测控传感器显示与记录

测控传感器显示与记录第1页/共35页测量系统的最后一个环节就是显示与记录装置，用于显示测量数据，或记录这些数据使之变成永久的备份资料，以备后续的各种分析。很多现场读数的传感器会直接显示其测量结果，而且它们几乎不需要另外的显示装置。这种传感器有液体玻璃管温度计、弹簧秤、压力计、千分表等。大多数测量装置另外需要某种专门的显示或记录装置，比如电压表、电流表、示波器、图形记录仪、数据记录仪，等等。几乎所有的被测量对象都能够通过合适的转换器和适宜的信号调制手段而被显示出来。第8章显示与记录绪论第2页/共35页像很多系统一样，测量系统输出的量值精确度由它的最小输出量决定，如果用显示值的误差来判断，它就是该系统中所有元部件的总误差。

我们可以用一个准确度、精密度和灵敏度都非常高的线性差动变压器(LVDT)去测量位移，而用精确度和灵敏度却很低的电压表显示它的输出。该系统的总测量误差将主要由性能较低的电压表的精确度和灵敏度来决定，而很少取决于性能很高的线性差动变压器。

选择与系统的其他测量装置相匹配的显示和记录装置是非常重要的。大多数电子测量装置都是以电信号形式输出，信号是传递信息的手段，它可以是传给计算机的电脉冲、无线电信号，还可以是一种电压或电流信号。第3页/共35页在测量系统中，有两种会经常遇到的信号类型，即模拟信号和数字信号。模拟信号是一种随时间连续变化的信号。

数字信号是由若干个离散的脉冲或一种在某些位置出现和不出现来表示的信号。显示和记录装置有多种，它们的成本、规格和精确度不一，通常可以分为下列几种常见的类型：①模拟显示。②数字显示。③记录装置。④计算机和数据记录仪。第4页/共35页8.1模拟显示显示仪是一种对传感器输出信号给出即时的、可视化显示的装置，而不是为了将来利用和参考而存储它。显示仪是一种实时装置。“实时”就是显示当前正在发生的事情。是一种具有很小的时间延迟的显示装置，用以显示正在发生的事情。模拟显示比数字显示更多地依赖于读数者的阅读技巧和解释能力。

利用模拟信号确定各种变化趋势比数字信号更容易，而且模拟显示有时需要更少的信号调制和更快的显示速度。第5页/共35页8.1.1磁电式仪表磁电式仪表是一种被作为模拟电压表、电流表、万用表和某些专用仪表的基本显示装置。磁电式仪表的基本结构由一个圆柱状软铁和绕在该软铁周围的线圈组成。

悬绕的线圈位于两个永久磁铁之间，并被装上转动枢轴，且与一个指针传动机构相连接，线圈能在两块永久磁铁和软铁心之间的空间自由地转动。

设置永久磁铁是为了在此空间中产生均匀的电磁场。第6页/共35页当电流通过线圈时，它会与磁场一起作用引起线圈转动。指针的转动与正在测量的电压或电流值成正比。一个与指针相连的游丝弹簧会同时产生一个与指针转动方向相反的扭矩。当游丝弹簧产生的扭矩等于由线圈产生的扭矩时，表盘上的指针会停留在相应的电压或电流值处。磁电式仪表借助于测试探针连接到传感器输出端，也可以嵌入到一个电路里并安装在仪表面板上。当设计一个用于测量电流或电压的磁电式仪表时，线圈的额定电阻值是要考虑的主要因素之一。

如果用它们来测量电压，线圈必须具有高阻抗；而当用于测量电流时则需要具有低阻抗。磁电式仪表价格低廉、工作可靠，但通常会依赖于读数者经验水平。第7页/共35页8.1.2电阻表（Ω表）电阻表是用于测量电阻的。它以磁电式仪表为基础，图示为电阻表的前面板。基本的电阻表是由带有电源的磁电式仪表组成，被测电阻借助于侧试探针连接起来。被测电阻连接到含有磁电式仪表的电路里。通过电阻表的电流与被测电阻成反比，并且电阻表能够以电阻的单位(Ω)标定并显示。其刻度是一种反向的、非线性刻度。电阻表适合于测量小电阻。在高阻值端很难读数且精确度很低。第8页/共35页8.1.3电磁式仪表电磁式仪表是由于在电流作用下软铁心被磁化，软铁心可能受到吸引或排斥作用，当电流增大时，软铁心的磁通量会与电流成比例地增大。它们相互排斥，引起指针转动。像磁电系仪表一样，游丝弹簧会反抗指针的转动。当由游丝弹簧产生的扭矩等于由磁场产生的排斥力扭矩时，指针就停留在表盘上对应的电流或电压处。电磁式仪表是由一个固定线圈和两块软铁心组成的，当电流通过线圈时软铁心会被磁化。其中一块铁心是固定的，另一块被连接到一个装有指针机构的枢轴上。当软铁心被磁化时，电磁式仪表可以测量交、直流电压或电流，适用于量值大、非线性刻度的场合，如信号剧烈波动情况。第9页/共35页8.1.4阴极射线示波器阴极射线示波器常被用于监视电路的输出电信号，通常简称为示波器。能以高精确度的波形显示各种电信号。

图示为在示波器上显示的波形。X轴(水平轴)为时间，正在观察的参数(在图示情况下为电压)在Y轴(垂直轴)上。第10页/共35页图示的信号为一个正弦波，在X轴上显示对应的时间，如果不用示波器的这种对应关系，其波形将仅按幅值的大小变化。阴极射线示波器利用阴极射线管显示波形，阴极射线管也被用于电视机和计算机监视器中，它由一个真空显像管组成，电子束穿过该真空显像管。

从电子枪发出的电子束撞击荧光屏并在荧光屏上产生一个小光点，由于在电子束要通过的两极板间存在电位差，导致电子束可能在X和Y两个方向上产生偏移。第11页/共35页传感器的输出信号通常经过探针或接线端子连接到示波器。传感器的信号加在Y轴极板，并在X轴极板上加一连续的锯齿波电压信号，该信号被称为线性斜坡电压。抖坡信号是一种稳定升高的电压信号，像一种锯齿形状的波。在电子束穿过真空显像管时，产生一个固定偏移比的偏移，能够将期望的时间抽标定在x轴上。光点运动穿过荧光屏的速度非常高，因此在荧光屏上出现的是一条连续的光线。第12页/共35页为了调整亮度和聚焦，以及为了保持X和Y轴两方向的偏移协调同步，示波器有控制调节Y轴和X轴两个方向灵敏度的功能。

示波器显示屏的前面通常有刻度栅格，能很容易地参照X轴和Y轴坐标。通过仔细地选择电路和比例，在显示屏上能精确地显示出信号对时间的变化关系。从此波形图上可以获得波形、频率、幅值以及其他的信息。有许多可利用的示波器模式，例如，双轨迹示波器有两束不同波形的比较，而存储型示波器能保持一个瞬时出现的波形。示波器广泛地应用于测试装置以及科学研究中，它相对于其他的显示装置而言比较昂贵，而且在很多精确度要求不高的场合并不需要用它。示波器能提供一个详细的可视化的电信号显示，这使得示波器成为很实用的显示仪器。第13页/共35页8.2数字显示与表示偏移或波形的模拟量不同，数字显示仅显示一个数字量。显示的数字量与被测量的大小成正比。

数字显示与其他的模拟仪器一样，利用电子技术做得很小、很轻、也很方便，一些仪表采用模拟和数字相结合的方式显示信号，如便携式示波仪。所有的数字式仪表都有一个刷新率，刷新率是指显示数据的更新频率。数字显示不能用于显示连续的模拟信号，因为要显示模拟信号需要一个无限的刷新率。这是限制数字显示应用的重要因素。第14页/共35页把传感器的输出信号转变为可视的数字显示，是由一种把模拟信号转化为数字信号的转换器和显示器完成的。第15页/共35页说明数字显示特点的一种常用方法是利用七段显示法。

利用七段显示法通过选择哪些段高亮度和哪些段空白(不亮)，从而形成从“0”到“9”之间的特征数字的具体方法。第16页/共35页七段显示是有一定局限性的，尽管它能够显示从“0“到”9“之间的数字，但是它能显示的字母字符很有限，且形状并不完美，每段的位置并不是最佳的。为了克服这一缺点，十六段显示就应运而生了，虽然它也并不是十分完美，但是它可以显示所有英文字母以及数字。图示为十六段显示的图形。第17页/共35页8.2.1发光二极管发光二极管(LED)是当提供一定电流时会发光的二极管。它们应用于很多方面，如光学传感器、计算机中的开、关指示灯，以及在自行车上的安全指示灯。

它们与正常的照明灯相比，其最大尺寸受到了限制。发光二极管一般是由掺入少量可控杂质(磷化镓或砷化镓)的半导体制成的，发射光的颜色取决于发光二极管的材料和所掺入的杂质。绿、红、橙、黄是发光二极管的常用颜色。

绿色发光二极管应用很广，但它比其他颜色的发光二极管贵得多。一单个的发光二极管经常用于数字显示，以指示开和关或信号电位的高和低，为了显示更复杂的信息，常采用成组使用的方式。第18页/共35页在一个发光二极管显示器中，其内部的发光二极管被以阵列形式排列，通过选择亮与灭，以实现简单符号的显示。为了显示字母符号或更复杂的字符集，它们可以用更复杂的阵列形式排列。如果显示要求所占空间非常小，发光二极管本身可以按七段显示或十六段显示任意一种形式组合。发光二极管显示器结构小、价格便宜，工作可靠，响应迅速，显示效果清晰、明亮，因此，经常应用于环境光线很暗的场合，也常被用于控制(仪表的)面板。很多发光立极管成组地排列可以形成一个大型显示器，闷以便实现各种复杂的功能，如在街上或大型工厂中显示温度。第19页/共35页8.2.2液晶显示液晶显示简称LCD。图示为一个七段式液晶显示器，每段由夹在两个发亮的电极之间的晶体胶片组成。在两个电极之间加上电压时，会引起晶体的折射率变化，并且该段会出现昏暗。可选择性地激发每个段以形成各种不同的符号。字母或更复杂的符号可以通过十六段显示或点阵排列来实现。液晶显示器的段和背景通常为黑色的，但有时在背面设置发光元件以便在黑暗中读取数据。第20页/共35页液晶显示器与其他的显示形式相比，其主要优点是成本和能耗相对较低。

由于省电，一个显示装置甚至可以借助蓄电他供电，它的响应速度比发光二极管慢，常用的发光二极管的响应时间是100ns，而对应的渡最显示括的响应时间是10ms。液晶显示器需要一个照明灯，尤其是用在环境光线条件很暗(或背光)的条件下，就需要专门的照明灯，这样就相应地增加了总的能耗。

液晶显示器是目前应用最广泛的数字式显示形式，其应用包括数字式手表、电压表、电流表、电视及显示器等。第21页/共35页8.2.3机械式数字显示机械式数字显示应用于大型显示场合，通常由七段或十六段显示组成。形成各个条码的每一段都有一个具有同一颜色的背景面和一个明亮的彩色面，背母色通常是暗的或黑色，以便与条码上的鲜艳色彩形成对比。每个条码样可以旋转，以便每一段要么是与背景一样的颜色而不能被看见，要么填充一种鲜艳的颜色。

通过选择旋转的条码可实现使某些条段成为鲜艳色而其余的是背最色，各种符号和图案就可以得到显示每个条码通过一种电子装置来带动其转动。第22页/共35页机械式数字显示器需要一个比发光二极管和液晶显示器更大的外加电源，尽管它们通常只有在某些段正在变化时才消耗能源。

它们可以用来制作成非常大的显示屏。典型的应用像公用时钟或在火车站和飞机场用的信息显示屏。

由于它们含有机械运动部件，所以往往没有其他显示装置那样可靠，需要定期保养，响应时间也较长，要改变显示状态(刷新)要花费0.5s以上的时间。第23页/共35页8.2.4数字式电子管指示器数字式电子管指示器的应用曾经很普遍，但现在却很少了。偶尔会在旧的显示装置中遇到。数字式电子管指示器是一个充满了气体的管子，它含有一个网眼状的阳极(正接口)和由0到9的软字形成的10个阴极。在阴、阳极之间施加一个较大的电压，对应的那个阴极就会发光，因此在阳极和所选择的数字的阴极之间施加一个电压就会显示一个需要的数字。显示比发光二极管和液晶显示器更光亮，而且能在日光下或相当明亮的内部灯光条件下显示。第24页/共35页8.3记录仪记录仪是使一个测量值或信号产生永久性记录的装置，它可能是以图表或数据形式打印出来(复制)，或以模拟或数字信号记录在磁带、磁盘或半导体存储器上。

这些复制资料对于分析和监视数据是非常有用的。一些参数的变化太快，实时显示有很大不足，因此，数据的复制是必要的。

即使一些变化过程很缓慢，而让一个人来实时监视这一过程也是困难的或不实际的。

尽管随着计算机的发展，对于一些记录形式的需要减少了，但是，记录仪可能还会在未来的各种场合中应用。第25页/共35页8.3.1动圈式记录仪动圈式记录仪是一种以图表形式记录数据的低成本记录仪表，与磁电式仪表工作原理相同。

动圈式记录仪由一个装有转动枢轴的绕组线圈组成，线圈架直接与一只记录笔相连，由传感器传来的电信号被实时输出，当电信号经过转动线圈时，线圈、线圈架和记录笔将产生与感应电流成正比的移动。画图操作由一个以恒定速度运动的同步电动机驱动，画笔直接与记录纸接触并由此在纸上画出轨迹，这样就可以绘制出一个电流随时间变化的信号图。动圈式记录仪的响应速度较慢，不适合用于高速记录，它适合于记录温度或气压的变化。第26页/共35页8.3.2伺服式绘图记录仪伺服式绘图记录仪是一种常用的、精确的记录数据的仪器。伺服式绘图记录仪用一只笔绘制一个与所检测的信号成比例的轨迹，笔是由一个连接到伺服电动机的传动带驱动，沿着导向杆线性地在纸上横向移动。同时、笔还连接到一个线性电位计的滑动片上，以检侧笔的位移。通过一个电路比较来自线性电位差计的输出与传感器的信号，得到的电位差就是误差信号。然后由电路再驱动伺服电动机，带动笔移动，直到误差信号为零。因此，轨迹与所产生的愉入信号成比例。第27页/共35页伺服式画图记录仪用途很多，使用简单，结构尺寸小，便于携带能适应多窗口并可采用不同颜色的画笔，以便画出清晰的轨迹。8.3.3坐标绘图仪坐标绘图仪又称为平台绘图仪或XY双变量绘图仪，是一种反映两种输入信号关系的模拟式绘图装置。在坐标绘图仪上，记录纸被装夹在平台上固定的位置，一个电压信号加在X输入端，另一个加在Y输入端。记录笔通常是一个精细的接触式笔尖，被固定在一根横移条的台架上，横移条在纸上可以左右横向移动。第28页/共35页X端的输入电压驱动台架移动，使记录笔按比例前后移动一定的距离。Y端的输入电压驱动横移条左右移动，因此记录笔按比例左右移动一定距离。伺服电动机驱动台架和横移条，从而带动记录笔移动。坐标绘图仪的典型应用是在拉伸试验中记录应力一应变曲线，此时，应变是一个输入，应力是另一个输入。坐标绘图仪也可以画各种传感器信号随时间变化的轨迹图。X端输入斜率以恒定速率递增斜率的电压信号，Y端输入要记录的信号，电压变化的斜率应与信号随时间的变化率一致，信号的频率越高，”斜坡的斜率越大(越陡峭)。坐标绘图仪有一个优点，即在整个记录中没有必要记录变量所对应的时间。其速度是相当慢的，笔在纸上的正确定位、保养以及所用笔的质量都要有较高的要求。第29页/共35页8.3.4紫外线记录仪紫外线记录仪是用转动线圈检测传感器信号的。紫外线记录仪利用由水银蒸气灯发射的紫外线光束反射到一个微小的平面镜上，代替指针。这束光被反射到紫外敏感纸上，并通过一个镜子(或几个镜子)聚焦，这就产生了输入信号(电压或电流)，其幅值对应于时间变化的轨迹。紫外线记录仪结构小而轻，移动它仅需要很小的力。相对动圈式记录仪而言，它非常灵敏，而且可以用于记录更高预率的信号。紫外线记录仪可以得到比其他曲绘图记录仪快得多的记录速度，光敏感应纸需要特殊的储存，并在操作时要防止它受损坏，而且它很昂贵。第30页/共35页8.3.5热力阵列记录仪热力阵列记录仪是用半导体技术记录数据的，很多产品都集成了信号调制、信号监测以及图像输出功能。热力阵列记录仪的流程图由一个模数转换器把来自传感器的模拟信号转换为数字信号，数字信号被输入到一个打印头控制器中。所用的划线笔通过来自打印头控制器的数字信号驱动，并在热力敏感纸上留下一个标记。纸带卷筒由