【導(dǎo)讀】計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)是以計算機(jī)為核心部件，以通用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸載體，他既能完成較高層次。信號的自動化檢測，又能完成遠(yuǎn)距離的信號傳輸及多種智能控制作用。

　　

【正文】 在實際測量中，由于被測值得真實值 L是不知道的，這使得按上式定義計算出相對誤差很不方便。因此實際測量時，都是用測量值 X近似代替真實值 L進(jìn)行計算，即 %100%100 ?????? XL? （ 225） 由于測量值與真實值很相近，因此用上式計算的近似程度很高。 （ 3） 引用誤差： 引用誤差是指直讀式指針儀表中通用的一種誤差表示方法。它是測量的絕對 誤差與儀表的滿量程之比，一般用百分?jǐn)?shù)表示，即 33 33 %100??? A? （ 226） 式中，γ —— 引用誤差； △ —— 絕對誤差； A —— 儀表的滿量程。 3. 測量儀表的精確等級（傳感器的精確等級） 儀表精度等級時根據(jù)引用誤差來確定的。 國家規(guī)定電工儀表精確度等級分為 ， ， ， ， ， ， 。例如， 177。 ％； 差的最大值不超過177。 ％等。對于工業(yè)自動化儀表的精確度也有和電工儀表相類似的規(guī)定，工業(yè)自動化儀表的精度一般在 ～ 。 引用誤差從形式上看像相對誤差，但是對某一具體儀表來說，由于其分母（滿量程）A 是一個常數(shù)，與被測量大小無關(guān)，因此它實質(zhì)上代表一個絕對誤差的最大值。例如，量程為 1v的毫伏數(shù)，精度為 ，即 %%10 0 ???? A? ，從這個式子可得 mV50% ???? 這說明無論只是在時刻的哪一點，其最大絕對誤差不超過 50mV。但各點的相對誤差是 不同的。 4. 系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差與疏失誤差 誤差按其規(guī)律分為 3種，即系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏失誤差。 （ 1） 系統(tǒng)誤差： 系統(tǒng)誤差當(dāng)我們對同一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量師，如果誤差按照一定的規(guī)律出現(xiàn)，則把這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。 系統(tǒng)誤差包括儀器誤差、環(huán)境誤差、讀數(shù)誤差及由于調(diào)整不良、違反超作規(guī)程所引起的誤差等。 （ 2） 隨機(jī)誤差： 隨機(jī)誤差當(dāng)對某一物理量進(jìn)行多次重復(fù)測量時，就會出現(xiàn)隨機(jī)誤差。其特點是它的出現(xiàn)帶有偶然性，即它的數(shù)值大小和符號都不固定，但是服從統(tǒng)計規(guī)律，通常呈正態(tài)分布。 引起隨機(jī)誤差的原因都是一些微小因 素，且無法控制。 對于隨機(jī)誤差，不能用簡單的修正值來校正，只能用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法來計算它出現(xiàn)的可能性大小。 隨機(jī)誤差具有以下特性： 1）絕對值相等、符號相反的誤差在多次重復(fù)測量中出現(xiàn)的可能性相等，即有可能誤差相互抵消掉了； 2）在一定測量條件下，誤差的絕對值不會超出某一限度； 3）絕對值小的誤差要比絕對值大的誤差在多次重復(fù)測量中出現(xiàn)的機(jī)會要多，即誤差值越小出現(xiàn)的機(jī)會越多。 34 34 （ 3）疏失誤差： 疏失誤差是由于測量者在測量時的疏忽大意而造成的。例如，儀表指示值被讀錯、記錯，儀表操作錯誤、計算機(jī)錯誤等。疏失錯誤 的數(shù)值一般都比較大，沒有規(guī)律性。 （ 4）系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、疏失誤差之間的關(guān)系： 在測量中，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、疏失誤差三者同時存在，但是它們對測量的影響不同。 1）在測量中，若系統(tǒng)誤差很小，稱測量的準(zhǔn)確度高；若隨機(jī)誤差很小，稱測量的精密度很高；若二者都很小，稱測量的精確度很高。 2）在工程測量中，有疏失誤差的測量結(jié)果是不可取的。 3）在測量中，系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的數(shù)量及必須相適應(yīng)。即隨機(jī)誤差很?。ū憩F(xiàn)為多次重復(fù)測量結(jié)果的重復(fù)性好），但系統(tǒng)誤差很大是不好的；反之，系統(tǒng)誤差很小，隨機(jī)誤差很大，同樣是不好的。只 有隨機(jī)誤差與系統(tǒng)誤差兩者數(shù)值相當(dāng)才是可取的。 思考題 與習(xí)題 ？什么叫信號？ 二者有何區(qū)別和聯(lián)系？并舉例說明。 ？什么叫測量儀表的動態(tài)特性？ ？常用的有哪些處理方法？各有什么特點？ ？各部分的主要功能是什么？ ？什么叫隨機(jī)誤差？如何消除？ 80V電壓，現(xiàn)有兩塊測量儀表。一塊量程為 300V，精度為 ；另一塊量程為 100V，精度為 ，試問選用哪一塊儀表的測量精度較高？ 么叫一階系統(tǒng)？什么叫二階系統(tǒng)？試分別寫出近似的傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性、相頻特性的表達(dá)式？ ，當(dāng)受階躍信號作用時，在 t=0時，輸入為 100mV； t→∞時，輸出為 100mV； t=5s時，輸出為 50mV。試求該傳感器的時間常數(shù) T。 、相對誤差、引用誤差的作用和意義。 ？各有何特點？ 35 35 第 3章 信號檢測傳感器 167。 概述 信號檢測傳感器又簡稱為探頭或傳感器。它是用來將被檢測的非電量信號，按照一定的物理或化學(xué)定律轉(zhuǎn)換成便于計 算、傳輸、存儲和處理的電信號的一種器件。 1. 傳感器的作用 傳感器是用來將諸如溫度、壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速等非電量轉(zhuǎn)換成電量（如電流或電壓），然后送至電子測量線路或電子儀表進(jìn)行測量顯示和記錄，或送入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ,處理和控制。 傳感器實質(zhì)上是一種功能模塊，是一種感受和傳遞信息的元件，是一種獲得信息的手段。其功能如圖 3－ 1所示。 2. 傳感器的分類 傳感器因種類繁多，通常有各種不同的分類方法。 （ 1） 按輸入的物理量分類： 可分為壓力傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。 這種分類方法因容易理解，故常常被采用。 （ 2） 按信號轉(zhuǎn)換類型分類： 可分為一次傳感器和二次傳感器。 能夠直接把非電量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器叫一次傳感器。把非電量轉(zhuǎn)換成另一種非電量，然后把轉(zhuǎn)換而來的非電量再轉(zhuǎn)換為電量，這種傳感器稱為二次傳感器。 例如，先將氣體壓力轉(zhuǎn)換為位移，帶動電位器觸頭，或電感的鐵心，或電容的極板，然后輸出一個電信號，這就是一種二次傳感器。 （ 3） 按輸出信號的的性質(zhì)分類： 根據(jù)輸出信號的性質(zhì)，可分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器兩類。 模擬傳感器輸出的是連續(xù)信號，而數(shù)字傳感器輸出的是離散信號。目前， 我們使用的大多數(shù)傳感器都屬于模擬傳感器。 當(dāng)然，如果把 A/D轉(zhuǎn)換器裝在模擬傳感器中，就組成了數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器具有以下優(yōu)點： 傳感器外界信號電信號圖 3 1 信號檢測傳感器功能圖 36 36 ； ； 。 目前，這種傳感器可分為脈沖、頻率和數(shù)碼輸出三種。 當(dāng)然，還有其他的分類方法，這里就不一一介紹了。 3. 對傳感器的基本要求 傳感器是檢測系統(tǒng)中的一個重要器件，其性能直接影響測量和控制效果。為此，對傳感器提出如下基本要求。 （ 1）線性度要好： 線性度是指在穩(wěn)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直 線間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比。 線性范圍越寬，其工作量程越大。但是傳感器不能做到絕對線性，它常常在近視線性區(qū)域工作。 （ 2）靈敏度要高： 一般講，傳感器的靈敏度越高越好。但是 ,靈敏度很高時，與測量無關(guān)的噪音也容易混入，且被檢測電路放大，所以傳感器在較強(qiáng)的噪音干擾下工作時會影響測量結(jié)果。因此要求傳感器既能檢測到微小的量值，又要噪音小，即要求傳感器的信噪比越大越好。 （ 3）精度高和穩(wěn)定性好： 因為傳感器是一次儀表，因此傳感器能否真實的反映被測量，對整個檢測和控制系統(tǒng)的影響很大。一般希望精度越高越好，但應(yīng) 考慮其經(jīng)濟(jì)性，同時還要求傳感器在使用條件下穩(wěn)定工作。（對于精度的選擇，可根據(jù)民用 ,工業(yè)，軍用的不同要求考慮對精度的要求）。 （ 4）結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 4. 傳感器的選用原則 設(shè)計一個測控系統(tǒng)，首先要考慮的是對傳感器的選擇，其選擇正確與否直接關(guān)系到測控的成敗。 選擇合適的傳感器是一個比較復(fù)雜的問題，一般注意以下幾點： （ 1）根據(jù)檢測信號，確定檢測方式和傳感器類型。例如是位移測量、還是速度、加速度、力的測量，再確定傳感器的類型。 （ 2）要分析檢測環(huán)境和干擾因素。如檢測環(huán)境是否有磁場、電場、溫度、濕度的干擾，根 據(jù)對環(huán)境的了解再選擇一個能夠有效抗干擾的傳感器。例如 :感應(yīng)同步器對環(huán)境的要求不高，而光柵傳感器對環(huán)境要求很高。 （ 3）根據(jù)檢測的范圍確定采用什么樣的傳感器。 例如 :位移測量，要分析是小位移測量還是大位移測量。若是小位移測量，是加工誤差的測量，還是工件誤差的測量，是振動還是非振動，則有相應(yīng)的電感傳感器、電容傳感器、霍爾傳感器等供選擇；若是大位移測量，有感應(yīng)同步器、光柵傳感器等供選擇。 （ 4）確定檢測方式。在檢測過程中，是采用接觸式還是非接觸式測量法。例如 :對機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)誤差的測量，就必須采用非接觸式測量。 37 37 （ 5）要考慮傳感器的體積，在被測位置是否能安裝下，傳感器的來源、價格等因素?？紤]到上述問題后，就能確定采用什么類型的傳感器。 （ 6）傳感器靈敏度的選擇。一般選擇信噪比高的傳感器，這樣才能保證傳感器靈敏度在測量范圍內(nèi)（即線性范圍）保持不變。 例如 :傳感器的靈敏度具有方向性的，當(dāng)被檢測量是單向時，就選擇橫向靈敏度小的傳感器；若被檢測量是多維的，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。 （ 7）傳感器頻率響應(yīng)特性的選擇。 傳感器的頻率響應(yīng)特性必須覆蓋被測信號的帶寬，傳感器的響應(yīng)延遲時間越短越好。 通常利用光纖、光電、壓電 、壓阻等傳感器，響應(yīng)時間短，測量范圍寬，而電感、電容、電磁感應(yīng)、電位器等傳感器等，由于受其結(jié)構(gòu)的影響，機(jī)械系統(tǒng)慣性大，自然頻率低，測量范圍窄。 （ 8）穩(wěn)定性的選擇。 傳感器在使用一段時候后，其性能不發(fā)生變化的性質(zhì)稱為穩(wěn)定性。傳感器的穩(wěn)定時間越長，當(dāng)然就越好。 例如，天然石英晶體制成的壓電式傳感器比用壓電陶瓷制作的要好。 傳感器的穩(wěn)定性有定量的指標(biāo)，超過使用期應(yīng)及時進(jìn)行標(biāo)定。 （ 9）傳感器的精度選擇。 傳感器的精度是保證整個檢測系統(tǒng)精度的必要條件。選擇傳感器的精度要與后續(xù)檢測環(huán)節(jié)相匹配，這樣才能滿足檢測要求。 若檢測是做定性的分析，應(yīng)選用重復(fù)精度高的傳感器，不宜選擇絕對量值精度高的；若為了做定量分析，需獲得準(zhǔn)確的測量值，就應(yīng)選擇精度等級高的傳感器。 例如，精密切削機(jī)床，對其運動的定位、主軸回轉(zhuǎn)運動誤差、振動及形變等，往往要求測量精度在 ，此時必須選用高精度的傳感器。 5. 傳感器的開發(fā)方向 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對傳感器的要求也越來越高。目前的傳感器正在向集成化、多功能化和智能化的方向發(fā)展。所謂智能傳感器就是具有判斷能力、學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造能力的傳感器。 167。 壓力傳感器 1. 應(yīng)變式壓力傳感器 （ 1） 應(yīng)變式壓力傳感器的特點： 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、精度高、線性度好、靈敏度高等優(yōu)點，目前在壓力測量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。 （ 2） 應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理： 38 38 應(yīng)變式壓力傳感器采用壓力彈性膜片和圓筒組合作為壓力敏感元件，在被測壓力作用下，圓筒發(fā)生形變，通過粘貼在彈性圓筒表面的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電壓輸出。 應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖 32(a)所示。彈性筒 2的上端與外殼 3固定在一起，它的下端與不銹鋼雙垂線膜片緊密切合，應(yīng)變片 4和 5分別沿軸向和圓周方向粘貼在彈性筒的外壁上，其電阻分別為 R1和 R2。 （ a） （ b） 圖 32 應(yīng)變式壓力傳感器 1雙垂直線膜片； 2彈性圓筒； 3外殼 ； 4， 5電阻應(yīng)變片 當(dāng)被測壓力 Px作用在膜片上時，使彈性筒軸向向內(nèi)壓縮，其應(yīng)變 62122 10)( ??? ErrP xS?? (31) 式中， S —— 膜片的有效作用面積， 2m ； r2 —— 彈性圓筒的外半徑， m ； r1 —— 彈性圓筒的內(nèi)半徑， m ； E —— 彈性圓筒的彈性模量， Pa； ε —— 軸向壓縮應(yīng)變 ,微應(yīng)變。 由式 31可知，應(yīng)變ε直接反映了壓力的大小，而此應(yīng)變ε由貼在筒壁上的應(yīng)變片測量。這里 R1為工作片 ,如圖 32（ b)， R2為溫度補(bǔ)償片，它們與另外兩個固定電阻 R3，R4 組成電橋，這樣就將被測 壓力轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓 UD輸出。 (注：對于一個壓力傳感器一般有四個引腳） U —— 支流拱橋電壓； UD —— 輸出電壓信號 應(yīng)變式壓力傳感器根據(jù)其工藝及應(yīng)用場合不同可以有 S型、懸臂梁式、輪輻式等。 2. 電容式壓力傳感器 電容式傳感器不僅可以用來測量壓力，而且還可以用來測量位移、角度、厚度、振動等參數(shù)。 （ 1） 工作原理： 它是將被測工件尺寸的微小變化或被測工件間電容介質(zhì)介電系數(shù)的微小變化轉(zhuǎn)換成電容量或容抗量的變化，然后通過一定的檢測電路 , 再將電容或容抗的變化以一定的電信號的形式反映出來，從而實現(xiàn)非電量 檢測的目的。 39 39 電容式傳感器感受的是壓力信號，輸出的是電容的變化量。 電容式壓力傳感器通常采用平膜片作為壓力敏感元件。當(dāng)周邊剛性固定的平膜片受均勻壓力 Px作用時，膜片中心位移與被測壓力 Px 的關(guān)系由膜片構(gòu)成的電容式壓力傳感器如圖 33所示。膜片既是壓力敏感元件，又是與固定電極構(gòu)成可變電容器的動電極。膜片受被測壓力 Px的作用。 圖 3－ 3 電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 1—— 固定支撐； 2—— 平模板； 3—— 固定電極 當(dāng)周邊剛性固定的平膜片受均勻壓力 Px作用時，膜片 中心位移與被測壓力 Px的關(guān)系式如下：