点在于敏感元件本身能将非电量直接转换成电信号，例如超声波换能器(压电转换)、热电偶(热电转换)、光电池(光电转换)等。与有源传感器相反，无源传感器的敏感元件本身无能量转换能力，而是随输入信号而改变本身的电特性，因此必须采用外加激励源对其进行激励，才能得到输出信号。大部分传感器，如湿敏电容、热敏电阻、压敏电阻等都属于这类传感器。由于被测量仅能在传感器中起能量控制作用，也称为能量控制型传感器。由于需要为敏感元件提供激励源，无源传感器通常需要比有源传感器更多的引线，传感器的总体灵敏度也会受到激励信号
6、幅度的影响。此外，激励源的存在可能增加在易燃易爆气体环境中引起爆炸的危险，在某些特殊场合需要引起足够的重视。根据输出信号的类型，可以将传感器分为模拟传感器与数字传感器。模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号，其输出信号中的信息一般由信号的幅度表达。输出为方波信号，其频率或占空比随被测参量变化而变化的传感器称为准数字传感器。由于这类信号可直接输入到微处理器内，利用微处理器内的计数器即可获得相应的测量值，因此，准数字传感器与数字电路具有很好的兼容性。数字传感器将被测量的非电学量转换成数字信号输出，数字输出不仅重复性好、可靠性高，而且不需要A/D转换，比模拟量信号更容易传输。令人遗憾的是，由于
7、敏感机理、研发历史等多方面的原因，目前实用的数字传感器种类非常少。市场上的许多所谓数字传感器实际上是输出为频率或占空比的准数字传感器。实际上，最常用的传感器分类法有两种。一种是按照被测对象进行分类，这是众多工业现场的传感器用户所需要的分类方式。物理量传感器如温度、压力、流量、液位、位移传感器等，化学量传感器如化学成分、气味、基因、蛋白质等传感器。但这种分类方式难以包罗万象，因为需要测量的对象几乎有无限多个。另一种分类方式是根据传感器的工作原理进行分类，这是传感器研究人员所常用的分类方式。这种分类方式有助于减少传感器的类别数，并使传感器的研究与信号调理电路直接相关。为了准确地把握传感器工作原理与
8、信号测量、调理电路的关系，本教材也按此分类组织教学知识体系。1.3 测量系统的分类测量系统的分类 工业现场的测量系统按不同的划分方式可以分为多种测量系统。如按测量的目的分类，可分为控制型测量系统和监测型测量系统。为了控制产品的质量，测量多个生产工艺参数，如化学反应温度、轧制速度、成型压力、灌装重量等参数，这类参数参与了控制器的生产工艺参数决策并受到控制调整，这类测量系统为控制型测量系统。为了保证设备的正常运行，对设备运转过程中的电机电流、电压、轴承温度、润滑油流量、振动速度等参数进行测量，当出现异常数值时发出报警，以避免发生事故，这类测量系统为监测型测量系统。旧式的工业设备采用的是单体型测量系
9、统，每项被测参数各用各的测量系统，如图1-2所示。传感器处理电路记录显示仪表图1-2 单体型测量系统组成框图 新的工业设备多采用综合型（或称集成型）测量系统，其典型特征是多个传感器共用1个后续处理装置，而且测量系统的后端采用数字处理的方式。其构造如图1-3所示。传感器处理电路图1-3 综合型测量系统组成框图传感器处理电路传感器处理电路。模拟量/数字量转换装置数字式运算处理装置显示器打印机键盘鼠标 更新型的工业设备更进一步地采用了网络型测量系统。如图1-4所示。显示器计算机打印机A/D转换处理电路传感器A/D转换处理电路传感器A/D转换处理电路传感器A/D转换处理电路传感器图1-网络型测量系统组
10、成框图网络或数字通讯总线1.4 测量误差测量误差 在检测过程中，不论采用什么样的测量仪表，也不论采用什么样的测量方式和方法，由于测量仪表本身不够准确，测量方法不够完善，以及测量者本人经验不足，人的感觉器官受到局限等原因，都会使测量结果与被测量的真值之间存在着差异，这个差值就称为测量误差。测量误差的主要来源可以概括为工具误差(又称仪器误差)、环境误差、方法误差和人员误差等。测量的目的就是为了求得与被测量真值最接近的测量值，在合理的前提下，这个值越逼近真值越好。但不管怎么样，测量误差不可能为零。在实际测量中，只需达到相应的精确度就可以了，决不是精确度越高越好。必须清楚地知道，提高测量精确度是要付出
11、人力、物力，是要以牺牲测量可靠性为代价的。那种不计工本，不顾场合，一味追求越准越好的做法是不可取的，要有技术与经济兼顾的意识，正确的做法应是追求最高的性价比。1.4.1 测量误差测量误差 为了便于对误差进行分析和处理，人们通常把测量误差从不同角度进行分类。按照误差的表示方法可分为绝对误差、相对误差和引用误差；按照误差出现的规律可分为系统误差、随机误差和粗大误差；按照被测量与时间的关系可分为静态误差和动态误差。1绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差（1）绝对误差。绝对误差是指测量值Ax与被测量真值Ao之间的差值，用表示，即：=AxAo （1-1）由式（1.1）可知，绝对误差的单位与被测量的单位相
12、同，且有正负之分。用绝对误差表示仪表的误差大小也比较直观，它被用来说明测量结果接近被测量真值的程度。在实际使用中被测量真值Ao是得不到的，一般用理论真值或计量学约定真值Xo来代替Ao。则式（1.1）可写成 =AxXo （1-2）%100Xo 绝对误差不能作为衡量测量精确度的标准，例如用一个电压表测量200V电压，绝对误差为1 V，而用另一个电压表测量10V电压，绝对误差为0.5V，前者的绝对误差虽然大于后者，但误差值相对于被测量值却是后者大于前者，即两者的测量精确度相差较大，为此人们引入了相对误差。（2）相对误差。所谓相对误差(用表示)是指绝对误差与被测量真值Xo的百分比。即：(1-3)在上面
13、的例子中：%5%100105.0%5.0%1002001211 0时，其输出特性称为阶跃响应或瞬态响应特性。瞬态响应特性曲线如图1-12所示。图1-12 阶跃响应特性曲线（1）最大超调量p：最大超调量就是响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示。当稳态值为1，则最大百分比超调量 。最大超调量反映传感器的相对稳定性。（2）延滞时间td：td是阶跃响应达到稳态值50所需要的时间。（3）上升时间tr：它是从零上升到第一次到达稳态值所需的时间。（4）峰值时间tp：响应曲线从零到第一个峰值时所需的时间。（5）响应时间ts：响应曲线衰减到距稳态值之差不超过5或2时所需要的时间。有时称又为过渡过程时间。
14、%100)()()(yytypP1.6.2 频率响应法频率响应法 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性。传感器对正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。对传感器动态特性的理论研究，通常是先建立传感器的数学模型，通过拉氏变换找出传递函数表达式，再根据输入条件得到相应的频率特性。大部分传感器可简化为单自由度一阶或二阶系统。为了更清晰准确地表述传感器对动态信号的响应特性，采用正弦函数作为标准输入信号，观察输出信号的波形特征。输入信号：X(t)=Asin(t)输出信号：Y(t)=Bsin(t+)其中：为园频率，=2f；f为频率，次/秒 K=B/A，为输出/输入信号的幅值比，K()为
15、幅频函数 为滞后角，传感器对不同的输入信号频率有不同的滞后，()为相频函数图1-13显示了测定传感器动态响应的装置构成。Asin(t)信号发生器传感器动态响应分析仪X(t)Y(t)X(t)图1-13 动态响应测定K()()Asin(t)信号发生器发出的信号是幅值A恒定，园频率从0max变化。动态响应分析仪同时接受X(t)、Y(t)信号，输出K()图像如图1-14所示：=2f01ac图1-14 传感器动态响应幅频特性图（频响特性图）图1-14中，0a段的K=1，意味着当信号的频率a，输出信号在幅值上将出现失真。其中c是传感器的固有频率，当输入信号的频率在这附近时，将引起传感器的共振，使输出大于输
16、入。c，传感器的响应因跟不上输入信号的变化，而使输出衰减。频响特性图指出：被测信号的最高频率max应小于传感器的a，才能保证复现输入信号。a愈大，传感器的响应速度愈快。为了使输出信号的失真度尽可能的小，通常使被测信号的最高频率max小于传感器的 。a321.7 传感器的标定与数据处理传感器的标定与数据处理 使用传感器测量，是一个根据传感器的输出量判定传感器输入量的过程。因此在测量之前必须将传感器的输入与输出对应关系测定出来，以便在正式测量时，能利用这个对应关系，从输出值判定输入值。这个测定输入与输出对应关系的工作过程称为标定。数 字 应 变仪打印机螺栓传感器图1-16 螺栓传感器的标定所谓传感
17、器标定，就是利用已知的输入量作用到传感器上，测量传感器的输出量，并进而得到传感器输入输出特性。例如：某次科研工作，需测量在轧钢过程中轧辊轴承所受到的轴向力。由于轧钢机的机架不允许电焊，标准传感器无法安装到轧机机架上。因此将机架上的一根大螺栓改制成测量传感器，在这个螺栓传感器装上轧机机架之前。必需对螺栓传感器进行标定。标定在拉力试验机上进行，如图1-16所示：利用拉力试验机对螺栓传感器加载，加载准确地定在10吨、20吨、30吨，同时将数字动态应变仪输出的对应电压记录下来。这个工作要加载、卸载反复多次（通常在5次以上），对每个吨位的多个测量值进行分析，排除异常数据（粗大误差），计算平均值，作为该吨
18、位下传感器测得的真值。然后作标定曲线图，如图1-17所示。根据标定曲线，拟合螺栓传感器的输入输出方程式如下：Y=4X吨 （mv）或 X=Ymv/4 （吨）吨mV10203040504080120160200图1-17 标定曲线图园点实测值 虚线拟合曲线 在标定过程中的数据处理是一个非常重要的工作，它同时检验了传感器是否满足测量精度的要求，是否可以用于测量。假如：我们要求本次测量的精度应达到2.5级，即允许误差2.5%。我们检验对应于每个标准吨位，它的各次测量值与它的平均值之间的误差是否超过允许误差。举例：30吨载荷对应的测量值（平均值）为120mV，它的允许误差是1202.5%=3mV，因此3
19、0吨载荷的各次测量值应在1203 mV内。同样其他吨位的测量数据也要达到同样的指标，才能保证正式测量能达到规定的精度要求。按测量系统的最低精度要求是5级，即允许误差5%，对应于30吨载荷的各次测量值应在1206 mV内。如果各次测量值中存在超出这个范围的数据，则说明这个传感器制作质量不好，必须重做。传感器的标定实际上是针对整个测量系统的鉴定试验，也就包含了后续仪表。以上例来说就是包含数字动态应变仪，因此要求后续仪表比传感器有更高的精度。总的来说，传感器的标定一般包括如下内容：(1)确定一个表达传感器输入输出信号之间关系的数学模型（关系方程式）。(2)设计一个标定试验，对传感器施加标准的输入，测量相应的输出。在实施中防止其他干扰的影响。(3)利用回归分析方法对标定试验得到的数据进行处理，确定数学模型的参数和测量误差。(4)检验这些测量误差，确定传感器及测量系统所达到的精度等级。(5)检验这些测量误差，确定传感器及测量系统所达到的精度等级。传感器的测量对象有静态的，也有动态的。上面所讲的都是静态的标定，对于某些传感器对动态测量的要求高，还需要作动态的标定，动态的标定曲线通常采用幅频特性图（图1-14）和相频特性图（图1-15）。
