(自动控制原理)第三章

第3章建筑设备自动化中的监控设备3.1传感器与变送器3.2控制器3.3执行器3.4调节阀的选择与计算传感器专篇（增）一、非电量与非电量测量二、非电量电测系统转换电路物理信息化学信息生物信息电信号光信号敏感元件传感器传感器概述感知外界信息大脑肌体人体系统和机器系统比较眼（视觉）耳（听觉）鼻（嗅觉）皮肤（触觉）舌（味觉）传感器是一个汇聚物理、化学、材料、电子、生物工程等多类型交叉学科，涉及传感检测原理、传感器件设计、传感器开发与应用的综合技术。传感器技术是构成现代信息技术三大支柱之一。传感器的应用领域一、传感器技术发展的重要性二、传感器的应用领域现在我们的身边大量地使用着各种各样的传感器日常生活中几种常见的传感器1.温度传感器2.红外线传感器3.压力传感器4.生物传感器除以上介绍的以外,生活中还有气体传感器,味觉传感器，声音传感器等电梯温度计,空调机,电冰箱,电饭煲遥控器,红外计数器,红外测温仪,..血糖仪,电子秤1、传感器在工业检测和自动控制系统中的应用超声波检测电容指纹识别智能建筑降低能耗提高操作者工作效率提高楼宇内部舒适程度提供高效的设备管理手段监控软件缩短投资回收周期降低培训成本第一章传感器概述这种遥控器所利用的是一种肉眼看不见的红外光，又称为红外线。电视机的遥控器中就是使用着光学传感器。肉眼看不见2、传感器与家用电器这种麦克风是一种将声音信号转换为电信号的传感器。唱卡拉OK时使用的麦克风，也是一种传感器。透光率传感器温湿度传感器温度传感器感应水龙头电子门R1aR2uoUcc+R3Rt功放b温控室A+-uo1加热元件这种温度室是一种将温度变化转换为电信号的传感器。火灾报警器机械鼠标的内部结构3、汽车与传感器汽车气囊的保护作用使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。辅助泊车传感器双声纳间隙检测声纳后声纳电源指示转向指示间隙警告ECU间隙检测声纳集成开关面板[多功能信息显示][多功能显示]侦测栅主要功能是判断正前方及侧前方的障碍物定位、地理信息汽车行驶速度测量4、传感器在机器人上的应用触觉能力：主要指确定工作对象是否存在，以及它的尺寸大小和形状等。接近觉：主要用于探测机器人自身与周围物体之间相对位置或距离的传感器。接近觉界于触觉与视觉之间。视觉：孔、边、拐角的检测及工作对象形状的检测等。压觉：主要用于检测机器人与作业对象之间接触面的法向压力值的大小。滑觉：主要用于检测物体因自重相对于机器人手爪的滑移量的大小。HumanwithSensors弧焊机器人弧焊机器人喷漆机器人装配机器人5、传感器在医疗及人体医学上的应用医用传感器，是应用于生物医学领域的那一部分传感器，它所拾取的信息是人体的生理信息，而它的输出常以电信号来表现。人体生理信息有电信息和非电信息两大类，从分布来说有体内的（如血压等各类压力），也有体表的（如心电等各类生物电)和体外的(如红外、生物磁等）传感器还渗透到海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。血压测定方法和输出的结果航空航天宇宙飞船飞行的速度、加速度、位置、姿态、温度、气压、磁场、振动测量；“阿波罗10”飞船对3295个参数进行检测，其中：温度传感器559个压力传感器140个信号传感器501个遥控传感器142个整个宇宙飞船就是高性能传感器的集合体智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能衣服（自动调节温度）智能公路（自动显示、记录公路压力、温度、车流量）智能汽车（无人驾驶、卫星定位）未来世界6、传感器与航空及航天传感器的发展方向1.高精度2.小型化3.集成化4.数字化5.智能化异想天开：如果发现了一种敏感元件可以感受人的情感变化．比如能感受人的喜，怒，哀,乐．同学们你们想想能用这种元件做什么？可以给人类带来什么样的方便？一、传感器的定义传感器（Transducer/Sensor）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。定义包含的意思：①传感器是测量装置，能完成检测任务；②它的输入量是某一种被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。③它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等等，这种量不一定是电量，还可以是气压、光强等物理量，但主要是电物理量；④输出与输入之间有确定的对应关系，且能达到一定的精度。传感器概述输出量为电量的传感器，一般由敏感元件、传感元件、信号调节与转换电路三部分组成。敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。传感元件：将敏感元件的输出转换成为电量输出。有时敏感元件和传感元件的功能是由一个元件（敏感元件）实现的。信号调节与转换电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路敏感元件信号调节与转换电路传感元件被测量中间量输出电量传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。二、传感器的分类非电学量→传感器→电学量角度位移速度压力温度湿度声强光照磁场传感器电压电流电阻电容1．按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩磁电式，热电式，机械式，电气式，光学式，流体式等。2．按工作原理分类:切削力测量应变片能量转换型和能量控制型.3．按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.4．按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.5．按输出电信号类型分类根据传感器输出电信号的类型不同，可以分为：模拟量传感器数字量传感器开关量传感器。如：接近开关是一种采用非接触式检测、输出开关量的传感器（电磁门禁）。三、传感器的静态特性和动态特性传感器的基本特性：传感器的输入－输出关系特性。是传感器内部结构参数作用关系的外部表现。输入信号分为：稳态、动态对应传感器特性：静态特性、动态特性对传感器的要求：高精度－＞信号（或能量）无失真转换－＞反映被测量的原始特征一、传感器的静态特性传感器的静态特性是指在稳态条件下（传感器无暂态分量）用分析或实验方法所确定的输入—输出关系。这种关系可依不同情况，用函数或曲线表示，有时也用数据表格来表示。四、传感器的常规技术指标1.性能指标2.实用与经济指标1.性能指标1)量程(Span)：标称范围两极限之差的模。2)重复性(Repeatability)：在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。3)准确度等级(AccuracyClass)：符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别。4)灵敏度(Sensitivity)：测量仪器响应的变化除以对应的激励变化。5)漂移(Drift)：测量仪器计量特性的慢变化。6)响应时间(ResponseTime)：激励受到规定突变的瞬间，与响应达到并保持其最终稳定值在规定极度限内的瞬间，这两者之间的时间间隔即是响应时间。7)响应特性(ResponseCharacteristic)：在确定条件下，激励与对应响应之间的关系，如热电阻的电阻值与温度的函数关系。2.实用与经济指标1)造价：造价应该包括电源、转换器、信号调节器及连接电缆。2)维护:任何专门的维护和重新标定都要求涉及额外的人力和费用。3)兼容性：与其他的元件和标准具有可操作性和可互换性。4)环境；可经受住苛刻或危险环境的能力。5)干扰：对环境造成(如电磁波或准稳定电磁场)的敏感度。练习:1.下列器件中没有使用温度传感器的是()A.空调B.电冰箱C.电子秤D.电饭煲C作业：了解家中的用电器，哪些使用了传感器？各属于什么传感器？3.1.1热电偶温度传感器1.接触电势：两块不同的金属导体A和B相互接触，由于金属的费米能级不同，相互接触时发生电子交换，达到平衡后，两块金属中产生接触电势差。接触电势：BAABNNektTEln)(2.温差电势：单一导体两端由于温度不同而在其两端产生的电势为温差电势，又称汤姆逊电势。这是因为高温端自由电子的动能大于低温端自由电子的动能，高温端自由电子扩散速率高于低温端自由电子的扩散速率，从而在导体两端形成电位差。温差电势：dTTTETTAA0),(0dTNNeTTkTTETTETETETTETTBABABAABABAB0)(ln)()],(),([)]()([),(00000温度不能显著改变自由电子的浓度，所以，在一种金属中温差电势极小，可以忽略。而起决定性的是接触电势。有：回路中的总电势随着T和T0的变化而变化，但在使用时，总电势随两个参数变化很不方便，因此，经常令T0为常熟，有：)()()()(),(000TETETETETTEBAABABABAB)()()()(),(00TCTfTfTETTEABAB通常令T0为0℃，即把一端放入冰水中，保持不变。热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。其中铂电阻和铜电阻是国际电工委员会推荐的。3.1.2热电阻温度传感器Pt100常用铂电阻具有很好的稳定性、测量精度及测量宽度，但温度系数较小。铂电阻的阻值与温度之间的关系接近线性，在0~850℃可用式：)1(20BtAtRRttR——温度为t℃是的阻值，Ω;0R——温度为0℃是的阻值，Ω;铂电阻的阻值与温度之间的关系接近线性，在-200~0℃可用式))100(1(320ttCBtAtRRt如果热电阻的探头和变送器没做在一起，而且相距较远，他们之间的连接方式有：二线制、三线制和四线制。132)()(RrRRrRtrRrRRRRRrRRrRRt212132213电桥平衡时：若：R1=R2，就消除了引线的电阻影响。或者采用四线制，即热电阻的两端各用两根线接到电位差计上，通过电位差计的U，恒流电流I，可以得到电阻Rt。3.1传感器与变送器变送器（transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。对于直接把被测量转换成电压信号的敏感原件，不必用变送器，如热电偶。反馈部分Kf放大器K测量部分Ki零点迁移零点调整图1.3模拟式变送器的构成示意图3.1传感器与变送器在测量时，不能直接转换为电压的一般采用直流电桥或交流电桥的方式转换为电信号。如热电阻采用四边形直流电桥：当输出端接阻抗比较高的放大器时，电桥输出端电流为零，此时有：)R(4411的电流通过RRVIi)R(3322的电流通过RRVIiibcVRRRRI41111V可以求出bc和dc之间的电位差：idcVRRRRI32222V输出电压为：iiibcdcVRRRRRRRRVRRRVRRR))((VVV324131424113220若要是电桥输出电压为零（电桥平衡）：需满足：3142RRRR变送器信号调整部分由：放大器、反馈电路和调零与零点迁移电路组成。被测参数X转换成放大器可以接受的信号Zi，放大，反馈电路把变送器输出的Y变成反馈信号Zf,在把调零与零点迁移电路产生的信号Z0一同放入放大器进行比较，其差值由放大器进行放大，并转换为标准信号Y输出。反馈部分Kf放大器K测量部分Ki零点迁移零点调整图1.3模拟式变送器的构成示意图变送器的输入输出关系：)(10ZXKKKKYif上式可改写为：ffiKKKZXKKKKY110当KKf1时：上式为ff