傳感器及測量系統(tǒng)概述課件

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傳感器及測量系統(tǒng)概述

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，傳感器及測量系統(tǒng)是一個十分重要的環(huán)節(jié)

是獲取信息與處理信息的手段只有在獲得既準(zhǔn)確又可靠的信息基礎(chǔ)上，才能實現(xiàn)自動化，節(jié)省能源和原材料，提高機(jī)器效率。信息采集與處理：模擬量←→數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器。**發(fā)展趨勢：(1)集成化：集成（傳感器、放大器、運(yùn)算器、補(bǔ)償器等）；組合（不同功能的傳感器）；排列（成矩陣）。(2)多功能化：如溫度與濕度、氣敏與濕度、速度與長度等多功能傳感器。(3)智能化：不但能對外界信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換與測量，同時還具有記憶存儲、運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等功能。(4)數(shù)字化：數(shù)字顯示與微處理機(jī)的應(yīng)用，使傳感器應(yīng)用更為方便，可提高穩(wěn)定性及精度，簡化結(jié)構(gòu)。*2.2模擬量傳感器及測量電路*2.2模擬量傳感器及測量電路傳感器及測量電路：物理量、化學(xué)性能→電信號∝F（U，I，f）模擬量傳感：(1)直接傳感器；(2)差動傳感器（信號相加，干擾相減）；(3)補(bǔ)償傳感器（抗干擾）。模擬量傳感器性能指標(biāo)：精確度、穩(wěn)定性、輸入/輸出特性。圖2-2-1模擬量傳感器及其測量電路結(jié)構(gòu)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)2.3.1精確度精確度指標(biāo)：共有三個：精密度、準(zhǔn)確度、精度。在工程上常用精度等級來表示傳感器的精度（相對誤差）。傳感器的精度等級一般分為：0.001,0.002,0.005,0.02,0.05,…,1.5,2.5,4.0,5.0和6.0。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2.3.2穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性有兩個方面：(1)穩(wěn)定度： 傳感器的輸出在所有條件恒定的情況下，于規(guī)定的時間內(nèi)，維持其值不變的能力。如：3.454mV/h。(2)影響量： 傳感器的輸出在外界條件變化的情況下而引起輸出的變化量。例0.002mV/℃。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2.3.3輸入／輸出特性分類：靜特性、動特性。1、靜特性定義：靜特性是指輸入量不隨時間而變化，只考慮它們之間的靜態(tài)關(guān)系靜特性的主要指標(biāo)：線性度、靈敏度與滯環(huán)。(1)線性度：是指傳感器輸入/輸出特性曲線用一條直線來近似代替時其準(zhǔn)確程度。傳感器輸入與輸出的典型特性曲線如圖2-3-1所示。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*(2)靈敏度：傳感器輸出量增量與輸入量增量之比，即傳感器輸入／輸出特性曲線上各點(diǎn)的斜率。(3)滯環(huán):傳感器輸入/輸出靜特性在輸入量上升時和下降時輸出特性的不一致性。圖2-3-1傳感器輸入/輸出的曲型特性曲線*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*

滯環(huán)誤差和滯環(huán)率為:

滯環(huán)是由于傳感器吸收能量所產(chǎn)生，所以滯環(huán)效應(yīng)常伴著死區(qū)效應(yīng)。圖2-3-2滯環(huán)與滯環(huán)誤差圖2-3-3一階動力學(xué)系統(tǒng)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*2、動特性定義：當(dāng)輸入量隨時間變化很快時，輸入量與輸出量之間的動態(tài)關(guān)系。傳感器輸入／輸出的動態(tài)特性是含有時間變量的微分方程。表達(dá)式為：bny(n)+bn-1y(n-1)+…+b1y(1)+b0y=bx(t)式中：b0、b1、…、bn——對線性系統(tǒng)來說是常數(shù)y、y(1)、…、y(n)——輸出信號的各階導(dǎo)數(shù)輸入信號x(t)與輸出信號y(t)具有相同的量綱。*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*(1)一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)一階動力學(xué)系統(tǒng)可由剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器并聯(lián)組成，見圖2-3-3(a)；也可由質(zhì)量為ｍ的物體和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器串聯(lián)組成，見圖2-3-3(b)，動力學(xué)方程分別為：

cy(1)+ky=kx(t)和my(2)+cy(1)=cx(1)(t)

可以寫成同一個一階慣性公式: T1y(1)+y=x(t)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*正弦信號激勵下其幅頻及相頻響應(yīng)為:單位階躍函數(shù)輸入一階系統(tǒng)時,通過拉氏變換方法可以求得其響應(yīng)為：(2)二階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)二階動力學(xué)系統(tǒng)可由質(zhì)量為ｍ的物體、剛度為ｋ的彈簧和粘性阻尼系數(shù)為ｃ的阻尼器串聯(lián)組成：其動力學(xué)方程為： my(2)+cy(1)+ky=kx(t)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*

圖2-3-4動力學(xué)系統(tǒng)在正弦輸入信號時的響應(yīng)曲線*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*圖2-3-5對單位階躍輸入信號的響應(yīng)圖2-3-6二階動力學(xué)系統(tǒng)*2.3模擬量傳感器性能指標(biāo)*正弦信號的激勵下其幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)為:單位階躍函數(shù)輸入二階系統(tǒng)時,通過拉氏變換方法可以求得其響應(yīng)為:*2.4數(shù)字量傳感器及其測量電路*2.4數(shù)字量傳感器及其測量電路數(shù)字量傳感器有兩種：直接數(shù)字量傳感器——可直接得到數(shù)字量輸出的傳感器，如角度數(shù)字編碼器。間接數(shù)字量傳感器——通過A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量輸出的傳感器如光柵和感應(yīng)同步器。按結(jié)構(gòu)可分為三種類型：1、直接式數(shù)字量傳感器——其分辨率決定于數(shù)字量傳感器的位數(shù)。被測物理量→數(shù)字編碼器→信息提取裝置→數(shù)字量輸出*2.4數(shù)字量傳感器及其測量電路*2、周期計數(shù)式數(shù)字量傳感器數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖如圖2-4-2所示。其分辨率決定于周期信號發(fā)生器的性質(zhì)?？刹捎秒娮蛹?xì)分來提高傳感器的精度且具有辨向功能。

圖2-4-2周期計數(shù)式數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖*2.4數(shù)字量傳感器及其測量電路*2.4.3頻率式數(shù)字量傳感器結(jié)構(gòu)：如圖2-4-3所示。 分類：帶晶體振蕩器、不帶晶體振蕩器 其敏感元件可以是直接的和差動的，為了提高頻率式數(shù)字量傳感器的分辨率，一般采用倍頻措施。圖2-4-3頻率式數(shù)字量傳感器的結(jié)構(gòu)方框圖

*2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)*2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)(1)分辨率(Q)——改變一個測量計數(shù)所對應(yīng)的被測量的變化值。式中xmax，xmin——數(shù)字量傳感器的測量上限與下限N——數(shù)字量傳感器的輸出值Q越小，說明數(shù)字量測量裝置的精度越高。*2.5數(shù)字量傳感器性能指標(biāo)*(2)精度(ε)——測量誤差值與實際測量值之比。數(shù)字量傳感器測量裝置的精度為：

式中△n——測量值與實際值之差。(3)檢測時間——對被測參數(shù)進(jìn)行兩次采樣之間的時間間隔。(4)計數(shù)器字長——根據(jù)檢測裝置的最大測量值xmax及分辨率(Q)可以確定計數(shù)器的最大計數(shù)值:*2.6數(shù)字檢測方法*2.6數(shù)字檢測方法2.6.1M法數(shù)字檢測定義：在一定時間T內(nèi)，測取數(shù)字量傳感器測量電路發(fā)出脈沖的個數(shù)來計算被測參數(shù)的方法。例如，圖2-6-2中測量轉(zhuǎn)速時，脈沖發(fā)生器每旋轉(zhuǎn)一周輸出P個脈沖，則轉(zhuǎn)速n為:

式中m——在檢測時間T內(nèi)所得的脈沖數(shù)

T——在設(shè)定的檢測周期，單位s*2.6數(shù)字檢測方法*測速裝置的分辨率為:測量裝置的分辨率在不同的區(qū)段是不同的。在低段的分辨率低(精度低)，而在高段的分辨率高(精度高)。圖2-6-1M法測量原理圖圖2-6-2轉(zhuǎn)速測量脈沖發(fā)生器*2.6數(shù)字檢測方法*2.6.2Ｔ法數(shù)字檢測定義：通過測量脈沖發(fā)生器發(fā)出的相鄰兩脈沖之間的間隔時間來計算被測參數(shù)的方法為T法例如，圖2-6-2中測量轉(zhuǎn)速時，脈沖發(fā)生器每旋轉(zhuǎn)一周輸出P個脈沖數(shù)。若采用頻率為ｆc的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，則轉(zhuǎn)速n為:

式中m——在檢測時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)。分辨率為：*2.6數(shù)字檢測方法*測量裝置的分辨率在不同的區(qū)段是不同的，在低段的分辨率高，而在高段的分辨率低。時鐘脈沖頻率fc越高，則檢測裝置的分辨率越靈敏。但這樣會增加檢測裝置計數(shù)器字長，時鐘脈沖頻率fc由下式確定:式中nmin——測量的最低轉(zhuǎn)速。圖2-6-3Ｔ法測量原理圖圖2-6-4Ｍ/Ｔ法測量原理圖*2.6數(shù)字檢測方法*2.6.3M/T法數(shù)字檢測定義：在固定的時間間隔內(nèi)，由一個計數(shù)器對脈沖發(fā)生器的輸出計數(shù)，得脈沖數(shù)m1，同時用另一計數(shù)器在同樣的時間間隔內(nèi)同步地對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，得另一脈沖數(shù)m2。計算公式：設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一周輸出Ｐ個脈沖數(shù)，若采用頻率為fc的時鐘進(jìn)行計數(shù)，則轉(zhuǎn)速n為:式中m1——在檢測時間TC內(nèi)所測得的信號脈沖數(shù)

m2——在檢測時間TC內(nèi)所測得的時鐘脈沖數(shù)

*2.6數(shù)字檢測方法*