现代传感技术翻译.doc

1 第二章传感器的特性噢,人们敢做什么,人们可能做什么,人们每天在做什么,他们不知道在做什么——莎士比亚,无事生非因为很多的激励信号不是电信号,在输入到输出的过程中,一个传感器在其产生和输出电信号之前可能要经历若干个能量转换过程。例如,将压力施加于光纤压力传感器上,首先会导致光纤内部产生张力变形,接着,会引起光纤的折射率产生偏差,再接着,会引起光传输性能产生内在变化以及光子浓度的调整。最后,光子通量能被光电二极管检测到,并且转变为了电流。在这一章,我们只论述所有传感器的特性,不对其物理性质和所必须的能量转换过程深究。在这里, 我们认为一个传感器就是一个黑盒子,就这个黑盒子而言,我们只关心输入其中的激励信号和其输出的电信号的关系。并且,我们要讨论传感器的要点:从可测量的传感器电输出来计算输入激励信号的量值。 传递函数一个完美的或是理想的输入输出关系存在于每个传感器。如果一个传感器是被理想的工作人员在理想的工作环境下使用理想的工具进行完美的设计并且利用理想的材质进行制造,那么这个传感器的输出将总会描绘出输入激励信号的确切量值。这样一个完美的输入输出框架将以一个数值表,一个图表,一个数学公式,或者一个数学方程式的解被表达出来。如果这种输入输出的函数关系是不随时间改变的,这函数就叫做传递函数。这一术语将贯穿整本书。传递函数表达了传感器产生的响应电信号 S和输入的激励信号 s之间的关系。这一关系可以表达如下: ?? sfS?。 2 图 温差式风速计的传递函数( a )和反传递函数( b) 通常情况下,输入的激励信号 s是未知的,而输出信号 S是可以被测量的。传递函数的反函数?? sf 1-对于通过传感器的响应信号S计算输入的激励信号是必须的。已经知道的输出信号 S在测量过程中仅仅是一个数值(电压,电流,数字信号等等),该数值可以描述输入的激励信号 s的量值。事实上,任何传感器都附属于一个测量系统。这个系统的其中一个工作就是解密 S,从而通过可以测量的 S 的量值推断出未知的输入激励信号 s的量值。因此,在一个测量系统中,一个反函数?? sf 1-被表示为?? sF ,可以用来获得输入激励信号 s的量值。图 (a)表达了温差式风速计(用来测量气体质量流量的传感器)的传递函数,通常情况下, 该函数可以通过一个变量为输入的气流速率的二次函数?? sf 进行建模。传感器的输出信号可以是电压或是经过 A/D 转换采集的数字信号,正如图 (a)y轴上经过一个 10位的 A/D 转换器显示的一样。在输出的数字信号值?? sfn?被测量出以后,它需要转换为气流流速。单调的二次函数?? sf 拥有抛物线形式的反传递函数?? nF 。这个抛物线如图 (b)所示,表达了输出的数字信号值(或是电压)与输入的流速的关系。很明显,反传递函数可以通过关于 x轴和 y轴形成的直角三角形的二等分线的镜面反射而的到。 3 数学模型更有用的是,形成传感器工作基础的物理或是化学定律应该被知道。如果定律能以数学公式的形式表达,那么它常常可以通过公式变换计算出传感器的反传递函数,同时还能从已测量的 S求得未知的 s的量值。例如,如果一个线性电阻式分压器被用来感知位移 d,那么欧姆定律可以用来计算传递函数,就像第七章( )所表示的一样。在这个例子中