傳感器技術(shù)B 1,2

一 傳感器概論 傳感器的組成與分類傳感器在科技發(fā)展中的重要性傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 1 1 傳感器的組成與分類 1 傳感器的定義2 傳感器的組成3 傳感器的分類 1 傳感器的定義 傳感器 或敏感元件 基于一定的變換原理 規(guī)律將被測量 主要是非電量的測量 可采用非電量電測技術(shù) 轉(zhuǎn)換成電量信號(hào) 變換原理 規(guī)律涉及到物理 化學(xué) 生物學(xué) 材料學(xué)等學(xué)科 2 傳感器的組成 傳感器一般由敏感元件 將非電量變成某一中間量 轉(zhuǎn)換元件 將中間量轉(zhuǎn)換成電量 測量電路 將轉(zhuǎn)換元件輸出的電量變換成可直接利用的電信號(hào) 三部分組成 有的傳感器還需加上輔助電源 敏感元件是構(gòu)成傳感器的核心 是指能直接感測或響應(yīng)被測量的部件 轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感測或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號(hào)的部件 通常這種輸出信號(hào)以電量的形式出現(xiàn) 信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路是把轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于處理 控制 記錄和顯示的有用電信號(hào)所涉及的有關(guān)電路 3 傳感器的分類 傳感器主要按其工作原理和被測量來分類 傳感器按其工作原理 一般可分為物理型 化學(xué)型和生物型三大類 按被測量 輸入信號(hào)分類 一般可以分為溫度 壓力 流量 物位 加速度 速度 位移 轉(zhuǎn)速 力矩 濕度 粘度 濃度等傳感器 傳感器按其工作原理分類便于學(xué)習(xí)研究 把握本質(zhì)與共性 按被測量來分類 能很方便地表示傳感器的功能 便于選用 1 2傳感器在科技發(fā)展中的重要性 傳感器狹義地定義為 能把外界非電信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件 可以預(yù)料 當(dāng)人類跨入光子時(shí)代 光信息成為更便于快速 高效地處理與傳輸?shù)目捎眯盘?hào)時(shí) 傳感器的概念將隨之發(fā)展成為 能把外界信息轉(zhuǎn)換成光信號(hào)輸出的器件 傳感器的任務(wù)就是感知與測量 在人類文明史的歷次產(chǎn)業(yè)革命中 感受 處理外部信息的傳感技術(shù)一直扮演著一個(gè)重要的角色 在18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以前 傳感技術(shù)由人的感官實(shí)現(xiàn) 人觀天象而仕農(nóng)耕 察火色以冶銅鐵 從18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以來 特別是在20世紀(jì)信息革命中 傳感技術(shù)越來越多地由人造感官 即工程傳感器來實(shí)現(xiàn) 目前 工程傳感器應(yīng)用如此廣泛 以至可以說任何機(jī)械電氣系統(tǒng)都離不開它 現(xiàn)代工業(yè) 現(xiàn)代科學(xué)探索 特別是現(xiàn)代軍事都要依靠傳感器技術(shù) 一個(gè)大國如果沒有自身傳感技術(shù)的不斷進(jìn)步 必將處處被動(dòng) 現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展 創(chuàng)造了多種多樣的工程傳感器 工程傳感器可以輕而易舉地測量人體所無法感知的量 如紫外線 紅外線 超聲波 磁場等 從這個(gè)意義上講 工程傳感器超過人的感官能力 有些量雖然人的感官和工程傳感器都能檢測 但工程傳感器測量得更快 更精確 例如雖然人眼和光傳感器都能檢測可見光 進(jìn)行物體識(shí)別與測距 但是人眼的視覺殘留約為0 1s 而光晶體管的響應(yīng)時(shí)間可短到納秒以下 人眼的角分辨率為1 而光柵測距的精確度可達(dá)1 激光定位的精度在月球距離3 104km范圍內(nèi)可達(dá)10cm以下 工程傳感器可以把人所不能看到的物體通過數(shù)據(jù)處理變?yōu)橐曈X圖像 CT技術(shù)就是一個(gè)例子 它把人體的內(nèi)部形貌用斷層圖像顯示出來 其他的例子還有遙感技術(shù) 但是目前工程傳感器在以下幾方面還遠(yuǎn)比不上人類的感官 多維信息感知 多方面功能信息的感知功能 對信息變化的微分功能 信息的選擇功能 學(xué)習(xí)功能 對信息的聯(lián)想功能 對模糊量的處理能力以及處理全局和局部關(guān)系的能力 這正是今后傳感器智能化的一些發(fā)展方向 隨著信息科學(xué)與微電子技術(shù) 特別是微型計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的迅猛發(fā)展 近期傳感器的發(fā)展走上了與微處理器內(nèi)微型計(jì)算機(jī)相結(jié)合的必由之路 智能 化 傳感器的概念應(yīng)運(yùn)而生 傳感器技術(shù) 則是涉及傳感 檢測 原理 傳感器件設(shè)計(jì) 傳感器開發(fā)和應(yīng)用的綜合技術(shù) 因此傳感器技術(shù)涉及多學(xué)科交叉研究 1 3傳感器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 一 傳感器的集成化和微型化所謂集成化 就是在同一芯片上 或?qū)⒈姸嗤愋偷膯蝹€(gè)傳感器件集成為一維 二維陣列型傳感器 或?qū)鞲衅骷c調(diào)理 補(bǔ)償?shù)忍幚黼娐芳梢惑w化 前一種集成化使傳感器在可見光圖像傳感器 電容指紋傳感器中已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 并正在向更高密度發(fā)展 目前 在紅外成像信號(hào)檢測領(lǐng)域 世界各國都熱衷于二維混合紅外焦平面陣列IRFPAs InfraredFocal PlaneArrays 結(jié)構(gòu)如圖1 2所示 后一種集成化傳感器將處理電路集成一體化 極大地方便了使用 目前市場上已有多種中低精度的產(chǎn)品 但高精度集成化傳感器仍有待研發(fā) 二維混合紅外焦平面陣列 二 傳感器的數(shù)字化與智能化 為了使傳感器與計(jì)算機(jī)直接相連接 發(fā)展數(shù)字化傳感器是很重要的 數(shù)字技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ) 數(shù)字化又是智能化的前提 智能式傳感器離不開傳感器的數(shù)字化 所謂智能化傳感器 SmartSensors 是以專用微處理器控制的 具有雙向通信功能的傳感器系統(tǒng) 它不僅具有信號(hào)檢測 轉(zhuǎn)換和處理功能 同時(shí)還具有存儲(chǔ) 記憶 自補(bǔ)償 自診斷等多種功能 按構(gòu)成模式 智能式傳感器有分立模塊式和集成一體式之分 預(yù)計(jì)未來的10年 傳感器智能化將首先發(fā)展成由硅微傳感器 微處理器 微執(zhí)行器和接口電路等多片模塊組成的閉環(huán)傳感器系統(tǒng) 如果通過集成技術(shù)進(jìn)一步將上述多片相關(guān)模塊全部制作在一個(gè)芯片上形成單片集成 就可形成更高級(jí)的智能傳感器了 新型片式汽車尾氣傳感器 G系列新型傳感器 新型接近開關(guān)傳感器 還有兩點(diǎn)要特別指出 第一 固態(tài)功能材料 如半導(dǎo)體 電介質(zhì) 超導(dǎo)體等 的進(jìn)一步開發(fā) 以及集成技術(shù) 微機(jī)械加工技術(shù)的不斷完善 為傳感器的集成化 微型化和智能化開辟了廣闊的前景 如今 傳感器的發(fā)展有一股強(qiáng)勁的勢頭 這就是正在擺脫傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn) 而轉(zhuǎn)向優(yōu)先選用硅材料 以微機(jī)械加工技術(shù)為基礎(chǔ) 以仿真程序?yàn)楣ぞ叩奈⒔Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 來研制各種敏感機(jī)理的集成化 陣列化 智能化硅微傳感器 這一現(xiàn)代傳感器技術(shù)國外稱之為 專用集成微型傳感器技術(shù) ASIM Applicationspecificintegratedmicrotransducer 這種硅微傳感器一旦付諸實(shí)用 將對眾多高科技領(lǐng)域 特別是航空航天 遙感遙測 環(huán)境保護(hù) 生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有著重大的影響 第二 微傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究 隨著通信技術(shù) 嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟 具有感知能力 計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn) 由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的極大關(guān)注 這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù) 嵌入式計(jì)算技術(shù) 分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù) 能夠協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測 感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息 并對這些信息進(jìn)行處理 獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息 傳送到需要這些信息的用戶 傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知和采集的一場革命 傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域 在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)兩個(gè)層面向科技工作者提出了大量的挑戰(zhàn)性研究課題 三 開發(fā)新型傳感器 鑒于傳感器的工作機(jī)理是基于各種效應(yīng)和定律 由此啟發(fā)人們進(jìn)一步探索具有新效應(yīng)的敏感功能材料 并以此研制出具有新原理的新型物性型傳感器件 這是發(fā)展高性能 多功能 低成本和小型化傳感器的重要途徑 其中利用量子力學(xué)諸效應(yīng)研制的高靈敏閾傳感器 用來檢測極微弱信號(hào) 是傳感器技術(shù)發(fā)展的新趨勢之一 例如 利用核磁共振吸收效應(yīng)的磁敏傳感器 可將檢測限擴(kuò)展到地磁強(qiáng)度的10 2 利用約瑟夫遜效應(yīng)的熱噪聲溫度傳感器 可測量10 6K的超低溫 以及由于光子滯后效應(yīng)的利用 出現(xiàn)了響應(yīng)速度極快的紅外傳感器 等等 利用化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)開發(fā)的可供實(shí)用的生物傳感器正在引起關(guān)注 生物傳感器對信息的高選擇性和靈敏度吸引眾多科學(xué)人員從多方面開展研究 傳感器今后的研發(fā)工作主要在開展基礎(chǔ)研究 擴(kuò)大傳感器的功能與應(yīng)用范圍兩個(gè)大方面 二 傳感器的一般特性 2 1傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性表示傳感器在被測輸入量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸出 輸入關(guān)系 研究靜態(tài)特性主要考慮其線性度 遲滯 重復(fù)性 靈敏度 分辨力等方面 1線性度 線性度又稱非線性 是表征傳感器輸出 輸入校準(zhǔn)曲線與所選定的擬合直線 作為工作直線 之間的吻合 或偏離 程度的指標(biāo) 通常用相對誤差來表示線性度或非線性誤差 即式中 Lmax 輸出平均值與擬合直線間的最大偏差 yF S 理論滿量程輸出值 傳感器的輸出 輸入關(guān)系或多或少地存在非線性問題 在不考慮遲滯 蠕變 不穩(wěn)定性等因素的情況下 其靜特性可用下列多項(xiàng)式代數(shù)方程表示 式中y 輸出量 x 輸入量 零點(diǎn)輸出 理論靈敏度 非線性項(xiàng)系數(shù) 各項(xiàng)系數(shù)不同 決定了特性曲線的具體形式 靜態(tài)特性曲線可實(shí)際測試獲得 在非線性誤差不太大的情況下 總是采用直線擬合的方法來線性化 顯然 選定的擬合直線不同 計(jì)算所得的線性度數(shù)值也就不同 選擇擬合直線應(yīng)保證獲得盡量小的非線性誤差 并考慮使用與計(jì)算方便 下面介紹幾種目前常用的擬合方法 1 理論直線法以傳感器的理論特性線作為擬合直線 它與實(shí)際測試值無關(guān) 優(yōu)點(diǎn)是簡單 方便 但通常 Lmax很大 2 端點(diǎn)線法以傳感器校準(zhǔn)曲線兩端點(diǎn)間的連線作為擬合直線 其方程式為式中b和k 分別為截距和斜率 這種方法也很簡便 但通常 Lmax也很大 3 最佳直線 法這種方法以 最佳直線 作為擬合直線 該直線能保證傳感器正反行程校準(zhǔn)曲線對它的正 負(fù)偏差相等并且最小 由此所得的線性度稱為 獨(dú)立線性度 顯然 這種方法的擬合精度最高 通常情況下 最佳直線 只能用圖解法或通過計(jì)算機(jī)解算來獲得 4 最小二乘法這種方法按最小二乘原理求取擬合直線 該直線能保證傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的殘差平方和最小 最小二乘法的擬合精度很高 但校準(zhǔn)曲線相對擬合直線的最大偏差絕對值并不一定最小 最大正 負(fù)偏差的絕對值也不一定相等 幾種不同的擬合方法如圖下所示 a 理論直線法 b 端點(diǎn)線法 c 最佳直線 法 2遲滯 遲環(huán) Hysteresis 遲滯是反映傳感器在正 輸人量增大 反 輸入量減小 行程過程中輸出 輸入曲線的不重合程度的指標(biāo) 通常用正反行程輸出的最大差值 Hmax計(jì)算 并以相對值表示 見后頁圖 遲滯 遲環(huán) 特性 3重復(fù)性 Repeatability 重復(fù)性是衡量傳感器在同一工作條件下 輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí) 所得特性曲線間一致程度的指標(biāo) 各條特性曲線越靠近 重復(fù)性越好 重復(fù)性誤差反映的是校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的離散程度 屬隨機(jī)誤差 因此應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算 即 4靈敏度 Sensitivity 靈敏度是傳感器輸出量增量與被測輸入量增量之比 線性傳感器的靈敏度就是擬合直線的斜率 即 非線性傳感器的靈敏度不是常數(shù) 應(yīng)以表示 實(shí)用上由于外源傳感器的輸出量與供給傳感器的電源電壓有關(guān) 其靈敏度的表達(dá)往往需要包含電源電壓的因素 例如某位移傳感器 當(dāng)電源電壓為1V時(shí) 每1mm位移變化引起輸出電壓變化100mV 其靈敏度可表示為100 5靜態(tài)誤差 精度 Precision 這是評(píng)價(jià)傳感器靜態(tài)性能的綜合性指標(biāo) 指傳感器在滿量程內(nèi)任一點(diǎn)輸出值相對其理論值的可能偏離 逼近 程度 它表示采用該傳感器進(jìn)行靜態(tài)測量時(shí)所得數(shù)值的不確定度 靜態(tài)誤差的計(jì)算是將非線性 回差 重復(fù)性誤差按幾何法綜合 即 2 2傳感器的動(dòng)態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性是反映傳感器隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性 用傳感器測試動(dòng)態(tài)量時(shí) 希望它的輸出量隨時(shí)間變化的關(guān)系與輸入量隨時(shí)問變化的關(guān)系盡可能一致 但實(shí)際并不盡然 因此需要研究它的動(dòng)態(tài)特性 分析其動(dòng)態(tài)誤差 它包括兩部分 1 輸出量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后與理想輸出量之間的差別 2 當(dāng)輸入量發(fā)生躍變時(shí) 輸出量由一個(gè)穩(wěn)態(tài)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的過渡狀態(tài)中的誤差 由于實(shí)際測試時(shí)輸入量是千變?nèi)f化的 且往往事先并不知道 故工程上通常采用輸入 標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)函數(shù)的方法進(jìn)行分析 并據(jù)此確立若干評(píng)定動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo) 常用的 標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)函數(shù)是正弦函數(shù)與階躍函數(shù) 本節(jié)將分析傳感器對正弦輸入的響應(yīng) 頻率響應(yīng) 和階躍輸入的響應(yīng) 階躍響應(yīng) 特性及性能指標(biāo) 1傳遞函數(shù) 在不考慮各種靜態(tài)誤差的條件下 可以用常系數(shù)線性微分方程描述單輸入x 單輸出y傳感器動(dòng)態(tài)特性 以下為其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 設(shè)x t y t 的初始條件為零 對上式兩邊逐項(xiàng)進(jìn)行拉氏變換 可得 由此得傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)是拉氏變換算子S的有理分式 所有系數(shù)都是實(shí)數(shù) 這是由傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的 分子的階次m不能大于分母的階次n 這是由物理?xiàng)l件決定的 分母的階次用來代表傳感器的特征 n 0時(shí) 稱為零階 n 1時(shí) 稱一階 n 2時(shí) 為二階 n更大時(shí) 為高階 分析方法完全借鑒于電路分析課程或控制原理課程中的相應(yīng)內(nèi)容 只不過輸入量為非電量 2傳感器的頻率響應(yīng)特性 將各種頻率不同而幅值相等的正弦信號(hào)輸入傳感器 其輸出信號(hào)的幅值 相位與頻率之間的關(guān)系稱為頻率響應(yīng)特性 設(shè)輸入幅值為x 角頻率為 的正弦量 式中Y 分別為輸出量的幅值和初相角 則獲得的輸出量為 在傳遞函數(shù)中令s j 代入得 上式將傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域 表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系隨著信號(hào)頻率而變化的特性 故稱之為傳感器的頻率響應(yīng)特性 簡稱頻率特性或頻響特性 其物理意義是 當(dāng)正弦信號(hào)作用于傳感器時(shí) 在穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出量與輸入量之復(fù)數(shù)比 在形式上它相當(dāng)于將傳遞函數(shù)式中之s置換成 而得 因而又稱為頻率傳遞函數(shù) 其指數(shù)形式為由此可得頻率特性的模 稱為傳感器的動(dòng)態(tài)靈敏度 或稱增益 A 表示輸出 輸入的幅值比隨 而變 故又稱為幅頻特性 以和分別表示A 的實(shí)部和虛部 頻率特性的相位角代表輸出超前于輸入的角度 對傳感器而言 通常為負(fù)值 即輸出滯后于輸入 表示隨 而變 稱之為相頻特性 3傳感器的階躍響應(yīng)特性 當(dāng)給靜止的傳感器輸入一個(gè)單位階躍信號(hào)0t0時(shí) 其輸出信號(hào)稱為階躍響應(yīng) 可參見下圖 階躍響應(yīng)曲線 a 一階系統(tǒng) b 二階系統(tǒng) 衡量階躍響應(yīng)的指標(biāo)有 1 時(shí)間常數(shù) 傳感器輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值yc的63 2 所需的時(shí)間 2 上升時(shí)間Tr傳感器輸出值由穩(wěn)態(tài)值的10 上升到90 所需的時(shí)間 但有時(shí)也規(guī)定其他百分?jǐn)?shù) 3 響應(yīng)時(shí)間Ts輸出值達(dá)到允許誤差范圍2 所經(jīng)歷的時(shí)間 或明確為 百分之二響應(yīng)時(shí)間 4 超調(diào)量a1響應(yīng)曲線第一次超過穩(wěn)態(tài)值之峰高 即a1 ymax yc 或用相對值a ymax yc yc 100 表示 5 衰減率 指相鄰兩個(gè)波峰 或波谷 高度下降的百分?jǐn)?shù) an an 2 an 100 6 穩(wěn)態(tài)誤差ess系無限長時(shí)間后傳感器的穩(wěn)態(tài)輸出值與目標(biāo)值之間偏差 ss的相對值 ess ss yc 100 4傳感器典型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 常見的傳感器通?？梢钥闯墒橇汶A 一階或二階環(huán)節(jié) 或者是由L述環(huán)節(jié)組合而成的系統(tǒng) 下面將著重介紹零階 一階 二階環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 1 零階環(huán)節(jié) 零階環(huán)節(jié)的微分方程和傳遞函數(shù)分別為式中K 靜態(tài)靈敏度 可見零階環(huán)節(jié)的輸入量無論隨時(shí)間怎么變化 輸出量的幅值總與輸入量成確定的比例關(guān)系 在時(shí)間上也無滯后 它是一種與頻率無關(guān)的環(huán)節(jié) 故又稱比例環(huán)節(jié)或無慣性環(huán)節(jié) 在實(shí)際應(yīng)用中 許多高階系統(tǒng)在變化緩慢 頻率不高的情況下 都可以近似看作零階環(huán)節(jié) 2 一階環(huán)節(jié) 一階環(huán)節(jié)的微分方程為令 al a0 時(shí)間常數(shù) K b0 a0 靜態(tài)靈敏度 則上式變成 其傳遞函數(shù)和頻率特性分別為 幅頻特性和相頻特性分別為 一階傳感器對數(shù)幅頻圖A 與 如圖所示 圖中坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo) 動(dòng)態(tài)相對誤差 一階環(huán)節(jié)輸入階躍信號(hào)后在 5 之后采樣 其動(dòng)態(tài)誤差可以忽略 可認(rèn)為輸出已接近穩(wěn)態(tài) 反過來 若已知允許的相對誤差值 計(jì)算出穩(wěn)定時(shí)間 為一階環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) 越小階躍響應(yīng)越迅速 頻率響應(yīng)的上截止頻率越高 的大小表示慣性的大小 故一階環(huán)節(jié)又稱為慣性環(huán)節(jié) 3 二階環(huán)節(jié) 二階環(huán)節(jié)的微分方程為 靜態(tài)靈敏 時(shí)間常數(shù) 固有頻率 阻尼 上式可寫成 其傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)分別為 幅頻特性和相頻特性分別為 二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性 二階環(huán)節(jié)的幅頻特性與相頻特性如圖所示 由圖可見 當(dāng) n 1時(shí) A K 0 近似于零階環(huán)節(jié) 在無阻尼固有頻率附近 n 1 系統(tǒng)發(fā)生諧振 為了避免這種情況 可增大 值 當(dāng) 0 707時(shí) 諧振就不會(huì)發(fā)生了 當(dāng) 0 7時(shí) 幅頻特性的平坦段最寬 而且相頻特性接近于一條斜直線 若對二階環(huán)節(jié)輸入一階躍信號(hào) 特征方程及其兩根分別為 當(dāng) l 過阻尼 時(shí) 當(dāng) 1 臨界阻尼 時(shí) 當(dāng) 1 欠阻尼 時(shí) 衰減振蕩相位差 圖2 6二階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng) 由圖可知 固有頻率 n越高 則響應(yīng)曲線上升越快 即響應(yīng)速度越高 反之 n越小 則響應(yīng)速度越低 而阻尼比 越大 則過沖現(xiàn)象減弱越快 1時(shí)完全沒有過沖 也不產(chǎn)生振蕩 1時(shí) 將產(chǎn)生衰減振蕩 為使接近穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間縮短 設(shè)計(jì)時(shí)常取 0 6 0 8 當(dāng) 0時(shí) 形成等幅振蕩 這時(shí)振蕩頻率就是二階環(huán)節(jié)的振動(dòng)角頻率 n 稱為 固有頻率 5傳感器的性能指標(biāo)一覽 由于傳感器的類型五花八門 使用要求千差萬別 要列出可用來全面衡量傳感器質(zhì)量優(yōu)劣的統(tǒng)一指標(biāo)極其困難 迄今為止 國內(nèi)外還是采用羅列若干基本參數(shù)和比較重要的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)的方法來作為檢驗(yàn) 使用和評(píng)價(jià)傳感器的依據(jù) 表2 1列出了傳感器的一些常用指標(biāo) 可供讀者參考 表2 1 2 3傳感器設(shè)計(jì)中的共性技術(shù) 1 差動(dòng)技術(shù)在使用中 通常要求傳感器輸出 輸入關(guān)系成線性 但實(shí)際難于做到 如果輸入量變化范圍不大 而且非線性項(xiàng)的方次不高時(shí) 在對多項(xiàng)式進(jìn)行分析后 找到了一種切實(shí)可行的減小非線性的方法 差動(dòng)技術(shù) 這種技術(shù)也已廣泛用于消除或減小由于結(jié)構(gòu)原因引起的共模誤差 如溫度誤差 方面 其原理如下 設(shè)有一傳感器 其輸出為 用另一相同的傳感器 但使其輸入量符號(hào)相反 例如位移傳感器使之反向移動(dòng) 則它的輸出為 使二者輸出相減 即 于是 總輸出消除了零位輸出和偶次非線性項(xiàng) 得到了對稱于原點(diǎn)的相當(dāng)寬的近似線性范圍 減小了非線性 而且使靈敏度提高了一倍 抵消了共模誤差 在傳感器中 外界被檢測量的滿量程往往只引起單個(gè)敏感元件的少量變化 為了取出這種少量變化 去除不變部分 需要在敏感部分采取差動(dòng)技術(shù) 如各種測量橋路 不平衡電橋 差動(dòng)技術(shù)已在電阻應(yīng)變式 電感式 電容式等傳感器中得到廣泛應(yīng)用 在干涉光學(xué)傳感器技術(shù)中光路光程差 諧振傳感器中頻率差等方法技術(shù)也源于動(dòng)差動(dòng)技 本書在相關(guān)章節(jié)將重點(diǎn)介紹該技術(shù) 2 零示法 微差法與閉環(huán)技術(shù) 設(shè)計(jì)或應(yīng)用傳感器時(shí) 零示法 微差法與閉環(huán)技術(shù)可用以消除或削弱系統(tǒng)誤差 零示法可消除指示儀表不準(zhǔn)而造成的誤差 采用這種方法時(shí) 被測量對指示儀表的作用與已知的標(biāo)準(zhǔn)量對它的作用相互平衡 使指示儀表示零 這時(shí)被測量就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)量 機(jī)械天平是零示法的例子 零示法在傳感器技術(shù)中應(yīng)用的實(shí)例是平衡電橋 微差法是在零示法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 由于零示法要求標(biāo)準(zhǔn)量與被測量完全相等 因而要求標(biāo)準(zhǔn)量連續(xù)可變 這往往不易做到 人們發(fā)現(xiàn)如果標(biāo)準(zhǔn)量與被測量的差別減小到一定程度 那么由于它們相互抵消的作用就能使指示儀表的誤差影響大大削弱 這就是微差法的原理 幾何量測量中廣泛采用的測微儀檢測工件尺寸的方法 就是微差法測量的實(shí)例 用該法測量時(shí) 標(biāo)準(zhǔn)量可由量塊或標(biāo)準(zhǔn)工件提供 測量精度大大提高 當(dāng)要求測試系統(tǒng)具有大的動(dòng)態(tài)范圍 高的靈敏度 分辨力與精度 以及優(yōu)良的穩(wěn)定性 重復(fù)性和可靠性時(shí) 開環(huán)測試系統(tǒng)往往不能滿足要求 于是出現(xiàn)了在零示法基礎(chǔ)上發(fā)展而成的閉環(huán)式傳感器系統(tǒng) 現(xiàn)多采用具有深度負(fù)反饋的力平衡方式 這里被測力與反饋力對于高靈敏檢測元件相平衡 有微量差 微量差被檢測放大 放大器輸出的電量產(chǎn)生反饋力 輸出電量與測量力有一個(gè)良好的線性關(guān)系 閉環(huán)式傳感器在過程參數(shù)檢測傳感器技術(shù)中被廣泛采用 在微機(jī)械電容加速度傳感器中常使用靜電力平衡的方法 跟蹤技術(shù)也屬于閉環(huán)技術(shù)思想 除對平衡點(diǎn)的跟蹤外 還可以跟蹤某些特定值點(diǎn) 往往是極值點(diǎn) 以及綜合指標(biāo)參數(shù) 產(chǎn)生反饋?zhàn)饔玫牧坑幸痪S或多維 跟蹤技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用 如恒星跟蹤 雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤 導(dǎo)航慣性平臺(tái)的跟蹤等等 3 平均技術(shù) 常用的平均技術(shù)有誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理 誤差平均效應(yīng)的原理是 利用n個(gè)傳感器單元同時(shí)感受被測量 因而其輸出將是這些單元輸出的總和 假如將每一個(gè)單元可能帶來的誤差 均看作隨機(jī)誤差 根據(jù)誤差理論 總的誤差將減小為例如n 10時(shí) 誤差減小為31 6 n 500時(shí) 誤差減小為4 5 誤差平均效應(yīng)在容柵 光柵 感應(yīng)同步器 編碼器等柵狀傳感器中都取得明顯的效果 在其他一些傳感器中 誤差平均效應(yīng)對某些工藝性缺陷造成的誤差同樣起到彌補(bǔ)作用 按照同樣的道理 如果我們將相同條件下的測量重復(fù)n次或進(jìn)行n次采樣 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理 隨機(jī)誤差也將減小倍 因此 凡被測對象允許進(jìn)行多次重復(fù)測量 或采樣 都可采用上述方法減小隨機(jī)誤差 對于周期信號(hào) 可以在周期相關(guān)時(shí)刻對信號(hào)采樣累加就構(gòu)成了相敏檢波 同步積分等傳感器信號(hào)調(diào)理電路 對于目標(biāo) 被測量 相對靜止 傳感器空間移動(dòng)的系統(tǒng) 可以對傳感器信息延時(shí)累加 由此構(gòu)成謂之 合成孔徑 信息處理方法 4 分段與細(xì)分技術(shù) 對于大尺寸高精度的幾何測量問題 需要采取分段測量的方案 首先確定被測量在哪個(gè)分段區(qū)間 然后在該段內(nèi)進(jìn)行局部細(xì)分 這項(xiàng)技術(shù)要求在工藝經(jīng)濟(jì)的條件下 盡量密地把標(biāo)尺等分成若干段 這種分段的邊界精度 或小范圍平均精度 達(dá)到了總體最終精度要求 測量過程從零位開始 記錄下所經(jīng)段數(shù) 然后在段內(nèi)用模擬方法細(xì)分 常用兩支傳感器完成段計(jì)數(shù) 模擬細(xì)分和分辨運(yùn)動(dòng)方向的功能兩只傳感器之間的距離減去分段整倍數(shù)后相差1 4分段 即運(yùn)動(dòng)測量時(shí)兩支傳感器分別發(fā)出正弦和余弦信號(hào) 段內(nèi)用模擬方法細(xì)分一般只有1 10 1 100精度 在激光干涉測長 感應(yīng)同步器 光柵 磁柵 容柵等傳感器技術(shù)采用了分段與細(xì)分技術(shù) 用CCD光敏陣列測量光點(diǎn)位置也屬于這項(xiàng)共性技術(shù) 這項(xiàng)技術(shù)也可以認(rèn)為是微差法的特殊應(yīng)用 這項(xiàng)技術(shù)中 往往使用多只敏感元件 覆蓋多個(gè)分段 用空間平均方法提高測量精度 當(dāng)測量兩點(diǎn)之間的位移時(shí) 可以用某勻速移動(dòng)的物質(zhì) 或能量 到達(dá)兩點(diǎn)的時(shí)差來度量 這種勻速移動(dòng)的物質(zhì) 或能量 可以是物體 或聲場 電磁波 旋轉(zhuǎn)磁場等等 技術(shù)上用時(shí)間分段 超聲 雷達(dá) 激光等脈沖測距都是這種共性技術(shù)的應(yīng)用 當(dāng)這種勻速移動(dòng)的物質(zhì) 或能量 被調(diào)制 幅度 相位或編碼等 還可以實(shí)現(xiàn)周期計(jì)數(shù)間的進(jìn)一步的細(xì)分測量 5 補(bǔ)償與校正 有時(shí)傳感器或測試系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差的變化規(guī)律過于復(fù)雜 采取了一定的技術(shù)措施后仍難滿足要求 或雖可滿足要求 但因價(jià)格昂貴或技術(shù)過分復(fù)雜而無現(xiàn)實(shí)意義 這時(shí) 可以找出誤差的方向和數(shù)值 采用修正的方法 包括修正曲線或公式加以補(bǔ)償或校正 例如 傳感器存在非線性 可以先測出其特性曲線 然后加以校正 又如存在溫度誤差 可在不同溫度進(jìn)行多次測量 找出溫度對測量值影響的規(guī)律 然后在實(shí)際測量時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償 上述方法在傳感器或測試系統(tǒng)中已被采用 補(bǔ)償與校正 可以利用電子技術(shù)通過線路 硬件 來解決 也可以采用微型計(jì)算機(jī) 通常采用單片微機(jī) 通過軟件來實(shí)現(xiàn) 在測量電路中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)元 通過測量信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的切換比較 可以實(shí)現(xiàn)自 動(dòng) 校正的目的 6 解耦技術(shù) 在測量中往往有多個(gè)關(guān)心的被測量 這些被測量同時(shí)作用在多個(gè)或多種傳感器上 或一個(gè)組合傳感器上 這些被測量對傳感器的輸出產(chǎn)生交互影響 從傳感器的輸出量中解算出各自獨(dú)立的被測量的技術(shù)稱之解耦技術(shù) 解耦可以用模擬加減方法 但更多地是用軟件計(jì)算方法來實(shí)現(xiàn) 與以上所談解耦技術(shù)接近的技術(shù)是所謂的盲源分離技術(shù) 就是研究在未知系統(tǒng)的傳遞函數(shù) 源信號(hào)的混合系數(shù)及其概率分布的情況下 從混合信號(hào)中分離出獨(dú)立源信號(hào)的技術(shù) 通常是利用一定數(shù)目的傳感器對幾個(gè)源同時(shí)進(jìn)行