第13章 闭环传感器

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

10、中：Uo为输出电阻R两端的输出电压；Io或Uo与被测加速度a成正比。oFB l I 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 1力平衡式加速度传感器的传递函数力平衡式加速度传感器的传递函数 力平衡式加速度传感器的原理框图如图135。图中惯性敏感系统为mkC二阶系统。作用在惯性质量m上的力有惯性力、弹性力。阻尼力和反馈力F，力平衡方程为图135 力平衡式加速度传感器原理框图 第第13章章 闭环传感器闭环传感器式中x传感器壳体相对于惯性空间的位移； y惯性质量相对于传感器壳体的位移。令，代表与被测加速度成正比的输入力，上式可改写为 由此可推出输人为不平衡力、输出为相对位移的惯性敏感系统的传递函数 （13

11、1） 位移传感器的传递函数为Kd（见图135）。22/xFm d x 第第13章章 闭环传感器闭环传感器为使闭环系统的阻尼增加一项等效电阻尼，在伺服放大电路中引人微分环节。故该放大电路的传递函数，其中Ao为放大电路的静态增益，T为放大电路的时间常数。于是前向环节的传递函数为（132） 式中如为前向环节的静态增益。此闭环系统的传递函数框图如图136所示。由图可得力平衡式加速度传感器闭环系统的传递函数为20( )(1)A sATs00/dkAK第第13章章 闭环传感器闭环传感器图136 力平衡式加速度传感器传递函数框图 （133） 第第13章章 闭环传感器闭环传感器2 2力平衡式加速度传感器的静态

12、特性力平衡式加速度传感器的静态特性当传感器输入为恒定加速度时，Fx为静态力，则s0。此时传递函数即为力平衡式传感器的静态灵敏度，可由式（133）式得出（134）可见力平衡式传感器的灵敏度仅由反向传感器的反馈系数（即力发生器的机电耦合常数Bl）决定。 第第13章章 闭环传感器闭环传感器3 3力平衡式加速度传感器的动态特性力平衡式加速度传感器的动态特性力平衡式传感器中的惯性敏感元件构成了单自由度机械二阶系统，其固有角频率 ，阻比 。当伺服放大电路中未引入超前的微分环节时（T0），前向环节的传递函数可由式（132）得出 （135） 闭环系统的传递函数（即灵敏度函数）为 令为闭环系统固有角频率；为闭环

13、系统机械阻尼比，则上式可表达为（136） /nk m/(2)第第13章章 闭环传感器闭环传感器从式（136）可见，闭环后的传递函数仍然是典型的M阶低通滤波器的传递函数，其闭环系统的固有角频率。二比机械系统的固有角频率n增大了倍，而阻尼比却降低了 倍。闭环系统固有频率的提高将有利于扩展传感器的工作频带，但阻尼比的急剧下降，幅频特性的谐振峰将增高，影响频率范围的扩展，使动态响应、稳定性变差。应使闭环系统的阻尼比保持在0.60.7左右，这必然要求有非常大的机械系统阻尼比。如果，则要求。这样大的机械阻尼是难以实现的。有效的方法是在前向通道中串入电气微分环节，如图136所示。此时，闭环传递函数式（133

14、）成为01k4010k0(0.6 0.7) 160 第第13章章 闭环传感器闭环传感器式中 闭环系统电阻尼比 。可见闭环系统的阻尼比 是由机械阻尼比和电阻尼比两部分组成，通常 。当正弦激励时，由式（137）得出的频率传递函数为T00/(1)/2/2TnnkkTTTT（137）第第13章章 闭环传感器闭环传感器 当取归化频率比 ，并同时考虑到 ，可得归化频率的传递函数 当 （即 ）时，其幅频特性和相频特性分别为（138） （139）/ 2/TnTTT 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 由上两式可做出频率比 ，阻尼比 的幅频特性和相频特性曲线族，如图137所示。 0.110 0 5T图137 力

15、平衡式传感器的幅频特性和相频特性第第13章章 闭环传感器闭环传感器 从曲线可见，阻尼比 具有相当大的工作频率范围，幅频特性平坦，相频特性近似呈线性关系。因此对正弦输人或复杂的瞬态输人具有良好的不失真响应。 实际的力平衡式传感器中，由于开环系统中实际存在的、具有一定时间常数的微分和积分环节，改变了开环系统的幅频和相频特性，当系统闭合后可能会出现自激振荡而使系统不稳定。因此，需要在前向环节中加入校正环节，对开环频率特性进行校正，使系统具有良好的动态响应（快速响应和减小超调量），同时又有足够的稳定储备。5 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 13.2.2 13.2.2 力矩平衡式加速度传感器力矩平衡

16、式加速度传感器液浮摆式加速度计是利用偏心摆原理制成的力矩平衡式加速度传感器，它可以作为力矩平衡式传感器的典型例子。 在介绍液浮摆式加速度计前，先看一下图138所示，质量为m、摆长为l的铅垂摆。当其支承体受加速度a作用时，惯性将使摆偏离铅垂位置角而达到新的平衡位置。这时由图可见： 当加速度a较小时，很小， ， ，于是 （1310） 即与a成正比。利用测角传感器测知值，就能得到被测加速度a值。第第13章章 闭环传感器闭环传感器 图图138 铅雪摆工作原理铅雪摆工作原理 图图139 液浮摆式加速度计结构示意图液浮摆式加速度计结构示意图 圆筒形液浮摆式加速度传感器是闭环摆式传感器的一种，原理结构如图1

17、39所示。它由表头和测量电路两部分组成。表头主要由浮于偏心摆、角度传感器和力矩器组成。表内充油，使浮于处于液浮状态，以减小摆的摩擦力矩并产生油阻尼。 第第13章章 闭环传感器闭环传感器 浮子偏心摆的退转轴称为输出轴y。无加速度时，浮子摆处于铅垂（z向）位置。垂直于y、x的方向称为输入轴x（敏感方向）。 当质量为m，偏心距为l的偏心摆受到沿x方向的加速度a时，产生偏摆力矩mla，使摆反方向偏转，差动变压器式角度传感器将这偏转角信号转换成交流电压输出，经放大、相敏检波变成直流输人永磁力矩器的动圈，产生恢复力矩I0，将摆拉回零位。稳定时，偏摆力矩与力矩器恢复力矩平衡，即mla0。由此得（1311）

18、只要m、l及力矩器力矩系数恒定，这种加速度传感器可获得很好的线性输出。第第13章章 闭环传感器闭环传感器 液浮摆式加速度计原理框图见图1310。图中J为浮子偏心摆的转动惯量。图1310 液浮摆式加速度计原理框图第第13章章 闭环传感器闭环传感器13.2.3 13.2.3 力平衡式差压变速器力平衡式差压变速器 力平衡式差压变送器是一种输出为标准信号的传感器。它是力平衡式传感器的又一实例，工作原理如图1311所示。图1311 力平衡式差压变进器原理图第第13章章 闭环传感器闭环传感器 被测差压（PP1P2）通过弹性敏感元件1（膜片）转换成作用于主杠杆2的力F，力Fi在主杠杆上以轴封膜片3作为支点（O1），产生力矩 MiFili，使主杠杆偏转中1角，主杠杆的偏转通过联接簧片8使副杠杆7以十字簧片作支点（O2）偏转2角，从而使固定于副杠杆上的位移检测片5产生位移d。通过