1、第四课 传 感 技 术在线监测的基本框架:温 热 直光 光 直机 超 交放 罗 交气 气 电位 电 电液 电 电厚 厚 频传感器工作原理： 放 大 、 变 换测 量 环 境被 测 信 号 检 出 器狭 义 传 感 器 信 号 预 处 理 部 分广 义 传 感 器 输 出输 入 匹 配传感器的特性:理想传感器 y = kx 非线性传感器 y = f(x)f(x) 通常是单调的. 实际传感器 y = f ( x , N )N 为环境变量，包括温度、湿度、振动、大气情况等。传感器在任一基准状态（x 0 , N0）处的变化 ffy 传感器灵敏度),(0NxFfS 传感器的漂移 fy0传感器的静态特性：
2、静态特性表示传感器在输入量处于稳定状态时的输出-输入关系。 环境要求 可测量范围 线性度 迟滞效应 输出特性 分辨率 稳定性 静态误差使用环境要求 温度范围 湿度范围 海拔高度或大气压 振动可测量范围任何传感器都有其相应的测量范围：如果超过传感器的上限 xH 响应的线性性变差 传感器损坏如果低于传感器的下限 xL 低于噪声或误差限制，y f(x)线性度灵敏度 S=dy/dx 线性传感器灵敏度 S 不随输入 x 变化。线性度 oyxFSm max%10maxFSLyeoyx(a)oyx(b)oyx(c) (d)oyx1. 理论直线法以零点 O 作为理论直线的零点，满量程输出100%作为终点。所以
3、理论直线与实际测试点无关。优点简单、方便，但通常 Lmax 很大。 oyFSxm maxL2. 端点直线法将传感器校准数据的零点输出平均值和满量程输出平均值的连线作为拟合直线。直线方程为:y = kx + b方法简单， Lmax 相对较小。 mHLxoyFSxm maxL3. 最佳直线法使所选拟合直线相对于实际输出特性的最大正偏差等于最大负偏差。 %102maxaxFSLyLeoyx maxLax4. 最小二乘直线法按最小二乘法原理求取拟合曲线，该拟合结果能保证传感器的校准数据的残差平方和最小。假设传感器校准数据为 yi（i =1,2, ,n） ，而拟合直线方程为 y = kx + b， 则相
4、应残差为)(kxiii由于最小二乘法原理要求 最小，故有 ni120)()(1212niiiniiibkxyb据此即可确定拟合直线的参数， 2222)()(ii ii iixnyyxbnk通常情况下，推荐使用最小二乘法。迟滞效应迟滞效应表示在输入值增长（正行程）或减小（逆行程）过程中，统一输入量得到不同的输出。迟滞大小通常由实验确定：H=(yH)max / yFS *100% oyx max)(hy输出特性传感器的输出特性主要参数为输出阻抗 ZOZO= 输出开路电压 / 输出短路电流 输出阻抗是衡量传感器带负载能力的重要参数，一般要求输出阻抗越小越好。 分辨率分辨率指传感器在规定测量范围内所能
5、检测出被测输入量的最小相对变化。阈值 xmin 指传感器输出%10)(minx端产生可测变化量的最小被测输入量。 非线性“死区” min)(xoyxm 噪声水平稳定性稳定性指传感器在长时间内保持原有性能的能力。漂移 y =f ( x, t ,T ) t 时间 T 温度漂移的指标 零点漂移 灵敏度漂移静态误差是评价传感器静态特性的综合指标，指传感器在满量程内，任一点输出值相对其理论值的可能偏离程度。1. 误差合成将非线性误差 eL、滞后误差 eH 和重复性误差 eR 进行综合。代数法 )(RHLse几何法 )(22RLse2. 统计法将系统误差与随机误差进行综合。系统误差的极限值( y)max
6、为实测曲线相对拟合直线的最大偏差。随机误差以标准偏差的形式给出，标准偏差 1)(2Pyii综合静态误差 %10)(maxFSsye传感器动态特性由于传感器总存在惯性、阻尼等因素，使传感器的输出不仅与输入量有关，而且与输入量的变化速度和加速度有关。y = f ( x , N ) = y ( t )= f x( t ), N( t ) 动态模型 传递函数 传感器无失真检测条件动态模型 传感器简化为线性常系数时不变系统，因此传感器具有以下两个重要特性： 可加性nini tytx11)()(因此，分析线性时不变系统时，总是可以将复杂的激励信号分解成若干简单的激励。 频率保持特性当线性时不变系统的输入为
7、某一频率时，则系统的稳态响应也为同频信号。传感器的动态模型 nndtyatdtya110 mmtxbttxb110系数 a0, a1, , an 和 b0, b1, , bn 均与传感器的结构有关传递函数 如果 y(t)是时间变量 t 的函数，并且当 t 0时，y(t) =0，则函数 y(t)的拉普拉斯变换 Y(S)的定义为0detSYS传感器的动态模型的拉氏变换 )(110 nnSaa1mmbSbX传感器的传递函数 nnmmSaSabbXYtxLythH110)()(X nnmm110 Y动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性，我们总是希望传感器的输出量随时间的变化关系能够完全复现
8、输入量随时间的变化关系。 实际的被测信号是多种多样的，无法一一模仿。工程上通常采用标准信号函数的方法来评定传感器的动态特性指标。任 意 信 号 都 可 通 过 傅 立 叶 变 换分 解 成 各 次 谐 波 来 分 析 。主 要用 于 分 析 系 统 的 频 率 特 性 ，称阶 跃 信 号 是 瞬 间 突 变 信 号 ，是测 试 信 号 中 最 难 以 复 现 的 一 种，主 要 用 于 分 析 系 统 的 时 域 特正阶标1. 传感器的频率响应特性当输入信号为正弦时，且传感器是稳定的则可用 j 代替传感器传递函数 H(s)中的变量 s。 0 1101)( )()()()()(dtetxy ja
9、jjabbbjXYjHjtj nnmm因此，可将 H( j )定义为传感器的频率响应特性 jeAjj )(（1 ）幅频特性:增益 A 传感器对检测信号的放大或衰减倍率。 带宽 传感器的增益保持在一定值上的频率范围。时间常数 ：一阶传感器特征量， 越小，频带越宽。 固有频率 0：二阶传感器特征量。（2 ）相频特性 2. 传感器的瞬态响应特性过 调 量 （过 冲 ）：第 一 次 超 过 稳 定 值 出 现 的 最 大 偏 差 。xtiybarssto上 升 时 间 由 稳 定 值 的10%到90%所 需 时 间响 应 时 间 由 开 始 输 入 到 输 出 稳 定 所 需 的 时 间衰 减 度 振
10、 荡 幅 值 衰 减 的 速 度传感器无失真检测条件 如果传感器的输出 y ( t )和 x ( t ) 输入满足以下关系)()0txAtyA0 和 0 为常数，则输出波形无失真的复现输入波形。)()(0jXejYj 0)(jeAjXYjH即 A() = A0 = 常数 () = - 0 传感器无失真条件为：幅频特性应当是常数；相频特性应当是线性关系。传 感 器 基 本 性 能 指 标信号预处理方法: 抑峰信滤抑制漂移 传感器输出 Rx=kx+R0x 为输入信号, k 为比例系数，Rx 为输出电阻，R0 为 x=0 时输出电阻 系统输出电压 EVox1x=0 时的零位电压 R10)(传感器的校
11、准传感器校准：是指在明确传感器输入与输出关系的前提下，利用标准仪器对传感器进行标定。 利用标准仪器产生的已知量作为被标定传感器的输入，将传感器的输出与标准量做比较，即可了解传感器的性能。 传感器校准测试条件：温度 20 + 5 C ；标准大气压 101.3 + 8kPa ；相对湿度不大于 85% ；无震动、冲击和加速度。标 准 仪 器 的 精 度 等 级 确 定国基 允一一 +二二 +三三 +工 测 + 传感器特性标定步骤 1.将传感器全量程（测量范围）分成若干等间隔点。 2.根据传感器量程分点情况，由小到大逐一输入标准量值，并记录相应的输出值。 3.将输入值再由大到小逐点减小，同时记录相应的
12、输出。 4.按（2 ） 、 （3） ，对传感器进行正、反行程反复循环多次测试。 5.对测试数据进行必要处理，确定传感器的线性度、灵敏度和迟滞等特性。 在线监测用传感器的特殊要求 非接触性：测量系统不能影响一次系统的运行。 强的抗干扰性 对环境的耐受性。 高的可靠性 罗可夫斯基线圈型电流传感器在线检测中罗可夫斯基线圈型电流传感器用于测量包含丰富频率成分的局部放电脉冲电流，以及工频小电流。 由于这种传感器是通过磁耦合来感应被测设备中的电流信号的，没有电气上的直接联系，非常适用于在线监测的情况。被测电流 i1(t)通过导线时，线圈产生感应电势 dtiMte)()(1lwS可见， e(t)与被测电流的
13、变化率成正比，对 e(t)进行积分，即可得到被测电流信号。依据加入的积分环节不同，构成两种不同类型的传感器：外积分型和自积分型。 因此，外积分线圈是选频型电流传感器，电路的谐振频率 f0 即为传感器的中心频率 。灵敏度与互感 M 成正比，与外接电容及回路电阻成反比，为提高外积分型传感器的灵敏度，可使外接电阻 R = 0 。 厚度传感器:接触式厚度传感器 通常采用电感式位移传感器、电容式位移传感器、电位器式位移传感器、霍耳式位移传感器等（见位移传感器）进行接触式厚度测量。 非接触式厚度传感器 适于连续快速测量，按工作原理可分为电涡流厚度传感器、磁性厚度传感器、电容厚度传感器、超声波厚度传感器、核辐射厚度传感器、X 射线厚度传感器、微波厚度传感器等。
