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第二章 智能传感器技术基础 主要内容 2.1传感器的基本原理；2.2智能传感器的基本原理；2.3传感器土木工程测试应用国家标准GB7665-87对传感器下的定义是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 图2-2-1 传感器的结构图（从系统角度） （1）敏感元件：指传感器中能直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一 物理量的部件； （2）传感元件：指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部件； （3）转换电路：指由于传感器输出信号一般都很微弱，需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，这一部件—般称为测量转换电路。传感器输出信号有很多形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的原理确定。常见的信号调节与转换电路有放大器、电桥、振荡器、电荷放大器等，它们分别与相应的传感器配合。 图2-2-2 传感器的结构图（从信号角度） 图2-3 传感器举例 图2-3所示为一些传感器的工作示意图[3]。由图2-3（a）、（b）可以看出，热敏电阻和应变计都可以产生一种可变化的电阻值输出。许多传感器产生电信号输出，它们不仅可以以电阻的方式，而旦还可以以电压、电流或频率等方式输出。图2-3（c）所示的弹簧秤，在变化的力的作用下会产生一个位移的变化，即弹簧秤的表盘指针会沿着刻度方向移动（或转动） 一个与弹簧所受的力成正比的位移。图2-3（d）中，文杜里（Venturi）管通过测量压力差以确定液体的流量。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂。 传感器组成的系统大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。 2.1.3 传感器的应用模式 系统有很多种类和定义。但是，为了方便，我们仅把基本的传感器系统看作是借助于某种过程从不同的输入产生某种被定量的输出的装置。图2-4所示是一个以流程图的形式表示的基本系统。流程图是一种解释测量系统工作原理的有效方法。 图2-4 系统的流程图 人们通常把传感器的应用划分为三种系统类型，分别是测量系统、开环控制系统和闭环控制系统。 （1）测量系统 测量系统显示或记录一种与被测输入变量相对应的定量输出，测量系统除了以用户可以读懂的方式向用户显示之外，不以任何方式对输入量产生响应。图2-5所示为测量系统的基本流程图。 图2-5 测量系统的流程图 （2）开环控制系统 开环和闭环控制系统都是试图使被控变量保持为某预定的值。控制系统中包含了测量系统，但是它不同于纯粹的测量系统，其测量结果并不需要显示给用户，而是通过其测量系统输出量以便调节控制系统的某一参数。 图2-6所示为一个开环系统的流程图。开环系统的基本原理是系统被一个预设值信号所控制。假定没有测量系统的输出影响那个要控制系统的预定参数，系统所要求的控制也能够达到，即使其他因素改变导致系统的输出不正确，那个预设值也不会改变。 图2-6 开环控制系统的流程图 假如一个开环系统控制一条街上路灯的开和关，控制要求当夜幕降临时打开灯，当天亮时关上灯。控制信号将根据天黑和天亮的时间用一个定时控制装置设置开、关灯的时间。这个系统可能在几周时间内还能正常工作，但是，在一年时间里，天黑和天亮的时间是变化的，预设的信号（时间）不久就会不合适，因此使开、关灯的时间要么早、要么晚。图2-7所示即为以流程图的形式表示的路灯控制系统。 图2-7 路灯开环控制系统的流程图 在该开环系统中．没有将检测到的、实际正在发生变化的系统参数输入给系统，即对于路灯控制系统来说，它不知道天是亮还是暗。对于一个开环系统，人们不得不估算什么时间天黑和什么时间天亮，并相应地改变预设值以控制开灯和关灯时间。这些预设的时间必须根据一天内天亮和天黑的时间变化而变化。因此，它需要频繁地调整预设值。因为通常这种调整的次数越少，工作的效果越差。系统不会产生任何意想不到的或末预期的操作。例如，有时晚上可能是阴天或多云的，按理说路灯应该比晴朗的夜晚要早开一会，但在开环系统中是无法实现的。 开环控制系统在设计和制造上通常比较简单、廉价。然而，它可能是效率很低或需要不断地进行调整操作。在很多情况下，正在控制的参数也在以某种方式发生变化，从而导致预设值不正确，因此需要更新设置。要正确地设置给定值，通常需要很高的技巧和准确的判断。万一控制的系统参数没有达到预期值，有时后果是很严重的。例如在容器里注入危险性液体，需要控制液体的满溢高度，此时如果用开环系统就不合适。 （3）闭环控制系统 在闭环控制系统里，输出状态会直接影响输入条件。闭环控制系统通过测量被控制系统的参数输出值并将其与期望值进行比较。在一个闭环控制系统里，将受控系统参数的实际测量值与期望值进行比较，其差值称为误差。 图2-8所示为一个用流程图表示的闭环控制系统。期望值可认为是