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4传感检测技术 1 检测系统的组成 1 把各种非电量信息转换为电信号 这就是传感器的功能 传感器又称为一次仪表 2 对转换后的电信号进行测量 并进行放大 运算 转换 记录 指示 显示等处理 这叫作电信号处理系统 通常被称为二次仪表 1 非电量检测系统的结构形式 2 传感器的构成传感器一般由敏感元件 转换元件和转换电路三部分组成 传感器的组成框图 3 1 敏感元件 是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置 其输入 输出间具有确定的数学关系 最好为线性 如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出 2 转换元件 将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号 如电阻 电感 电容等 形式 3 基本转换电路 将电信号量转换成便于测量的电量 如电压 电流 频率等 4 按被测物理量分为 位移传感器 速度传感器 加速度传感 力传感器 温度传感器等 温度传感器 压力传感器 扭矩传感器 角位移传感器 位移传感器 5 按传感器工作的物理原理分为 电阻式 电感式 电容式 光电式等等 压电式加速度传感器 激光位移传感器 光纤式位移传感器 超声波位移传感器传感器 电感式位移传感器 6 传感器的数学模型及特性指标 被测输入量 静态量 准静态量 动态量 7 一 传感器的静态模型 1 代数方程 x 输入量 y 输出量 a0 零位输出 a1 传感器的灵敏度 K S a2 an 非线性项待定常数 条件 不考虑传感器滞后 蠕变情况下 8 2 特性曲线 9 3静态特性 1 线性度 传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 线性度 传感器的线性度示意图 10 2 灵敏度 传感器到达稳定工作状态时输出变化量与引起此变化量的输入变量之比 用S0表示 即 3 最小检测量最小检测量是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 11 4 精确度 精度 精密度 对某一稳定的对象 被测量 由同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次 其测量结果的分散程度 对应随机误差 正确度 测量结果偏离真值大小的程度 即示值有规则偏离真值的程度 对应系统误差 精确度 包含精密度和正确度两者之和的意思 即测量的综合优良程度 12 5 迟滞 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中输出 输入特性曲线的不重合程度称为迟滞 迟滞误差一般以最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出yFS的百分数表示 迟滞特性 13 6 重复特性 传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时 所得的输出 输入曲线不一致的程度 称为重复特性 重复特性误差用最大重复性误差与满量程输出的百分数表示 即 重复特性 14 7 漂移零点漂移传感器无输入时 每隔一段时间进行读数 其输出偏离零值的程度 温漂温漂表示温度变化时 传感器输出值的偏离程度 一般以温度变化1 输出最大偏差与满量程的百分比表示 15 传感器的动态数学模型及动态特性指标 一 动态模型 1 微分方程 微分方程 传递函数 条件 线性定常系统 16 二阶环节 二阶传感器 零阶环节 零阶传感器 比例环节 无惯性环节 17 二 动态特性指标 输入标准信号 阶跃响应法 时域 阶跃函数 正弦函数 指数函数 冲击函数 频率响应法 频域 2 传递函数 18 时间常数 一阶传感器系统 阶跃响应 单位阶跃信号 19 二阶传感器系统 上升时间Tr 响应时间Ts 超调量a1 峰值时间Tp 延滞时间Td 稳态误差 20 传感器的选用原则1足够的容量传感器的工作范围或量程足够的大 并具有一定过载的能力 2与测量或控制系统的匹配性好 转换灵敏度高 3精度高 稳定性好4反应速度快 工作可靠性好 5适用性和适应性强6使用经济 21 位移传感器 一 电感式位移传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理 将被测物理量转换为电感量的变化 1 自感型电感式传感器可变磁阻式电感传感器 电涡流式传感器2 互感型电感传感器 22 自感L可表示为 灵敏度 1 可变磁阻式电感传感器 1 自感型电感式传感器 23 差动型磁阻式传感器 它由两个相同的线圈 铁心及活动衔铁组成 当活动衔铁接于中间位置 位移为零 时 两线圈的自感L相等 输出为零 当衔铁有位移 时 两个线圈的间隙为 0 0 这表明一个线圈的自感增加 而另一个线圈的自感减小 可变磁阻差动式传感器 24 可变磁阻面积型电感传感器 25 差动变压器式电感传感器 传感器由线圈 铁芯和活动衔铁三部分组成 当初级线圈输入交流激励电压时 次级线圈将产生感应电动势e1和e2 传感器的输出电压为两者之差 即ey e1 e2 的大小随活动衔铁的位置而变 当活动衔铁位置居中时 e1 e2 ev 0 当活动衔铁向上移时 即e1 e2 ey 0 当活动衔铁向下移时 e1 e2 ey 0 活动衔铁的位置往复变化 其输出电压也随之变化 2 互感型电感传感器 26 2 电涡流式电感传感器 高频反射式涡流传感器 高频 1MHz 激励电流 产生的高频磁场作用于金属板的表面 在金属板表面将形成涡电流 若只改变距离 而保持其他系数不变 则可将位移的变化转换为线圈自感的变化 27 低频透射式涡流传感器 发射线圈 1和接收线圈 2分别置于被测金属板材料G的上 下方 当低频 音频范围 电压e1加到线圈 1的两端后 所产生磁力线的一部分透过金属板材料G 使线圈 2产生感应电动势e2 且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少 28 二 电容式位移传感器 电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化 再通过配套的测量电路 将电容的变化转换为电信号输出 式中 0 真空的介电常数 s 极板的遮盖面积 极板间相对介电系数 两平行极板间的距离 29 1 极距变化型电容式传感器 如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变 当两极板在被测参数作用下发生位移 引起电容量的变化为 传感器的灵敏度为 30 2 面积变化型电容式传感器 动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化 当覆盖面积对应的中心角为a 极板半径为r时 覆盖面积为 面积为 其灵敏度为 31 3 介质变化型电容式传感器的变换原理 这种传感器大多用于测量电介质的厚度 图a 位移 图b 液位 图c 还可根据极板间介质的介电常数随温度 湿度 容量改变而改变来测量温度 湿度 容量 图d 等 32 三 光栅位移传感器 33 把指示光栅平行地放在标尺光栅上面 并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度 这时在指示光栅上就出现几条较粗的明暗条纹 称为莫尔条纹 它们是沿着与光栅条纹几乎成垂直的方向排列 34 莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例 光栅每移动过一个栅距W 莫尔条纹就移动过一个条纹间距B莫尔条纹具有位移放大作用 莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为例如 W 0 02mm 0 1 则B 11 4592mm 其K值约为573 35 2 测量系统 通过光电元件 可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号 经放大 整形变换为方波 经微分转换为脉冲信号 再经辨向电路和可逆计数器计数 则可用数字形式显示出位移量 位移量等于脉冲与栅距乘积 测量分辨率等于栅距 36 四 感应同步器 感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件 有直线式和圆盘式两类 37 节距2 2mm 滑尺 定尺 38 39 感应同步器的信号处理方式按激励方式分 滑尺励磁和定尺励磁按信号处理方式分 鉴相方式和鉴幅方式1 鉴相方式2 鉴幅方式 40 五 光电编码器 这种码盘有两个通道与B 即两组透光和不透光部分 其相位差90 相对于一定的转角得到一定的脉冲 将脉冲信号送入计数器 则计数器的计数值就反映了码盘转过的角度 41 光电编码器黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的0和1一个四电位的光电码盘上 有四圈数字码道 每一个码道表示二进制的一位 里侧是高位 外侧是低位 42 非单值误差的消除1 采用循环码 格雷码 43 2 带判位光电装置的循环码盘 44 直流测速机速度检测 永磁式测速机的原理图 直流测速机的输出特性 速度传感器 45 光电式转速传感器 光电式转速传感器的结构原理图 46 根据测量单位时间内的脉冲数N 则可测出转速为Z 圆盘上的缝隙数 n 转速 r min t 测量时间 s 一般取Zt 60 10m m 0 1 2 47 加速度传感器 一 电阻应变式 电阻应变式加速度计原理结构如图所示 它由重块 悬臂梁 应变片和阻尼液体等构成 当有加速度时 重块受力 悬臂梁弯曲 按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小 在已知质量的情况下即可算出被测加速度 48 传感器固定在被测物体上 感受该物体的振动 惯性质量块产生惯性力 使压电元件产生变形 压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比 二 压电式 49 5 5 力 压力和扭矩传感器 一 工作原理 首先由弹性元件将力 力矩 压力等被测量转换成位移或应变 然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换成电信号输出 50 二 弹性元件 应变式力传感器的测量范围很大 可以从5N 10MN以上 测量精度可以达到0 03 2 51 位置传感器 一 分类 位置传感器和位移传感器不一样 它所测量的不是一段距离的变化量 而是通过检测 确定是否已到某一位置 位置传感器分为接触式和非接触式两种 52 二 接触式位置传感器 所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否已接触信息的一种传感器 53 三 非接触式位置传感器 而非接触式 接近式 传感器是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器 54 1 一光栅传感器 刻线数为100线 mm 设细分时测得莫尔条纹数为400 试计算光栅位移是多少毫米 若经四倍细分后 记数脉冲仍为400 则光栅此时的位移是多少 测量分辨率是多少 55 2 测得某检测装置的一组输入输出数据如下 试用最小二乘法拟合直线 求其线性度和灵敏度 56 3 试分析变面积式电容传感器的灵敏度 怎么提高传感器的灵敏度 57 数据检测系统的组成 数据采集系统的典型构成 58 数据采集系统常由包括放大器 滤波器等在内的信号调理电路 多路模拟开关 采样 保持电路 A D转换器以及接口控制逻辑电路所组成 1 信号调理电路 主要指 把信号调整到符合A D转换器工作所需要的数值 如放大 衰减 偏移等 滤除信号中不需要的成分 如低通滤波 带通滤波 高通滤波 带阻滤波等 把信号调整到进一步处理的需要 如线性修正电路 改善信噪比的 相加平均 电路等等 59 测量放大器 1 仪表放大器 原理图 60 这个电路的电压放大倍数为 放大器所采用的上述电路形式 是它具有输入阻抗高 增益调节方便 漂移相互补偿以及输出不包含共模信号等一系列优点 这种放大器在许多高精度 低电平的放大方面是极其有用的 而且由于它的共模抑制能力强 所以能从高的共模信号背景中检测出微弱的有用信号 调整R1即可改变放大倍数 61 二 程控增益放大器 程控增益放大电路 在多通道或多参数的数据采集系统 共用一个测量放大器 根据各个输入信号电平的大小 改变测量放大器的增益 使各输入通道均有最合适的放大增益 各通道或各参数的信号经放大器后达到A D变换器输入所要求的标准值 62 三 隔离放大器 使共模电压和干扰信号隔离 同时放大有用信号 集成隔离放大器有变压器耦合式 光电耦合式和电容耦合式三种 63 按通过的频率范围分 低通滤波 LPF 高通滤波 HPF 带通滤波 BPF 带阻滤波 BEF 按性质分 无源滤波器 有源滤波器 滤波器 是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号得电子装置 2 信号滤波电路 64 各类滤波器的特性 65 数字滤波数字滤波实质上是一种程序滤波 与模拟滤波相比具有如下优点 不需要额外的硬件设备 不存在阻抗匹配问题 可以使多个输入通道共用一套数字滤波程序 从而降低了仪器的硬件成本 可以对频率很低或很高的信号实现滤波 可以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波参数 灵活 方便 功能强 66 1 中值滤波中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好的滤除效果 其原理是 对信号连续进行n次采样 然后对采样值排序 并取序列中位值作为采样有效值 程序算法就是通用的排序算法 采样次数n一般取为大于3的奇数 2 算术平均滤波算术平均滤波方法的原理是 对信号连续进行n次采样 以其算术平均值作为有效采样值 该方法对压力 流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果 采样次数n越大 滤波效果越好 但灵敏度也越低 为便于运算处理 常取n 4 8 16 67 3 滑动平均滤波该方法采用循环队列作为采样数据存储器 队列长度固定为n 每进行一次新的采样 把采样数据放入队尾 扔掉原来队首的一个数据 这样 在队列中始终有n个最新的数据 对这n个最新数据求取平均值 作为此次采样的有效值 这种方法每采样一次 便可得到一个有效采样值 因而速度快 实时性好 对周期性干扰具有良好的抑制作用 68 4 程序判断滤波法1 限幅滤波 上 下滤波法 2 限速滤波法 5 低通滤波当被测信号缓慢变化时 可采用数字低通滤波的方法去除干扰 数字低通滤波器是用软件算法来模拟硬件低通滤波的功能 69 传感器信号的非线性校正 在自动检测系统中 利用多种传感器把各种被测量转换成电信号时 大多数传感器的输出信号和被测量之间的关系并非是线性关系 这是由于不少传感的转换原理并非线性 其次是由于采用的电路 如电桥电路 的非线性 要解决这个问题 在模拟量自动检测系统中可采用三种方法 缩小测量范围 取近似值 采用非均匀的指示刻度 增加非线性校正环节 显然 前两种方法的局限性和缺点比较明显 70 通常我们在设计测量仪表时总希望得到均匀的指示刻度 这样仪表读数看起来清楚 方便 此外 如果仪表的刻度特性为线性 就能保证仪表在整个量程内灵敏度是相同的 从而有利于分析和处理测量结果 为了保证测量仪表的输出与输入之间具有线性关系 就需要在仪表中引入一种特殊环节 用它来补偿其他环节的非线性 这就是非线性校正环节或称为 线性化器 71 思路 传感器1 完全相同传感器2 输入量反号 72 2 开环非线性特性补偿 73 74 3 闭环非线性反馈补偿 75 76 4 分段补偿法 将校正特性曲线用连续有限的折线来代替 校正特性折线逼近法 77 式中 xi为折线的各转折点 ki为各线段的斜率 根据折线逼近法所作的各段折线可列出下列方程 78 转折点越多 折线越逼近曲线 精度也越高 但太多了则会电路本身误差而影响精度 在校正电路中通常采用运算放大器 当输入电压为不同范围时 相应改变运算放大器的增益 从而获得所需要的斜率 其本身就是一个非线性放大器 79 非线性校正装置也可以放置在A D转换之后 过去这些数字量的线性化 都是采用硬件处理技术来实现的 随着计算机技术的广泛应用 充分利用计算机处理数据的能力 用软件进行传感器特性的非线性补偿 一般有三种方法 计算法 查表法和插值法 数字量的非线性校正 数字量软件非线性校正 80 计算法采用n次多项式来逼近非线性曲线 该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定 其具体步骤如下 a 对传感器及其调理电路进行静态标定 得校准曲线 标定点的数据为输入xi x1 x2 x3 xN输出ui u1 u2 u3 uNN为标定点个数 i 1 2 N 81 b 设反非线性特性拟合方程为式中 a0 a1 a2 a3 an为待定常数c 求解待定常数a0 a1 a2 a3 an 根据最小二乘法来确定待定常数的基本思想是 由上式确定的各个xi ui 值与各个点的标定值xi之均方差应最小 即 82 所以对该函数求导并令它为0 即令从这n 1个方程中可解出 a0 a1 an等n 1个系数 就可写出反非线性特性拟合方程式 有了反非线性特性曲线的n次多项式近似表达式 就可利用该表达式编写非线性校正程序 83 采用多路模拟开关 让许多独立的模拟信号源信号共享采样 保持电路和A D转换等器件 多路模拟开关 84 85 A D转换器是数据采集系统的核心器件 用以把模拟信号输入转换成数字信号的输出 目前最常用的A D转换器是逐次逼近型和双斜积分型 A D转换过程包括采样 量化和编码三个步骤 3 A D转换器 86 A D转换过程 87 88 信号采集与保持所谓采集 就是把时间连续的信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程 信号采样是通过采样开关来实现 采样开关又称采样器 实质上它是一个模拟开关 每隔时间间隔T闭合一次 每次闭合持续时间 其中 T称为采样周期 其倒数fs 1 T称为采样频率 称为采样时间或采样宽度 采样后的脉冲序列称为采样信号 采样信号是一个离散的模拟信号 它在时间轴上是离散的 但在函数轴上仍是连续的 因而还需要用A D转换器将其转换成数字量 89 A D转换过程需要一定时间 为防止产生误差 要求在此期间内保持采样信号不变 实现这一功能的电路称采样 保持电路 典型的采样 保持电路由模拟开关 保持电容和运算放大器组成 90 运算放大器N1和N2接成跟随器 作缓冲器用 当控制信号Uc为高电平时场效应管