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传感器基础介绍
作者:管理员    发布于:2014-03-19 13:39:24    文字:【】【】【

传 感 器 与 变 送 器


传 感 器:
    传感器不但对被测变量敏感,而且具有把它对被测变量的响应传送出去的功能。由于电信号最便于远传,大多数传感器的输出响应是电量的形式(如电压、电流、电容、频率等),也有压力或光导纤维传送信息等。总之,传感器的输出物理量,形式及其数值范围没有限制,便于传送,易于接收,满足科研或生产的应用即可。
变 送 器:
    变送器是从传感器发展而来的,凡能输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如当前通用的标准信号:直流电流4~20mA、空气压力20~100kPa等。国内无论被测变量是哪种物理或化学参数,也不论测量范围任何,经过变送器之后的信息都必须包含在标准信号之中。
有了统一的信号形式和数值范围,就便于把各种变送器和其它仪表组成检测系统或调节系统。无论什么仪表或装置,只要有同样标准的输入电路或接口,就可以从各种变送器获得被测变量的信息。这样,兼容性和互换性大为提高,仪表的配套也极为方便。

1. 基本名词术语和概念
在自动化仪表中,有关传感器和变送器的名词术语主要有以下内容。
1) 测 量 范 围 上 下 限 及  量 程
    对连续作用的传感器或变送器来说,能够按规定的精确度进行传感或变送的被测变量的范围,就叫“测量范围”。其最低值和最高值分别叫做“范围下限”和“范围上限”,简称“下限”和“上限”。
测量范围的表示法:
    用下限值及上限值及其间的“至”字代表。例如0°至20°。
    上限值和下限值的代数差称为“量程”。例如-5°至+5°,其量程为10°。
    有时量程前加修饰词,用以衡量量程的物理量种类。如电量程、压力量程等。
    给出测量范围便知上下限及量程,但仅仅给出量程,则无法判断其测量范围。
2) 零点迁移和量程迁移
    如果以被测变量值相对于量程的百分数作为传感器或变送器的输入,以输出信号值相对于输出信号范围的百分数作为传感器或变送器的输出,并分别用横坐标和纵坐标表示,那么就可用曲线把传感器或变送器的特性描绘出来。若是线性关系,这条线应为直线,如图3.1中的直线1。若是非线性关系,这条线应为曲线。
    如果测量范围改变的结果是输入输出之间特性曲线有平移而斜率不变,如图3.1中由直线1变为直线2,则称为“零点迁移”。因为零输入标记变为-25﹪输入,即零点发生了移动。经过上述迁移之后,当输出达到其最大值时,所对应的输入也发生了变化,不再是100﹪,而是75﹪。测量范围是-25﹪至+75﹪,它的量程仍然是100﹪,没有改变。
如果测量范围改变的结果是使输入输出间的特性曲线斜率发生变化,它的起点并不改变,如图中的直线1变为直线3,这种情况称为“量程迁移”。经过量程迁移以后,输出达到最大值时所对应的被测量不再是原先的上限值,而是它的某个倍数,例如70﹪,但零点并没有变化。显然量程变小了。
    在某种情况下,也可能需要在零点迁移的同时也进行量程迁移,其效果即为以上两种情况的综合。
    零点迁移和量程迁移措施可以使传感器或变送器扩大通用性。但在何种条件下能够迁移以及有多大的迁移余地,要视具体结构和电路而定。
3) 灵 敏 度
    灵敏度的定义是:当被测变量的数值改变以后,经过了足够长的时间,传感器或变送器的输出已经达到稳定状态,输出信号的变化量△Y与引起此变化的输入变量的变化△X之比。这个比值用S表示就叫“灵敏度”。即  。由于X和Y都是有具体量纲的,所以灵敏度S也有量纲。
    线性的传感器或变送器,灵敏度为恒定常数。非线性的,S值与输入变量的值有关。
    灵敏度的定义也就是图3.1中特性曲线的斜率。所以量程迁移意味着灵敏度的改变,如仅仅进行零点迁移,则灵敏度不变。
4) 误  差
    误差的概念是对整个测量过程而言的,传感器或变送器必须与显示仪表配合才能提供读数,从而完成测量过程,所以误差应包括显示仪表的误差在内。
    严格地说,真值是个假定的理论值,是用任何仪表也无法测出的,因为任何仪表都可能有或多或少的误差。所以实际讨论误差时都用“约定真值”代替“真值”。
    传感器或变送器输出信号所代表的被测变量数值与约定真值之间的代数差,称为“绝对误差”。即
        绝对误差 = 输出信号所代表的被测量 - 约定真值
    绝对误差通常简称为“误差”。正误差表明输出信号偏大,负误差则输出信号偏小。
    绝对误差与约定真值之比称为“相对误差”,它表示误差占被测值的百分比。
    对于传感器或变送器的质量评价,用相对误差很不方便,因为一般应用不宜测量过小的变量,多测量接近上限值的变量。所以应用最多的是“引用误差”,它是绝对误差与量程之比,以百分数表示。
    必须注意,即使用同一传感器或变送器测量同一个变量值时,引用误差的大小也与使用的具体条件有很大关系。使用是如果严格按照规定的环境条件(包括温度、相对湿度、电源电压、安装姿势等),误差可能不大,而在其它条件下使用就可能有较大的误差。所以评论传感器或变送器质量时,应强调按照规定的参比工作条件下的误差进行比较,这种条件下的误差叫做“基本误差”。与此相应,在不符合正常条件下所出现的误差,其中除了基本误差之外,还含有“附加误差”。
    还必须注意“系统误差”和“随机误差”这两个概念。前者是指在同一条件下,对某个同一被测值进行多次测量时,其绝对值和符合都保持不变的误差。或者,当条件改变时,按一定规律变化的误差。随机误差是指绝对值和符号在多次测量中以不可预计的方式变化,也就是没有规律的误差,或按统计规律出现的误差。
5) 精 确 度 等 级
    在规定的条件下按规定的程序对传感器或变送器进行检定时,观察到与规定的特性曲线的最大正偏差和最大负偏差,这些偏差可以表征传感器或变送器的精确程度,叫做“测量精确度”。
    为了衡量仪表产品的质量,制定了“精确度等级”,凡属于同一等级的仪表类产品,应该满足该类产品规定的全部共同精确度要求,用同一种表示精确度等级的数字或符号作为等级标志。
    工业用的传感器或变送器常用基本误差的引用误差作为判断精确度等级的尺度。例如在规定的使用条件下基本误差不超过量程的±0.5﹪,就用这个引用误差百分数的分子作为等级的标志。也就是说,其精确度是0.5级。
    要注意的是,精确度等级的标志是代表允许误差的大小,它决不意味着实际测量中出现的误差。代表精确度等级的数字越小,精确度越高,0.5级的传感器或变送器优于1级而劣于0.2级。
6) 滞 环、死 区 和 回 差
    校验所得实际上升曲线和下降曲线常常不重合,如果原因是由于能量吸收,则会使特性曲线形成图3.2的环状,叫做“滞环”,例如弹性变形后的滞后现象。这种现象会使传感器或变送器在同一输入变量之下有不止一个输出值,从而出现误差。
    上升和下降曲线不重合也可能由于“死区”所引起,其特性如图3.3。所谓死区是输入的变化小到一定程度之后不足引起输出量的改变,因而出现某个范围,在这个范围里灵敏度为零。
    存在死区的传感器或变送器,要求输入变量大于某一限度才能引起输出改变,否则灵敏度为零,所以这种限度叫做“灵敏限”。与之相应,死区也叫“不灵敏区”。理想情况下不灵敏区宽度所对应的输入变量差值为灵敏限值的两倍。
    上升曲线与下降曲线间的最大差值(指输入变量的差值)称为“回差”,亦称“变差”。
7) 重复性和再现性
    在同一工作条件下,对同一输入值,按同一方向多次测量的输出值之间的一致程度,称为“重复性”。为了便于衡量,在多次测量中选出其差别最大的值,也就是重复性最差的值,作为重复性优劣的标志。
    如果上升和下降曲线间选其离散程度最大之点,则成为“再现性”。其实它也是用非再现性的最大值作为再现性优劣的标志。如图3.4。
    重复性不包括滞环和死区,它表示传感器或变送器不受随机因素影响的能力。再现性包括滞环和死区,也包括重复性。
    重复性和再现性都用全范围输出的百分数表示。数字越小,说明质量越高。
8) 可 靠 性
    衡量工业产品可靠性的尺度不止一种,最浅显直观的要算“可靠度”,其含义可用事例说明。如果有100台同样类型的传感器或变送器,工作1000小时之后,大约有99台仍能正常工作,这批产品工作1000小时后的可靠度就是99﹪。
    “平均无故障工作时间”,它表示相邻两次故障间隔时间的平均值,用MTBF(Mean Time Between Failure)来代表。对于不可修复的产品来说,把从开始工作到发生故障前的平均工作时间用MTTF(Mean Time to Failure)代表。两者都可统称为“平均寿命”。平均寿命的倒数表示某一单位时间里可能发生故障的概率,称之为“故障率”或“失效率”。例如某种传感器的失效率为0.03﹪/kh,就是说若有10000台这样的传感器工作1000小时之后,只可能有3台在这段时间里出现故障。换言之,这种传感器的平均无故障工作时间MTBF或MTTF是333.3×104h(相当于380.5年),这样长的平均寿命当然是十分可靠的了。

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