能量变换与信号变换.ppt

第一节信息与能量第一节信息与能量一、信息一能量理论基础一、信息一能量理论基础 信息和能量是紧密相关的。信息和能量是紧密相关的。从信息的定义可知，信息从信息的定义可知，信息需用一定的能量或物质形式来表示其确定含义。在自然科需用一定的能量或物质形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，又非物质形态。因此，必须要用一定的能量或物质形式来表现这质形态。因此，必须要用一定的能量或物质形式来表现这个信息的确定含义。个信息的确定含义。物体受热这一信息，是通过温度上升、红外线辐射强物体受热这一信息，是通过温度上升、红外线辐射强度加大等能量或体积膨胀、形态改变、，磁导率和电导率度加大等能量或体积膨胀、形态改变、，磁导率和电导率变化等物质形式来表现的，检测其中任一量的变化量都可变化等物质形式来表现的，检测其中任一量的变化量都可用来判断这一信息。用来判断这一信息。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，信息的传输必须依靠物质或能量。信息的传输可分为时间（时刻）内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距离上信息的传输。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，而谈话时发出的声振动、电缆传送的电流脉冲等则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态表示的；）信息是由能量或物质形态表示的；（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消耗能量，维持）信息在传输过程中要消耗能量，维持信息传输必须供给能量；信息传输必须供给能量；（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、传感器传递的信息与能量的关系二、传感器传递的信息与能量的关系在生产和科学研究的计量与测试中，对被测对象不仅要求在生产和科学研究的计量与测试中，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状态进行定量的描述作出定性的评价，而且要求对被测对象的状态进行定量的描述。例如:检验机加工轴产品质量需要定量的测量其直径大小、表面粗糙度值和圆度误差等参数。又如，某人身体不适，医生认为他病了，还必须通过测量其体温、血压，检查心肺，进行各种化验等检查手段来判断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程度。因此一个信息中往往包含着多个待测参量或被测量，而这些被测量的处理结果则确定了该信息的可靠性和准确量值。传感器所转换的被测量往往是所传递信息中的一种参量。在拾取信息测量过程中，传感器与被测对象间的能量关系有如下两种情况：第一节信息与能量第一节信息与能量（）当被测对象的物理状态与某种形式的能量有关时，当被测对象的物理状态与某种形式的能量有关时，从被测对象的状态所获得的信息中，便可确定传感器从被测对象的状态所获得的信息中，便可确定传感器得到的能量与信息的相互关系。得到的能量与信息的相互关系。例如：应用热电偶测量温度，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，通过测量电路，最后显示出温度值。（2）当被测对象的物理状态与某种形式的能量无关时，当被测对象的物理状态与某种形式的能量无关时，为了测量，则需要对被测对象施加一定的能量，根据为了测量，则需要对被测对象施加一定的能量，根据其响应的情况来获得有关被测对象的信息。其响应的情况来获得有关被测对象的信息。例如，采用一般光电式传感器测量物体的位置，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该是：（1）发现与各种自然信息相对应的信号表现形式，以）发现与各种自然信息相对应的信号表现形式，以及信息与这些信号之间的定性、定量关系，以开辟新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。的传感器技术领域。例如，材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，因而能定性、定量进行检测，从而开辟声发射无损检测新兴领域。（2）对反映某一信息的各种信号，在不同的环境条件）对反映某一信息的各种信号，在不同的环境条件下，寻求最佳的信号拾取、变换等方法和手段。寻求下，寻求最佳的信号拾取、变换等方法和手段。寻求最佳传感器最佳传感器。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形式的能量换能器Eg5: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能 量量 信息信息 计测计测方法不同方法不同精度不同精度不同环境适应性不同环境适应性不同信号处理不同信号处理不同物理效应反射、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测量与能量变换第二节被测量与能量变换 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，可将物理量大致分为示容变量和示强变量两大类。示容变量示容变量（或称流通变量）是表示能容纳多少的量或表示物质形态的量。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，也即容纳多少的量，因此叫示容变量。示强变量示强变量或称作用变量是表示在某种场合下作用程度的量。例如力、压力、温度、电压等都属于示强变量。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换二、传感器能量变换二、传感器能量变换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体力学的能量；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。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换如果将传感器输入端的被测量和输出端的输出量用示容变量和示强变量表示，如图1-2-1（a）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，用热电偶测量温度，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则是示容变量，如图1-2-1(b)所示，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行了能量变换。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换当传感器输出的电能是由外加电源供给时，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，通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的能量为气体力学能量PdV，传感器输出的能量是由外加电源供给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给的，传感器总能将一种非电能量转换成电能量输出，进行能量变换。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换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BIVVoutE杨氏模量光电自动测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 流流第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换三、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行变换时，在某种程度上传感器对被测对象的状态产生影响导致误差。例如：应用热电偶测量物体温度时，输入的热流是由被测物体向热电偶传输的，如果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造成系传感器输出端的负载从传感器索取能量也是造成系统误差的原因之一。统误差的原因之一。不同的传感器对测量的影响是不同的，但只要传感不同的传感器对测量的影响是不同的，但只要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，就可实现高精度的测量。越小，就可实现高精度的测量。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换 传传感感器器从从被被测测对对象象索索取取能能量量进进行行变变换换时时，在在某某种种程度上传感器对被测对象的状态产生影响导致误差。程度上传感器对被测对象的状态产生影响导致误差。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，电子器件）（弹性元件非线性，电子器件）传感器输出端的负载从传感器索取能量也是造成传感器输出端的负载从传感器索取能量也是造成系统误差的原因之一。系统误差的原因之一。不同的传感器对测量的影响是不同的，但只要传不同的传感器对测量的影响是不同的，但只要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，负载对传感器输出的影响越小，就可实现高精度的测量。越小，就可实现高精度的测量。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换四、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，而能将被测的非电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。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能量变换型传感器。第二节被测量与能量变换第二节被测量与能量变换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，其输出的电能量是由外加电源电压供给的，而不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给传感器输出端的能量，并加电压（或电流）作为与被测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给的，因此传感器输出端的电能可能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用。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。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。传感器传递信息实际上是变化信号，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输的电（指一般情况）信号，并输至测量电路进行处理、显示的测量部件或装置。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，只有变化的量中才可能含有信息，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输、变换、处理。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 传感器应用与信号变换有关的物理定律或效应，将输入被传感器应用与信号变换有关的物理定律或效应，将输入被测量（通常为连续量）转换成与之一一对应的输出量，或测量（通常为连续量）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（或频率，相位）与之对应的输转换成高频电振荡的幅值（或频率，相位）与之对应的输出量，这种变出量，这种变 换称为模拟变换。换称为模拟变换。对于能量变换型传感器和外加直流电源供电的能量控制型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，它们的输出和输入传感器，如直流供电的电阻式传感器，它们的输出和输入之间常常是一一对应的。这种输出信号称为非调制信号，之间常常是一一对应的。这种输出信号称为非调制信号，其抗干扰性能较差，但测量电路简单。其抗干扰性能较差，但测量电路简单。对于外加交流电源供电的能量控制型传感器，如电容式、对于外加交流电源供电的能量控制型传感器，如电容式、电感式、振弦式等传感器，通常输出调制信号，它们的幅电感式、振弦式等传感器，通常输出调制信号，它们的幅值（指调幅信号）或频率（指调频信号）或相位（指调相值（指调幅信号）或频率（指调频信号）或相位（指调相信号）与输入被测量相对应。这部分内容将在本篇第六章信号）与输入被测量相对应。这部分内容将在本篇第六章中详细讨论。中详细讨论。第三节第三节 传感器信号变换传感器信号变换二、数字变换二、数字变换 传感器数字变换是将被测量的大小转换成无论传感器数字变换是将被测量的大小转换成无论在数量上还是时间上都是离散的数值，其精度由位在数量上还是时间上都是离散的数值，其精度由位数或字长和变换所产生的误差决定。一般情况下，数或字长和变换所产生的误差决定。一般情况下，数字变换的综合精度较高，输出信号易于处理和计数字变换的综合精度较高，输出信号易于处理和计算，抗干扰能力很强。算，抗干扰能力很强。这类传感器有编码器式传感这类传感器有编码器式传感器。通常还把输出为频率信号的传感器如谐振式传器。通常还把输出为频率信号的传感器如谐振式传感器，以及输出为增量码信号的传感器如光栅莫尔感器，以及输出为增量码信号的传感器如光栅莫尔条纹式传感器、激光干涉测量装置等也称为数字式条纹式传感器、激光干涉测量装置等也称为数字式传感器。这是因为这些传感器的输出很容易变换成传感器。这是因为这些传感器的输出很容易变换成脉冲数字信号，并用数字技术进行信号处理，所以脉冲数字信号，并用数字技术进行信号处理，所以列为数字变换。列为数字变换。三、三、A/D，D/A，F/V 变换变换