傳感器與檢測技術學第一章.pptVIP

1,傳感器與檢測技術,同濟大學電子與信息工程學院控制科學與工程系,主講教師：徐和根xuhegen,2,傳感器的一般特性,傳感器的系統(tǒng)特性傳感器的靜態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性,3,系統(tǒng)特性,系統(tǒng)由三要素組成：輸入、輸出和系統(tǒng)動態(tài)（傳遞函數(shù)）。傳感器系統(tǒng)要求：傳感器的輸出電量不失真的復現(xiàn)輸入量的變化。跟蹤問題？輸入量：靜態(tài)量：穩(wěn)定狀態(tài)的量或者變化極其緩慢的量。典型信號：階躍信號。動態(tài)量：通常指周期信號、瞬變信號或者隨機信號。典型信號：正弦信號。,一個高精度的測試裝置必須有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性才能完成信號無失真的轉換！,4,傳感器的靜態(tài)特性,靜態(tài)特性傳感器在靜態(tài)測量時，即輸入、輸出不隨時間而變化時，其輸出-輸入特性。,靜態(tài)方程,非線性度靈敏度,傳感器靜態(tài)特性表征的重要指標：,精確度重復性,回程誤差（遲滯）零點漂移溫漂,5,一、非線性度,非線性度是測量裝置的輸出和輸入是否保持理想比例關系的一種度量。,6,線性度測量系統(tǒng)的標定曲線對理論擬合直線的最大偏差與滿量程之比,Bmax定度曲線與擬合直線的最大偏差.A輸出滿量程.,7,差動測量減小傳感器的非線性誤差。,直線擬合方法：1、端基法。2、最小二乘法。,擬合直線依據(jù)測量系統(tǒng)的標定曲線而得到的接近該曲線的理想直線.,8,第一章傳感器概述,（1）端點法,實際特性上分別對應于測量下限xmin和測量上限xmax的點A和B的連線稱端點擬合直線。,特點：方法簡單，但由于數(shù)據(jù)依據(jù)不充分，且計算的線性度值往往偏大，因此不能充分發(fā)揮傳感器的精度潛力。,A,B,9,第一章傳感器概述,（2）平均選點法,把傳感器全量程內(nèi)的所有校準數(shù)據(jù)，前后分成兩組，分別求出兩組的點系中心，這兩上點系中心的連線，就是平均選點法的擬合直線。,特點：擬合精度較高，試驗點在擬合直線兩側分布，數(shù)據(jù)處理不復雜。,把斜率和截距代入y=a+kx中即得到平均選點法擬合直線方程。,10,第一章傳感器概述,（3）最小二乘法,把所有校準點數(shù)據(jù)都標在坐標圖上，用最小二乘法擬合的直線y=a+kx，其校準點與對應的擬合直線的點之間的殘差平方和為最小。,校準點,擬合直線,11,第一章傳感器概述,特點：擬合精度高，計算復雜。,12,靈敏度測試系統(tǒng)輸出量的變化和輸入量的變化之比。x系統(tǒng)yx+x系統(tǒng)y+y,絕對靈敏度,輸入、輸出同量綱時，S稱為放大倍數(shù).,線性的,非線性的,13,合理選擇靈敏度?,一般希望測試系統(tǒng)的靈敏度高，且在滿量程范圍內(nèi)是恒定的。這是因為：（1）因為S較大，同樣的輸入可有較大的輸出.,（2）S不能太大，因為S，測量范圍，同時穩(wěn)定性差，難以讀數(shù)。,14,精確度測量的綜合優(yōu)良程度。是精密度和正確度的共同作用。通常精確度是以測量誤差的相對度來表示的。,精確度等級：,其中,A傳感器精度。A測量范圍內(nèi)允許的最大絕對誤差。YF.S測量滿輸出。_,15,重復性測試系統(tǒng)在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致性程度。,Bmax輸出最大不重合程度,16,回程誤差表明的是在正反行程期間輸出-輸入特性曲線不重合的程度。,hmax全程范圍內(nèi)輸入量由小增大或由大減小時，對于同一個輸入量所得到的兩個數(shù)值不同的輸出量之間差值的最大者。,17,漂移（Drift)漂移指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器輸出量存在著與被測輸入量無關的、不需要的變化。漂移包括零點漂移與靈敏度漂移。零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移（時漂）和溫度漂移（溫漂）。時漂是指在規(guī)定條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂為周圍溫度變化引起的零點或靈敏度漂移。,18,傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性是反映傳感器隨時間變化的輸入量的響應特性。用傳感器測試動態(tài)量時，希望它的輸出量隨時間變化的關系與輸入量隨時問變化的關系盡可能一致，但實際并不盡然，因此需要研究它的動態(tài)特性分析其動態(tài)誤差。包括：1）輸出量達到穩(wěn)定狀態(tài)以后與理想輸出量之間的差別；2）當輸入量發(fā)生躍變時，輸出量由一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)之間的過渡狀態(tài)中的誤差由于實際測試時輸入量是千變?nèi)f化的，且往往事先并不知道，故工程上通常采用輸入“標準”信號函數(shù)的方法進行分析，并據(jù)此確立若干評定動態(tài)特性的指標。常用的“標準”信號函數(shù)是正弦函數(shù)與階躍函數(shù)。,19,傳感器的動態(tài)數(shù)學模型及動態(tài)特性指標,一、動態(tài)模型,1.微分方程,條件：線性定常系統(tǒng),20,絕大多數(shù)傳感器輸出與輸入的關系可用零階、一階或典型兩階微分方程來描述！,21,例1-7分析加速度傳感器的動態(tài)特性,二階環(huán)節(jié)的傳感器,22,傳遞函數(shù),定義：初始條件為零時，輸出量（響應函數(shù)）的拉普拉斯變換與輸入量（激勵函數(shù)）拉普拉斯變換之比。,23,簡寫為：,兩邊取拉氏變換：,傳遞函數(shù)：,24,特點：,（1）反映傳感器系統(tǒng)本身特性，與x(t)無關。,（2）X(s)、Y(s)、H(s)知二求一,（4）通過實驗求傳遞函數(shù),（3）相同的傳遞函數(shù)可以表征不同物理系？,25,動態(tài)特性指標,輸入標準信號,階躍響應法（時域）,階躍函數(shù),正弦函數(shù),頻率響應法（頻域）,動態(tài)誤差,零階系統(tǒng)、一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)？,26,零階傳感器動態(tài)特性指標零階傳感器，其輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關系，在時間上也不滯后，幅角等于零。所以零階傳感器的動態(tài)特性指標就是靜態(tài)特性指標。,27,一階傳感器動態(tài)特性指標一階傳感器動態(tài)特性指標有：靜態(tài)靈敏度和時間常數(shù)。如果時間常數(shù)越小，系統(tǒng)的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，而彈簧剛度要大。,28,階躍響應,單位階躍信號,時間常數(shù),一階傳感器系統(tǒng),時間常數(shù)怎么確定？,29,二階傳感器系統(tǒng),30,1.4.2傳感器的動態(tài)特性,傳感器的動態(tài)特性是指傳感器的輸出對隨時間變化的輸入量的響應特性。反映輸出值真實再現(xiàn)變化著的輸入量的能力。研究傳感器的動態(tài)特性主要是從測量誤差角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因以及改善措施。時域：瞬態(tài)響應法頻域：頻率響應法,上一頁,下一頁,返回,31,1.瞬態(tài)響應特性,在時域內(nèi)研究傳感器的動態(tài)特性時，常用的激勵信號有階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)和斜坡函數(shù)等。傳感器對所加激勵信號的響應稱為瞬態(tài)響應。理想情況下，階躍輸入信號的大小對過渡過程的曲線形狀是沒有影響的。但在實際做過渡過程實驗時，應保持階躍輸入信號在傳感器特性曲線的線性范圍內(nèi)。,上一頁,下一頁,返回,32,一階傳感器的單位階躍響應,設x(t)、y(t)分別為傳感器的輸入量和輸出量，均是時間的函數(shù)，則一階傳感器的傳遞函數(shù)為式中時間常數(shù)；K靜態(tài)靈敏度。由于在線性傳感器中靈敏度K為常數(shù)，在動態(tài)特性分析中，K只起著使輸出量增加K倍的作用。討論時采用K=1。,上一頁,下一頁,返回,33,對于初始狀態(tài)為零的傳感器，當輸入為單位階躍信號時，X(s)=1/s,傳感器輸出的拉氏變換為,則一階傳感器的單位階躍響應為,一階傳感器的時間常數(shù)越小越好,上一頁,下一頁,返回,34,二階傳感器的單位階躍響應,二階傳感器的傳遞函數(shù)為,式中n傳感器的固有頻率；傳感器的阻尼比。,在單位階躍信號作用下，傳感器輸出的拉氏變換為,上一頁,下一頁,返回,35,對Y（s）進行拉氏反變換，即可得到單位階躍響應。圖1.4.6為二階傳感器的單位階躍響應曲線。,傳感器的響應在很大程度上取決于阻尼比和固有頻率n。在實際使用中，為了兼顧有短的上升時間和小的超調(diào)量，一般傳感器都設計成欠阻尼式的，阻尼比一般取在0.60.8之間。帶保護套管的熱電偶是一個典型的二階傳感器。,上一頁,下一頁,返回,36,瞬態(tài)響應特性指標,時間常數(shù)是描述一階傳感器動態(tài)特性的重要參數(shù)，越小，響應速度越快。二階傳感器階躍響應的典型性能指標可由圖1.4.7表示，,上一頁,下一頁,返回,37,各指標定義如下：上升時間tr輸出由穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所用的時間。響應時間ts系統(tǒng)從階躍輸入開始到輸出值進入穩(wěn)態(tài)值所規(guī)定的范圍內(nèi)所需要的時間。峰值時間tp階躍響應曲線達到第一個峰值所需時間。超調(diào)量傳感器輸出超過穩(wěn)態(tài)值的最大值A，常用相對于穩(wěn)態(tài)值的百分比表示。,上一頁,下一頁,返回,38,2.頻率響應特性,傳感器對正弦輸入信號的響應特性頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的動態(tài)特性。（1）零階傳感器的頻率特性（2）一階傳感器的頻率特性（3）二階傳感器的頻率特性（4）頻率響應特性指標,上一頁,下一頁,返回,39,（1）零階傳感器的頻率特性,零階傳感器的傳遞函數(shù)為,頻率特性為,零階傳感器的輸出和輸入成正比，并且與信號頻率無關。因此，無幅值和相位失真問題，具有理想的動態(tài)特性。電位器式傳感器是零階系統(tǒng)的一個例子