00过控技术第三章.ppt

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1、1,第三章 过程检测技术 3.1 测量与误差的基本知识 3.1.1 测量的基本概念 1.测量：人类对自然界的客观事物取得“数量概念”的认识过程。 2.测量过程：使用专门设备，求出被测未知量的数值。 3.应用领域：生产过程、科学实验与日常生活 4.测量目的：准确获取被测对象特征参数的定量信息。 5.测量技术反映了一个国家的经济发展和科学技术水平,2,6.测量的定义： 借助仪器设备，把被检测量与相应单位进行比较，求取二者之比值，得到被检测量数值大小的过程。 用数学形式描述测量的基本方程式为:,式中: -被检测量的真实数值，简称为真值； -被检测量； u -单位。,3,测量过程三要素： 测量单位;

2、测量方法; 测量仪器与设备。 3.1.1.2测量方法： 1测量方法的分类 (1)直接测量法： 用“被检测量”与单位进行直接比较得到比值； 能在仪表上直接读出的“被检测量”的数值。,4,（2）间接测量法 在测量中，被检测量不能与标准量直接进行比较，只能通过对与被检测量有函数关系的其他物理量进行测量，再通过计算得到被测量的值。 例：测量水泵的轴功率N，是通过可以进行直接测量的转矩M和转速n，然后经过计算得到轴功率N。,KW,5,(3)等精度测量和不等精度测量 等精度测量法： 在环境条件、仪器仪表、测量人员、测量方法均保持不变情况下，对同一组被检测量进行次数相同的重复测量。 利用等精度测量法所得到的

3、每个参数的测量数据，其可靠程度是相同的。 不等精度测量法： 在测量过程中，测量环境条件不相同，如测量仪器精度、重复测量次数、测量环境、测量人员熟练程度有变化，所得到的测量结果的可靠程度不同，称不等精度测量法,6,等精度测量与不等精度测量的适用场合： 在进行科学研究或重要的检定工作时，在众多的被检测量中，为了获得其中某几个参数更可靠和精度更高的测量结果才采用不等精度测量法。 通常工程技术中，采用的是等精度测量法。 (4)接触测量与非接触测量 接触测量法：测量时仪表的某一部分(一般为传感器部分)必须接触被测对象(被测介质)。 非接触测量法：仪表的任何部分均不与被测对象接触。,7,(5)静态测量与动

4、态测量 被测参数不随时间变化或随时间变化非常缓慢，称静态测量。 被测参数随时间变化，称为动态测量。 动态测量的分析与处理静态测量复杂得多，对测量系统的要求也高得多。,8,3.1.1.3测量仪器与设备 测量仪器仪表的组成： 传感器、变换器、显示器以及连接各环节的传输通道。,9,1.传感器：感受被检测量的变化，信息，并将被检测量转换成相应的电信号输出。 传感器是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。传感器的好坏，直接影响检测仪表的质量。所以它是检测仪表的重要部件。,对传感器的要求： （1）准确性:传感器的输出信号必须准确地反映被检测量的变化，即： 传感器输入输出关系必须是严格的单值函数关系，最好为

5、线性关系。,10,（2）稳定性 传感器输入、输出的单值函数关系应不随时间和温度的变化而变化； 受外界干扰因素影响应很小； 工艺上应能准确地复现。,（3）灵敏性 要求有较小的输入量便可得到较大的输出信号。 传感器的别名：敏感元件、一次仪表。,11,2.中间变换器(变送器) 功能及作用: 将传感器输出的信号进行放大、线性化处理、远距离传送并转变成规定的统一信号等。 要求: 准确稳定地传输、放大和转换信号，受外界干扰因素的影响小，变换信号的误差小。,3.显示件(显示器) 作用：显示被检测量的数值，可以显示瞬时量、累积量、越限报警等。 类型：指针式(模拟式显示)；数字式；屏幕式(图像显示式)。 显示仪

6、表常被称为二次仪表。,12,3.1.2 误差 一.误差基础 测量误差：测量结果与被检测量真值之间的差异，称为测量误差。 只有在得到测量结果的同时，指出测量误差的范围，所得的测量结果才有意义。,1测量误差及分类 根据测量误差的性质，误差分为：,13,（1）系统误差 在相同条件下，多次测量同一被检测量的过程中，误差的绝对值和符号恒定不变，或按某一规律变化。 产生原因： a.测量工具不准确或安装调整不正确； b.测试人员的分辨能力差或读数习惯有误； c.测量方法有缺陷。,（2）随机误差 在相同条件下多次测量同一被检测量的过程中，出现不可预计的误差。 产生原因：大量彼此独立的微小因素对被测值的综合影响

7、。 例如，气温和电源电压的微小波动，气流的微小改变，电磁场微变、大地微震等。,14,单次测量的随机误差的大小和方向都不确定，在多次测量中随机误差服从统计规律。 可以利用概率论和数理统计的方法来估计其影响。,（3）粗大误差： 明显地歪曲测量结果的误差。 产生原因： 操作者的粗心(如读错、记错、算错数据等)、不正确地操作、实验条件的突变或实验状况尚未达到要求而匆忙实验等原因所造成的。,15,异常数据的判别与剔除方法-采用物理判别法和统计判别法 物理判别法:根据人们对客观事物已有的认识，判别由于外界干扰、人为误差等原因造成实测数据偏离正常结果，在实验过程中随时判断，随时剔除。 统计判别法:给定一个置

8、信概率，并确定一个置信限，凡超过此限的误差，就认为它不属于随机误差范围，将其视为异常数据剔除。,16,(1) 拉依达准则 如果实验数据的总体x是服从正态分布的，则 式中，与分别表示正态总体的数学期望和标准差。在实验数据中出现大于3或小于3数据的概率是很小的 对于大于3或小于3的实验数据作为异常数据，予以剔除。,17,具体计算方法如下： 对于实验数据x1, x2, x3,，xn，先计算其均值 再用贝塞尔公式计算:,如果某个测量值 的残差满足 则应剔除该测量值,其他值应重新计算剔除后的标准误差,再按准则判断,直至无坏值存在. 不足:建立在无限次测量基础上,只能用作粗大误差的近似判断,18,(2)肖

9、维奈准则:在有限次的等精度测量数据中,如果某一测量值剩余误差满足:,则应剔除该测量值,(3) 格拉布斯准则:根据正态分布理论提出的,考虑到测量次数及粗大误差误判概率.凡剩余误差大于格拉布斯鉴别值的误差属于粗大误差,相应的测量值应予剔除. g(n,a)为格拉布斯准则判别系数,与测量次数及粗大误差误判概率有关. 教材P64页 表3-2格拉布斯准则判别系数表,19,3.1.3仪器仪表的主要性能指标,仪表的性能指标是评价仪表性能差异、质量优劣的主要依据。 仪表的性能指标包括： 技术指标； 经济指标； 使用指标。,20,仪表技术指标包括： 仪表误差； 精度等级； 灵敏度； 量程； 响应时间； 漂移等。,

10、仪表经济的指标包括： 使用寿命； 功耗； 价格。,仪表使用的指标包括： 操作维修是否方便； 运行的可靠与安全； 抗干扰与防护能力； 重量和体积 ； 自动化程度的高低。,21,1量程与精度 （1）量程 测量范围：仪表在规定精确度下，所测量的区域。 仪表量程：仪表测量范围的上限与下限的代数差。 上限-仪表测量的最高值或称满量程值； 下限-仪表测量的最低值或称零位。,3.1.1.3量程与精度,例1：温度计的测量范围：-200800， 仪表的测量上限：800； 测量下限：-200； 仪表量程：1000。,例2：温度计的测量范围：0800， 仪表的测量上限：800； 测量下限：0； 仪表量程：800。,

11、22,（2）精度等级 基本误差的最大允许值，称仪表的基本误差限, 仪表测量范围内各处指示值的误差不应超过此限值。 仪表的基本误差限是定量地描述仪表精确度的重要指标，用“引用误差”表示。,引用误差：仪表的绝对误差与仪表的量程之比，用百分数表示。,式中： q - 用引用误差表示的基本误差限； - 用绝对误差表示的基本误差； S -仪表的满量程； d - 常数,23,工业自动化仪表精度等级的划分： 仪表的精确度等级只能从下列数据中选取最接近的合适数值作为精确度等级： 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，(2)， 2.5，5.0级。 工业生产过程中常用仪表等级为：1.05.0级。 例：一毫伏表量程

12、为1V，精度为5.0级。,无论毫伏表的指针在何处，最大的绝对误差不会超过50mV。但各点的相对误差是不同的。,24,利用仪表的引用误差描述仪表的测量精度，并确定仪表精度等级。 引用误差是一种简化的、实用方便的相对误差。 仪表在出厂检验时，其示值的最大引用误差不能超过规定的允许值，此值称为允许引用误差Q：,25,示值误差 error of indication 示值误差=计量器具指示出来的测量值与被测量值的实际数值之差。它是由于计量器具本身的各种误差所引起的。该误差的大小可通过计量器具的检定来得到。 区分绝对误差,实际相对误差,示值相对误差,引用误差。,P125页 5.检定一只量程为5A的电流表

13、,结果如下:,试求仪表各示值的绝对误差,实际相对误差,示值相对误差,引用误差. 确定仪表的精度等级.,26,3.1.3.2静态性能指标 仪表特性： 描述仪表输出变量与输入变量之间的对应关系。 静态特性： 当输入变量处于稳定状态时，仪表的输出与输入之间的关系。 动态特性： 当输入变量随时间变化时，仪表的输出与输入之间的关系。,27,（1）灵敏度 输入变化量与输出变化量的比值。或输出增量y与输入增量x之比，即：,式中: K灵敏度； y输出变量y的增量； x输入变量x的增量。,对于带有指针和标度盘的仪表，灵敏度可直观地理解为单位输入变量所引起的指针偏转角度或位移量。 仪表 “输出-输入”关系为线性时

14、，灵敏度为常数。 仪表具有非线性特性时，灵敏度将随着输入变量的变化而改变。,28,（2） 线性度 仪表应具有线性特性，其特性曲线为直线。在测试技术中，采用线性度指标来描述仪表的标定曲线与拟合直线之间的吻合程度：,-实际标定曲线与直线间最大偏差； -仪表满量程A； LN -线性度。,29,（3） 迟滞误差 正行程：仪表的输入量从起始值增至最大值的过程。 反行程：输入量从最大值减至起始值的过程,迟滞差值：正行程与反行程之差H。 迟滞误差：全量程中最大的迟滞差值与满量程之比值的百分比。,-最大迟滞差值； -仪表满量程A； -迟滞误差。,迟滞误差产生原因： a. 仪表内有吸收能量的元件(如弹性元件、磁

15、化元件等)； b. 机械结构中有间隙； c. 运动系统的摩擦。,30,（4） 漂移：输入量不变时，一段时间后输出量产生了变化。 零漂：当输入量固定在零点不变时，输出量有变化。 漂移产生原因：a.仪表弹性元件的失效； b.电子元件的老化等。,（5） 重复性：在同一工作条件下，仪表对同一输入值按同一方向连续多次测量时，所得输出值之间的相互一致程度称为重复性。 重复性误差：,- 最大的重复性差值 - 仪表满量程 - 重复性误差,31,3.2 传感器概述 3.2.1 传感器定义 将被测非电量信号转换为与之有确定对应关系电量输出的器件或装置叫做传感器，也叫变换器、换能器或探测器. 传感器作用: 自动测试

16、与自动控制领域. 电子,自动控制与计算机发展互相促进 新技术,新材料,新工艺,32,3.2.2 传感器组成,敏感元件：直接感受被测非电量并按一定规律转换成与被测量有确定关系的其它量的元件。,转换元件：又称变换器。能将敏感元件感受到的非电量直接转换成电量的器件。,信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理、和控制的有用电信号的电路。,常用的电路有电桥、放大器、变阻器、振荡器等。辅助电路通常包括电源等。,33,转换元件,敏感元件,压力传感器示例,34,35,3.2.2 传感器的分类,1按工作机理分类：根据物理和化学等学科的原理、规律和效应进行分类:压电式,压阻式,热阻式

17、,2按被测量分类：根据输入物理量的性质进行分类:温度,压力,流量。,3按敏感材料分类：根据制造传感器 所使用的材料进行分类。可分为半导体传感器、陶瓷传感器等。,4. 按能量的关系分类：根据能量观点分类，可将传感器分为有源传感器和无源传感器两大类。 有源传感器是将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器，也称换能器。通常配合有电压测量电路和放大器,如:压电式、热电式、电磁式等。,5.按输出信号的性质分类:模拟式和数字式,36,湿度传感器,湿度传感器,各种传感器,37,温湿度、露点探头、CO2探头、大气压力传感器,38,3.2.4 新型传感器,光纤传感器,光纤传感器就是将光纤自身作为敏感元件（

18、也称作测量臂），直接接收外界的被测量。被测量可引起光纤的长度、折射率、直径等方面的变化，从而使得在光纤内传输的光被调制。若将光看成简谐振动的电磁波，则光可以被调制的参数有四个，即振幅（强度）、相位、波长和偏振方向。,39,光纤传感器外形,40,保护管内为高温光纤,低温光纤,光纤温度传感器,41,光纤的结构,42,光的反射、折射,当一束光线以一定的入射角1从介质1射到介质2的分界面上时，一部分能量反射回原介质；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播。,43,光的全反射,当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这个极限值时的入射角，

19、定义为临界角c。当入射角小于c时，入射光线将发生全反射。,44,光在光纤中的全反射,45,光纤传感器结构原理,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,46,光纤传感器光学测量的基本原理,光就是一种电磁波，,光的电矢量E,被测量调制： 光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位 解调： 光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制,47,光纤在传感器中的作用,功能型 非功能型 拾光型,48,(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器,光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点

20、：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,49,(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,50,(c) 拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器,51,根据光受被测对象的调制形式,(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位

21、调制传感器,光纤传感器的分类,52,光纤传感器的分类,注：MM多模光纤；SM单模光纤；PM偏振保持光纤,53,光纤传感器的特点,（1）电绝缘。 （2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。,54,霍尔传感器工作原理,半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。 产生的电动势称霍尔电势 半导体薄片称霍尔元件,55,霍尔效应原理,56,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,因为,57,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自

22、由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高， 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件.,霍尔电势,58,2 霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,59,图（a）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。 图（b）是霍尔元件通用的图形

23、符号。 图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。 图（d）是基本测量电路 。,60,霍尔式传感器的应用,优点: 结构简单，体积小，重量轻，频带宽，动态特性好和寿命长 应用： 电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。,61,微位移和压力的测量,测量原理： 霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用： 位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,62,产生梯度磁场的示意图,

24、位移量较小，适于测量微位移和机械振动,63,霍尔式压力传感器,弹簧管 磁铁 霍尔片,64,加速度传感器,65,生物机电,湿度传感器依据使用材料分类：,电解质型：以氯化锂为例，它在绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子导电，随湿度升高而电阻减小。 陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷。利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。 高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发梳状电极,通过浸渍或涂覆,使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜。有机高分子的材料种类也很多,工作原理也各不相同。 单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成。制成

25、二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等。其特点是易于和半导体电路集成在一起。,66,67,湿度传感器的主要参数,1、湿度量程 指湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围。全湿度范围用相对湿度(0100)RH表示，它是湿度传感器工作性能的一项重要指标。 2、感湿特征量相对湿度特性 每种湿度传感器都有其感湿特征量，如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作湿度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增加而增大，这种为正特性湿敏电阻器，如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，如TiO2(

26、二氧化钛）SnO2（二氧化锡）陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不利于和测量系统或控制仪表相连接。,68,生物机电,3、感湿灵敏度 简称灵敏度，又叫湿度系数。其定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。 各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型的湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度要很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，因为电阻值的动态范围很宽，给配制二次仪表带来不利，所以灵敏度的大小要适当。 4、特征量温度系数 5、感湿温度系数 6、响应时间 7、电压特性,69,生物机电,电解质湿度传感

27、器 电解质是以离子形式导电的物质，分为固体电解质和液体电解质。若物质溶于水中，在极性水分子作用下，能全部或部分地离解为自由移动的正、负离子，称为液体电解质。电解质溶液的电导率与溶液的浓度有关，而溶液的浓度，在一定的温度下又是环境相对湿度的函数。,电解质氯化锂湿度传感器最为典型,把不同感湿范围的单片湿度传感器组合起来,可制成相对湿度工作量程为2090RH的湿度传感器,70,71,陶瓷湿度传感器 1、结构 该湿度传感器的感湿体是MgCr2O4-TiO2系多孔陶瓷。这种多孔陶瓷的气孔大部分为粒间气孔,气孔直径随TiO2添加量的增加而增大。粒间气孔与颗粒大小无关, 相当于一种开口毛细管,容易吸附水分。

28、材料的主晶相是MgCr2O4相,此外,还有TiO2相等,感湿体是一个多晶多相的混合物。,72,生物机电,电阻一湿度特性 MgCr2O4TiO2系陶瓷湿度传感器的电阻一湿度特性，随着相对湿度的增加，电阻值急骤下降，基本按指数规律下降。在单对数的坐标中，电阻湿度特性近似呈线性关系。当相对湿度由0变为100RH时，阻值从107下降到104，即变化了三个数量级。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,R/,73,生物机电,电阻温度特性 是在不同的温度环境下，测量陶瓷湿度传感器的电阻湿度特性。从图可见，从20到80各条曲线的变化规律基本一致，具有负

29、温度系数，其感湿负温度系数为0.38RH。如果要求精确的湿度测量，需要对湿度传感器进行温度补偿。,20,40,60,80,100,103,104,105,106,107,108,相对湿度/%,20,40,60,80,R/,MgCr2O4-TiO2系湿度传感器的电阻温度特性,74,75,生物机电,高分子湿度传感器 用有机高分子材料制成的湿度传感器，主要是利用其吸湿性与胀缩性。某些高分子电介质吸湿后，介电常数明显改变，制成了电容式湿度传感器；某些高分子电解质吸湿后，电阻明显变化，制成了电阻式湿度传感器；利用胀缩性高分子（如树脂）材料和导电粒子，在吸湿之后的开关特性，制成了结露传感器。 （一）电容式

30、湿度传感器 1、结构,高分子薄膜电介质电容式湿度传感器的基本结构。,2、感湿机理与性能,76,77,生物机电,电阻式高分子膜湿度传感器 1、结构 聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构。,引线端,感湿膜,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的结构,梳状电极,基片,78,（1）电阻湿度特性 当环境湿度变化时，传感器在吸湿和脱湿两种情况的感湿特性曲线，如图。在整个湿度范围内，传感器均有感湿特性，其阻值与相对湿度的关系在单对数坐标纸上近似为一直线。吸湿和脱湿时湿度指示的最大误差值为(34)RH。,1K,30,40,50,60,70,80,90,吸湿,10K,100K,1M,10M,相对湿度/%,R/,脱湿,3%RH,电

31、阻湿度特性,79,（2）温度特性 聚苯乙烯磺酸锂的电导率随温度的变化较为明显，具有负温度系数。在(055)时，温度系数为(0.61.0)RH/。,0,40,20,104,60,80,100,50,10,102,103,聚苯乙烯磺酸锂湿度传感器的湿度特性,25,40,R/,相对湿度/%,80,半导体气体传感器 气体敏感元件，大多是以金属氧化物半导体为基础材料。当被测气体在该半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。,81,82,智能传感器,智能传感器是基于人工智能、信息处理技术实现的具有分析、判断，量程自动转换，漂移、非线性和频率响应等自动补偿，对环境影响量的自适应，自学习以及超限

32、报警、故障诊断等功能的传感器。 与传统的传感器相比，智能传感器将传感器检测信息的功能与微处理器的信息处理功能有机地结合在一起，充分利用微处理器进行数据分析和处理，并能对内部工作过程进行调节和控制，从而具有了一定的人工智能，弥补了传统传感器性能的不足，使采集的数据质量得以提高。 “微处理器”包含两种情况：一种是将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成所谓的“单片智能传感器”；另一种是指传感器能够配微处理器。,83,集成化实现 采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用半导体材料硅作为基本材料来制作敏感元件，将信号调理电路、微处理器单元等集成在一块芯片上构成的,非集成化实现: 将传统传感器(采

33、用非集成化工艺制作的传感器，仅具有获取信号的功能)、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一整体而构成的一个智能传感器系统,84,混合实现: 根据需要与可能，将系统各个集成化环节，如敏感单元、信号调理电路、微处理器单元、数字总线接口等，以不同的组合方式集成在几块芯片上，并装在一个外壳里,智能传感器的应用实例 ST-3000系列智能压力传感器,85,模糊传感器,模糊传感器是以数值测量为基础，并能产生和处理与其相关的测量符号信息的装置，即模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号的描述形式输出的传感器。 将被测量值范围划分为若干个区间，利用模糊集理论判断被

34、测量值的区间，并用区间中值或相应符号进行表示，这一过程称为模糊化。对多参数进行综合评价测试时，需要将多个被测量值的相应符号进行组合模糊判断，最终得出测量结果 信息的符号表示与符号信息系统是研究模糊传感器的核心与基石,86,模糊传感器的结构,87,微传感器,完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统 其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。 MEMS系统的突出特点是其微型化，涉及电子、机械、材料、制造、控制、物理、化学、生物等多学科技术

35、，其中大量应用的各种材料的特性和加工制作方法在微米或纳米尺度下具有特殊性,88,MEMS芯片测控系统结构,89,网络传感器,网络传感器是指传感器在现场级实现网络协议，使现场测控数据就近登陆网络，在网络覆盖范围内实时发布和共享。 简单地说，网络传感器就是能与网络连接或通过网络使其与微处理器、计算机或仪器系统连接的传感器。,90,网络传感器测控系统体系结构,91,3-3 压力测量 一压力概念及单位 压力定义：垂直而均匀作用在物体表面上的力。 基本公式： 式中： F作用力； S作用面积； P-压力。 国际单位制中压力的单位是帕斯卡。,92,1.液柱式压力计,它根据流体静力学原理，将被测压力转换成液柱

36、高度进行测量。,优点,这类压力计结构简单、使用方便,缺点,其精度受工作液的毛细管作用、密度及视差等因素的影响，测量范围较窄，一般用来测量较低压力、真空度或压力差。,常用的压力测量仪表分类,93,2.弹性式压力计,它是将被测压力转换成弹性元件变形的位移进行测量的。,3.电气式压力计,它是通过机械和电气元件将被测压力转换成电量（如电压、电流、频率等）来进行测量的仪表。,94,4.活塞式压力计,它是根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞上所加平衡砝码的质量来进行测量的。,优点,缺点,测量精度很高，允许误差可小到0.05%0.02%。,结构较复杂，价格较贵。,95,测压仪表,液柱式压力计,

37、U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计,弹性式压力计,弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计,电气式压力计,电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式,活塞式压力计,根据水压机液体传送压力的原理，将被测压力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。,工作原理,工作原理,工作原理、测量系统,96,3.3.3 弹性式压力计,一、弹性元件,弹性元件是一种简易可靠的测压敏感元件。当测压范围不同时，所用的弹性元件也不一样。,图2-2弹性元件示意图,弹簧管式弹性元件如图(a)和(b)所示，波纹管式弹性元件如图(e)所示，薄膜式弹性元件如图(c)和(d)所示。,97,98,二、弹簧管压力表,99,基本测量原

38、理,单圈弹簧管是一根弯成270圆弧的椭圆截面的空心金属管子。管子的自由端B封闭，另一端固定在接头上。当通入被测的压力p后，由于椭圆形截面在压力p的作用下，将趋于圆形，而弯成圆弧形的弹簧管也随之产生扩张变形。同时，使弹簧管的自由端B产生位移。输入压力p越大，产生的变形也越大。由于输入压力与弹簧管自由端B的位移成正比，所以只要测得B点的位移量，就能反映压力p的大小。,注意：弹簧管自由端B的位移量一般很小，直接显示有困难，所以必须通过放大机构才能指示出来。,100,在化工生产过程中，常需要把压力控制在某一范围内，即当压力低于或高于给定范围时，就会破坏正常工艺条件，甚至可能发生危险。这时就应采用带有报

39、警或控制触点的压力表。将普通弹簧管压力表稍加变化，便可成为电接点信号压力表，它能在压力偏离给定范围时，及时发出信号，以提醒操作人员注意或通过中间继电器实现压力的自动控制。,警惕！,特点： 结构简单，使用方便，工作安全可靠； 无需反复保养，价格也比较便宜。 精度不太高，且需定期校验,101,压力表指针上有动触点2，表盘上另有两根可调节指针，上面分别有静触点1和4。当压力超过上限给定数值时，2和4接触，红色信号灯5的电路被接通，红灯发亮。若压力低到下限给定数值时，2与1接触，接通了绿色信号灯3的电路。1、4的位置可根据需要灵活调节。,102,电接点压力表,电位器式远程压力表,103,膜式压力计,膜

40、式压力计分为膜片压力计和膜盒压力计两种。前者主要用于测量腐蚀性介质或非凝固、非结晶的粘性介质的压力；后者常用于测量气体的微压或负压。它们的敏感元件分别是膜片和膜盒 。,膜片压力计,膜片压力计的膜片可分为弹性膜片和挠性膜片两种。膜片呈圆形，一般由金属制成，常用的弹性波纹膜片是一种压有环状同心波纹的圆形薄片，它的四周被固定起来。通入压力后，膜片将向压力低的一面弯曲，其中心产生一定的位移（即挠度），通过传动机构带动指针转动，指示出被测压力。,（a）弹性膜片 （b）挠性膜片,104,膜盒压力计,为了增大膜片的位移量以提高灵敏度，可以把两片金属膜片的周边焊接在一起，形成膜盒。,1-调零螺杆； 2-机座；

41、 3-刻度板； 4-膜盒； 5-指针； 6-调零板； 7-限位螺钉； 8-弧形连杆； 9-双金属片； 10-轴； 11-杠杆架； 12-连杆； 13-指针轴； 14-杠杆； 15-游丝； 16-管接头； 17-导压管,105,弹性式压力计的误差,1迟滞误差 相同压力下，同一弹性元件正反行程的变形量不一样，产生迟滞误差。 2后效误差 弹性元件的变形落后于被测压力的变化，引起弹性后效误差。 3间隙误差 仪表的各种活动部件之间有间隙，示值与弹性元件的变形不可能完全对应，引起间隙误差。 4摩擦误差 仪表的活动部件运动时，相互间存在摩擦力，产生摩擦误差。 5温度误差 环境温度的变化会引起金属材料弹性模量

42、的变化，造成温度误差。,106,弹性式压力计误差的改善途径,1用无迟滞误差或迟滞误差极小的“全弹性”材料和温度误差很小的“恒弹性”材料制造弹性元件。 2采用新的转换技术，减少或取消中间传动机构，以减少间隙误差和磨擦误差。 3限制弹性元件的位移量，采用无干磨擦的弹性支承或磁悬浮支承等。 4采用合适的制造工艺，使材料的优良性能得到充分的发挥。,107,3.3.4 电气式压力计,定义,电气式压力计是一种能将压力转换成电信号进行传输及显示的仪表,尤其是便于与计算机连接组成数据自动采集系统，所以得到了广泛的应用，极大地推进了试验技术的发展。,108,组成,一般由压力传感器、测量电路和信号处理装置所组成。

43、常用的信号处理装置有指示仪、记录仪以及控制器、微处理机等。,图2-5 电气式压力计组成方框图,109,电气式压力计的种类很多，分类方式也不尽相同。 从压力转换成电量的途径来看，可分为电阻式、电容式、电感式等等；还有电磁效应、压阻效应、压电效应、光电效应等等。 从压力对电量的控制方式来分可以分为主动式和被动式两大类，主动式是压力直接通过各种物理效应转化为电量的输出，而被动式则必须从外界输入电能，而这电能又被所测量的压力以某种方式所控制。,110,电阻应变片式压力传感器,被测压力作用于弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受被测压力的变化，按这种原理设计的传感器

44、称为电阻应变片式压力传感器。,电阻应变效应,导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。,若电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，电阻值为R，则有,设在外力作用下，电阻丝各参数的变化相应为dl、dA、d、dR，把上式微分并除以R，可得电阻的相对变化：,111,由材料力学知识可知，dl/l=叫轴向应变，简称应变；dA/A叫横向应变，两者的关系为,则有：,K0称为单根电阻丝的灵敏度系数，其意义为单位应变所引起的电阻的相对变化。 K0是通过实验获得的，在弹性极限以内，大多数金属的K0是常数。,当金属丝制作成电阻应变片后，电阻应变片的灵敏系数

45、K将不同于单根金属丝的灵敏系数K0 ，需要重新通过实验测定。实验证明，应变片电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然是线性的，即,结论：在K是常数的情况下，只要测量出应变片电阻值的相对变化，就可以直接得知其应变量，进而求得被测压力。,112,应变片由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应变敏感元件是应变片的核心部分，一般由金属丝、金属箔或半导体材料组成，由它将机械应变转为电阻的变化，基片和覆盖层起固定和保护应变敏感元件、传递应变和电气绝缘的作用。,（a）丝绕式 （b）箔式 （c）半导体,113,温度补偿与桥式电路输出,电阻应变式压力传感器要采取各种温度补偿措施，通常都是采用电桥补偿

46、的方法。有半桥的全桥两种型式。采用电桥方式的原因一个可以起到温度补偿的作用，另一个可以提高信号的输出幅度。,变形 L/L,R/R,U/U,放大、显示,114,电阻应变片式压力传感器测量系统,电阻应变片式压力传感器通过不平衡电桥把电阻的变化转换为电流或电压的信号输出。由于信号很微弱，要经过多级放大才能驱动各种显示或记录仪表，常用的配套仪表是动态应变仪。典型测量系统由传感器、电桥盒、动态应变仪和光线示波器组成。,传感器感受压力信号并将其转换为电信号输出；,电桥盒用于半桥形式输出的传感器，若传感器为全桥形式，则可省去电桥盒；,动态应变仪为一个多级阻容耦合放大电路，带有较大负反馈以改善线性，放大后调幅

47、载波信号加于相敏检波器进行检波，经滤波器滤掉载波后，即可得到正比于压力信号的电压输出；,光线示波器作为测量系统的记录仪表。,115,电阻应变式传感器优点： (1)结构简单、体积小、精度高； (2)线性度好，灵敏度高； (3)滞后和蠕变都较小，疲劳寿命高； (4)容易与二次仪表相匹配； (5)管理和保养方便。,116,压阻式压力传感器,压阻式压力传感器利用单晶硅的压阻效应而构成。 采用单晶硅片为弹性元件，在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。 当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例

48、的变化，再由桥式电路获得相应的电压输出信号。,工作原理,117,特点,精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单；,便于实现显示数字化；,可以测量压力，稍加改变，还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。,118,压电式压力传感器,压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，将压力转换为相应的电信号，经放大器、记录仪而得到被测的压力参数。,压电效应，一些物质在一定方向上受外力作用而产生变形时，在它们的表面上会产生电荷；当外力去掉后，它们又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。 产生压电效应的材料可分为两类，一类是天然或人造的单晶体，如石英等。另一类是人造多晶体压电陶瓷，如钛酸钡等。,理想石英晶体是六边体系，在晶体学中以三个互相垂直的轴来表示它们的特性，纵向的Z轴称为光学轴，过棱线而垂直于光轴的X轴称为电气轴，垂直于XZ平面的Y轴称为机械轴或中性轴。,119,如果从石英晶体切出一个平行六面体，使它的结晶面分别平行于电轴、光轴和机械轴，把沿电轴X方向力Fx的作用下产生电荷的现象称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y方向力Fy