第2章 传感器的基本特性 (2)PPT讲稿.ppt
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1、第第2章章 传感器的基本特性传感器的基本特性(2)第1页,共51页,编辑于2022年,星期一图图2-12-1 传感器或测量系统功能框图传感器或测量系统功能框图2.1 概述概述 在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检在生产过程和科学实验中,要对各种各样的参数进行检测和控制,就要求传感器能测和控制,就要求传感器能感受被测非电量的变化并不失感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量真地变换成相应的电量基本特性。基本特性。第2页,共51页,编辑于2022年,星期一传感器的基本特性通常分为传感器的基本特性通常分为静态特性和动态特性静态特性和动态特性u动态特性动态特性瞬态响应特性瞬态响应特性
2、频率响应特性频率响应特性u静态特性静态特性灵敏度灵敏度线性度线性度迟滞迟滞重复性重复性漂移漂移分辨力分辨力第3页,共51页,编辑于2022年,星期一2.22.2传感器的静态标定与静态特性传感器的静态标定与静态特性2.2.1 2.2.1 静态标定静态标定 标定:是用已知标准校正传感器的过程。标定:是用已知标准校正传感器的过程。标定过程:全量程范围内均匀选取标定过程:全量程范围内均匀选取5 5个或个或5 5个以上个以上标定点(包括零点)记录相应的响应标定点(包括零点)记录相应的响应-激励关系。激励关系。低(低(0 0)高高正行程正行程 高高 低低-反行程反行程 重复若干次得到传感器响应值重复若干次
3、得到传感器响应值yi和激励值和激励值xi之间之间一一对应的关系称为传感器静态特性一一对应的关系称为传感器静态特性 用曲线表示用曲线表示 静态特性曲线。静态特性曲线。第4页,共51页,编辑于2022年,星期一 实际静态特性曲线接近直线关系,常用一实际静态特性曲线接近直线关系,常用一参考直线代替实际曲线参考直线代替实际曲线选取方法:端点连线;选取方法:端点连线;端点平移线;端点平移线;最小二乘直线;最小二乘直线;过零最小二乘直线。过零最小二乘直线。第5页,共51页,编辑于2022年,星期一2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数 传感器静态特性数学模型传感器静态特性数学模型a a0 0 零
4、位输出零位输出a a1 1 线性灵敏度线性灵敏度a a2 2 a an n 非线性系数非线性系数1 1、灵敏度、灵敏度 第6页,共51页,编辑于2022年,星期一理想情况下:理想情况下:特性无线性关系情况下:特性无线性关系情况下:相对灵敏度:相对灵敏度:在相同测量精度要求下,被测量越小,要求的在相同测量精度要求下,被测量越小,要求的绝对灵敏度越高,相对灵敏度没有变化。绝对灵敏度越高,相对灵敏度没有变化。图图2-2 2-2 静态灵敏度的确定静态灵敏度的确定第7页,共51页,编辑于2022年,星期一2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数2 2、非线性(线性度)、非线性(线性度)指传感器的
5、实际输入输出特性曲线对于理想线指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。性输入输出特性的接近或偏离程度。满量程;满量程;最大偏差。最大偏差。xy0图图2-3 线性度示意图线性度示意图实际工作曲线实际工作曲线理想工作曲线理想工作曲线YFSLmax第8页,共51页,编辑于2022年,星期一2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数3 3、迟滞性、迟滞性 表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。表征正行程与反行程静态特性的不一致程度。各标定点上正、反各标定点上正、反行程输出平均值之间行程输出平均值之间的最大偏差的最大偏差正正行行程程工工作作曲曲线线反行程工作曲线反
6、行程工作曲线y0Hmaxx图图2-4 迟滞示意图迟滞示意图第9页,共51页,编辑于2022年,星期一2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数4 4、重复性、重复性 传感器在同一工作条件下,按同一方向作全量传感器在同一工作条件下,按同一方向作全量程多次测量时,对于同一个激励量,其测量结果的程多次测量时,对于同一个激励量,其测量结果的不一致程度。不一致程度。R 同一激励量对应多次同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的绝循环的同向行程响应量的绝对误差对误差xy R0图图2-5 2-5 重复性示意图重复性示意图第10页,共51页,编辑于2022年,星期一 重复性指标定值的分散性,是一种随机误
7、差。可根据标准重复性指标定值的分散性,是一种随机误差。可根据标准偏差来计算偏差来计算RR。K K置信因子置信因子K=2K=2,置信度,置信度95%95%;K=3K=3,置信度,置信度99.73%99.73%第11页,共51页,编辑于2022年,星期一5 5、分辨率、分辨率 分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力分辨率是指传感器能测量到输入量最小变化的能力 x xmax-max-传感器全量程范围内最大的传感器全量程范围内最大的x x;Y YFSFS-传感器满量程输出值。传感器满量程输出值。为了保证测量系统的测量准确度,为了保证测量系统的测量准确度,工程上规定:工程上规定:测量系统的分辨率应
8、小于允许误差的测量系统的分辨率应小于允许误差的1/3,1/51/3,1/5或或1/101/10。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提。可以通过提高仪器的敏感单元增益的方法来提高分辨率。高分辨率。2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数第12页,共51页,编辑于2022年,星期一2.2.2 2.2.2 静态特性参数静态特性参数6 6、漂移、漂移 作用在传感器上的激励不变时,响应量随时间作用在传感器上的激励不变时,响应量随时间的变化趋势。表征传感器的不稳定性。的变化趋势。表征传感器的不稳定性。产生漂移的原因:产生漂移的原因:1 1、传感器自生结构参数的变化;、传感器自生结构参数的变化;
9、2 2、外界工作环境参数的变化。、外界工作环境参数的变化。7 7、量程及测量范围、量程及测量范围测量上限值与下限值的代数差称为测量上限值与下限值的代数差称为量程量程。测量系统能测量的最小输入量(下限)至最大测量系统能测量的最小输入量(下限)至最大输入量(上限)之间的范围称为输入量(上限)之间的范围称为测量范围测量范围。第13页,共51页,编辑于2022年,星期一2.3 2.3 传感器动态特性传感器动态特性 被测量是时间的函数,或是频率的函数。被测量是时间的函数,或是频率的函数。用时域法表示成:用时域法表示成:用频域法表示为:用频域法表示为:第14页,共51页,编辑于2022年,星期一 动态特性
10、是指传感器输出对时间变化的输入量的响动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的响应特性;应特性;除理想状态,多数传感器的输入信号是随时间变化的,输除理想状态,多数传感器的输入信号是随时间变化的,输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数,这种输入输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数,这种输入输出之间的差异就是出之间的差异就是动态误差动态误差。第15页,共51页,编辑于2022年,星期一 一般用一般用线性时不变系统线性时不变系统理论描述传感器的动态理论描述传感器的动态特性,数学上可以用特性,数学上可以用常系数线性微分方程常系数线性微分方程表示系统表示系统的输出量的输出量y y与输入量与输入
11、量x x的关系。的关系。式中,式中,a an n、a an-1n-1、a a1 1、a a0 0和和b bm m、b bm-1m-1、b b1 1、b b0 0均为均为与与系统结构参数有关但与时间无关的常数系统结构参数有关但与时间无关的常数。(2.3.1)2.3.1数学模型数学模型第16页,共51页,编辑于2022年,星期一 如果如果y(t)y(t)是时间变量是时间变量t t 的函数,并且当的函数,并且当t=0t=0时,时,y(t)=0y(t)=0,则它的拉氏变换,则它的拉氏变换Y(S)Y(S)的定义为的定义为式中,式中,s s是复变量是复变量2.3.2 2.3.2 传递函数传递函数第17页,
12、共51页,编辑于2022年,星期一 对式(对式(2.3.12.3.1)取拉氏变换,并认为)取拉氏变换,并认为x(t)x(t)和和y(t)y(t)及它们的各阶时间导数的初值为零,则得及它们的各阶时间导数的初值为零,则得:式(式(2.3.22.3.2)右边)右边与输入与输入x(t)x(t)无关,只与传感器的结构参数有关;无关,只与传感器的结构参数有关;联系了输入输出的关系,是一个描述系统转换及传递信号特联系了输入输出的关系,是一个描述系统转换及传递信号特性的函数。性的函数。(2.3.2)第18页,共51页,编辑于2022年,星期一 定义其初始值为零时,输出定义其初始值为零时,输出y(y(t t)的
13、拉氏变换的拉氏变换Y(Y(s s)和输入的拉氏变换和输入的拉氏变换X(X(s s)之比称为传递函数之比称为传递函数,并记为并记为H(s),H(s),则则 引入传递函数概念之后,在引入传递函数概念之后,在H(H(s s)、Y(Y(s s)和和X(X(s s)三者之三者之中,知道任意两个,第三个便可求得。中,知道任意两个,第三个便可求得。传递函数的物理意义:传递函数的物理意义:1 1)传递函数反映了传感器的固有特性,不随输入、)传递函数反映了传感器的固有特性,不随输入、输出信号的变化而变化;输出信号的变化而变化;2 2)不同类型的传感器可用同一种形式的拉氏传递函)不同类型的传感器可用同一种形式的拉
14、氏传递函数表达。数表达。第19页,共51页,编辑于2022年,星期一2.3.4 2.3.4 频率响应函数频率响应函数 对于稳定的常系数线性系统,可用傅里叶变换代对于稳定的常系数线性系统,可用傅里叶变换代替拉氏变换替拉氏变换 H H(jwjw)称为测量系统的频率响应函数,简称为频率)称为测量系统的频率响应函数,简称为频率响应或频率特性。响应或频率特性。第20页,共51页,编辑于2022年,星期一 频率响应函数频率响应函数 H(jw)H(jw)是一个复数函数,用指数形是一个复数函数,用指数形式表示:式表示:式中式中,第21页,共51页,编辑于2022年,星期一 由两个频率响应分别为由两个频率响应分
15、别为 H H1 1(j(j)和和H H2 2(j(j)的定的定常系数线性系统串接而成的总系统,如果后一系统常系数线性系统串接而成的总系统,如果后一系统对前一系统没有影响,那么,描述整个系统的频率对前一系统没有影响,那么,描述整个系统的频率响应响应常系数线性测量系统的频率响应常系数线性测量系统的频率响应 H H(j(j)是是 频率的函数,与时间、频率的函数,与时间、输入量无关。输入量无关。如果系统为非线性的,则如果系统为非线性的,则H H(j(j)将与输入有关;将与输入有关;如果系统是非常系数的,则如果系统是非常系数的,则 H H(j(j)还与时间有关。还与时间有关。第22页,共51页,编辑于2
16、022年,星期一由由 知在理想情况下若选择一种激励知在理想情况下若选择一种激励x(t)x(t)使使Lx(t)=X(S)=1,Lx(t)=X(S)=1,引入单位冲激函数引入单位冲激函数2.3.5 2.3.5 冲激响应函数冲激响应函数两边取拉氏逆变换则有:两边取拉氏逆变换则有:则:则:第23页,共51页,编辑于2022年,星期一上式表明:上式表明:l 单位冲激函数的响应同样可描述测量系统的动态特性,单位冲激函数的响应同样可描述测量系统的动态特性,它同传递函数是等效的它同传递函数是等效的;不同的是一个在复频域不同的是一个在复频域,一个是在时间域,通常称一个是在时间域,通常称h h(t t)为为冲激响
17、应函数。冲激响应函数。第24页,共51页,编辑于2022年,星期一 对于任意输入对于任意输入x(t)x(t)所引起的响应所引起的响应y(t),y(t),可利用两可利用两个函数的卷积关系个函数的卷积关系,即系统的响应即系统的响应 y(t)y(t)等于冲激响等于冲激响应函数应函数h(t)h(t)同激励同激励x(t)x(t)的卷积,即的卷积,即 第25页,共51页,编辑于2022年,星期一2.42.4典型传感器的动态特性分析典型传感器的动态特性分析2.4.12.4.1典型传感器的频率响应典型传感器的频率响应1.1.一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率响应 a a1 1/a/a0 0-传感器的时间常数
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