傳感器的一般特性幻燈片ppt課件

1、第三章第三章 傳感器的普通特性傳感器的普通特性引言3-1 傳感器的靜態(tài)特性3-2 傳感器的動態(tài)特性3-3 傳感器的動態(tài)特性分析3-4 傳感器在典型輸入下的動態(tài)呼應3-5 傳感器的無失真測試條件本章小結引言引言根本特性輸出-輸入關系特性穩(wěn)態(tài)動態(tài)靜 態(tài)-信號不隨時間變化準靜態(tài)-信號變化很緩慢周期瞬態(tài)信號隨時間變化而變化靜態(tài)特性動態(tài)特性對于輸入不同，傳感器表現(xiàn)出的特性不同 一個高精度的傳感器必需有良好的靜態(tài)特性和動態(tài)特性才干完成信號無失真的轉(zhuǎn)換傳感器的特性包括有：1.關于輸入量的特性被測物理量量程或丈量范圍過載才干2.呼應特性1靜態(tài)呼應特性精度、反復性、線性度、遲滯回差、靈敏度、分辨率、閥值、穩(wěn)定性

2、零點漂移、靈敏度漂移、標定的有效期2動態(tài)呼應特性頻率呼應特性幅頻特性和相頻特性階躍呼應特性時間常數(shù)、上升時間，過沖量、固有頻率和阻尼比等3.對儀器和環(huán)境的要求輸入特性、輸出特性、對環(huán)境的要求、安裝的思索、其他電源、附件、分量、尺寸等4.可靠性和易行性標定和測試的方便性、失靈的保險和識別才干、壽命、時間穩(wěn)定性5.供應方面的特性供應的及時性及充足性、運用時所需求的改裝或改良、出廠標定數(shù)據(jù)能否適用、價錢、可供自創(chuàng)的運用閱歷6.其它如絕緣電阻、橫向靈敏度等一些特定的要求一、對測試安裝的根本要求一、對測試安裝的根本要求 1. 能正確地感知并檢測被丈量； 希望輸入與輸出一一對應，即單值的、線性的 2. 安

3、裝測試安裝不應擾亂被丈量； 3. 所選的儀器之間應能滿足匹配的要求阻抗匹配； 4. 測試系統(tǒng)應與測試要求的精度相符合； 精度-用允許誤差表示 測試系統(tǒng)的總誤差=1/31/5測試要求允許誤差 5. 所選的儀器之間應能滿足丈量環(huán)境條件的要求。二、應詳細思索的要素二、應詳細思索的要素一、測試安裝的技術性能目的一、測試安裝的技術性能目的v精度測試系統(tǒng)的精度表征了給出值與被測值相符合的程度%100%100儀器的測量上限被測真值儀器示值儀器引用誤差被測真值被測真值儀器示值儀器相對誤差 精細度 精細度表征丈量儀器的隨機誤差接近于零的程度，即在同樣條件下，給出一樣示值的才干用誤差限表示圍內(nèi)，示值隨外界溫度的變

4、化而變化的值。二、測試安裝的經(jīng)濟目的二、測試安裝的經(jīng)濟目的v 不應盲目的采用超越測試目的所要求精度的儀器；v 當測試系統(tǒng)有許多環(huán)節(jié)組成時，該系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的精度應是同一等級的。三、測試安裝的運用條件三、測試安裝的運用條件溫度、濕度、振動、輻射、磁場、放射性、介質(zhì)3-1 傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性當傳感器輸入、輸出不隨時間而變化時，其輸出-輸入特性。 Sxxaby00靜態(tài)方程S 斜率 靈敏度 非線性度 回程誤差 反復性傳感器靜態(tài)特性表征的重要目的：一、靈敏度一、靈敏度靈敏度傳感器輸出量的變化和輸入量的變化之比。 x 系統(tǒng) y x+x 系統(tǒng) y+y xyS輸入、輸出同量綱時，S稱為放大倍

5、數(shù) 線性的 常數(shù)00abxyxyS非線性的 常數(shù)dxdyS 普通希望測試系統(tǒng)的靈敏度高，且在滿量程范圍內(nèi)是恒定的。這是由于： 1由于S較大，同樣的輸入可有較大的輸出；但是，并不是靈敏度越高越好，而應合理選擇； 2S不能太大，由于S，丈量范圍，同時穩(wěn)定性差，難以讀數(shù)。 二、非線性度二、非線性度非線性度是丈量安裝的輸出和輸入能否堅持理想比例關系的一種度量。332210 xaxaxaay非線性度 丈量系統(tǒng)的標定曲線對實際擬合直線的最大偏向與滿量程之比 Bmax 定度曲線與擬合 直線的最大偏向A 輸出滿量程%100maxABel線 性 化端點線性獨立線性最小二乘線性三、回程誤差遲滯、遲環(huán)三、回程誤差遲

6、滯、遲環(huán) 回程誤差闡明的是在正反行程期間輸出-輸入特性曲線不重合的程度。%100maxAhethmax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。產(chǎn)生回程誤差的緣由：產(chǎn)生回程誤差的緣由：v普通滯后景象引起：由于磁性資料的磁化和資料受力變形v儀器的不任務區(qū)引起：機械部分存在軸承間隙、摩擦、緊固件松動、資料內(nèi)摩擦、積塵等缺陷呵斥輸入變化對輸出無影響。四、反復性四、反復性反復性傳感器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。%100maxAezBmax 輸出最大不重合程度 %100)32(Aez12nyyi3-2 傳感器的動

7、態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性一、動態(tài)參數(shù)測試的特殊問題要求傳感器能迅速準確的測出信號幅值大小和無失真地再現(xiàn)被測信號隨時間變化的波形；測試系統(tǒng)的動態(tài)特性 系統(tǒng)對鼓勵(輸入)的呼應輸出特性。 最后輸出的動態(tài)特性是綜合系統(tǒng)的動態(tài)特性 。 動態(tài)誤差 輸出信號不與輸入信號具有完全一樣的時間函數(shù)，它們之間的差別。它們也是動態(tài)特性的主要內(nèi)容動態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)動態(tài)誤差暫態(tài)動態(tài)誤差 動態(tài)測試中的兩個重要特征時間呼應頻率呼應二、傳感器動態(tài)特性的研討方法及其目的二、傳感器動態(tài)特性的研討方法及其目的n 研討方法：n 時域瞬態(tài)呼應法：脈沖、階躍、斜波等輸入的呼應特性n n 頻域頻率呼應法：正弦輸入的呼應特性n 目的：n 階躍輸入時

8、表征傳感器動態(tài)特性的目的n 上升時間trs 輸出指示值從最終穩(wěn)定值的5%或10%變到最終穩(wěn)定值的95%或90%所需求的時間。n 呼應時間tst 即時間常數(shù)，指輸入量開場起作用到輸出指示值進入穩(wěn)定值所給定的范圍內(nèi)所需的時間。n 過調(diào)量C 輸出第一次到達穩(wěn)定值后又超出穩(wěn)定值而出現(xiàn)的最大偏向。v 正弦輸入v 幅頻特性：幅值和頻率的關系v 相頻特性：相位和頻率的關系v 目的：v 帶寬幅值比不超越某一規(guī)定值的頻率范圍。動態(tài)特性的三種描畫方法： 傳送函數(shù) 動態(tài)特性的復頻域描畫 頻率呼應函數(shù) 動態(tài)特性的頻域描畫 脈沖呼應函數(shù) 動態(tài)特性的時域描畫三、傳送函數(shù)三、傳送函數(shù)一、傳送函數(shù)的定義 單邊拉普拉斯變換對

9、其中S=+j 復頻率0)()(dtetfsFstdtesFjtfjjst)(21)(記作 F(s)=Lf(t)f(t)=L-1F(s)微分性質(zhì): Lf (t)=sF(s)-f(0) 當初始條件為零時 Lfn(t)=SnF(s) 定義傳送函數(shù)： )()(01110111sXbsbsbsbsYasasasammmmnnnn01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm對穩(wěn)定系統(tǒng)nm n 系統(tǒng)微分方程階數(shù)，稱n階系統(tǒng) n=1 一階系統(tǒng) n=2 二階系統(tǒng) 1111011011nnmmnnmmnnmmd ydydyd xdxdxaaaa ybbbb xdtdtdtd

10、tdtdtv H(s)與輸入無關，不因x(t) 而異，只反響系統(tǒng)的特性； v H(s)只反響系統(tǒng)的呼應特性，而和詳細的物理構造無關； v H(s)雖與輸入無關，但對于任一詳細的輸入x(t)都確定地給出輸出y(t)。 二、環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián)二、環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián)v 串聯(lián))()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsXsYsH)()(1sHsHini假設兩個環(huán)節(jié)假設n個環(huán)節(jié)n 并聯(lián)假設n個環(huán)節(jié) )()()(21sYsYsY)()()()()()()()()(2121sHsHsXsYsXsYsXsYsHniisHsH1)()(假設兩個環(huán)節(jié)3-3 傳感器動態(tài)特性分析傳感器動態(tài)特性分析a

11、0y=b0 x （零階環(huán)節(jié)）xbyadtdya001（ 二 階 環(huán) 節(jié) ）（一階環(huán)節(jié)）xbyadtdyadtyda0012221111011011nnmmnnmmnnmmd ydydyd xdxdxaaaa ybbbb xdtdtdtdtdtdt一、傳感器的傳送函數(shù)及其頻率呼應一、傳感器的傳送函數(shù)及其頻率呼應一階傳感器一階傳感器 通式：通式：)()()(001txbtyadttdya)()()(0001txabtydttdyaa01aa00ab具有時間的量綱，稱為時間常數(shù) 01aa是系統(tǒng)的靈敏度s， 令s=1稱為靈敏度歸一化處置， 它只影響比例，不影響動態(tài)特性。 靈敏度歸一化后：)()()(t

12、xtydttdy11)(ssHjjH11)()()()(11)(2arctgA兩邊取拉氏變換：sY(s)+Y(s)=X(s)時間常數(shù)越小，頻率呼應特性越好 傳送函數(shù)只反映系統(tǒng)的呼應特性而和詳細的物理構造無關 例1：液柱式溫度計 設溫度計液柱介質(zhì)的熱容量為C，傳導介質(zhì)的熱阻為R 根據(jù)熱力學原理，溫度計的吸熱與散熱，在略去熱損耗的條件應堅持平衡 dtdTyCRTTyx)()()(txtydttdyRC兩邊作拉氏變換，且=RC得：sY(s)+Y(s)=X(s)11)()()(ssXsYsH例2：簡單的RC電路電系統(tǒng) xyyeedtdeRC)()()(txtydttdyRC11)(ssH例3：無質(zhì)量彈

13、簧阻尼系統(tǒng)機械系統(tǒng) 阻尼力+彈性力=外力 )()()(tftkydttdyC)()()(txtydttdykC令kc那么11)(ssH類似系統(tǒng)具有一樣輸出-輸入關系的微分方程的系統(tǒng)。類似量在微分方程中占有一樣位置的量。 這個實際稱為類似實際。類似系統(tǒng)對實驗的作用： 1. 機電模擬 2. 模型實驗 n 二階傳感器通式歸一化)()()()(001222txbtyadttdyadttyda)()()()(012202txtydttdyaadttydaa以機械系統(tǒng)的單自在度質(zhì)量、彈簧、阻尼系統(tǒng)為例慣性力+阻尼力+彈簧力=外力 )()()()(22tkxtkydttdyCdttydm)()()()(22

14、txtydttdykCdttydkm令2Cmk CCnmkmkCkC2122)(mkn)()()(2)(1222txtydttdydttydnn兩邊取拉氏變換： )()() 121(22sXsYssnn2222221211)(nnnnnsssssH)(2)(1 1)(2)()(2222nnnnnjjjjH222)(2)(1 1)()(nnjHA22)(1)(2)(nnarctg幅頻特性相頻特性傳送函數(shù)頻率呼應3-4 傳感器在典型輸入下的動態(tài)呼應傳感器在典型輸入下的動態(tài)呼應 一、單位階躍呼應一、單位階躍呼應輸入 u(t)= 0 t,總的呼應才到達最終的穩(wěn)定值 n越高，測試安裝的呼應越快； 影響超

15、調(diào)量和振蕩次數(shù) =0 超調(diào)量為100%，作無衰減振蕩，達不到穩(wěn)態(tài) 1 無振蕩，相當于兩個一階環(huán)節(jié)的串聯(lián)， 這時雖不振蕩，但需經(jīng)過較長時間才干到達穩(wěn)態(tài) =0.60.8 最大超調(diào)量10%2.5% 假設允許動態(tài)誤差為5%2%，那么調(diào)整時間 為最短，故很多測試安裝在設計時常把 選在這個區(qū)間 3-5 傳感器的無失真測試條件傳感器的無失真測試條件一、動態(tài)測試不失真條件 x(t) 測試系統(tǒng) y(t)=A0 x(t-t0) X(j) Y(j)=A0e- jt0X(j) )(0)()()()(0jtjeAeAjXjYjH動態(tài)測試不失真條件為 0)(00或）（常數(shù)tAAvA()常數(shù)幅值失真v 這種失真對多頻成分信

16、號的影響是嚴重的，而對于單頻成分的信號只導致幅值丈量的線性誤差。 v()-t0 或0相位失真v 這種失真對多頻信號丈量就會呵斥失真，但是假設是單頻信號，那么普通可忽略相位失真。假設只需測得信號的有效值或功率，那么相位失真對多頻信號也無影響。對于 測量具體結構的動特性控制系統(tǒng)用的測量那么要求 0)()(0AA均滿足 (根據(jù)動態(tài)測試不失真條件討論)一階傳感器：特性參數(shù)從幅頻特性看2)(11)(A1應工作在)()(1)(arctgA 越小，堅持在一定精度下幅值不失真的可用頻帶越長。 v從階躍呼應看01aa穩(wěn)定性差阻尼，敏度，剛度，靜態(tài)反映得是靈,110000aaSaabSa 希望越小越好，但遭到靈敏

17、度和穩(wěn)定性限制，要適中選擇。 n二階傳感器：特性參數(shù)n、 n討論n 1n時，A()=A0，且這時()-接近直線。 當n越大，可用頻帶越寬；但n k S n受靈敏度限制，只能適當高普通 n (35) 即 (1/51/3) n()nkmn 討論 a、從幅頻特性看 當=0.60.8時，在一定精度下， A()=A0的頻帶較長，即可用頻帶較長。過共振區(qū)不致有過大的過載。由于這時的曲線共振處幅值較小，假設有夾雜n附近頻率信號時也不會過載。b.從相頻特性看 當=0.60.8時，特性曲線在 n區(qū)接近一條斜直線，滿足一定精度下相位不失真的可用頻帶最長。c.階躍呼應看 丈量范圍丈量范圍 ： 在允許誤差范圍內(nèi)，被丈

18、量上限與被丈量下限在允許誤差范圍內(nèi)，被丈量上限與被丈量下限 所確定的區(qū)間。所確定的區(qū)間。量量 程程 ：傳感器丈量范圍的上限位和下限位的代數(shù)差。：傳感器丈量范圍的上限位和下限位的代數(shù)差。滿量程輸出滿量程輸出 ：在規(guī)定條件下，傳感器丈量范圍的上限和下限：在規(guī)定條件下，傳感器丈量范圍的上限和下限 所對應的輸出值的代數(shù)差。所對應的輸出值的代數(shù)差。過超才干過超才干 ：在不引起傳感器規(guī)定的性能目的發(fā)生永久變化：在不引起傳感器規(guī)定的性能目的發(fā)生永久變化 的條件下，允許超越丈量范圍的才干。的條件下，允許超越丈量范圍的才干。分辨力分辨力 ：傳感器在規(guī)定的丈量范圍內(nèi)能夠檢測出的被測：傳感器在規(guī)定的丈量范圍內(nèi)能夠檢

19、測出的被測 量的最小變比值。量的最小變比值。補充概念上升時間上升時間 ：指傳感器階躍呼應時，從穩(wěn)定值的：指傳感器階躍呼應時，從穩(wěn)定值的 a a 變化到穩(wěn)變化到穩(wěn) 定值的定值的 b b 所需的時間，通常取所需的時間，通常取 a a 為為 1010， 而取而取 b b 為為 9090。呼應時間呼應時間 ：指傳感器階躍呼應時，輸出量從開場變化到進入：指傳感器階躍呼應時，輸出量從開場變化到進入 穩(wěn)定值的規(guī)定百分率時所需的時間。穩(wěn)定值的規(guī)定百分率時所需的時間。任務溫度范圍任務溫度范圍 ： 保證傳感器特性目的的溫度范圍。保證傳感器特性目的的溫度范圍。 溫度誤差溫度誤差 ：傳感器任務溫度偏離校準溫度時引起的

20、誤差。在：傳感器任務溫度偏離校準溫度時引起的誤差。在 傳感器丈量范圍內(nèi)，用溫度變化引起的輸出最大傳感器丈量范圍內(nèi)，用溫度變化引起的輸出最大 變化值與校準溫度下滿量程輸出的百分比表示。變化值與校準溫度下滿量程輸出的百分比表示。補充概念熱零點漫移熱零點漫移 ：傳感器任務溫度偏離校準溫度而引起的零點輸出：傳感器任務溫度偏離校準溫度而引起的零點輸出 的最大變化，普通以每變化的最大變化，普通以每變化 1 1 時零點輸出的相時零點輸出的相 對變化來表示對變化來表示/。穩(wěn)定性穩(wěn)定性 ：一定時間內(nèi)，傳感器在一樣的條件下維持其原來性能：一定時間內(nèi)，傳感器在一樣的條件下維持其原來性能 的才干。穩(wěn)定性是確定校準期的主要根據(jù)。的才干。穩(wěn)定性是確定校準期的主要根據(jù)。漂移時漂漂移時漂 ：在恒定的輸入和任務條件下，輸出量隨時間的：在恒定的輸入和任務條件下，輸出量隨時間的 緩慢變化。緩慢變化。零零 漂漂 ：在規(guī)定的時間及室內(nèi)條件下，輸入量為零時的漂移。：在規(guī)定的時間及室內(nèi)條件下