NI 常用传感器信号测量汇总.pdfNI 常用传感器信号测量汇总pdf,NI 常用传感器信号测量汇总

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详细说明：NI 常用传感器信号测量汇总pdf,NI 常用传感器信号测量汇总分类法型式说明物理型采用物理效应进行转换按基本效应化学型用化学效应进行转换生物型米用生物效应进行转换按构成形式结构型以转换元件结构参数变化实现信号转换物性型以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系能量转换型输出量直接由被测量能量转换而来能量控制型输出量能量由外部能源提供,但受输入量控制长度、位移、压按输入量、温度、流量以被测量命名〔即按用途分类) 距离按输出量模拟式输出量为模拟信号(电压、电流,… 数字式输出量为数宇信号〔脉冲、编码电阻式利用电阻参数变化实现信号转换电容式利用电容参数变化实现信号转换电感式利用电感参数变化实现信号转换压电式利用压电效应实现信号转换按工作原理分磁电式利用电磁感应原理实现信号转换热电式利用热电效应实现信号转换光电式利用光电效应实现信号转换光纤式利用光纤特性参数变化实现信号转换鲁曹表1传感器类型分类传感器的基本要求无论何种传感器,作为直接面对测试对象的先锋,必须能够快速、准确、可靠而又经济地实现信息转换的基本要求传感器的工作范围和量程需要足够大,可以满足相应测试的极端要求,需要具备一定的过载能力;必须有能满足要求的灵敏度和精度,要求转换后输岀的信号和被测量的输入信号成确定的关系,且比值要大。传感器还需要具备快速的响应能力,稳定可靠的工作能力,较长的寿命和较低的成本,同时维修,校准方便。根据特定的现场应用,有时对传感器的体积和重量都有严格要求,且希望其內部噪声小不易受到外部干扰。最后是传感器输出的信号最好采取通用的标准形式,以便于和外部系统对接。可见选择款合适的传感器并不轻松,需要根据需求全面综合地考虑,不可马虎。传感器重要指标介绍传感器在检测静态量时的静态特性和检测动态量时的动态特性通常可以分开考虑。对于输入信号的,传感器的数学模型也通常有静态和动态之分静态特性静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时,输入和输出的关系,主要要考虑线性度和随机变化等因素。线性度: 线性度又称非线性,是表征传感器输出-输入校准曲线与选定的拟合直线之间的吻合程度的指标。通常用相对误差米表示线性度或非线性误差,有山a 100%(公式1) ΔLs表示输出平均值与拟合直线间的最人偏差 yFs表示理论满量程输出值。所以,选定的拟合直线不同时,计算所得的线性度数值也就不同。选择拟合直线要保证获得尽量小的非线性误差,还要考虑讣算是否方便。常見的方法有理论直线法、端点线法、最小二乘法等迟滞迟滞是反应传感器在输入量增大和减小的行程过程中输出和输入曲线的不重合程度的指标(图2)。通常用正反行栏输出的最大差值AH-εx计算,有 e=+mx×100%(公式2) TFs 出迟滞性理想直线非线性载荷图1迟滞灵敘度灵敏度(图3)是传感器输岀量增量与被测输入量嶒量之比,线性传感器的灵敏度就是拟合直线的斜率,即: (公式3) 非线性传感器的灵敏度不是常数,用dy/dx表示对」需要外部激励的传感器来说,其灵敏度的表达还要考虑电源电压的因素。 U Uo F Fo F 非线性灵敏度线性灵敏度图2灵敏度分辨力分辨力是传感器在规定测量范围内所能测试岀的被测输入量的最小变化量,有时用该值相对满量程输入值的白分数表示,称为分辨率。重复性重复性是指输入量按同一方向做全量稈连续多次变动时,所得特性曲线间一致稈度的指标,各条曲线越接近,重复性越好。重复性误差反映的是校准数据的离散程度,是随机误差计算: + 〓飞 100%(公式4) ! 漂移漂移指在·定吋间间隔内,传感器输出量存在着与被测输入量无关的变化,主要包括零点漂移和灵敏度漂移。岺獻漂移或敏度漂移乂可分为时间漂移和温度漂移、时间漂移指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温度漂移则是周围温度变化所引起的温标一作54×100%(公式5) Δmεx表示输出最大偏差值; ΔT表示温度变化的范围。稳定性稳定性指传感器在长时间使用吋仍保持其性能的能力,般以在室温条件下经过·段规定的时间后,输出与起始标定时的输出之间的差异表小。静态误差(精度精度是评价传感器静态性能的综合性指标,指传感器在满量程内任一点输出值相对其理想值的可能偏离(接近)程度,它表示该传感器在静态测量时所得数据的不精确度。精度的测量方法很多,日前国内外尚不统一动态特性动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应米表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实崄方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对仼意输入信号的响应之存在定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用频率响应和阶跃响应来表示传感器的频率响应特性将各种频率不同而幅值相等的止弦信号输入传感器,其输出弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。由于相频特性和幅颎特性之间有一定的内在关系,因此表示传感器的频响特性及频域性能指标时主要用幅频特性(图3)。图3典型的对数幅频特性传感器的阶跃响应特性当给静止的传感器输入一个单位阶跃信号u() t<0 时,其输出信号称为阶 t>0 跃响应(图4,a为一阶系统;b为二阶系统)。 ±4% 09y 632X 图4阶跃响应曲线温度测量温虔是个基本的物理量,自然界中的切过程无不与温度密切相关。测量温度的热电式传感器是最早开发,应用最广的一类传感器,这类传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性,对温度进行检测的热电偶热电偶传感器(图1)是目前接触式测温中应用最广的热电式传感器,具有结构简单, 制作方便,测温范围宽等特点。图1热电偶热电偶测温的基本原理是两种不冋材质导体组成闭合回路,当两端存在不同温度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在热电势,这就是所谓的塞贝克效应。热电偶直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端),另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与仪表连接,显示热电偶所户生的热电势(图2 MetalA +○ 加离 AB Meta|B(金属图2热电偶原理根据材质不同,热电偶分不同的型号,目前按IEC国际标准,主要有S、B、E、K、R、 j、T七种标准。由于热电偶产生的电势较小,且非线性,通常使用热电偶测温度时需要进行放大和线性化。热电偶输出的电热是两结点温度差的函数,通常将热电偶一端作为被测温度端,T0作为固定冷端(参考温度端),通常要求T0保持0度。但实际使用很难满足,所以产生了热电偶冷端补偿的问题,冷端补偿可采用补偿导线或补偿电桥等多种方法。 NI公司的SCC和SCX系列调理产品均有针对热电偶调理的模块。 NI SCC-TC系列是可调理各类热电偶的单通道模块,该产品支持±100m范围内的毫伏输入,带有一个2Hz的低通静噪滤波器,增益100的仪用放大器,用于冷端温度补偿的板载热敏电阻以及实现M系列 DA设备最扃扫描速率的缓冲输岀。S(C-I系列模块的输入电路还包含高阻抗偏压电阻器, 可用于热电偶开路的检测以及浮动热电偶和接地参考热电偶的处理。冋样作为热电偶调理的 NI SCXⅠ-1102和SCXⅠ-1112每路输入通道也包括了一个仪器放人器和一个2Hz的低通滤波器。采集卡可以用高达333κS/s(每通道3us)的速度扫揹亡们的模拟输入通道,支持采集的信号范围包括电压以及0到20mA或4到20mA的电流。SCXI每个模块的所有通道都可以被ⅥI数据采集卡的某一路通道采集,并攴持另加模块以増加通道数。 NI也提供带有专门针对某类应用调理的数据采集卡,即C系列产品。NI9211A专门针对各类型的热电偶测量设计,24位分辨率保证了高精度,内置传感器则实现了冷端温度补偿。该模块还具有250Wrs通道-地面接地隔离,实现了安仝、抗干扰和高共模电压范围 NT9211A可加上一个USB9162构成USB-9211A单独使用,也可以插在cDAQ-9172的8槽LSB 底板上作为cDAQ系统中的一个模块使用 cDAQ模块虽然集采集调为一体,但是通道数较少,NⅠI9211A可以同时采集4路热电偶,单通道采样率为12S/s。如果需要采焦多通道或高速的热电偶信号,可选择M系列数据采集卡加上SCC或SCXⅠ调理模块。熟电阻(RD) 热电阻是中低温釆集时常用的一种温度传感器,它的主要特点是测量精度高,性能稳定, 灵敏度髙。热电阻是基于金属导体或半导体的电阻佶随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的,其大都由纯金属材料制成,目前使用最多的是铂。热电阻需要电源激励,且不能够瞬时测量温度的变化。工业用热电阻一般采用Pt100,Pt100,Cu50,Cu100等多种型号。热电阻的引线对测量结果会有较大的影响,日前热电阻的引线主要有三种方式:二线制, 三线制,四线制。二线制是在热电阻的两端各连一根导线来引出电阻信号,这种引线方法很简单,但是测量精度不高。在热电阻一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式称为三线制,这种方式通常与电桥配套使用。因为热电阻作为电桥上一个桥臂的电阻,其连接导线乜是桥臂的部分,而这部分电阻是末知且随环境温度变化的,会造成测量误差。采用三线制,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及相邻桥臂上,这样较好地消除了导线电阻带来的测量误差。热电阻两端各连接两根导线的方式称为四线制, 其中两根为热电阻提供激励电流,把电阻转换成电压信号,再通过另两根输出电压供采集, 这种引线方式可完全消除引线电阻的影响,主要用于髙精度的温度检测,但成本也最高。 NISC-RTD01是针对热电偶调理的双通道模块,可连接2、3或4线铂电阻RTD(图3)。 NI SCC-RTD01的每一通道都带有一个增益为25的放大器和一个30Hz低通滤波器,每一模块上还提供用于1或2个RTD的1mA激励源。 NI SCXI-1102模块与 NI SCXI-1581电流激励模块一起使用,可以提供32通道的高精度RTD或热敏电阻调理。1102带有一个2Hz低通滤波器,1581则提供稳定的100μA电流源,从而桷保测量精度。由于SCXI采用模块化设计, 在应用需求改变时可以方使地扩展数据采集系统 SCC-RUDO1 Red 654 C Ex(1 mA) RTD EM Series lack Al(X) Black E/M Series A|(/x+8) 4-Wire. 1 Channel 图3SC-RTD01对4线制RTD的调理 NⅠ9217是具有4通道、24位分辨率的模拟输入模,专门用作100Ω的RTD测量。 NⅠ927可配置两种不同的采样率模式,髙采样率模式下采样率可达A00S/s(每通道100 S/s);高分辨率模式下,采样率为5S/s(每通道1.25S/s),并配有50/60Hz內置噪声抑制功能。ⅥIg217与3线和4线制RID测量兼容,能自动探测与通道连接的RTD类型,并将每条通道軋置成恰当的模式,该模块提倛锊通道lmA的电流激劢,在整个操作温度范围内的精度误差小于1°C。9217还包含NIST校准并只有通道地面接地双重隔离屏障,实现了安全性、抗扰性和高共模电压范闱。熟数电阻热敏电阻是对温度敏感的半导伓(图4),与RTD相似,其阻抗随温度变化而变化。热敏电阻由玻璃或环氧珠封装的金属氧化物半导体材料制造而成。而且,热敏电阻的典型标称阻抗值要比RTD高得多,阻抗值从2000Q到10,000,故可用于较低电流的测量。热敏电阻具有较髙的灵敏度(约200Ω/°C),这使得它对于温度的变化非常灵敏,具有极高的响应速率,但它的使用范围最高为300至500°C。同样,热敏电阻也需要激劢,接线方式也有二三四线制之分,但是由于热敏电阻的标称阻抗非常高,所以连线阻抗不会影响其测量值的精度,因此,二线制测量精度对于热敏电阻已绎足够,所以这种接线方式在热敏电阳中最为常用图4热敏电阻 NISCⅪI-1102模块与 NI SCXI-1581电流激励模块一起使用,也可以提供32通道的热敏电阻调理。对于cDAQ模块可选用A采集的NI9215配合提供电流激励的NI9265一起使用。NI9215 具有4路16位精度的同步电压采集通道,能实现灵活而低成本的信号连接。该模块还具有 250vrms通道-地血接地隔离,实现了安全、抗干扰和高共模电压范围。NI9265是在高速情况下,连接并控制受电流驱动的工业激励器的理想之选。该模块具有内置式开环检测。当检测到开环时,该模块会在软件中产生中断并产生0mA的上电输出,以确保安全,避免在系统上电时驱动激励器。NⅠ9265需要9V到36V的外部电源。该模块包括通道地面接地双亘隔离屏障,具有良好的安全性和抗十扰性。综上所述,热电偶价格便宜,而且有很快的响应时间,但是它精度不高而且最不稳定最不灵敏。热电偶仅仅是读取头和线之间的温度差异,而RTD和热敏电阻是读取绝对温度值。 RTD是可靠性的最佳选择,而且最为稳定,精度最高。但是它的响应时间太长而且因为它需要一个电流源,因此它有自热产生。热敏电阻输出很快而且相对便宣,但是它易碎而且温度范围有限。它同样需要一个电流源而且比RTD的自热现象更为严重,同时它是非线性的(表 1)。温度范围的选择上三者也有区别,热敏电阻和热电阻是测量低温的温度传感器,热敏电阳最低,在500度以下,热电阻在-200到600℃,而热电偶是测量中高温的温度传感器, 一般测量温度在400到1600℃,在选择时如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶,如果测量温度在1200到1600℃就应该选择S型或者B型热电偶标准热电偶热电阻热敏电阻测试范围267°C到2316°C 240°Cto649。C 100°Cto500°C 精度最好线性度较好最好好灵敏度较低最好价格最低较高较低缺点可能需要冷端补偿需要激励,自身发热需要激励,自身发热 SCC调理模 SCC-TC系列 SCC-RTDOl 无块 SCXI调理 SCXI 1102, sCX-1102CX1-1581sCx1-1102+sX1-1581 模块 SCXI-1112 CompactS N9215+N9265, NT9211A,NI9219 NT9217,NT9219 Q模块 NI9219 表1三种温度传感器的比较应变测量应变是施加于物体的作用力对物体造成形变的大小,它会随着作用力的增加而增长, 对于一种材料,应力的增长是有限度的,超过这一限度,材料就要损坏,这个限度称为该种材料的极限应力。立变测量有多种方法,最常用的是采用应变片。由于受到应力,应变片发生形变(长度发生改变),从而导致其阻值也随之产生正比变化。最常见的应变片是金属应变片。金属应变片由极细的金属丝或薄片组成,绕成栅状的形式使它们可以在平行的方向上最大程度地跟随应变发生变化(图δ)。栅格粘在被称为载体的薄衬底上,并直接与被测试件连接。因此,被测件产生的应变直接反映到应变片上,使得应变片电阻值产生线性变化。应变片的阻值在309到3000Q,最常见的阻值标准是120和3509。

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