【文章內容簡介】 歷的時間為 t，則液位高度 2/tvh? (25) 17 17 圖 24 超聲波法液位測量原理圖 圖 25 平衡電橋測電阻 （ 3） 比較檢測法 比較檢測法就是將 被測量與標準量進行比較而實現(xiàn)對被測量的測量方法。例如，圖25為用平衡電橋測電阻，將被測電阻 RX與可調的標準電阻 RN進行比較，若有差值，調整 RN，使 RX與 RN達到平衡，這時標準量 RN的示值，就代表被測量的大小。 注意 ：檢測方法的選擇，應根據被測量的類型、現(xiàn)場條件以及量程、精度、反應速度等方面的要求進行。以上方法是最基本的幾種檢測方法，在實際工作中，應對被測對象作具體分析，才能確定最合理的檢測方法。 2. 信號控制方法 常用的有以下幾種。 （ 1） 順序控制 順序控制主要用于開關量系統(tǒng)的控制。它一般有兩種狀態(tài)，如 管道上閥門的開和關，電爐的接通和斷開，電動機的啟動與停止等。它是按照一定的邏輯順序或時間順序來完成的一種控制。 （ 2） 反饋控制 反饋控制如圖 26所示。 圖 26 反饋控制 反饋控制也稱為閉環(huán)控制，它是利用實際值和給定值（預定值）進行比較得到偏差而形成控制信號，再利用這個信號去消除或減小誤差，即用偏差來消除誤差。 反饋控制的不足之處是必須在誤差形成后，才能產生糾正誤差的控制作用，在這段滯后的時間內，誤差總要存在。所以，為了補償由于擾動引起的誤差，常采 用前饋控制。 （ 3） 前饋控制 (與前面講的計算機前饋控制系統(tǒng)類似 ) 18 18 從動作的反應速度來講，對于干擾信號的補償，前饋比反饋要迅速得多。但前饋控制要作到對干擾的完全補償，必須對控制對象的特性有精確的了解。 但是 ,前饋控制的不足之處是它只能對一種干擾進行補償，不像反饋控制對任何擾動引起的誤差都能進行補償 。 （ 4） PID控制 反饋控制是按照偏差進行控制。為了提高控制性能 ， 可以按照偏差的比例（ proportional)、積分（ integral)、微分（ derivative)進行控制，簡稱 PID控制。在工程上， PID控 制大都是單元組合式 ,即 P控制、 D控制、 PI控制和 PID控制 。 PID控制可以用硬件來實現(xiàn)，也可以用軟件來實現(xiàn)。 （ 5） 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制是指系統(tǒng)在規(guī)定條件下，使某些性能達到最優(yōu)的控制。如在條件不斷變化的情況下，保持生產過程中某些參數(shù)或某項指標始終為最優(yōu)值（如時間最短、消耗最小） 。 （ 6） 自適應控制 最優(yōu)控制是相對的，它是在某些特定限制條件下才能達到最優(yōu)，一旦條件改變，就不是最優(yōu)了。而自適應控制能夠在限制條件變化時 ,自動實現(xiàn)最優(yōu)控制。 例如水泥攪拌機，不同的料，加水量和攪拌時間就要相應的變化，為了實現(xiàn)最優(yōu)，就要 采用自適應控制。 （ 7） 自學習控制 自學習控制是指通過在線實時學習，能自動獲取知識，并將所學的知識用來不斷改善被控對象的性能和狀態(tài)。 注意 ：自學習控制適用于模型不精確的非線性動態(tài)行為的控制，而不適合于時變動態(tài)特性的控制。 （ 8） 智能控制 智能控制就是利用有關知識，通過學習和推理使被控對象或被控過程按一定要求達到預定目的。 這里所說的知識大體包括對象所處的環(huán)境知識、被控對象或被控過程知識、控制器本身的知識、邏輯推理知識等 。 167。 測量儀表與測量系統(tǒng) 我們在本節(jié)中所說的測量儀表的概念是廣義的。廣義概念下的測 量儀表包括敏感元件、傳感器、變換器、運算器、顯示器、數(shù)據處理裝置等。 測量系統(tǒng)是測量儀表的有機組合。對于比較簡單的測量工作，只需要一臺儀表就可以解決問題。但是，對于比較復雜、要求高的測量工作，往往需要多臺測量儀表，并且按照一定的規(guī)則將它們組合起來，構成一個有機整體 —— 測量系統(tǒng)。 1. 測量儀表 19 19 （ 1） 測量儀表的功能 測量儀表的主要功能有：物理量的變換、信號的傳輸和處理、測量結果的顯示。 1） 變換功能： 就是將非電量（如溫度、壓力、流量、轉速、力、位移、酸堿度、比重和成分含量等）的被測量依據一定的物理定律，嚴 格地轉換成電量（電壓或電流），然后再對變換得到的電量進行測量和處理。 在檢測儀表中進行物理量的變換，同時也伴隨著能量形式的變換。從能量形式的變換方式角度分析，可將變換功能分為兩類，即單形態(tài)能量變換和雙形態(tài)能量變換。 :這種變換形式是將 A 形態(tài)能量（反映被測量）作用與物體，遵照一定的物理定律轉換成 B形態(tài)能量（反映變換后的物理量）其框圖如圖 27所示。這種變換的特點是變換時所需的能量取自于被測介質 ,不需要從外界補充能量。因此 ,這種變換的前提條件是從被測介質取走變換所需要的能量后，不影響被測介質的 物理狀態(tài)。 圖 27 單形態(tài)能量變換 ：這種變換形式是將 A形態(tài)能量（反映被測量）和 B形態(tài)能量（參比量）同時作用于物體，按照一定的物理定律變換成 C形態(tài)能量（反映變換后的物理量）。其框圖如圖 28所示。 圖 28 雙形態(tài)能量變換 例如，利用霍爾效應進行磁場測量，如圖 29所示。將霍爾元件置于被測磁場 E中，在霍爾元件上通以電流 I，這時霍爾元件有霍爾電熱 EH產生，也就是說將磁場能量和 電能同時作用于霍爾元件，通過霍爾效應轉換成電能輸出。 圖 29 霍爾元件 雙形態(tài)能量變換的特點是變換過程所需的能量，不是從被測對象（磁場）取得，而 20 20 是從附加的能源 (參比電源 )取得。 特別提示：研究儀表功能機理是很重要的課題 。 設法將新發(fā)現(xiàn)的物理定律引入傳感器中，作為物理量變換的依據，往往會研制出新的傳感器和測量方法 。 (例如 :利用新型光纖傳感器測油罐 。 ) 2） 傳輸功能： 儀表在測量過程中的第二個功能就是將信號進行一定距離的不失真?zhèn)鬏?。它有兩種形式，即有線傳 輸和無線傳輸。 有線傳輸，即用電纜或導線傳輸電壓、電流信號或數(shù)字信號。 無線傳輸，即用無線電發(fā)射，在遠距離用接受機接收，進行信號傳輸。 3） 顯示功能： 儀表的顯示可以分為模擬式和數(shù)字式兩類，模擬式顯示有指針指示和記錄曲線；數(shù)字式有數(shù)碼顯示、數(shù)字式顯示和打印記錄等。 各種顯示方式都有自己的特點和用途。因此，要根據具體情況，選擇合適的顯示方式。 （ 2） 測量儀表的特性 儀表特性，一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種。 當測量參數(shù)不隨時間而變化或隨時間變化緩慢，則可不考慮儀表輸入量和輸出量之間的動態(tài)關系，只需要考慮靜態(tài)關 系。此時，聯(lián)系輸入量與輸出量的關系式是代數(shù)方程，不含時間變量，這就是所謂的靜態(tài)特性。 當被測量隨時間變化很快，必須考慮測量儀表輸入量與輸出量之間的動態(tài)關系。聯(lián)系輸入量與輸出量之間的關系是微分方程，含有時間變量，這就是所謂的動態(tài)特性。 1） 測量儀器的靜態(tài)特性： ： 所謂刻度特性是表示測量儀表的輸入量與輸出量之間的數(shù)量關系 ,即被測量與測量儀表指示值之間的函數(shù)關系 。 這種函數(shù)關系可以用數(shù)據表格形式給出，也可以用坐標曲線形式給出，還可以用數(shù)學方程式 y=f(x)給出 。 式中 x表示被測量， y表示指示值。 這種 數(shù)學方程給出的刻度特性被稱為刻度方程。 刻度特性可分為線性特性和非線性特性。 線性刻度特性可用一次代數(shù)方程表示，它的幾何表示是直線； 非線性刻度特性可用高次代數(shù)方程或超越方程表示，它的幾何表示是曲線。 從測量效果看，希望測量儀表具有線性刻度特性。但是工程中經常會遇到非線性特性。這時，在傳感器測量電路中，需要引入一個 “ 線性化器 ” ，用以補償靜態(tài)特性的非線性，最終取得整臺儀表的線性刻度特性。 ： 靈敏度表示測量儀表的輸入量增量△ x 與由它引起的輸出量△ y 之間的函數(shù)關系。更確切的說，靈敏度 S等于測量儀表的指 示值增量與被測值增量之比?？捎孟率奖硎荆? 21 21 )()( xfdxdydxxdfs ???? (26) 式 26表示單位被測量的變化引起儀表輸出指示值的變化量，很顯然，靈敏度 S越高表示儀表越靈敏。 注意 ：在設計系統(tǒng)時并不是要求前端測量儀表越靈敏越好。 測量儀表的靈敏度可分為三種情況，如圖 210 所示。 210（ a）在整個測量范圍內，靈敏度保持為常數(shù)，即靈敏度 S不隨被測量變化而變化； 210（ b）靈敏度 S隨被測量（輸入值）增加而增大； 210（ c）靈敏度 S隨被測量（輸 入值）增加而減小。 圖 210 測量儀表的靈敏度 結論：線形儀表的靈敏度為常數(shù)，非線性儀表的靈敏度隨輸入量變化而變化。 （非線 性 誤差）： 當儀表的理論特性曲線為直線時，線性度用來表示實際特性曲線和理論特性曲線之間的符合程度，也稱為非線性誤差。用 LN表示為 : %100m axm ax ??? YLLN (27) 式中 ， m a xm a x )( theoact YYL ??? 是在全量程范圍內實際特性曲線 與理論特性曲線間的最大偏差值。 ： 分辨力是指測量儀表能夠檢測出被測信號最小變化量的能力。分辨力往往受噪聲的限制，所以一般用相當于噪聲電平的若干倍的被測量表示，即 kCNM? (C取 1~5） （ 28） 式中， M —— 最小檢測量； C —— 放大倍數(shù)； N —— 噪音電平； k —— 常數(shù)。 在實際中，分辨力可用測量儀表的輸出值表示，即與分辨率通用。數(shù)字式儀表的分 22 22 辨率則指末位數(shù)字所代表的 值。 為了保證檢測精度，測量儀表的分辨率應小于系統(tǒng)允許誤差的 1/3或 1/5或 1/10。 ： 儀表能檢測的最大輸入量與最小輸入量的之間的范圍稱為儀表的量程或稱測量范圍。 ： 儀表的輸入從起始量程穩(wěn)增至最大量程的測量過程稱為正行程；輸入量由最大量程減至起始量程稱為反行程。在同一輸入量時，正反兩個行程造成輸出值間的差異叫測量儀表的遲滯性，如圖 211 所示。 圖 211 滯環(huán)誤差示意圖 全量程中最大的遲滯差值△ ymax與滿量程輸出值 ymax之比叫遲滯誤差，即 %100m axm ax ??? yyE (29) 例如：系統(tǒng)的增載測試與減載測試（稱軸臺的標定）的遲滯性表現(xiàn)： ① .剛體形變的恢復過程； ② .電容的充 、 放電過程（模擬量輸入通過中加入電容就會影響系統(tǒng)的遲滯性） 。 ： 重復性通常表示在同一測量條件下，對同一數(shù)值的被測量進行重復測量時測量結果不一致程度。一致則重復性好，反之重復性就差。 重復誤差可定義為最大的重復性差值與滿量程輸出值 ymax之比，即 %100m a xm a x ??? yRR (210) ,溫漂和漂移： 傳感器無輸入（或輸入值不變）時，每隔一段時間，其輸出值偏離原示值的最大偏差與滿量程的百分比，即零漂。 溫度每升高 1176。 C，傳感器輸出值的最大偏差和滿量程的百分比，稱為溫漂。 漂移是指在規(guī)定的時間之內，當輸入不變時輸出的變化量。漂移可由零漂和溫漂引起。 ： 23 23 輸入阻抗是指儀表在輸出端接有負載時，輸入端所表現(xiàn)出來的阻抗。輸入阻抗的大小決定了信號源的衰減程度，輸入阻抗越大，則衰減越小，故一般希望輸入阻抗大 一些。 輸出阻抗是指儀表在輸入端接有信號源的情況下，輸出端所表現(xiàn)的阻抗。輸出阻抗大意味著把儀表或傳感器看成信號源時，信號源具有很大的內阻。這樣，在儀表輸出端接上負載后（如二次儀表或其他）其信號衰減較大，產生較大的負載誤差。因此一般希望儀表的輸出阻抗要小。這樣一方面可以減小負載誤差，另一方面還可以降低對二次儀表的輸入阻抗的要求。 結論：因此，我們希望輸入阻抗越大越好（對前端影響?。惠敵鲎杩乖叫≡胶茫◣ж撦d能力強）。 ： 所謂標定就是指對測量儀表輸入標準量，測得相應的指示值，然后求 得該測量儀表的 “ 常數(shù) ” 。 測量儀表常數(shù)是指測量儀表的輸入標準量與對應指示值之比： yxC N? (211) 式中， xN —— 儀表輸入標定量； y —— 儀表輸出指示值。 通過標定，知道儀表常數(shù)以后，只需要將儀表讀數(shù)或指示值與儀表常數(shù)相乘，就可以得到被測值，即 Cyx? (212) 可見，當測量儀表的特性是線性時，儀表常數(shù)正好是靈敏度的倒數(shù)，即 CS 1? 。 注意 ：如果測量儀表的特性是曲線時，標定時就不能只標定一點，而是標定很多點，并作出曲線特性。 2） 測量儀表的動態(tài)特性： 測量儀表的動態(tài)特性也稱測量儀表的動態(tài)響應。它是指當被測對象參數(shù)隨時間變化很迅速時，測量儀表的輸出指示值與輸入被測物理量之間的關系。 基本方法是通過列寫儀表的動態(tài)方程，求出傳遞函數(shù)，然后進行特性分析。 ： 設某測量儀表的傳遞函數(shù)可表 示為 1)( )()( ??? TsKsX sYsG (213) 式中， K ——