第13章闭环传感器
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1、13 闭环传感器闭环传感器 第第13章章 闭环传感器闭环传感器工作原理及特点工作原理及特点13.1力、力矩平衡式传感器力、力矩平衡式传感器第第13章章 闭环传感器闭环传感器前述各章介绍的传感器均是由敏感元件、转换元件与测量电路组成的开环传感器，加上相应的放大、显示等电路即构成完整的开环测量系统，即各环节之间相互串联（个别环节可能存在局部的内部反馈），如图131所示。由第1章知，开环系统的特点是：（1）系统的总灵敏度为各环节灵敏度之积；（2）系统的总相对误差为各环节相对误差之和。因此，每个环节的相对误差对系统总相对误差的影响是等权的。欲保证系统的总精度，必须降低每一环节的误差。若串联环节越多，分
2、配给每一环节的允许误差就越小，要求也越严。 第第13章章 闭环传感器闭环传感器图131 开环测量系统框图 例如应变仪，为了保证应变测量精度，必须对应变计、电桥、放大器、衰减器、解调器、滤波器等环节都提出严格要求，只要其中一个环节超差或动态特性不佳，就会限制总的精度和动态响应特性。 科学技术和生产的发展，对传感器提出了越来越高的要求：测量系统应具有宽的频率响应，大的动态范围，高的灵敏度、分辨力、精度以及高的稳定性、重复性和可靠性等。采用开环测量系统很难同时满足上述诸方面的要求。因此利用反馈控制技术与传感器相结合而构成的闭环平衡式传感器应运而生。闭环传感器与前述开环式传感器的差别在于增加了“反馈环
3、节”，构成了闭环的反馈测量系统第第13章章 闭环传感器闭环传感器反馈测量系统中采用的比较与平衡的方式有力和力矩平衡、电压平衡、电流平衡、热平衡等。在机械量电测领域中常用的是力和力矩平衡形式。这时“反馈环节”为反向传感器力矩器或力发生器。整个传感器的框图如图132所示，这类力平衡式传感器又称伺服式传感器。132 反馈测量系统原理框图第第13章章 闭环传感器闭环传感器闭环传感器具有高精度、高灵敏度、稳定可靠等特点，当然其结构比较复杂，工艺要求高，成本昂贵，体积较大。航天、航空或航海中使用的超低频、低g加速度计，测量气体或液体压力的力平衡式压力（或差压）传感器，高精度称重用的力平衡式电子天平等是其典
4、型的应用实例。 由于材料与元器件制造工艺的发展和完善，集成电路技术应用的不断扩大，近年来出现了一些新的平衡式传感器。如力平衡式石英摆加速度计、电荷平衡式电容测微仪和力平衡式硅微型加速度计（见11.8节）等。随着闭环传感器体积与重量的减小，成本的不断下降，其应用将日益广泛。 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 图132所示为力平衡式闭环传感器的组成。所采用的敏感元件、传感器和反向传感器随应用不同而异。例如，常采用挠性杆、石英摆片或液浮摆作为加速度敏感元件，用膜片、膜盒作为压力敏感元件。对它们的要求是灵敏度高、性能稳定。传感器常用的为电容式、电感式、电涡流式以及电位计式和应变式等。反向传感器则为磁
5、电式、静电式和压电式等具有双向特性的传感器。伺服放大回路的方案可分为模拟电路和脉冲电路两大类。模拟电路以随误差信号连续变化的模拟电流为反馈量；脉冲电路则以幅值稳定、宽度或脉冲数随误差信号变化的脉冲电流为反馈量。第一节第一节 作原理及特点作原理及特点第第13章章 闭环传感器闭环传感器图133 闭环系统原理框图 闭环传感器系利用负反馈技术构成的。传感器和伺服放大电路是闭环系统的前向环节；反向传感器是反馈环节。因此图 132可简化成图133。此时，闭环反馈测量系统的传递函数为式中 A（s）前向环节的总传递函数； 一一反馈环节的反馈系数。第第13章章 闭环传感器闭环传感器假定前向环节总的传递函数为 式
6、中 k0静态增益； T时间常数。则有 式中 闭环静态传递函数，； 闭环时间常数，。 0k000/(1)kkk T0/(1)TTk 第第13章章 闭环传感器闭环传感器由此可见，闭环传感器具有以下特点： （1）精度高、稳定性好 当前向环节为高增益，保证，则闭环静态传递函数（即静态灵敏度），与前向环节无关。因此前向环节增益的波动对闭环传感器测量精度和稳定性影响很小，传感器的精度和稳定性主要取决于反向传感器的精度和稳定性。 （2）灵敏度高 闭环传感器工作于平衡状态，相对初始平衡位置的偏离很小，外界干扰因素较少（例如力平衡式传感器的剩余弹性力和摩擦力可以减小到远远低于输人力几个数量级以下）。所以，闭环传
7、感器将比一般传感器具有更低的阈值。只要前向环节的检偏传感器死区小、灵敏度高，传感器将具有极低的阈值。 01k01/k 第第13章章 闭环传感器闭环传感器（3）线性好、量程大 同样由于相对初始位置的偏离很小，故反向传感器的非线性影响也很小，因而闭环传感器比一般传感器具有更宽的工作量程。 （4）动态特性优良 闭环系统的时间常数了比开环时间常数T减小了倍，即，因此闭环传感器动态特性将大大改善。 此外，从控制理论可知，在电路中采用校正网络可用纯电的方法调整传感器的等效阻尼和固有频率，使闭环系统的阻尼比台达到最佳值（0.60.8），从而获得较宽的工作频带范围和较理想的动态响应特性。对闭环传感器而言，这种
8、纯电的方法比调整传感器机械结构参数的方法更为灵活和方便。0(1)kTT第第13章章 闭环传感器闭环传感器本节介绍几种典型的力或力矩平衡式传感器，并对力平衡式加速度传感器的传递函数、静态特性与动态特性作较为详细的分析。该分析方法同样适用于其他（如力矩）平衡式传感器。第二节第二节 力、力矩平衡式传感器力、力矩平衡式传感器 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 1313.2.1 .2.1 力平衡式加速度传感器力平衡式加速度传感器 力平衡式加速度传感器由惯性敏感系统、位移传感器、伺服放大器和磁电式力发生器组成，如图134所示。 图134 力平衡式加速度传感器 1外壳；2惯性敏感元件；3弹性支撑元件；4阻
9、尼器；5电容位移传感器；6伺服电子线路；7力矩器；8惯性基准 第第13章章 闭环传感器闭环传感器使用时，将力平衡式加速度传感器固定在被测体上。当传感器壳体感受到图示方向的加速度a时，惯性质量m因惯性力而产生相对壳体的位移，高灵敏度的位移传感器将此位移变成电信号，并经过伺服放大器放大后输出电流至磁电式力发生器的动圈。磁电式力发生器永磁系统和壳体固连，而动圈与惯性质量相连。当动圈中通有电流时，将有电磁力作用在可动部分上，并与被测加速度作用于惯性质量上所产生的惯性力相平衡，使惯性质量回到零位。磁电式力发生器产生的电磁力。其中 B为气隙磁感应强度；为动圈绕组导线工作长度；o为流人动圈的电流。因此可得式
