闭环传感器
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闭环传感器 工作原理及特点 力、力矩平衡式传感器
1 工作原理及特点 2 力、力矩平衡式传感器 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1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，分配给每一环节的允 许误差就越小，要求也越严
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1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，分配给每一环节的允 许误差就越小，要求也越严。 闭环传感器
闭环传感器 图1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 节”，构成了闭环的反馈一测量系统
图1 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 节” ，构成了闭环的反馈－测量系统 闭环传感器
闭环传感器 反馈一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衡形式。 这时“反馈环节”为反向传感器一力矩器或力发 生器。整个传感器的框图如图2所示，这类力平衡式 传感器又称伺服式传感器。 前向环节一 电量 被测量r-1 敏感元件18 输出 传感器 伺服放大电路 反向传感器 2反馈一测量系统原理框图
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2所示，这类力平衡式 传感器又称伺服式传感器。 2 反馈－测量系统原理框图 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
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。 闭环传感器
闭环传感器 第一节作原理及特点 图2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
图2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 作原理及特点 闭环传感器
闭环传感器 图3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2可简化成图3。此时， 闭环反馈一测量系统的传递函数为 H(s)=A(s) 1+BA(s) 式中 A (s) 前向环节的总传递函数； B一一反馈环节的反馈系数
图3 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 2可简化成图3。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； β一一反馈环节的反馈系数。 闭环传感器
闭环传感器 假定前向环节总的传递函数为 ko A(s)=1+T 式中 k0—— 静态增益； T一时间常数。 则有 ko H()=1+A西1+1+o9 A(s) 1+k08 Ts =1+Ts 式中 闭环静态传递函数，，=k(1+kB) T' 闭环时间常数，T'=T1+kβ)
假定前向环节总的传递函数为 式中 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， 。 0 k 0 0 0 k k k = + /(1 ) T 0 T T k = + /(1 ) 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 k,R测闭环静态传递函数（即静态灵敏 度)≈1/B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
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。 0 k 1 0 k 1/ 闭环传感器