【導讀】計算機網絡測控技術是以計算機為核心部件，以通用計算機網絡為信息傳輸載體，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，一般用百分數表示，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，與被測量大小無關，因此它實質上代表一個絕對誤差的最大值。例如，量程為 1v的毫伏數，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. 系統誤差、隨機誤差與疏失誤差 誤差按其規(guī)律分為 3種，即系統誤差、隨機誤差和疏失誤差。 （ 1） 系統誤差： 系統誤差當我們對同一物理量進行多次重復測量師，如果誤差按照一定的規(guī)律出現，則把這種誤差稱為系統誤差。 系統誤差包括儀器誤差、環(huán)境誤差、讀數誤差及由于調整不良、違反超作規(guī)程所引起的誤差等。 （ 2） 隨機誤差： 隨機誤差當對某一物理量進行多次重復測量時，就會出現隨機誤差。其特點是它的出現帶有偶然性，即它的數值大小和符號都不固定，但是服從統計規(guī)律，通常呈正態(tài)分布。 引起隨機誤差的原因都是一些微小因 素，且無法控制。 對于隨機誤差，不能用簡單的修正值來校正，只能用概率和數理統計的方法來計算它出現的可能性大小。 隨機誤差具有以下特性： 1）絕對值相等、符號相反的誤差在多次重復測量中出現的可能性相等，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測量中出現的機會要多，即誤差值越小出現的機會越多。 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、計算機錯誤等。疏失錯誤 的數值一般都比較大，沒有規(guī)律性。 （ 4）系統誤差、隨機誤差、疏失誤差之間的關系： 在測量中，系統誤差、隨機誤差、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，若系統誤差很小，稱測量的準確度高；若隨機誤差很小，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果是不可取的。 3）在測量中，系統誤差與隨機誤差的數量及必須相適應。即隨機誤差很?。ū憩F為多次重復測量結果的重復性好），但系統誤差很大是不好的；反之，系統誤差很小，隨機誤差很大，同樣是不好的。只 有隨機誤差與系統誤差兩者數值相當才是可取的。 思考題 與習題 ？什么叫信號？ 二者有何區(qū)別和聯系？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？ ？什么叫隨機誤差？如何消除？ 80V電壓，現有兩塊測量儀表。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？什么叫二階系統？試分別寫出近似的傳遞函數、頻率響應函數、幅頻特性、相頻特性的表達式？ ，當受階躍信號作用時，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 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定律轉換成便于計 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、轉速等非電量轉換成電量（如電流或電壓），然后送至電子測量線路或電子儀表進行測量顯示和記錄，或送入計算機進行數據采集 ,處理和控制。 傳感器實質上是一種功能模塊，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換為電量的傳感器叫一次傳感器。把非電量轉換成另一種非電量，然后把轉換而來的非電量再轉換為電量，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分類： 根據輸出信號的性質，可分為模擬傳感器和數字傳感器兩類。 模擬傳感器輸出的是連續(xù)信號，而數字傳感器輸出的是離散信號。目前， 我們使用的大多數傳感器都屬于模擬傳感器。 當然，如果把 A/D轉換器裝在模擬傳感器中，就組成了數字傳感器。數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、頻率和數碼輸出三種。 當然，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，與測量無關的噪音也容易混入，且被檢測電路放大，所以傳感器在較強的噪音干擾下工作時會影響測量結果。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的影響很大。一般希望精度越高越好，但應 考慮其經濟性，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，可根據民用 ,工業(yè)，軍用的不同要求考慮對精度的要求）。 （ 4）結構簡單，工作可靠。 4. 傳感器的選用原則 設計一個測控系統，首先要考慮的是對傳感器的選擇，其選擇正確與否直接關系到測控的成敗。 選擇合適的傳感器是一個比較復雜的問題，一般注意以下幾點： （ 1）根據檢測信號，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 :對機床主軸的回轉誤差的測量，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（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）傳感器頻率響應特性的選擇。 傳感器的頻率響應特性必須覆蓋被測信號的帶寬，傳感器的響應延遲時間越短越好。 通常利用光纖、光電、壓電 、壓阻等傳感器，響應時間短，測量范圍寬，而電感、電容、電磁感應、電位器等傳感器等，由于受其結構的影響，機械系統慣性大，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)生變化的性質稱為穩(wěn)定性。傳感器的穩(wěn)定時間越長，當然就越好。 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，超過使用期應及時進行標定。 （ 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，應選用重復精度高的傳感器，不宜選擇絕對量值精度高的；若為了做定量分析，需獲得準確的測量值，就應選擇精度等級高的傳感器。 例如，精密切削機床，對其運動的定位、主軸回轉運動誤差、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 隨著科學技術的發(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、學習能力和創(chuàng)造能力的傳感器。 167。 壓力傳感器 1. 應變式壓力傳感器 （ 1） 應變式壓力傳感器的特點： 結構簡單、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中得到廣泛的應用。 （ 2） 應變式壓力傳感器的工作原理： 38 38 應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變片將應變轉換成電壓輸出。 應變式壓力傳感器的結構圖如圖 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電阻應變片 當被測壓力 Px作用在膜片上時，使彈性筒軸向向內壓縮，其應變 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 —— 彈性圓筒的內半徑， m ； E —— 彈性圓筒的彈性模量， Pa； ε —— 軸向壓縮應變 ,微應變。 由式 31可知，應變ε直接反映了壓力的大小，而此應變ε由貼在筒壁上的應變片測量。這里 R1為工作片 ,如圖 32（ b)， R2為溫度補償片，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 應變式壓力傳感器根據其工藝及應用場合不同可以有 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。 （ 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介電系數的微小變化轉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 的關系由膜片構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構示意圖 1—— 固定支撐； 2—— 平模板； 3—— 固定電極 當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的關系式如下：