信号与信息处理硕士论文-一种新型自动水位测控系统的设计研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 一种新型自动水位测控系统的设计研究 姓名：于柏 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：鹿凯宁 20081001 摘要 新型自动水位测控系统设计研究主要是为了解决以下问题： 1 实际水位( 含污水) 自动监测现场由于环境恶劣，超常的温差、干扰、 湿度、腐蚀性直接影响到水位的检测精度和变送器传送信号的可靠性。 2 处于高位的水塔水位控制系统，由于水位变送器所处地理位置较高， 存在比较严重的雷击隐患，尤其在多雷雨的季节，变送器存在较高的维护频率 和较大的危险性。 3 从城镇到乡村的生产、生活自动供水系统错综复杂，水位变送器有很 高的故障率。 设计方法为利用开关电容传感器将水位参量直接转换成具有与其相应宽度 的脉冲，并通过调零网络后输入到7 4 l s 3 9 3 所组成的串码并码变换电路后转换 为1 2 位并码输入到8 9 c 5 2 单片机中，通过单片机的数据采集、数字滤波数和据 处理后在l e d 数码管显示出来系统中还设有两个扩展输出接口，一个是4 - - - 2 0 m a 标准模拟远传信号，另一个为4 8 5 通讯接口。此外，系统可在量程内连续设定高 低水位超限的界定值，并有相应的报警输出。 本文在理论和实际上具有一定创新性，其一：在结构设计上打破了延续多年 的传统自动控制模式，彻底摘除了控制系统隐患的根源一变送器。其二：用数 字量取代模拟量直接进行信息传输，根除了温漂、零漂及各种杂波干扰，实现了 数字化水位自动监控系统。其- - ：摒弃了传统检测方法，采用开关电容传感器。 它具有结构合理、响应快、稳定可靠、使用范围广泛等突出特点，可进行各种导 电介质液位的在线实时监测。 关键词：水位监控开关电容式传感器单片机测量电路 a b s t r a c t t h ef o l l o w i n gq u e s t i o n sw i l lb es o l v e di nt h en e wa u t o m a t i cw a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m 1 t h ew a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h et r a n s m i t t e rs i g n a l sa r ed i r e c t l y a f f e c t e db yt h eb a do n - s i t ee n v i r o n m e n to ft h ea c t u a lw a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， i n c l u d i n ge x t r a o r d i n a r yt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ，i n t e r f e r e n c e ，h u m i d i t ya n dc o r r o s i v e n e s s 2 t h ew a t e rl e v e lt r a n s m i t t e ro ft h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ml i e si nt h eh i g h e rw a t e r t o w e r , s ot h e r ei sas e r i o u st h u n d e rs l l “ o k eh i d d e nd a n g e r , e s p e c i a l l yi nm u l t i - t h u n d e r s t o r ms e a s o n t h et r a n s m i t t e rh a st h eh i g hm a i n t e n a n c ef r e q u e n c ya n dt h eb i gr i s k 。 3 b e c a u s eo ft h ec o m p l e xp r o d u c t i o na n dl i f ea u t o m a t i cw a t e rs u p p l ys y s t e mf r o mt h ec i t yt o c o u n t r y ，t h e r ei sah i g h e rf a i l u r er a t ef o rt h ew a t e rl e v e lt r a n s m i t t e r f i r s t l y , t h ew a t e rl e v e li sd i r e c t l yc h a n g e di n t ot h ec o r r e s p o n d i n gw i d t hp u l s eb yas w i t c h i n g c a p a c i t a n c es e l “ l s o r t h e n , t h r o u g hz e r oa l i g n m e n tn e t w o r k s ，t h ep u l s es i g n a l i s i n p u t t e dt o 7 4 l s 3 9 3 ，w h i c hw i l lc h a n g et h es e r i a ls i g n a li n t ot h e1 2 b i tp a r a l l e ls i g n a la n ds e n dt h e1 2 一b i t p a r a l l e ls i g n a lt o8 9 c 5 2s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h ec o l l e c t e dd a t aw i l lb ef i l t e r e da n d d i s p o s e di ns c m f i n a l l y , t h ec o r r e s p o n d i n gw a t e rl e v e lv a l u ew i l lb ed i s p l a y e db yt h el e d p h o t o e l e c t r i cn u m e r a lt u b e t h e r ea r et w oo u t p u ti n t e r f a c e si nt h es y s t e m ，o n ew i l lo u t p u tt h e4 - 2 0 m al o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o ns i g n a l ，a n da n o t h e ri st h er s 4 8 5c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e i n a d d i t i o n ，t h e r ei st h ew a t e rl e v e lh i g h e ra n dl o w e rl i m i ta l a r mf u n c t i o ni nt h es y s t e m t h e r ei ss o m ei n n o v a t i o n0 nt h et h e o r ya n da c t u a la p p l i c a t i o ni nt h i sp a p e r f i r s t ，t h et r a d i t i o n a l c o n t r o lp a t t e r ni sg i v e nu p ，w h i c ht h et r a n s m i t t e rw i t hb i gh i d d e nd a n g e ri s n tu s e di nt h es y s t e m s e c o n d ，t h ea n a l o g u es i g n a li sr e p l a c e db yd i g i t a ls i g n a l ，s ot e m p e r a t u r ed r i 允z e r od r i f ta n d i n t e r f e r e n c ea r eg r e a t l yi n h i b i t e d t h es y s t e mi sad i g i t a la u t o m a t i cw a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m t h r e e ，t h es w i t c h i n gc a p a c i t a n c es e n s o ri su s e di nt h es y s t e m ，a b a n d o n i n gt h e t r a d i t i o n a ld e t e c t i o nw a y s t h e r ea r er a t i o n a ls t r u c t u r e ，f a s tr e s p o n s e ，r e l i a b l es t a b i l i t ya n dw i d e u s i n gf o rt h es w i t c h i n gc a p a c i t a n c es e n s o r , s oi tc a nb ea p p l i e di nv a r i o u sc o n d u c t i v el i q u i dl e v e l m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m s k e yw o r d s ：w a t e rl e v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l s w i t c h i n gc a p a c i t a n c es e n s o r s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r m e a s t w e m e n tc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：。矽年州舭日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期博矽年 导师签名： 签字日期： o 磊j 月切日 7 ，日 、丐 ，弋， 日p枷肌 ，1 l 0 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 我国水资源严重短缺同时又存在严重浪费现象，两方面因素制约了国民经济 的可持续发展，使社会经济建设受到巨大挑战。提高生产、生活用水水价以及对 大型工、矿企业强制安装中水处理设备，都是国家不得已而为之的重大节水举措， 然而由于变送器在水位控制系统中普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、 稳定性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，易造成水位变送器 的故障频发，使监控设施失控，形成跑、冒水现象，进一步加剧了宝贵水资源的 大量浪费，仅水资源浪费一项每年就占到全国用水量的4 0 以上，新型自动水 位测控系统的设计研制工作正是在这一契机下应运而生的。 传感、变送系统的稳定性、可靠性、精确度、抗温度扰动、抗噪音干扰、防 爆性能等问题一直是伴随自控技术发展的研究课题n 1 ，变送器( t r a n s m i t t e r ) 是一个输出标准信号的传感器，各检测现场所配备的变送器的共同特点是： ( 1 ) 水位变送器是监控系统中用量最多、品种最杂、安装施工及耗材耗资最 大且要求最为严格而苛刻的设备。 ( 2 ) 在监控系统的日常运行中，水位变送器是故障最多、失效率和损坏率最 高、维修频率最大的设备。 这不仅使繁杂而庞大的传感变送系统占用了自控系统的大部分资金，带来了 沉重而昂贵的维修负担，更为严峻的是在传感变送系统中的传感变送信息，在信 息的生成、量化及传输过程中所受到的各种杂波、噪声的干扰，寄生电容以及电 源电压波动的干扰，有些干扰甚至直接导致传感变送系统瘫痪，成为整个自控系 统的致命问题。 基于以上在水位测量过程中传感、变送系统所表现出的种种弊端，本课题 项目研究的重点是在传感变送系统中彻底抛弃变送器，免除电源，剔除模拟量( 简 称三无) ，实现数字化自动测控系统，解决模拟量远距离传输所带来的可靠性、 安全性、精确度、零点漂移以及各种杂波、温度、寄生电容和电源电压等形成的 干扰，进而有效地提高自控系统的稳定性和可靠性。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 水位的实时测量与自动控制在生产和生活实践中起着举足轻重的作用，国内 和国际上早已形成了许多水位测量的传统方法口1 ，而且根据应用场合和要求不同， 传感器的各项技术指标也有较大差别。目前，根据国内外的水位测量方法以及原 理大致可分为如下四种类型：1 非接触法：超声波、声学、电容接近式、射频和 微波法、核辐射法；2 插入探头法：包括尖端敏感型、电容型、倾斜式；3 流体 静压头压力检测；如应变计和电容压力传感器；4 机械法：浮子法、平衡浮子法 和称重法。近几年来，随着材料工艺技术和微电子技术的快速发展，水位测量也 出现了很多新方法，例如磁致伸缩法、光纤光学法等等。 各种传统水位传感器在结构、精度等方面存在较大差别，但大都采用了以标 准模拟量作为远程信息传输的变送器结构啼1 ，如图1 - 1 所示，这就要求检测现场 必须安装一个将实时水位信息转化为4 _ - 2 0 m a 或o 一5 v 的标准模拟信息装置( 变 送器) ，通过信号电缆进行远传，输送给操作台的显示单元或计算机终端进行水 位控制，然而这种结构本身却存在着如下所述的诸多弊端： 图1 - 1 信息体系结构 2 第一章绪论 ( 1 ) 存在较多故障隐患 模拟量的远程传送方式普遍存在着时漂、温漂、精确度、抗干扰能力、稳定 性等一系列问题，尤其在恶劣气候条件下的电闪、雷击，造成水位变送器的故障 频发，使监控设施失控，工作的安全性和稳定性较差。 ( 2 ) 增加系统运行成本 由于需要对信号进行现场的调理和传送，因此，变送器方式的现场电路比较 复杂，成本较高，如果需要改用数字通信方式传送信息，则会增加电路复杂程度， 进一步提高成本。 ( 3 ) 适用范围的局限性 采用探头的传感器，传感器导线线束在水中长期浸泡，传感器的微孔被水中 杂质堵塞，易造成水位失控；精度较高的非接触传感器，造价相对昂贵，不适于 广泛采用；机械式传感器由于具有活动机械部件，长期工作的可靠性较差。 此外，这种采用传感器一变送器一( 包括计算机在内的) 监控终端所组成的 开环或闭环系统，在以模拟信息进行远传的模式下，由最前端的模拟通道所引发 的温漂、零漂以及外界杂波干扰所带来的各种扰动一直是很难彻底根除的自动控 制系统的瓶颈问题。 1 2 2 发展趋势 纵观国内外水位传感器的长远发展趋势和经济社会发展的需要，水位传感器 的发展越来越呈现出如下一些趋势特征： 提高工作的安全性、稳定性和可靠性，尤其是长期工作条件下的上述性能， 这样不但可以降低故障率，同时还可以降低日常维护费用； 进一步提高精度要求； 输出信号数字化，并采用标准的数字传送接口协议，便于传送和处理； 由于适用的范围越来越广泛，造价也成为一个重要的考虑指标，新型的水位传 感器，在满足性能要求的同时，必须进一步降低成本，以便更利于推广使用。 预计2 1 世纪第二个1 0 年热点很可能是传感、执行与检测。传感器的作用主要 是获取信息，它是信息技术的源头。在信息时代里，随着各种系统的自动化程度 和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器的精度、可靠性和 响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便和系统联接。传感监测系 统越来越向着微型化、集成化、数字化、智能化方向发展。 第一章绪论 1 3 本文的工作和创新 新型自动水位测控系统的研究工作主要是针对供水系统液位变送器在监控、 安全、维护、管理中存在的诸多弊病进行研发，项目课题主要采用传感技术、微 电子技术、计算机技术、参数识别优化技术等，研究“三无免”智能化、数字 化、自动液位监测装置。系统主要由传感器、通信电缆、智能仪表、l e d 显示等 组成。系统基于电容液位传感器将非电的液位物理量转化为电容量的原理构建设 计思想。传感器由u p c v 圆管和在管内安装的数匝束装聚四氟绝缘导线组成可调 节的筒型无微孔结构的开关电容传感器，形成现场无源。对由一定深度的液位所 形成的电容c 作为开关电容操作，即进行h c 和c t 的直接转换( h 为液位 高度，t 为脉冲宽度) ，由开关电容传感器直接形成数字量( 脉冲t ) ，并直接通 过电缆远传给二次仪表，在二次仪表的计算机系统内进行处理，通过建立不同的 数学模型，综合实现系统运行分析、装置自检和l e d 数显。 本课题在理论分析的基础上，真正实现了三无一免的设计理念t 无源、无 变送器、无模拟量、免维护，有效实现数字化物位传输，取代现行模拟量传输， 剔除现场变送器，安全、可靠、有效地解决干扰问题，拓宽使用环境，提高可靠 性和检测精度，在结构设计上彻底打破国内外延续多年的传统自动控制模式。 1 4 本文的组织 第一章概述课题的提出背景、国内外研究现状及发展趋势等。 第二章详细介绍了传感器的概念、特性以及电容传感器的设计原理和结构特 点。 第三章基于对现行i e c 国际标准的质疑，提出一种与前者相悖的新型水位测 控系统信息结构。分别论述了系统硬件和软件的设计实施方法。 第四章根据实验数据分析，修正改进系统电路设计缺陷。 第五章介绍系统技术指标和具体运行调试方法。 第六章对本文工作进行总结，就下步工作做出展望。 4 第二章传感器设计结构 第二章传感器设计结构 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构 简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工 作，这是它的独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避 短，成为一种很有发展前途的传感器，在自动控制系统中起着致关重要的作用。 2 1 传感器的概念 人通过感官来接收外界的信号，并将所接收的信号送人大脑，进行分析处 理后获取有用的信息。对现有的或者正在发展中的机械电子装置来说，电子计算 机( 即常称电脑) 相当于人的大脑，而相应于人的感官部分的装置就是传感器。所 以说，传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法 直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥 感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。在自动控制领域中，自动化 程度越高，控制系统对传感器的依赖性就越大，因此，传感器对控制系统功能的 正常发挥起着决定性的作用。 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取 的信息转换成另一种信息的装置。它获取的信息可以为各种物理量、化学量和生 物量，而转换后的信息也可以有各种形式。但目前，传感器转换后的信号大多为 电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。 一般也称传感器为变换器、换能器和探测器，其输出的电信号陆续输送给后续配 套的测量电路及终端装置，以便进行电信号的调理、分析、记录或显示等。在一 个自动化系统中，首先要能检测到信息，才能去进行自动控制，因此传感器是首 当其冲的装置1 4 j 。 2 2 传感器组成和分类 2 2 1 传感器组成 第二章传感器设计结构 传感器一般由敏感器件与其它辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它 的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。如应变式压力传 感器的弹性膜片是敏感元件，它的作用是将压力转换为弹性膜片的形变，并将弹 性膜片的形变转换为电阻的变化而输出。一般把信号调理与转换电路归为辅助器 件，它们是一些能把敏感器件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理等有用 的电信号的装置。 随着集成电路制造技术的发展，现在已经能把一些处理电路和传感器集成在 一起，构成集成传感器。进一步的发展是将传感器和微处理器相结合，装在一个 检测器中形成一种新型的“智能传感器“ 。它将具有一定的信号调理、信号分析、 误差校正、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判断的功能。这种集 成化、智能化的发展，无疑对现代工业技术的发展将发挥重要的作用。 2 2 2 传感器分类 传感器的种类繁多。在工程测试中，一种物理量可以用不同类型的传感器来 检测；而同一种类型的传感器也可测量不同的物理量。 传感器的分类方法很多，概括起来，主要有下面几种分类方法： 按被测物理量来分类，可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力 传感器、温度传感器等。 按传感器工作的物理原理来分类，可分为机械式、电气式、辐射式、流体式 等。 按信号变换特征来分类，可分为物性型和结构型。 所谓物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的 检测。例如，用水银温度计测温，是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感 器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英 晶体的压电效应等。 所谓结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换 的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电 感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。 按传感器与被测量之间的关系来分类，可分为能量转换型和能量控制型。能 量转换型传感器( 或称无源传感器) ，是直接由被测对象输入能量使其工作 6 第二章传感器设计结构 的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换 过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。 按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式两种，前者的输出量为连续变 化的模拟量，而后者的输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用， 数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模一数转换变为 数字量。 2 3 传感器特性 传感器的特性主要是指输入与输出的关系。 2 3 1 传感器的静态特性 静态特性表示传感器在被测量各个值处于稳定状态时的输入输出关系。也即 当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系就称为静态特性。 我们总是希望传感器的输出与输入成唯一的对应关系，最好是线性关系，但 是一般情况下，输出与输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在着迟滞、 蠕变、摩擦等因数的影响，使输出输入对应关系的唯一性也不能实现。因此外界 的影响不可忽视，见图2 1 所示。影响程度取决于传感器本身，可通过传感器本 身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。其中误差因数就是衡量 传感器静态特性的主要技术指标。 n 误差因数 输出 - - _ _ _ - _ 图2 - 1 传感器输入输出作用图 第二章传感器设计结构 线性度( l i n e a r i t y ) 传感器的输入与输出关系或多或少地都存在着非线性问题。在不考虑迟滞、 蠕变等因数的情况下，其特性可用多项式代数方程来表示： y 2 a o + 口l x + a 2 x 2 + + 口n x ” ( z - i ) 式中】【输入量： y _ _ 出量； a r 零位输出： a 。传感器的灵敏度，常用k 或s 表示； a 2 ，a 3 ，a r 非线性项的待定常数。 这就是传感器的静态特性数学模型。 各项系数不同决定了特性曲线的具体形式。 静态特性曲线可用实际测试获得。实际中为了标定和数据处理的方便，希望 得到线性关系，采用各种方法如计算机硬件或软件补偿法等进行线性化处理。一 般来说，这些办法都比较复杂。但在线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟 合的办法来线性化。 在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与拟合曲线之间的最大偏 差，就称为非线性误差或线性度。通常用相对误差来表示： 吒：坠1 0 0 y ，s ( 2 - 2 ) 式中l m 双输出平均值与拟合直线间的最大偏差； y r r 理论满量程输出值。 目前常用的拟合方法有：a 理论拟合b 过零旋转拟合c 端点连线拟合d 端点连线平移拟合e 最小二乘拟合等 第二章传感器设计结构 图2 - 2几种不同的拟合方法 ( 8 ) 理论直线法( b ) 端点连线法( c ) 端点连线平移法 采用最小二乘法拟合时，按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感 器校准数据的残差平方和最小。如用式( 2 3 ) 表示最d - - 乘法拟合直线。 y 26 + 缸 ( 2 3 ) 式中b 和i r 分别为截距和斜率，式中的系数b 和k 可根据下述分析求得。 设实际校准测试点有1 “ 1 个，则第i 个标准数据y t 与拟合直线上相应值之间的 残差为： f2 y f 一( 6 + 帆) ( 2 4 ) a 22 授最小二乘法原理，应便信1最小；故由i = 1分别对k 和b 求一阶偏导 数并令其等于零，即可求得k 和b - 露= 一 协5 ， 6 ：王兰 羔型“ 胛x ；一( x t ) 2 ( 2 - 6 ) 式中： 乞毛2 + 工2 + + x n 乙少，= y l + y 2 + 4 - x 。 x y f = 而y i + x 2 y 2 + + 矗y 薯2 “ - x 1 2 + x 2 2 + + x 2 9 第二章传感器设计结构 在获得k 和b 的值后代入式( 2 3 ) 即可得到拟合直线，然后按( 2 5 ) 式 求出残差的最大值k 即为非线性误差。最小二乘法的拟合精度很高，但校准 曲线相对拟合直线的最大偏差绝对值并不定最小，最大正、负偏差的绝对值也 不一定相等。 迟滞( h y s t e r e s i s ) 传感器在正( 输入量增大) 反( 输出量减小) 行程中输出输入曲线不重合称 为迟滞。如图2 3 所示。也就是说对应于同一大小的输入信号，传感器的输出信 号大小不相等。 一般由试验室方法测得迟滞误差，并以满量程输出的百分数表示，即： p ：竺坠1 0 0 p = 曼l y ，s ( 2 7 ) 式中h 豳l 一正反行程间输出的最大差值 迟滞误差也称回程误差，回程误差常用绝对误差表示。它反映了传感器的机 械部分和结构材料方面不可避免的弱点，如轴承摩擦、间隙等。 图2 - 3 迟滞特性 重复性( r e p e a t a b i l i t y ) 重复性是指传感器在输入按同一方向作全量程连续多次变动时所得曲线不 一致的程度。 图2 - 4 所示，为校正曲线的重复特性。 正行程的最大重复性偏差为i 乙。，反行程的最大重复性偏差为。重 复性偏差取这两个最大偏差中之较大者为r 。，再以满量程输出y 朋的百分数 表示，即： p 。= 竺量1 0 0 p p = 士当 一 y ，s ( 2 8 ) 1 0 第二章传感器设计结构 y l j 图2 - 4 重复特性 z 灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 传感器输出的变化量y 与引起该变化量的输入量变化ax 之比即为其静态 灵敏度。表达为： x = ( 2 - 9 ) 即传感器校准曲线的斜率就是其灵敏度。 线性传感器，其特性的斜率处处相同，灵敏度k 是一常数。以拟合直线作为 其特性的传感器，也可认为其灵敏度为一常数，与输入量的大小无关。非线性传 感器的灵敏度不是常数，应以d y d x 表示。 由于某些原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误 差表示： p ，2 m k ) x 1 0 0 ( 2 1 0 ) 分辨力和阈值( r e s o l u t i o na n dt h r e s h o l d ) 分辨力是指传感器能检测到的最小的输入增量。分辨力可用绝对值表示， 也可用与满量程的百分数表示。 阈值：当一个传感器的输入从零开始极缓慢地增加，只有再达到了某一最 小值后，才测得出输出变化，这个最小值就称为传感器的阈值。事实上阈值是传 感器在零点附近的分辨力。 分辨力说明了传感器的最小的可测出的输入变量，而阈值则说明了传感器 的最小可测出的输入量。 阈值大的传感器其迟滞误差一定大，而分辨力未必差。 第二章传感器设计结构 稳定性和温度稳定性( s t a b i l i t y ) 稳定性是指传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化。有时称为长时 间工作稳定性或零点漂移。 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4 h 、8 h 或一定的工作 次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。 化。 温度稳定性也称为温度漂移，是指传感器在外界温度变化下输出量发生的变 测试时先将传感器置于一定的温度下( 如室温) ，将其输出调至零点或某一 特定点，使温度上升或下降一定的度数( 如5 或1 0 度) 再读出输出值，前后两 次输出值之差即为温度稳定性误差。 漂移( d r i f t ) 漂移指在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需 要的变化。漂移包括零点漂移与灵敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移( 时漂) 和温度漂移( 温漂) 。时漂是 指在规定条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂为周围温度变化引起的 零点或灵敏度漂移。 静态误差 精度 ( p r e c i s i o n ) 静态误差是指传感器在其全量程内任一点的输出值与其理论输出值的偏离 程度，是评价传感器静态性能的综合性指标。 求取方法： ( 1 ) 将全部校准数据相对拟合直线的残差看成随机分布，求出标准偏差o ， 式中 a y ，各测试点的残差； 1 2 ( 2 - 1 1 ) 第二章传感器设计结构 p 所有测试循环中总的测试点数。例如正反行程共有m 个测试点，每 个测试点重复测量n 次，则p - - m n 。然后取20 或3o 值即为传感器的静态误差， 也可用相对误差来表示，即： 咯：羔生翌1 0 0 y 。f 。s ( 2 - 1 2 ) ( 2 ) 静态误差是一项综合性指标，它基本上包括了前面叙述的非线性误差、 迟滞误差、重复性误差、灵敏度误差等，所以也可以把这几个单项误差综合而得， 即： 咯= 履i 再石虿( 2 - 1 3 ) 2 3 2 传感器的动态特性 动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合 适的参数。 使用传感器时要根据其动态性能要求与使用条件确定合适的使用方法，同时 对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之，动态特性是传感器性能的一个 重要指标。在测量随时间变化的参数时，只考虑静态性能指标是不够的，还要注 意其动态性能指标。如当传感器在测量动态压力、振动、上升温度时，都离不开 动态指标 总的来说，传感器的动态特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的 变化形式有关。如图2 - 5 所示，为传感器的幅频特性曲线。 图2 - 5 传感器幅频特性曲线 第二章传感器设计结构 当被测信号的频率小于6 0 。时，该传感器能准确地反映被测信号；在。附 近时，传感器地输出信号远大于真实信号；在6 3 。附近时，输出远小于真实信号， 无法完成准确测量。因此若不考虑传感器的动态性能，其动态测量的输出误差就 可能很大。因此使用传感器时，必须注意其动态性能指标是否符合测量要求。 研究动态特性时，通常只能根据“规律性的输入来考察传感器的响应。复 杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其它 瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。 数学模型和传递函数( m a t h i m a t i cm o d e la n dt r a n s f e rf u n c t i o n ) 一般情况下，传感器输出y 与被测量x 之间的关系可写成： 限移m 盟d t m ，割d x 亿 大部分传感器在其工作点附近一定范围内，其动态数学模型可用线性微分方 程表示，即： 口。芳万d “ - i y 口。瓦d y + a o y = b 。x d 鲥“ 一万d i n - i x 6 l 妄却( 2 _ 1 5 ) 设x ( t ) 、y ( t ) 的初始条件为零，对上式两边逐项进行拉氏变换，可得： a n j ”r o ) + a 。一l s ”1 y g ) + + 口，s r o ) + a o 】，g ) = 6 。s ”x g ) + 吒一。s ”1 x g ) + + a , s ：x o ) + a o x ( s ) ( 2 - 1 6 ) h ( s ) ：塑：生兰：g ：垒! ! 鱼 z ( s ) a n s ”+ 口。i b ”1 + + a l s + a o ( 2 1 7 ) 传递函数是拉氏变换算子s 的有理分式，所有系数口o 、口l , - - a n ；b o 、外6 m 都是实数，这是由传感器的结构参数决定的。分子的阶次m 不能大于分母的阶次 n ，这是由物理条件决定的。分母的阶次用来代表传感器的特征。 n - - o 时，称为零阶传感器；i i “ - l 时，称一阶传感器；n = 2 时，为二阶传感 器：n 更大时，为高阶传感器。 稳定的传感器系统所有极点都位于复平面的左半平面，零点极点可能是实 数，也可能是共轭复数。 1 4 第二章传感器设计结构 正弦输入时的频率特性( f r e q u e n c yr e s p o n s e ) 将s = j ( i ) 代入传递函数得： 州2 丽y ( j c o ) = 糍赢mb 薪譬m - i 蔫鬻 形( 缈) 为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即： w ( j c o ) = k l + j k 2 = 露0 x 7 “由( 2 - 1 9 ) 幅值后( 彩) = 、j 彳干虿，相角留缈= k 2 k 。 k 表示输出量幅值与输入量幅值之比，即动态灵敏度，k 值是d 的函数，称 为幅频特性。由值表示了输出量的相位较输入量超前的角度，也是的函数， 称为相频特性。 由通常是负值，即输出一般滞后于输入。 阶跃输入时的阶跃响应( s t e pr e s p o n s e ) 过渡函数就是输入为阶跃信号的响应。 传感器的输入由零突变到a ，且保持为a ，输出随时间的变化如图2 - 6 所示： 工 0 y 咒 0 9 咒 0 1 咒 0 图2 书传感器的阶跃输入与响应 ( a ) 一阶响应( b ) 二阶响应 y ( t ) 经过若干次振荡( 或不经过振荡) 缓慢地趋向稳定值k a ，这里k 为仪 器的静态灵敏度。这一过程称为过渡过程，y ( t ) 为过渡函数。当过渡过程基本结 束，y 处于允许误差6y 范围内所经历的时间称为稳定时间t ( - ) ，稳定时间也是 重要的动态指标之一。 第二章传感器设计结构 传感器的技术指标5 3 ( s e n s o r st e c h n i c a ld a t a ) 对于一种具体的传感器，并不要求全部指标都必需，只要根据自己的实际需 要保证主要的参数。表2 1 列出了传感器的些常用指标。 表2 - 1 传感器的性能指标一览 基本参数指标环境参数指标可靠性指标其他指标 l 量程指标：温度指标：使用方面： 量程范围、过载能力等工作温度范围、工作寿命、平均无故障供电方式( 直流、交流、 温度误差、温度时间、保险期、疲劳性频率、波形等) 、电压 漂移、灵敏度温能、绝缘电阻、耐压、幅度与稳定度、功耗、 灵敏度指标： 度系数、热滞后反抗飞弧性能等 各项分布参数等 等 灵敏度、满量程输出、 分辨力、输入输出阻抗 ! 等 精度方面的指标： 抗冲振指标： l 精度( 误差) 、重复性、结构方面： 钱性、回差、灵敏度误各项冲振允许频 差、阈值、稳定性、漂率、振幅值、加 外形尺寸、重量、外壳、 移、静态误差等速度、冲振引起 材质、结构特点等 的误差等 动态性能指标： 固有频率、阻尼系数、 濒响范围、频率特性、 l 时间常数、上升时间、 安装连接方面： ；响应时间、过冲量、衰其他环境参数： 减率、稳态误差、临界安装方式、馈线、电缆 l 速度、临界频率等 抗潮湿、抗介质等 腐蚀、抗电磁场 干扰能力等 2 4 电容式传感器 2 4 1 电容传感器工作原理 电容传感器的外观为一根固定不动的f 2 j 5 0 m m 圆柱型结构，其内装的聚氟导线 束的芯线为一个电极，而插入水底的一根金属裸铜线为另一电极，当把两个电极 1 6 第二章传感器设计结构 垂直置于水中时，作为导体的水将聚氟绝缘层无孔不入地团团包围在绝缘层外 侧，形成一个同轴可变电容器，如图2 - 7 所示，芯线电极直径为d ，绝缘层均匀 地套在圆柱型金属芯线电极外面，电容器两个电极之间的介电常数为的绝缘介 质，其外径为d ，导电液体的电极引出端为裸铜线。显然，当液位上升时，由于 两个电极覆盖面积增大，可变电容器的电容量就随着液位升高成比例增大；反之， 电容量就减小。 聚 ：二。7 。 世 ，一一 j 。：s j j 、q = ： 1 图2 7电容式传感器原理 在液位最高时，传感器电容量达到最大值，电容量c 与h 定量关系式嘲为： 等h ( 2 - 2 0 ) l n d 式中c 为电容量；为聚氟导线绝缘层的介电常数；h 为液位高度；d 为聚氟 导线外径；d 为聚氟导线内径。 由公式( 2 - 2 0 ) 得： c l n d h = 芝 ( 2 2 1 ) 当d 、d 、8 为常数时，由公式( 2 2 1 ) 得： l n 了d h = k c ( k = 芒) ( 2 2 2 ) z 7 c 8 这样就建立h 与c 之间的数学模型。显然h 与c 的关系式证明了电容量是以 水位高度的实时变化为自变量的单调线性函数。 第二章传感器设计结构 2 4 2 电容传感器结构设计 开关电容传感器是水位控制的核心部件，传感器性能的好坏直接关系到系统 性能的优劣，所以传感器结构的研制和设计是水位检测技术中最关键的部分嘲。 电容传感器的结构可因被测对象不同而具有不同形式，但都是将液位高度变 化转换为电容量变化，我们以检测水位为例：经过多次实验分别对电极绝缘层厚 度情况和绝缘情况以及导电液体导电情况进行了对比性研究，发现绝缘品质、抗 酸碱腐蚀及耐温等性能越好的涂层介质，其稳定性越好，测量越准确，如用高压 绝缘胶做绝缘介质较用普通绝缘胶的效果要好，电极涂层介质层越薄，其灵敏度 越高，但介质层太薄时，厚度不均匀性及杂质吸附的影响很大；实验结果与所用 液体的电导率也有重要关系，导电好的液体，测量结果越稳定，测量也越准确， 且线性度越好。同时在实验中发现这样一个问题：由于传感器主体绝缘导线的绝 缘层长期不问断地以特定频率充放电，在此过程中形成的静电效应对液体中的各 种杂质及矿物质的吸附、沉积，致使绝缘层变厚，导致传感器灵敏度下降，这是 值得关注的致命问题。一般传感器导线线束由于在液体中长期浸泡，传感器的微 孔被液体杂质所堵塞，造成液位失控。经过多次筛选绝缘导线，在传感器中应用 的新型导线经反复实验，其绝缘层“水锈”堆积几乎为零，这种耐高温、抗酸碱 的无毒导线构成了水位控制系统中的一种无微孔结构传感器的关键材料。另外通 过实验方法对聚氟导线在o c - - 一1 0 0 “ c 温域内检测导线电容量变化，发现所选用 聚氟导线电容温度梯度c t = o ，故不必担心水位检测温漂问题。聚氟导线工 作温度在一6 0 - - - 2 5 0 之间，这种既耐严寒又耐高温的无微孔结构传感器在拓宽 应用范围上有十分重要的意义，尤其在我国东北和大西北地区的野外现场作业和 石油、化工生产线上更具有重要作用。 通过实际测量，单根聚氟导线电容量分辨率很低，当水位微变时，分辨率不 能满足要求，这样就给后续电路设计增加了一定难度，为解决这一问题，采用导 线线束组成电容传感器，其电容量为c = c 。，传感器灵敏度为c 总- n c 单m ，n 越大灵敏度越高，因此，传感器灵敏度和测量精度都得到很大改善。 新型自动水位测控系统电容传感器的电原理结构决定了必须有作为地线的 一根裸线直接插入水中，形成了水位监测系统的地线直接与大地连接，这种接地 方法对抵御雷击起着致关重要的作用，大大降低了现场的维护频率，提高了系统 的可靠性，这种两线制传感器，无需现场供电，使系统成为一种( 现场) 无源、 免维护本安型自动化控制仪表，尤其对高位( 如4 0 米水塔) 水位监测控制系统 更具重要意义。 第二章传感器设计结构 2 4 3 电容传感器特点 电容传感器在具体的设计应用上还要考虑其如下优缺点： 夺优点： i 温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材 料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产 生零漂。 结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧， 以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以 承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差， 也能对带磁工作进行测量。 动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小( 约几个1 0 5 n ) ，需要的作 用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有 频率很高，动态响应时间短，能在几兆h z 的频率下工作，特别适用于动态测量。 又