第二章能量变换与信号变换ppt课件

1、 第一节信息与能量第一节信息与能量一、信息一能量实际根底一、信息一能量实际根底 信息和能量是严密相关的。从信息的定义可知，信息信息和能量是严密相关的。从信息的定义可知，信息需用一定的能量或物质方式来表示其确定含义。在自然科需用一定的能量或物质方式来表示其确定含义。在自然科学范畴里，信息是客观世界中物质运动的内容，学范畴里，信息是客观世界中物质运动的内容，例如物体受热、发生地震等。它有明确的、确定的含义。例如物体受热、发生地震等。它有明确的、确定的含义。但信息本身并非能量，或与能量没有直接的关系，又非物但信息本身并非能量，或与能量没有直接的关系，又非物质形状。因此，必需求用一定的能量或物质方式来

2、表现这质形状。因此，必需求用一定的能量或物质方式来表现这个信息确实定含义。个信息确实定含义。 物体受热这一信息，是经过温度上升、红外线辐射强物体受热这一信息，是经过温度上升、红外线辐射强度加大等能量或体积膨胀、形状改动、，磁导率和电导率度加大等能量或体积膨胀、形状改动、，磁导率和电导率变化等物质方式来表现的，检测其中任一量的变化量都可变化等物质方式来表现的，检测其中任一量的变化量都可用来判别这一信息。用来判别这一信息。第二章传感器能量变换与信号变换第二章传感器能量变换与信号变换 第一节信息与能量第一节信息与能量 从信息在时空上的传输可知，信息的传输必需依托物质或能量。信息的传输可分为时间时辰内

3、的传输和空间内的传输两种方式。时间传输：书写、印刷、记录。记忆及存储等为信息；空间传输：从微米甚至更小到千百万公里间隔上信息的传输。 两种信息传输的方法都是利用物质或能量来实现的。例如，书信、电子计算机的穿孔卡片和穿孔纸带。磁化的磁带等是利用物质传输信息的，而说话时发出的声振动、电缆传送的电流脉冲等那么是利用能量传输信息。第一节信息与能量第一节信息与能量信息与能量的关系：信息与能量的关系：1信息是由能量或物质形状表示的；信息是由能量或物质形状表示的；2信息是载荷于能量流传输的；信息是载荷于能量流传输的；3信息在传输过程中要耗费能量，维持信息在传输过程中要耗费能量，维持信息传输必需供应能量；信息

4、传输必需供应能量；4信息传输的方向与携带信息的能量流信息传输的方向与携带信息的能量流方向是一致的；方向是一致的；第一节信息与能量第一节信息与能量 二、传感器传送的信息与能量的关系二、传感器传送的信息与能量的关系 在消费和科学研讨的计量与测试中，对被测对象不仅要求在消费和科学研讨的计量与测试中，对被测对象不仅要求作出定性的评价，而且要求对被测对象的形状进展定量的描画。作出定性的评价，而且要求对被测对象的形状进展定量的描画。例如例如:检验机加工轴产质量量需求定量的丈量其直径大小、外检验机加工轴产质量量需求定量的丈量其直径大小、外表粗糙度值和圆度误差等参数。表粗糙度值和圆度误差等参数。又如，某人身体

5、不适，医生以为他病了，还必需经过丈量其体又如，某人身体不适，医生以为他病了，还必需经过丈量其体温、血压，检查心肺，进展各种化验等检查手段来判别他患病温、血压，检查心肺，进展各种化验等检查手段来判别他患病这一信息的可靠性及准确量值，即确定患何种疾病及病情轻重这一信息的可靠性及准确量值，即确定患何种疾病及病情轻重程度。程度。因此一个信息中往往包含着多个待测参量或被丈量，而这些被因此一个信息中往往包含着多个待测参量或被丈量，而这些被丈量的处置结果那么确定了该信息的可靠性和准确量值。传感丈量的处置结果那么确定了该信息的可靠性和准确量值。传感器所转换的被丈量往往是所传送信息中的一种参量。在拾取信器所转换

6、的被丈量往往是所传送信息中的一种参量。在拾取信息丈量过程中，传感器与被测对象间的能量关系有如下两种息丈量过程中，传感器与被测对象间的能量关系有如下两种情况：情况：第一节信息与能量第一节信息与能量当被测对象的物理形状与某种方式的能量有关时，从被测对象的形状所获得的信息中，便可确定传感器得到的能量与信息的相互关系。例如：运用热电偶丈量温度，将热电偶与被测对象接触，这时热量便从被测对象传向热电偶，直至热平衡，热电偶得到与被测温度有关的热量并将它转换为电动势，经过丈量电路，最后显示出温度值。2当被测对象的物理形状与某种方式的能量无关时，为了丈量，那么需求对被测对象施加一定的能量，根据其呼应的情况来获得

7、有关被测对象的信息。例如，采用普通光电式传感器丈量物体的位置，它是利用传感器发出的光照射被测物体，根据被测物体的反射光量的变化便可测出物体的位置。这时，传感器的受光能量与发光能量之比便包含着位置的信息。 三、传感技术的广义内容三、传感技术的广义内容 从信息科学的角度，传感技术的广义内容应从信息科学的角度，传感技术的广义内容应该是：该是：1发现与各种自然信息相对应的信号表现方发现与各种自然信息相对应的信号表现方式，以及信息与这些信号之间的定性、定量关式，以及信息与这些信号之间的定性、定量关系，以开辟新的传感器技术领域。系，以开辟新的传感器技术领域。 例如，资料中有裂纹这一信息，由于利用了例如，资

8、料中有裂纹这一信息，由于利用了超声波使其产生声反射信号，因此能定性、定超声波使其产生声反射信号，因此能定性、定量进展检测，从而开辟声发射无损检测新兴领量进展检测，从而开辟声发射无损检测新兴领域。域。2对反映某一信息的各种信号，在不同的环对反映某一信息的各种信号，在不同的环境条件下，寻求最正确的信号拾取、变换等方境条件下，寻求最正确的信号拾取、变换等方法和手段。寻求最正确传感器。法和手段。寻求最正确传感器。 第一节信息与能量第一节信息与能量Eg1: 热电偶热平衡热能电能Eg2: 光被测物体标定位置Eg3: Hall效应磁场Eg4: 流量传感器把流体中的部分动能转化成其它方式的能量换能器Eg5:

9、遥感探矿Eg6: 自动汽车车辆位置自动监测Eg7: 酸碱度、气体成分检测第一节信息与能量第一节信息与能量 能 量 信息 计测方法不同方法不同精度不同精度不同环境顺应性不同环境顺应性不同信号处置不同信号处置不同物理效应反射、折射、遮盖强度能量 电信号位置 调制外加能量磁场分布电磁波模糊控制红外扫描激光扫描雷达扫描第二章传感器能量变换与信号变换第二章传感器能量变换与信号变换第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换 一、示容变量和示强变量一、示容变量和示强变量根据与被测对象有关的物理量的特点，可将物根据与被测对象有关的物理量的特点，可将物理量大致分为示容变量和示强变量两大类。理量大致分为示容变量

10、和示强变量两大类。示容变量或称流通变量是表示能包容多少示容变量或称流通变量是表示能包容多少的量或表示物质形状的量。的量或表示物质形状的量。例如长度、面积、体积、质量、位移、速度、例如长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷等都是与空间的分布成比例，也即包容多少电荷等都是与空间的分布成比例，也即包容多少的量，因此叫示容变量。的量，因此叫示容变量。示强变量或称作用变量是表示在某种场所下作示强变量或称作用变量是表示在某种场所下作用程度的量。用程度的量。例如力、压力、温度、电压等都属于示强变量。例如力、压力、温度、电压等都属于示强变量。 第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换 二、传感器能量变换

11、 示容变量与示强变量组合之积是与某一种能量相对应的。例如：力与位移的积是功，力与速度的积是功率，功和功率可以视为力学的能量；压力与体积的乘积是气膂力学的能量；温度与熵的积是热能，温差与热流之积是热功率；电压与电荷的乘积是电能，电压与电流之积是电功率等。第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换 假设将传感器输入端的被丈量和输出端的输出量用示容变量和示强变量表示，如图1-2-1a所示，那么传感器就是将示容变量与示强变量由一种组合转变成另一种组合。 例如，用热电偶丈量温度，其输入为温度差，输出为电压，两者均为示强变量，且一一对应，而输入端的热流与输出端的电流那么是示容变量，如图1-2-1(b)所

12、示，因此热电偶就是将热流与温度差的组合转换成电流与电压的组合，这时由被测对象施加于热电偶的能量是热能，热电偶输出的能量是电能，热电偶在变换信号的同时进展了能量变换。第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换当传感器输出的电能是由外加电源供应时，如图1-2-2 (a) 所示的电阻应变式压力传感器，由于被测压力P使弹性膜片产生变形，导致贴在其上的电阻应变片的电阻值发生变化，经过电桥电路转换成电压或电流输出。 这时，传感器输入端的示强变量为被测压力P，示容变量是由膜片变形而产生的腔的体积变化d 与输入端相对应的输出端的示强变量和示容变量是电压dU和电流，如图(b) 所示，因此由被测对象施加于传感器

13、的能量为气膂力学能量PdV，传感器输出的能量是由外加电源供应并受被测压力控制的电能 dU。由上述可知，传感器输出的能量电能无论是从被测对象索取的还是由外加电源供应的，传感器总能将一种非电能量转换成电能量输出，进展能量变换。 第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换 Eg:Hall 效应效应输入示强变量输入示强变量 磁场强度磁场强度输入示容变量输入示容变量 磁磁 通通 量量输出示强变量输出示强变量 电电 压压输出示容变量输出示容变量 电电 流流Hall效应BIVVout E杨氏模量光电自动丈量光电角度传 感 器转角光强IVEg:光电效应光电效应输入示强变量输入示强变量 光光 强强输入示容变量

14、输入示容变量 转动角度转动角度输出示强变量输出示强变量 电电 压压输出示容变量输出示容变量 电电 流流第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换三、能量变换与误差三、能量变换与误差 传感器从被测对象索取能量进展变换时，在某种程传感器从被测对象索取能量进展变换时，在某种程度上传感器对被测对象的形状产生影响导致误差。度上传感器对被测对象的形状产生影响导致误差。例如：运用热电偶丈量物体温度时，输入的热流是例如：运用热电偶丈量物体温度时，输入的热流是由被测物体向热电偶传输的，假设不满足热电偶的由被测物体向热电偶传输的，假设不满足热电偶的热容量远小于被测物体的热容量，那么传输的热流热容量远小于被测物体

15、的热容量，那么传输的热流将使被测物体的温度发生变化，从而产生误差。将使被测物体的温度发生变化，从而产生误差。 传感器输出端的负载从传感器索取能量也是呵斥系传感器输出端的负载从传感器索取能量也是呵斥系统误差的缘由之一。统误差的缘由之一。 不同的传感器对丈量的影响是不同的，但只需传感不同的传感器对丈量的影响是不同的，但只需传感器对被测对象影响越小，负载对传感器输出的影响器对被测对象影响越小，负载对传感器输出的影响越小，就可实现高精度的丈量。越小，就可实现高精度的丈量。第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换 传感器从被测对象索取能量进展变换时，在某种传感器从被测对象索取能量进展变换时，在某种程

16、度上传感器对被测对象的形状产生影响导致误差。程度上传感器对被测对象的形状产生影响导致误差。 有能量损失有能量损失 如热电偶测温如热电偶测温 原理存在系统误差原理存在系统误差 重力摆测周期重力摆测周期 T2 L/g 0 环境误差环境误差 传感器器件误差传感器器件误差 弹性元件非线性，电子器弹性元件非线性，电子器件件 传感器输出端的负载从传感器索取能量也是呵斥传感器输出端的负载从传感器索取能量也是呵斥系统误差的缘由之一。系统误差的缘由之一。 不同的传感器对丈量的影响是不同的，但只需传不同的传感器对丈量的影响是不同的，但只需传感器对被测对象影响越小，负载对传感器输出的影响感器对被测对象影响越小，负载

17、对传感器输出的影响越小，就可实现高精度的丈量。越小，就可实现高精度的丈量。第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换四、能量变换类型与特点四、能量变换类型与特点 传感器按其能量变换的情况可分为能量变传感器按其能量变换的情况可分为能量变换型和能量控制型两大类。换型和能量控制型两大类。1能量变换型传感器能量变换型传感器 能量变换型传感器又称发电型或无源型传感能量变换型传感器又称发电型或无源型传感器，其输出端的能量是由被测对象取出的能量器，其输出端的能量是由被测对象取出的能量转换而来的。它无需外加电源，而能将被测的转换而来的。它无需外加电源，而能将被测的非电能量转换成电能量输出；它无能量放大作非电

18、能量转换成电能量输出；它无能量放大作用，且要求从被测对象获取的能量越小越好。用，且要求从被测对象获取的能量越小越好。例如；热电偶、光电池、压电式传感器、磁电例如；热电偶、光电池、压电式传感器、磁电感应式传感器固体电解质气敏传感器等都属于感应式传感器固体电解质气敏传感器等都属于能量变换型传感器。能量变换型传感器。第二节被丈量与能量变换第二节被丈量与能量变换2能量控制型传感器能量控制型传感器 能量控制型传感器又称参量型或有源型传感器，能量控制型传感器又称参量型或有源型传感器，其输出的电能量是由外加电源电压供应的，而不其输出的电能量是由外加电源电压供应的，而不是由被测对象提供的。但被测对象的信号控制

19、着是由被测对象提供的。但被测对象的信号控制着又电源提供应传感器输出端的能量，并加电压又电源提供应传感器输出端的能量，并加电压或电流作为与被丈量相对应的输出信号。由或电流作为与被丈量相对应的输出信号。由于能量控制型传感器的输出能量是由外加电源供于能量控制型传感器的输出能量是由外加电源供应的，因此传感器输出端的电能能够大于输入端应的，因此传感器输出端的电能能够大于输入端的非电量，所以这种传器具有一定的能量放大作的非电量，所以这种传器具有一定的能量放大作用。用。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、谐振式和如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、谐振式和某些光电式等传感器都是属于能量控制型传感器。某些光电

20、式等传感器都是属于能量控制型传感器。第三节第三节 传感器信号变换传感器信号变换 信息是载于数据、信号之中。传感器传送信息是载于数据、信号之中。传感器传送信息实践上是变化信号，因此从信号角度，传信息实践上是变化信号，因此从信号角度，传感器是一种将带有信息的非电信号变成便于传感器是一种将带有信息的非电信号变成便于传输的电指普通情况信号，并输至丈量电路输的电指普通情况信号，并输至丈量电路进展处置、显示的丈量部件或安装。进展处置、显示的丈量部件或安装。 广义地说，信号是随时间而变化的某种物广义地说，信号是随时间而变化的某种物理量或生物量，化学量，只需变化的量中才能理量或生物量，化学量，只需变化的量中才

21、能够含有信息，例如电信号是随着时间而变化的够含有信息，例如电信号是随着时间而变化的电的量，它们通常以电压或电流等在电路中传电的量，它们通常以电压或电流等在电路中传输、变换、处置。输、变换、处置。 根据传感器的输出信号是模拟量还是数字量，根据传感器的输出信号是模拟量还是数字量，可将传感器信号变换的方法分为模拟变换和数可将传感器信号变换的方法分为模拟变换和数字变换两大类。字变换两大类。第三节第三节 传感器信号变换传感器信号变换 一、模拟变换一、模拟变换 传感器运用与信号变换有关的物理定律或效应，传感器运用与信号变换有关的物理定律或效应，将输入被丈量通常为延续量转换成与之一一将输入被丈量通常为延续量转换成与之一一对应的输出量，或转换成高频电振荡的幅值或对应的输出量，或转换成高频电振荡的幅值或频率，相位与之对应的输出量，这种变频率，相位与之对应的输出量，这种变 换称换称为模拟变换。为模拟变换。 对于能量变换型传感器和外加直流电源供电的能对于能量变换型传感器和外加直流电源供电的能量控制型传感器，如直流供电的电阻式传感器，量控制型传感器，如直流供电的电阻式传感器，它们的输出和输入之间经常是一一对应的。这种它们的输出和输入之间经常是一一对应的。这种输出信号称为非调制信号，其抗干扰性能较差，输出信号称为非调制信号，其抗干扰性能较