医用传感器 学习.pptx
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1、第1页/共71页传感器的静态特性传感器的静态特性一、静态特性一、静态特性式中式中Y是输出信号;是输出信号;X是输入信号;是输入信号;a0是无输入时的输出,零位输出;是无输入时的输出,零位输出;a1是传感器的线性灵敏度;是传感器的线性灵敏度;a2,a3,an是非线性项的待定常数。是非线性项的待定常数。第2页/共71页(一)理想线性特性(一)理想线性特性(二)非线性项次数为偶数(二)非线性项次数为偶数不具有对称性,且线性范围较窄不具有对称性,且线性范围较窄具有这种特性的传感器称为具有这种特性的传感器称为线性传感器线性传感器。第3页/共71页(三)非线性项次数为奇数(三)非线性项次数为奇数(四)一般
2、情况(四)一般情况在原点有较宽的线性区在原点有较宽的线性区第4页/共71页第5页/共71页二、静态特性指标二、静态特性指标(一)测量范围和灵敏度(一)测量范围和灵敏度灵敏度灵敏度是指传感器达到稳定后输出变化量对输入变化量的比值。是指传感器达到稳定后输出变化量对输入变化量的比值。第6页/共71页传感器传感器灵敏度灵敏度和和测量范围测量范围有关,多数传感器的灵敏有关,多数传感器的灵敏度越高,测量范围越窄度越高,测量范围越窄。对同样大小的变化量对同样大小的变化量d,d0越小,非线性项就越大。越小,非线性项就越大。如果控制偏离线性的量为定值,则可允许的如果控制偏离线性的量为定值,则可允许的d值就变小,
3、值就变小,即测量范围变窄。即测量范围变窄。光纤式导管末端血压传感器加小于光纤式导管末端血压传感器加小于lmmHg的压力时无输出,的压力时无输出,则其灵敏限为则其灵敏限为1mmHg。第7页/共71页(二)线性度(非线性误差)(二)线性度(非线性误差)在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间的最大在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间的最大偏差(偏差(Lmax)与传感器满量程()与传感器满量程(FS)输出值(输出值(YFS)的百分数称为的百分数称为传感器的线性度传感器的线性度(或非线性误差)。(或非线性误差)。式中:YFSymaxy0满量程输出电压第8页/共71页理论直线即理论直线即Y=a1X,由此
4、式求得的线性由此式求得的线性度称为度称为理论线性度理论线性度。特点:特点:方法简单,但由于数据依据不充分,且计算的线方法简单,但由于数据依据不充分,且计算的线性度值往往偏大,因此不能充分发挥传感器的精度潜力。性度值往往偏大,因此不能充分发挥传感器的精度潜力。第9页/共71页特点:特点:拟合精度高,计算复杂。拟合精度高,计算复杂。第10页/共71页(三)迟滞(三)迟滞第11页/共71页(四)稳定性(四)稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数保持其性能参数的能力。的能力。在传感器输入端加进同样大小的输入时,最理想的情况在传感器输入端加进同样大小的输
5、入时,最理想的情况是不管什么时候,输出值的是不管什么时候,输出值的大小保持不变大小保持不变。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件,其特性生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件,其特性会随时间会随时间发生变化发生变化,从而影响了传感器的稳定性。,从而影响了传感器的稳定性。第12页/共71页(五)环境特性(五)环境特性温度温度影响体现在灵敏度改变、输出漂移影响体现在灵敏度改变、输出漂移气压气压变化影响传感元件或容器发生体积变化变化影响传感元件或容器发生体积变化湿度湿度变化使光学传感器改变折射率
6、,电容传感器介电常变化使光学传感器改变折射率,电容传感器介电常数改变数改变电源电压电源电压波动会引起灵敏度和输出漂移波动会引起灵敏度和输出漂移电源频率电源频率对交流磁场的传感器有影响,其他不大对交流磁场的传感器有影响,其他不大第13页/共71页(六)重复性(六)重复性第14页/共71页传感器的动态特性传感器的动态特性第15页/共71页(初始条件为零)(初始条件为零)一、传感器动态特性的数学模型和传递函数一、传感器动态特性的数学模型和传递函数第16页/共71页已知一种传感器的微分方程为已知一种传感器的微分方程为 ,求其,求其传递函数。传递函数。传递函数传递函数第17页/共71页第18页/共71页
7、第19页/共71页第20页/共71页第21页/共71页三、传感器的动态响应三、传感器的动态响应瞬态响应瞬态响应 阶跃信号阶跃信号稳态响应稳态响应 正弦信号正弦信号 稳态响应稳态响应 正弦信号正弦信号 第22页/共71页(一)瞬态响应(一)瞬态响应tx0ty01传递函数传递函数输出输出 越小,阶跃响应特性越好。越小,阶跃响应特性越好。越小,阶跃响应特性越好。越小,阶跃响应特性越好。在一阶系统中在一阶系统中,时间常数值时间常数值是决定响应速度的重要参数。是决定响应速度的重要参数。拉普拉斯逆变换拉普拉斯逆变换第23页/共71页传递函数传递函数输出输出随阻尼比随阻尼比 的不同,有几种不同的解:的不同,
8、有几种不同的解:1(欠阻尼欠阻尼)=1(临界阻尼临界阻尼)1(过阻尼)(过阻尼)第24页/共71页1的欠阻尼系统比临界阻尼系统的欠阻尼系统比临界阻尼系统(1)更快地达到更快地达到稳态值,稳态值,1 时阶跃响应出现过冲。过阻尼系统时阶跃响应出现过冲。过阻尼系统(1)反应迟钝,动作缓慢,所以一般系统大都设计成反应迟钝,动作缓慢,所以一般系统大都设计成欠阻尼系统欠阻尼系统取值一般为取值一般为0.60.8。二阶传感器的二阶传感器的瞬时响应瞬时响应速度取决于速度取决于和和这这2个参数。个参数。第25页/共71页(二)稳态响应(二)稳态响应稳态响应稳态响应 正弦信号正弦信号 输出输出然后求拉普拉斯逆变换得
9、到系统响应然后求拉普拉斯逆变换得到系统响应y(t).拉普拉斯变换分别是拉普拉斯变换分别是传递函数传递函数例把例把 作为一阶传感器的输入作为一阶传感器的输入得出得出第26页/共71页输出信号含有与输入信号周期相同的成分;输出信号含有与输入信号周期相同的成分;振幅和相位都与振幅和相位都与 有关。有关。;输出振幅几乎等于输入信号的振幅,而且相位滞后比较小;输出振幅几乎等于输入信号的振幅,而且相位滞后比较小;T0比较小,输出信号振幅与输入信号振幅之比则较小,相位滞后增大。比较小,输出信号振幅与输入信号振幅之比则较小,相位滞后增大。因因故故系统响应速度参数系统响应速度参数 和输入信号周期和输入信号周期T
10、0的相对关系就可以的相对关系就可以决定系统的增益和相位滞后。决定系统的增益和相位滞后。第27页/共71页H(j)称为传感器的频率响应函数。称为传感器的频率响应函数。H(j)是一个复函数,它可以用指数形式表示,即是一个复函数,它可以用指数形式表示,即(三)频率响应函数(三)频率响应函数令令第28页/共71页 若以若以 分别表示分别表示H(j)的实部和虚部的实部和虚部,则则A()称为传感器的称为传感器的幅频特性幅频特性,也称为传感器的,也称为传感器的动动态灵敏度态灵敏度(或增益)。(或增益)。第29页/共71页对于传感器对于传感器对于传感器对于传感器 通常是负的,表示传感器输出通常是负的,表示传感
11、器输出通常是负的,表示传感器输出通常是负的,表示传感器输出滞后于滞后于滞后于滞后于输入的相位角度输入的相位角度输入的相位角度输入的相位角度,而且,而且,而且,而且 随随随随 而变,故称之为而变,故称之为而变,故称之为而变,故称之为传感器传感器传感器传感器相频特性相频特性相频特性相频特性。()表表示示传传感感器器的的输输出出信信号号相相位位随随频频率率而而变变化化的的关系。关系。则频率特性的相位角则频率特性的相位角:第30页/共71页幅频特性幅频特性幅频特性幅频特性频率响应函数频率响应函数频率响应函数频率响应函数相频特性相频特性相频特性相频特性第31页/共71页频率响应函数频率响应函数幅频特性幅
12、频特性相频特性相频特性 第32页/共71页阻尼比阻尼比 的影响较大,不同阻尼比情况下相对幅频特性的影响较大,不同阻尼比情况下相对幅频特性曲线如图。曲线如图。2.42.22.01.81.61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5/0=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707A()当当0时,在时,在=1处处A()趋近无穷大,这一现象称之为谐振。趋近无穷大,这一现象称之为谐振。随着随着的增大,谐振现象逐渐不明显。的增大,谐振现象逐渐不明显。当当0.707时,不再出现谐振。时,不再出现谐振。第33页/共71页0-30-60-90-120-150-1800.511.5
13、22.5/0=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0()相频特性相频特性相频特性相频特性=0时,相位有时,相位有90滞后,最大相位滞后为滞后,最大相位滞后为180,越大越大相位滞后变化越平稳。相位滞后变化越平稳。第34页/共71页传感器动态特性分析传感器动态特性分析【例例2-4】一阶传感器的时域分析一阶传感器的时域分析(1)当当t=时,时,y(t)的值等于的值等于0.632,响应达到总变化量的,响应达到总变化量的63.2%。越小传感器的阶跃响应特性越好。越小传感器的阶跃响应特性越好。一阶系统阶跃响应曲线的特点一阶系统阶跃响应曲线的
14、特点(2)t0处,响应曲线的切线斜率处,响应曲线的切线斜率为为1/。(3)经过时间经过时间3 4,响应曲线,响应曲线达稳定值的达稳定值的9598,可以认为,可以认为其调整时间已经完成,故一般取调其调整时间已经完成,故一般取调整时间整时间(34)。时域表达式时域表达式第35页/共71页【例例2-5】一阶传感器的频域分析一阶传感器的频域分析其对数幅值为其对数幅值为幅频响应为幅频响应为一阶传感器频率响应函数为一阶传感器频率响应函数为在低频段即在低频段即 时上式近似为时上式近似为在高频处,即在高频处,即 时,上式为时,上式为第36页/共71页【例例2-6】二阶传感器的时域分析二阶传感器的时域分析延迟时
15、间延迟时间td响应从响应从0上升到稳态值上升到稳态值10%所需的时间。所需的时间。上升时间上升时间tr响应曲线从稳态值的响应曲线从稳态值的10%上升到上升到90%所需时间。所需时间。稳定时间稳定时间ts传感器从阶跃输入开始到稳态值的一定百分比传感器从阶跃输入开始到稳态值的一定百分比(5%)内所需最小时间。内所需最小时间。第37页/共71页 测量结果所反映的并不是被测对象的本来面貌,测量结果所反映的并不是被测对象的本来面貌,而只是一种近似。而只是一种近似。首先因为测量设备、测量对象、测量方法、测首先因为测量设备、测量对象、测量方法、测量者本身都不同程度受到本身和周围各种因素量者本身都不同程度受到
16、本身和周围各种因素的影响,而且这些影响因素也在经常不断的变的影响,而且这些影响因素也在经常不断的变化着。化着。其次,测量过程中必须对测量系统施加作用,其次,测量过程中必须对测量系统施加作用,才能使测量系统给出测量结果。才能使测量系统给出测量结果。传感器的误差传感器的误差第38页/共71页标称相对误差标称相对误差第39页/共71页【例题例题】用测量范围为用测量范围为-50150kPa的压力传感器的压力传感器测量测量140kPa压力时,传感器测得示值为压力时,传感器测得示值为142kPa,求该示值的绝对误差,实际相对误差,标称相对求该示值的绝对误差,实际相对误差,标称相对误差和引用相对误差。误差和
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