电磁测量概论(下)

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1、一、电磁测量发展历史一、电磁测量发展历史1、早期、早期 1820年以前年以前2、初期发展阶段、初期发展阶段 （1820-1910年）年）3、第二发展阶段、第二发展阶段 （1910-1950年）年）（1）经典电磁测量理论体系不断完善）经典电磁测量理论体系不断完善（2）材料和器件的发展）材料和器件的发展 4、第三发展阶段、第三发展阶段 （1950-1990年）年）现代电磁测量体系的建立现代电磁测量体系的建立（1）建立了电磁信号的变送器标准：）建立了电磁信号的变送器标准：15V，420mA（2）A/D和和D/A技术的出现技术的出现（3）测量理论的发展）测量理论的发展5、第四发展阶段（、第四发展阶段（

2、1990-）新的发展阶段，全数字测量技术的发展和推广新的发展阶段，全数字测量技术的发展和推广第一节第一节 电磁测量的发展过程电磁测量的发展过程 二、测量仪表的发展二、测量仪表的发展 形成智能化仪表；复杂的测量，以总线为基础；形成智能化仪表；复杂的测量，以总线为基础；JEEE-488（GPIB）-PC-板卡仪表系统板卡仪表系统-VI Bus（虚拟仪表总线）（虚拟仪表总线）-IVI系统（不依赖于硬件）可互换性系统系统（不依赖于硬件）可互换性系统三、测量理论的发展三、测量理论的发展1、模型化测量、模型化测量2、软测量（状态估计、回归分析、模型识别、神经网络）、软测量（状态估计、回归分析、模型识别、神

3、经网络）一、测量的目的一、测量的目的 1、计量、计量 2、测控、测控 3、故障诊断（无损检测、控制系统的状态检测）、故障诊断（无损检测、控制系统的状态检测）二、对测量的要求二、对测量的要求 1、方式和方法、方式和方法 方式：直接测量、间接测量、组合测量方式：直接测量、间接测量、组合测量 方法：直读法、比较法方法：直读法、比较法 2、单位的改进、单位的改进 CGS制和制和MKSA制制 3、减少电磁干扰对测量影响的要求、减少电磁干扰对测量影响的要求 干扰源：干扰源：自然干扰和人为干扰自然干扰和人为干扰 人工干扰三要素：人工干扰三要素：干扰源、传感器（接收器）、传播介干扰源、传感器（接收器）、传播介

4、质质 传播途径：传播途径：传导、辐射传导、辐射 第二节第二节 电磁测量的工程背景电磁测量的工程背景传感器的引入：传感器的引入：人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。第三节第三节 电磁测量概论电磁测量概论-传感器知识传感器知识一、传感器的作用一、传感器的作用 传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。二、传感器的重要性二、传感器的重要性 作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，

5、可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将不能适应实际需要。现代社会要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器就成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。三、传感器的应用三、传感器的应用 传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域有广泛应用。同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。四、传感器的定义四、传感器的定义

6、定义定义：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的 器件器件 或 装置。传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含一下几个方面的意思：其包含一下几个方面的意思：（1）传感器是测量装置，能完成检测任务（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等（3）输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，这种量可以是气、光、电，但主要是电量。输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。五、传感器的组成五、传感器的组成 传感器一般由三部分组成：（被测量）（被测量）-敏感元件敏感元件-转化元件转化元件-转换

7、电路转换电路敏感元件敏感元件（Sensitive element）：）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件转换元件（Transduction element）：）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路转换电路（Transduction circuit）：）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。六、传感器的分类六、传感器的分类 传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：1、以被测量来分；2、以传感器的原理来分。按被测量来分类按被测量来分类被测量类别被 测 量热工量 温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量 位移（线位

8、移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声被测量类别被 测 量物性和成分量 气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（PH值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重状态量 颜色、透明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量 按传感器的按传感器的原理原理来分类来分类:电阻式，光电式（红外式、光导纤维式），电感式，谐振式，电容式，霍尔式（磁式），阻抗式（电涡流式），超声式，磁电式，同位素式，热电式，电化学式，压电式，微波式。七、七、传感器的应用领域和需求量传感器的应用领域和需求量 传感器的数学模型数学模型是指传感器的输入输出关系传感器的静态模型：y

9、=a0+a1x+a2x2+.+anxn线性模型：y=a0+a1x或y=ax动态模型：微分方程 传递函数 第四节第四节 传感器技术基础传感器技术基础传感器的传感器的静态特性静态特性 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。其中误差因数就是衡量传感器静态特性的主要技术指标。线性度：线性度：LinearityLinearity -理论直线法 y=ax 端点线法 最佳直线法 最小二乘法回差（滞后、迟滞）回差（滞后、迟滞）Hysteresis请注意回差与线性度的区别重复性重复性Repeatability 重复性反映传感器的重

10、复精度，用统计特性表示m i n()L2m in()Lmax.100%HF SeHy.100%RyeaF S 灵敏度灵敏度Sensitivity分辨力（分辨率）分辨力（分辨率）Resolution意义：在规定测量范围内能测出的输入量的最小值表示：注意分辨力与精度和灵敏度不同阈值阈值 Threshold意义从输出看能测出的输入量最小变化值，实际上是零位附近的分辨力Kyx.%FS 稳定性和温度稳定性稳定性和温度稳定性Stability 意义：又称长期稳定性 表示：用输出值与起始标定之间的差异来表示，也常用有效期来表示 漂移漂移Drifting 意义：传感器不因输入的原因而发生的变化 零点漂移：时漂

11、、温漂 灵敏度漂移 静态误差静态误差 精度精度 Precision 是评价传感器的综合性能指标 意义：传感器在满量程内任一点上与理论值的最大偏差 一定置信概率下的极限偏差.(23)100%sF Sey输入输出关系输入输出关系:一、理想状态：一、理想状态：线性关系 y=a+bx a：零点输出 b:理论灵敏度二、实际状态：二、实际状态：非线性关系 （一）敏度灵敏度是指稳态时传感器输出量y和输入量x之比，或输出量y的增量和相应输入量x的增量之比。用k表示为 xyaOnnxaxaxaaxfy2210)(xyk输入量增量输出量增量灵敏度反映了传感器对被测量参数变化的灵敏程度，其数值较大时，传感器的信号处

12、理电路就较简单。线性传感器的灵敏度k为一常数，就是其静态特性的斜率；非线性传感器的灵敏度k是随输入量变化的量。（二）精确度传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量约定真值的一致程度，它反映了传感器测量结果的可靠程度。工程上，根据传感器的最大引用误差来划分精确度等级，常用的有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0、5.0等8个档次。例如0.5级的仪表，即表示其允许的最大引用误差为0.5。（三）测量范围和量程在允许的误差范围内，传感器能够测量的下限值(ymin)到上限值(ymax)之间的范围称为测量范围，表示为yminymax。上限值与下限值的差称为量程，表示为 ymymaxy

13、min如某温度计的测量范围是-20100，量程则为120。有的传感器一旦过载可能就将损坏，这点在使用中加以注意。（四）线性度误差 线性度：线性度：即非线性误差。为了便于对传感器进行标定和数据处理，要求传感器的特性为线性关系，而实际的传感器特性常呈非线性，这就需要对传感器进行线性化。传感器的静态特性是在标准条件下校准(标定)的，即在没有加速度、振动、冲击，且温度为(205)、湿度不大于85%RH、大气压力为(101 3277800)Pa（(76060)mmHg)的条件下，用一定等级的设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输入和输出数据用表格列出或画出曲线，这条曲线称为校准曲线。传感器的校准曲线与

14、理论拟合直线之间的最大偏差(yL)max与满量程值(ymax)的百分比称为线性度，用L%表示，即%100)(%maxmaxLyyL由此可知非线性误差是以一定的拟合直线为基准算出来的，基准直线不同，所得线性度也不同。根据求得拟合直线的方法，可分为端基线性度、平均选点线性度和独立线性度，如图1-11所示。传感器的线性度示意图传感器的线性度示意图(a)端基线性度；(b)平均选点线性度；(c)独立线性度 端基拟合直线是由传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值连成的一条直线。这种拟合方法简单直观，应用较广，但拟合精度很低，尤其对非线性比较明显的传感器，拟合精度更差。平均选点拟合直线的求法是将若

15、干点的测量数据分成前后数目相等的两组，分别求出两组数据相应的输入和输出数据的平均值，即（a）（b）nniinniiniiniiynyxnxynyxnx12/212/22/112/112,22,2 独立线性度也称最小二乘法线性度，它的拟合直线方程是用最小二乘法求得的，在全量程范围内各处误差都最小。这种方法拟合精度最高，但计算很复杂。计算：有计算：有n个测量数据个测量数据:(x1,y1),(x2,y2),(xn,yn)，(n2)残差：残差：i=yi (a+b xi)残差平方和最小：残差平方和最小：2i=min22)(iiiiiixxnyxyxnb222)(iiiiiiixxnyxxyxa 传感器的

16、动态特性传感器的动态特性动态特性：动态特性：检测系统在被测量随时间变化的条件下输入输出关系动态模型：动态模型：微分方程 根据相应的物理定律（如牛顿定律、能量守恒定律、基尔霍夫电路定律等），用线性常系数微分方程表示系统的输入x与输出y关系的数字方程式：xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111 ai、bi(i=0,1,)：系统结构特性参数，常数，系统的阶次由输出量最高微分阶次决定。常见为0阶、一阶、二阶系统优点：优点：概念清晰，输入-输出关系明了，可区分暂态响应和稳态响应缺点：缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难 （一）（

17、一）零阶传感器零阶传感器 微分方程微分方程特点：a)属于静态环节：静态灵敏度系数 b)输出 输入-又称：比例环节 c)与时间无关，与频率无关，无滞后，无惯性-理想环节 d)实际零阶环节：缓慢变化，频率较低-近似零阶环节 相应的数学表示如右图所示。xbya00Kxxaby0000/abK 实例：电位计式角位移传感器 微分方程：静态灵敏度系数：KUUE180/0180/EUK UEU0 （二）（二）一阶传感器一阶传感器 微分方程：时间常数 静态灵敏度 阶跃响应：输入阶跃信号：xbyadtdya001xabydtdyaa000101/aa00/abK 000)(ttAtx一阶环节微分方程：动态误差：

18、t=2：ed=13.5%；t=3：ed=5%；t=5：ed=0.7%；动态响应特性主要取决于时间常数；小-阶跃响应迅速-截止频率高-惯性小-惯性环节)1(/teKAy/)1(ttdeKAeKAKAe 实例：带阻尼弹簧测力传感器 运动方程：k-弹簧刚度;c-阻尼系数 时间常数：静态灵敏度系数：bxkydtdyckc/kbK/(三三)二阶传感器二阶传感器 微分方程：固有频率 阻尼比xbyadtdyadxyda00122220/aan2012/aaa 阶跃响应：输入 当1时：无过冲，无震荡，过阻尼过阻尼 曲线上升慢，响应速度低 当1时：产生衰减震荡，欠阻尼欠阻尼 曲线上升块，响应速度高 当=1时：临

19、界阻尼临界阻尼 一般取：=0.60.8000)(ttAtx 应用实例：压电式动态测力传感器（弹簧(k)，阻尼(c)，质量(m)）运动微分方程 固有频率:阻尼比:静态灵敏度系数：Fkydtdycdtydm22mkaan/20kmcaaa2/2/201kK 在非电量的测量中，不仅研究其它系统的输入特性和传感器输出特性，还要研究其它系统和电量之间的变换特性。相似系统相似系统就是能用同一类型的微分方程描述的不同系统。这里只对机械系统的输入特性进行研究，故为机电模拟。优点：优点：将复杂的机械系统变成了便于分析的电路图。并为模拟和试验带来很大好处（变量易测，元件易置），特别是对于处机和电相互联系的机电系统

20、带来很大便利。第五节第五节 机电模拟及双向传感器的统一理论机电模拟及双向传感器的统一理论1、变量的分类、变量的分类按物理属性分：电量、机械、热、声、核变量等在研究相似特性时，应按相似特性来分类，即按微分方程中的表达方式来分类。绝对概念绝对概念：（1）通过变量：力、电流 （2）跨越变量：位移、电压（其中两点中 有一点为基准电压）相对概念：相对概念：（1）状态变量：位移、电荷 （2）速率变量：速度、电流 可见速率变量是状态变量对时间的导数。2、机电模拟、机电模拟 定义：所研究的机械系统的微分方程和等效电路的微分方程相似。定义：所研究的机械系统的微分方程和等效电路的微分方程相似。常采用的两种机电模拟

21、方案：力常采用的两种机电模拟方案：力-电压，力电压，力-电流模拟电流模拟 （1 1）力）力-电压模拟电压模拟 机械系统机械系统 电路电路 惯性：惯性：fm=uR=Ri 阻尼：阻尼：fc=cv uL=L 弹簧：弹簧：fk=k uc=所以，对于机械系统：所以，对于机械系统：合力合力 f=m +cv+k 对于电路：对于电路：电压电压 u=L +Ri+可见，以上两式的形式是一样的。相同的数字模式说明了运动规律是相似的，于是可找出机、电两相可见，以上两式的形式是一样的。相同的数字模式说明了运动规律是相似的，于是可找出机、电两相似系统的对应项来。似系统的对应项来。力力-电压模拟的定义：模拟的基础是机械系统

22、的激励电压模拟的定义：模拟的基础是机械系统的激励f与电系统的激励与电系统的激励u相似。相似。特点：特点：a、质点、质点-串联电回路模拟串联电回路模拟 b、f-u模拟，机械元件模拟，机械元件-电气元件模拟电气元件模拟 C、此电系统的跨域变量、此电系统的跨域变量u模拟机械系统的通过变量模拟机械系统的通过变量f。而电系统的通过变量。而电系统的通过变量i模拟了机械系统的跨越模拟了机械系统的跨越变量变量v缺点：缺点：模拟不直观，结构不一致，实验不方便模拟不直观，结构不一致，实验不方便dvdtvdtdidtidt1cdvdtvdtdidt1cidt（2）力-电流模拟 力-电流模拟的定义：模拟的基础是机械系

23、统的激励f与电系统的激励u相似特点：特点：a、质点-结点相模拟 b、跨越变量内和模拟，通过变量内和模拟 c、当速度为对地而言时，质量块所对应模拟的电容需一端接地，目的是简化模拟电路。优点：优点：较直观，实验方便.3、双向传感器的统一理论、双向传感器的统一理论 电模拟只是单纯的用电系统模拟机械系统，但传感器如果它的输入是机械量而输出是电量的话，则它即包含机械系统，也包含了电系统。也就是说，在传感器内部还包括了一个机电变换装置，它即非机械系统，也非电系统。机电变换装置大多情况下具有双向特性，即电量和机械量可以互逆的变换。故有时被称为接收器，有时称为发送器，应注意的是，这均是指机械量而言的。正因为机电变换装置是可逆的，故也可使传感器逆向传感。这种传感器被称为双向传感器双向传感器。在应用上一般不用逆向功能。