测控技术

我所了解的测控技术

摘要：本文介绍了测量与控制技术的基本概念，重点描述了几种常见的测量传感器和两种测量方法以及它们在生产生活中的运用。

关键词：测量、传感器、激光衍射测量技术、莫尔条纹测试技术、自动控制、反馈控制。

1引言

测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头，是光学、精密机械、电子、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。

测量是通过使用一个标准仪器或与一个已知大小的标准事物进行的定量的比较。它包括信息的提取、转换与处理，把已获取的信息进行加工、运算、分析，对系统的工作进行引导与检测。控制技术是由一些电气元件连接成控制线路所组成的，它可以完成一定的工作顺序，或实现一定的工作状态。自动控制所用的技术手段是多种多样的，可以用电气技术、计算机控制、可编程控制，也可用机械方法、液压方法等。

测量与控制是密不可分的。测量是对控制系统的工作进行量化的一种科学手段，控制系统根据测量的结果进行调整与实时控制，使之与设计的技术指标和要求参数相吻合。测量是为了更好地控制，它们之间相辅相成。

测量与控制都是反映人和工具关系的一个概念。因此准确的测量与控制必然离不开精密的仪器与仪表和先进的技术手段。精密的仪器为测量控制提供了极大的帮助，而同时测量与控制的发展也催生出更加先进的仪器。

2测量意义、基本方法和理论以及仪器与技术

2.1测量的意义

测量的过程或行为包括获取在一个预定标准和一个被测量之间的定量的比较。测量提供了有关物理变量和过程的现实状态的定量信息，否则的话，这种现实状态则只可能估计。正因如此，测量便成为对客观世界的新认识的工具，同时也是对任何理论或设计的最终检验。测量是一切研究、设计和开发的基础，且它的作用在众多的工程活动中是十分显著的。

所有具有任意复杂程度的机械设计均涉及三个要素：经验要素、理性要素和实验要素。其中实验要素则以测量为基础——亦即基于对被开发的装置或过程的操作和性能方面的不同量的测量。测量在被期望的和实际所取得的结果之间提供一种比较。测量也是任何控制过程的一个基本元素。控制的概念要求在实际的和希望的性能间具有测量到的差别。

2.2测量的基本方法

有两种基本的测量方法：

（1）直接比较法。与一个原始标准或二次标准做直接比较。例如测量一根钢杆的长度，我们可以直接采用一根钢卷尺，将钢杆的长与

之比较，即可得出结果。该方法简便然而并不总是适用的。人的

感官没有被装配成能将所有的量同相同装置进行直接比较。许多

场合下，它们不足够的灵敏。通过与间接比较相比，该法较少被

采用。

（2）间接比较法。亦即使用标定的系统。该法使用某种形式的传感装置。该传感装置被耦合至一连串的连接装置上，由它们所形成的

整体被称为测量系统。该一连串的装置将基本形式的输入转换成

一个模拟量的形式，然后又将它进行处理并且在输出端表示成原

始输入的一个已知函数。这种转换是经常的，这样，所希望的信

息才能是可懂的。其中对模拟信号的处理可以采取多种形式。经

常需要放大，增加幅值或能量。或者在另外的场合则要求滤波，

从一大群外来输入种获取有用信息。

2.3几种测量仪器与技术

2.3.1传感器

传感器是一种初级的检测装置，它能将所测得的各种参量如位移、位置、速度、加速度、力、温度、湿度和其他形式的信号等转换为统一规格的电信号输入到处理系统中。初级的检测-传感器是一个整体的组件，其功能如下：（1）选择性的敏感被测量，（2）将敏感到的信息处理成更易于第二级操作的形式传感器分为机械式传感器和电传感器，而这是很好的组合方式:机械传感器将输入转换为位移量，而许多电传感器则将位移量转变为一个电输出。下面介绍几种常见的传感装置：

可变电阻传感元件：

原理：电导体的阻值变化服从下述关系式：

R=(ρL)/A

式中：R——电阻值（Ω）；L——电导体的长度(㎝)；

A——电导体的横截面积（㎝²）；ρ——材料的电导率(Ω·㎝)。

许多传感器都是基于阻值因子的变化，滑动触点器件和电位计是依靠L的变化；电阻应变片中，L, A, ρ都可以变化；在热敏电阻传感器，光导光检测器以及压阻式应变片，电阻温度检测器中采取的是ρ值的变化

(1) 滑动触点式装置：滑动触点式电阻传感器将机械位移输入转换成一

个电信号输出，可以是电压，也可以是电流。此类装置是通过改变

导体的有效长度L（见上式）进行工作的。其中采用某种形式的电

阻元件，用以保证触点或电刷在滑动时保持电接触。此类装置最简

单的结构包含一个张紧的电阻丝和滑臂。而更通常地是将电阻丝绕

在一个模型或卡上而形成。圈与圈之间隔开以防止短路，电刷从线

圈的一圈滑到另一圈。当然，滑动触点装置也可以不用电阻丝，而

采用导电膜作为可变电阻元件。常见的是碳合成膜，其中石墨或碳

颗粒悬浮在环氧或聚酯的粘合剂中。还有陶瓷-金属合成膜，其中

陶瓷和稀有金属粉末结合在一起。这些导电膜装置成本要更低，而

且体积小，某些性能也更好。

上述器件通常称作电阻计位计，对于不同材料的计位计，分

辨率有所不同。对于绕线式电阻器，其滑动触点在绕线式电阻器

上滑动引起的电阻值变化并不是触点移动的连续函数。阻值全程

可被划分的最小的增加量决定分辨率的大小。在绕线式电阻器中，

极限分辨率等于匝数的倒数。对于导电膜式电位计，其分辨率则

可以非常小，因此滑臂触头电阻值的变化就成了更重要的限制因

素。

（3）电阻应变片：实验显示，在电阻应变片中，等式中的每项同时到输入应变的影响。将电阻元件粘到受应变器件的表面，由于应变

的作用使得电阻元件拉长（假设为拉应变），横截面积减小。于是

元件变小，其长度增加。然而这样只考虑尺寸的变化并不能完全

解释其工作原理：在发生应变时，还存在电阻率的变化。

（4）热敏电阻器：是热敏感的可变电阻器，由陶瓷型半导体材料制成。

材料配方中的锰、镍、钴的氧化物的电阻率可从100 ~450000Ω·㎝。

其主要应用于温度探测器和电功率感应器件，后者中热敏电阻器

的温度也即其电阻值——是器件所耗散功率的函数。

（5）热电偶：将两种不同的金属接触在一起，则存在一个电动势，其值与包括温度在内的几个因素有关这种形式的结用于测量温度

时，就被称为热电偶。通常这种结是将两根金属丝弯曲焊接在一

起形成的。

可变磁阻传感元件：

在传感器应用中，可变磁阻一词指的是组合一个永磁铁的某种形式的电感装置。这种装置用于动态测量，测试的信号可以是周期的，也可以是瞬变的，其中磁铁提供的磁力线被线圈的绕匝想切割。这种装置也可结合一些提供相对运动的手段。

在其最简单的形式中，可变磁阻装置包含一个绕在永磁铁铁芯上的线圈。磁路中磁导的任何变化都会引起磁通量的改变。随着磁场的增强或减弱，会在线圈中感应一个电压，根据法拉第电磁感应定律：

V=-n（dΦ／dt）

式中：

V——感应电压值（V）;n——线圈的匝数；

Φ——通过线圈的磁通量(Wb)；

这种装置主要用来测量机械系统的速度和角运动，例如在汽车上常用测量汽车的运行速度。

电容式传感器：

用于计算一组等间距平行板电容器的电容的公式为：

C=0.22249YA(N-1)／d

式中:

C——电容值（pF）；K——介电常数（对于空气，K=1）；

A——平板一边的面积（in²）；N——板的数量；d——平板间距（in）.

其主要有改变介电常数型，如测量液态氢容器中液面高度的装置，液面高度的变化引起中心棒与周围管子间的介电常数的变化；改变面积型，如转矩仪中的二次传感元件；改变距离型，如一些电脑键盘和触摸屏，通过按压两极板间距离