传感器特性(修改).PPTVIP

第二章 内容提要 传感器静态特性 1、静态特性 2、指标 传感器动态特性 1、数学模型 2、动态响应 传感器动态特性分析 传感器的误差 医用传感器的特性 医用传感器的基本特性是指传感器转换信息的能力和性质，输出与输入的对应关系来描述，它是传感器应用的外部特性，但是传感器不同的内部结构参数影响或决定着它具有不同的外部特性。 医用传感器检测的生理信息，基本上有两种类型，即静态量和动态量。 静态量是指不随时间变化或变化甚为缓慢的量(如体温) 动态量通常是周期性信号、瞬变或随机的信号(如心电、血压等)。 一、医用传感器的静态特性 数学模型 传感器的设计、制造和应用，均需要研究传感器的输入与输出的关系特性。 描述传感器的输入——输出关系的数学表达式被称为传感器的数学模型。 通常从传感器的静态输入——输出和动态输入——输出关系两方面建立数学模型。 静态模型 静态模型是指静态信号（输入信号不随时间变化或变化缓慢）情况下，描述传感器的输出与输入量间的函数关系。在实际工程应用中，忽略蠕动效应和迟滞持性、它可以用多项式来表示为： 静态特性 1、理想线形特性 静态特性 2、非线形项次数为偶数 静态特性 3、非线形项次数为奇数 静态特性 4、一般情况 静态特性 差动式传感器 二、静态特性指标 静态特性表示传感器在被测生理量处于稳定状态时的输出与输入之间的关系特性，一般情况下，它呈现非线性关系。工程应用中，要求静态特性尽可能呈线性。 衡量传感器静态特性的主要指标是测量范围、灵敏度、线性度、迟滞、稳定性和环境特性等。 1、灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值。通常用k表示k=△y/△x 2、测量范围与灵敏度的关系 灵敏度↑，则测量范围↓ 3、灵敏度界限 概念：当输入变化小到一定程度时，输出不再发生变化，这个时候的输出的变化就是灵敏度界限。 原因：①输入变化量被吸收 ②输出存在噪声 指传感器输出随输入变化的线性程度，它用输出量—输入量的实际关系曲线偏离直线的程度来表示。 线性度也叫非线性误差，是指在规定条件下传感器特性曲线与拟合直线间最大偏差（△Lmax）与传感器满量程（FS）输出值（YFS）的百分比。用δL代表线性度，则 线性度：线性化方法举例 线性度：线性化方法举例 硬件线性化方法 概念：指传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出—输入曲线的不重合程度。 迟滞是由传感器材料固有特性和机械上的不可避免的缺陷等原因产生的。 二、传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器对激励(输入)的响应(输出)特性。 具有良好的动态特性的传感器，在动态(快速变换)的输入信号作用下，不仅能精确地测量信号的数值大小，而且能迅速准确地响应信号幅度变化和无失真地再现被测量信号随时间变化的波形。 1、数学模型 动态模型是指传感器在准动态或动态信号（即输入信号随时间变化）作用下，描述其输出—输入关系的数学表达式。 要精确地建立传感器的动态数学模型较困难，工程上常利用近似方法，忽略次要因素。来简化动态模型的建立。 微分方程和传递函数 2、传感器的动态响应 瞬态响应是输入信号从某一稳定状态到另一稳定状态时输出信号也跟着响应，在输出信号到达新的稳定状态以前的响应特性。常用阶跃信号作为输入信号。 稳态响应是时间t趋于无穷大时传感器的输出状态常用正弦信号。 瞬态响应 一阶传感器响应 瞬态响应 一阶传感器响应 瞬态响应 二阶传感器响应 稳态响应 如果 3、频率响应函数 如果用傅氏变换代替拉氏变换，就可以得到。 例子 一阶频响函数 例子 二阶频响函数 传感器的动态特性分析 几个例子 1、一阶传感器时域分析 2、一阶传感器频域分析 3、二阶传感器时域分析 原理：以非线性矫正非线性 “以畸制畸” Ⅰ Ⅱ Ⅲ 方法一：两只非线性传感器 差动方式 非线性误差大小相等，极性相反 线性度：线性化方法举例 * 方法二：利用线性元件和非线性元件的串、并联 软件线性化方法 线性度：线性化方法举例 1、计算法 条件：传感器输出与被测量间有确定的数学表达式 方法：软件编写计算程序 曲线拟合 2、查表法 条件：传感器输出与被测量间无法用函数拟合 3、插值法 软件线性化方法 线性度：线性化方法举例 原理：将查表法与计算法结合 方法：线性插值、抛物线插值、拉格朗日插值、 牛顿插值、埃米特插值 线性插值： 抛物线插值： 线性度：线性化方法举例 一般由材料物理性质产生。 迟滞（hysteresis） △Hmax ——正反行程输出