傳感器的一般特性課件

第1章傳感器的一般特性1.1傳感器的靜態(tài)特性1.2傳感器的動態(tài)特性1.3傳感器的不失真測試條件1.4傳感器的標(biāo)定(輸出—輸入特性)9/4/20237:24AM1

第1章傳感器的一般特性1.1傳感器的靜態(tài)特性(輸出—1.1傳感器的靜態(tài)特性輸入信號不變或緩慢變化時系統(tǒng)的特性傳感器輸出只與輸入量的大小有關(guān)常用的靜態(tài)特性指標(biāo)線性度靈敏度遲滯重復(fù)性靜態(tài)誤差由磁滯、蠕變、摩擦、間隙以及松動等因素引起相關(guān)術(shù)語：靜態(tài)信號與動態(tài)信號靜態(tài)測量與動態(tài)測量9/4/202321.1傳感器的靜態(tài)特性輸入信號不變或緩慢變化時系統(tǒng)的特性沖擊與振動溫度供電電磁場外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸入傳感器輸出誤差因素穩(wěn)定性(零漂)干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力線性度遲滯重復(fù)性靈敏度傳感器本身靜態(tài)特性的影響1.1傳感器的靜態(tài)特性9/4/20233沖擊與振動溫度供電電磁場外界影響1.1.1線性度傳感器輸入輸出之間的線性程度線性傳感器的優(yōu)點(diǎn):理論分析、設(shè)計計算簡單；傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理方便；分度盤均勻、刻線均勻，精度高；避免非線性補(bǔ)償。實際傳感器特性存在非線性9/4/202341.1.1線性度傳感器輸入輸出之間的線性程度8/2/2021.1.1線性度線性特性xy輸出y輸入x傳感器非線性特性僅有奇次特性項的傳感器有較大的測量范圍9/4/202351.1.1線性度線性特性xy輸出y輸入x傳感器非線性特1.1.1線性度非線性誤差的評定非線性特性的線性化處理——便于測量實際特性曲線與擬合直線非線性誤差實際曲線與擬合直線之間的最大偏差用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示ΔLmaxyxmaxyFSx9/4/202361.1.1線性度非線性誤差的評定ΔLmaxyxmaxyFS1.1.1線性度直線的擬合方法：最小二乘法(誤差平方和最小)；固定端點(diǎn)的最小二乘法；兩端點(diǎn)連線法(有條件最優(yōu))最小二乘法最優(yōu)xyyFSΔmaxyyFSxΔmaxxyFSyΔmax9/4/202371.1.1線性度直線的擬合方法：xyyFSΔmaxyyFS提高線性度的方法：縮小測量范圍分段標(biāo)定法誤差修正與補(bǔ)償標(biāo)定得實際曲線；按擬合曲線計算誤差補(bǔ)償量：測量yc誤差補(bǔ)償：實際測量結(jié)果：條件：傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性要好

x1x2傳感器的靜態(tài)輸入輸出特性曲線輸入x輸出y實際曲線擬合直線0

x3

x0差值傳感器的靜態(tài)輸入輸出特性曲線輸入x輸出y實際曲線擬合直線0

x3

x差值Δy

ya

yc9/4/20238提高線性度的方法：縮小測量范圍x1x2傳感器的靜態(tài)1.1.2靈敏度傳感器的輸出相對與輸入的變化率輸出增量Δy、輸入量增量Δx時

線性系統(tǒng)靈敏度為常數(shù)非線性系統(tǒng)靈敏度是被測量的函數(shù)評定條件：穩(wěn)態(tài)期望：靈敏度高而穩(wěn)定9/4/202391.1.2靈敏度傳感器的輸出相對與輸入的變化率8/2/20傳感器正、反行程的輸出-輸入特性曲線不重合評定方法加載0

xmax卸載xmax

0原因：彈性敏感元件的彈性滯后；運(yùn)動部件摩擦；傳動機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動。1.1.3遲滯(回程誤差)xmax9/4/202310傳感器正、反行程的輸出-輸入特性曲線不重合1.1.3遲滯1.1.4重復(fù)性傳感器同一加載方向上，多次測試的特性曲線的不一致程度原因：隨機(jī)誤差評定方法9/4/2023111.1.4重復(fù)性傳感器同一加載方向上，多次測試的特性曲線的1.1.5分辨力/分辨率/預(yù)值分辨力:傳感器所能檢測到的最小輸入量的增量分辨率:分辨力相對于滿量程的百分?jǐn)?shù)閾值:傳感器在零點(diǎn)附近的分辨力9/4/2023121.1.5分辨力/分辨率/預(yù)值分辨力:8/2/202312本節(jié)小結(jié)五種主要的靜態(tài)特性靈敏度傳感器對被測量的靈敏程度；靈敏度越大，靜態(tài)放大倍數(shù)越高。線性度傳感器輸入輸出的線性程度；線性度越小，測量精度越高。遲滯—機(jī)械部件缺陷重復(fù)性—隨機(jī)干擾分辨率9/4/202313本節(jié)小結(jié)五種主要的靜態(tài)特性靈敏度8/2/2023131.2傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性被測量快速變化時，傳感器輸出與輸入之間的動態(tài)關(guān)系；輸出須反映被測信號隨時間的變化規(guī)律；測量結(jié)果與被測量的大小、頻率以及測量儀器的動態(tài)特性有關(guān)。9/4/2023141.2傳感器的動態(tài)特性動態(tài)特性8/2/2023141.2傳感器的動態(tài)特性實例：溫度測量影響測量值的原因動態(tài)測量時測量結(jié)果：與被測量大小有關(guān)與被測量頻率有關(guān)與傳感器的動態(tài)性能有關(guān)動態(tài)特性是傳感器的固有特性動態(tài)誤差t0tt0T0T1T理想輸入實際輸出9/4/2023151.2傳感器的動態(tài)特性實例：動態(tài)誤差t0tt0T0T1T理1.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型:傳感器輸出與輸入的數(shù)學(xué)函數(shù)傳感器模型建立基礎(chǔ)：線性時不變理論輸出導(dǎo)數(shù)的線性組合＝輸入導(dǎo)數(shù)的線性組合輸出y輸入x傳感器9/4/2023161.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型:傳感器輸出與輸入的數(shù)學(xué)1.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型為常數(shù)傳感器理想數(shù)學(xué)模型：線性時不變微分方程疊加性：多輸入的響應(yīng)互不影響頻率保持性：輸出與輸入的頻率相等計算不便輸出y輸入x傳感器9/4/2023171.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型1.2.2傳感器的傳遞函數(shù)拉普拉斯變換：當(dāng)時，若x(t)、y(t)的各階導(dǎo)數(shù)為0，對傳感器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拉氏變換經(jīng)整理：n—傳遞函數(shù)的“階數(shù)”，n＝0,1,2,……傳遞函數(shù)是系統(tǒng)輸出、輸入拉氏變換的比值輸出y輸入x傳感器9/4/2023181.2.2傳感器的傳遞函數(shù)拉普拉斯變換：輸出y輸入x傳傳遞函數(shù)的特點(diǎn)傳遞函數(shù)從復(fù)頻域上描述傳感器輸入輸出之間的關(guān)系傳遞函數(shù)取決于傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與系統(tǒng)具體的輸入信號無關(guān)；傳遞函數(shù)的所有極點(diǎn)在復(fù)平面的左半邊。傳遞函數(shù)反映：在任意輸入下，傳感器的輸出(瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)之和)與輸入的拉氏變換之比。9/4/202319傳遞函數(shù)的特點(diǎn)傳遞函數(shù)從復(fù)頻域上描述傳感器輸入輸出之間的關(guān)系1.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)研究系統(tǒng)在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)定義：在正弦輸入下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與輸入的傅里葉變換的比值，即：9/4/2023201.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)研究系統(tǒng)在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)響1.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)—頻率響應(yīng)函數(shù)—幅頻特性—相頻特性—實頻特性—虛頻特性9/4/2023211.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)—頻率響應(yīng)函數(shù)—幅頻特性—相x0、y0為幅值，ω為頻率，φ為相位差頻譜特性的物理意義若則幅頻特性：輸出與輸入的幅值比相頻特性：輸出相對于輸入的相位差輸出y輸入x傳感器9/4/202322x0、y0為幅值，ω為頻率，φ為相位差頻譜特性的物理意義若輸1.2.4過渡函數(shù)過渡函數(shù)即傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)傳感器輸入傳感器輸出輸出y輸入x傳感器0tx(t)AA＝1時：x單位階躍信號;y單位階躍響應(yīng).9/4/2023231.2.4過渡函數(shù)過渡函數(shù)即傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)輸出y輸1.2.4過渡函數(shù)快速性上升時間(5~95%)穩(wěn)定時間(0~1±2%)動態(tài)誤差超調(diào)量(過調(diào)量)穩(wěn)態(tài)誤差標(biāo)注注明起止示值動態(tài)指標(biāo)值100％95％5％±2％t/sytwtrs0超調(diào)量δm快、準(zhǔn)、穩(wěn)9/4/2023241.2.4過渡函數(shù)快速性100％95％5％±2％t/s1.2.5傳感器動態(tài)特性的應(yīng)用傳感器的動態(tài)特性表示方法數(shù)學(xué)模型(微分方程)傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率特性)階躍響應(yīng)函數(shù)(過渡函數(shù))……傳感器簡化模型一階系統(tǒng)■二階系統(tǒng)零階系統(tǒng)■高階系統(tǒng)(三階以上)9/4/2023251.2.5傳感器動態(tài)特性的應(yīng)用傳感器的動態(tài)特性表示方法8/(1)一階傳感器數(shù)學(xué)模型可化為時間常數(shù),靈敏度傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)9/4/202326(1)一階傳感器數(shù)學(xué)模型8/2/202326(1)一階傳感器

■幅頻特性■相頻特性

當(dāng)時,,表明傳感器具有良好的頻率特性當(dāng)時,是頻率的非線性函數(shù)結(jié)論:一階傳感器的工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時間常數(shù)的倒數(shù).ωτ=1:高頻與低頻漸近線相交.9/4/202327(1)一階傳感器■幅頻特性(1)一階傳感器單位階躍響應(yīng)性質(zhì)瞬態(tài)誤差逐漸減小;穩(wěn)態(tài)誤差=0;t=4τ時,穩(wěn)態(tài)誤差小于2%.時間常數(shù)越小越好時間常數(shù)0tx(t)19/4/202328(1)一階傳感器單位階躍響應(yīng)時間常數(shù)0tx(t)18/2/(1)一階傳感器一階系統(tǒng)舉例質(zhì)量-彈簧-阻尼振動系統(tǒng)(測振傳感器)電阻-電容振蕩系統(tǒng)CKM＝0CR－+－+9/4/202329(1)一階傳感器一階系統(tǒng)舉例CKM＝0CR－+－+8/2/(2)二階傳感器數(shù)學(xué)模型可化為阻尼比,固有頻率傳遞函數(shù)頻響函數(shù)9/4/202330(2)二階傳感器數(shù)學(xué)模型8/2/202330(2)二階傳感器頻率比幅頻特性相頻特性9/4/202331(2)二階傳感器8/2/202331(2)二階傳感器當(dāng)時

各頻率分量增益相同相位是頻率的線性函數(shù)當(dāng)附近與共振共振幅與阻尼比有關(guān)時線性段最寬當(dāng)時：幅頻劇烈衰減,φ-π幅頻特性相頻特性阻尼比增大實用0.6~0.89/4/202332(2)二階傳感器當(dāng)時幅頻特性相頻特性阻(2)二階傳感器二階系統(tǒng)舉例質(zhì)量-彈簧-阻尼振動系統(tǒng)(測振傳感器)電阻-電感-電容振蕩系統(tǒng)McKCLR－+－+9/4/202333(2)二階傳感器二階系統(tǒng)舉例McKCLR－+－+8/2/2(2)二階傳感器傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)性質(zhì)穩(wěn)態(tài)誤差理論上=0;系統(tǒng)參數(shù)影響響應(yīng)過程;阻尼比<1時,產(chǎn)生過沖量;阻尼比=0時過沖100%;一般阻尼比=0.6~0.8調(diào)整時間短,過沖誤差小.0tx(t)1阻尼比9/4/202334(2)二階傳感器傳遞函數(shù)0tx(t)1阻尼比8/2/202傳感器的動態(tài)特性小結(jié)一/二階傳感器傳遞函數(shù)/頻響函數(shù)傳感器動態(tài)特性一階傳感器有一個特征參數(shù);時間常數(shù)越小越，響應(yīng)越快，頻率范圍越寬；線性測量：頻率比ωτ<1/3~1/5二階傳感器有兩個特征參數(shù);動態(tài)特性受固有頻率/阻尼比控制固有頻率越大,線性測量頻率范圍越大;阻尼比越小,過渡過程越長，過沖誤差越大;阻尼比=0.6~0.8,有較好的綜合性能線性測量：頻率比ω/ω0<<1(1/3~1/5)9/4/202335傳感器的動態(tài)特性小結(jié)一/二階傳感器傳遞函數(shù)/頻響函數(shù)8/2/不失真測試的含義:傳感器準(zhǔn)確測出輸入信號波形頻率相同;幅值可放大或縮小;允許有延時則:傅里葉變換:頻率響應(yīng)函數(shù):不失真測試條件:tx(t)01.3傳感器的不失真測試條件輸出y輸入x傳感器y(t)9/4/202336不失真測試的含義:tx(t)01.3傳感器的不失真測試條說明:理想傳感器的幅頻特性為常數(shù)否則產(chǎn)生幅值失真理想傳感器的相頻特性為線性函數(shù)否則產(chǎn)生相位失真當(dāng)測試用于自控時,才是理想的實際傳感器在特定區(qū)域近似滿足不失真條件一階系統(tǒng)時,二階系統(tǒng)時,阻尼比=0.6~0.8時,不失真測試頻帶最寬.綜合考慮:誤差/快速性/穩(wěn)態(tài)誤差/測量范圍…9/4/202337說明:理想傳感器的幅頻特性為常數(shù)8/2/2023371.4傳感器的標(biāo)定標(biāo)定內(nèi)容:傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)(靜態(tài)標(biāo)定)靈敏度、線性度、遲滯、