07传感器及应用第2章传感器基础理论上.ppt

2007-6-12 07传感器及应用第2章-上 07-6-12 07传感器及应用第2章-上 07传感器及应用讲稿 第2章传感器理论基础 2.1感测系统的组成 信息就是人们进行社会活动、经济活动的 产物，信息还可以对以上活动发生作用 与能量与物资一样，信息也是资源 感测系统就是用来获得信息的 感就是感觉、发现信息；测就是确定信号 为了要得到有用的信息，所以要采用不同 的感测系统 2.1.1一般感测系统的组成 感测就是在选定的激劢方式下对信号进行测量、变换、处理后显示出记录或图象 感测系统组成如图2.1所示： 传感器在感测过程中起着十分重要的作用 感测系统的目的收集信息：收集数据，处理数据 数据是信息的载体，是反映客观事物的存在方式与运动状态的记录 数据可以由不同方法获得，并不是所有的数据都有用处 信息是有用的数据，数据是信息的表示形式 信息通过数据传播 2.2.2计算机控制的感测系统 信息社会离不开计算机，由计算机组成的感测系统是一种智能化的感测系统 1.典型的计算机采集/控制系统 不同信息一般通过不同的传感器收集 一般的信息都是模拟信号，经处理成数字信号后输入计算机；结果由计算机分析、判断后通过接口电路送给输出设备 它的优点是：测量自动化，测量精度较高，成本较低 但为各通道共用一个A/D转换器，影响速度与精度，并且有时会发生干扰 2.分散型数据采集系统 为了克服前面介绍的计算机采集/控制系统的缺点，可采用另一种分散型的计算机数据采集系统 这个系统除成本高一点外，有明显的优点。目前在许多感测系统采用 2.2信号及其分析 1.信号的分类 任何信息都是以一定形式的信号表示 信号中包括丰富的信息：被观测系统的物理、化学、生物状态，特性和发展趋势等 信号是信息的载体 确定信号是指可用明确的数学关系式描述的信号 随机信号具有随机性，每次观测的结果可能都不一样（如地震波等），只能用概率统计方法来描述 根据信号的波形，从时间上，可分为连续的与离散波形两类 连续信号的幅值，可以是连续的也可以是离散的（只取某些规定值） 如果在时间和幅值都是连续的，称模拟信号 2.2.2周期信号 1.周期信号的定义 一定的时间间隔周而复始的出现，而且无始无终的信号称周期信号。可表示为 x(t)=x(t?nT） T称周期（正的常数），n=0，1，2，…任意整数。 工程上常遇见的周期信号很多， 最典型的和最简单的周期信号是正弦函数 x(t)=Asin?t=Asin(?t+2n?) =Asin(t+n2) 周期T= 2? /? ?是频率。 2.周期性信号频谱 (1)三角函数形式的傅里叶级数 对于一个有限区间的周期函数x(t)，凡满足狄里赫条件(可积条件)，可以展开成三角函数式傅里叶级数： 上式表示，一个周期性的信号，可以由许多个不同频率的正弦和余弦信号的叠加而成。 由于n是整数，所以可以出现的频率都是f1的整除倍。 f1称为基频，2 f1 ，3 f1 ，分别称二次谐波和三谐波等。 任何周期性信号可用不同频率的正弦和余弦信号的叠加，还可用指数形式叠加。 （2）指数函数形式的傅里叶级数 上面的三角函数形式的傅里叶级数也可用指数形式表示。 由欧拉公式 周期函数可表示为 进一步指数式傅里叶级数可表示为 Xn与其它系数间的关系见（2.12）和（2.13） 同样可以画出指数函数形式的频谱图。 2.2.3非周期性信号及其频谱分析 1.非周期性信号的频谱 由于学时数的限制，这一小节我们不进行详细介绍。对于非周期信号，可用傅里叶积分展开。它的频谱是连续的如图所示 2.几种常见信号的频谱 (1)脉冲函数 时间较短，幅值较大的信号，数学定义为： 时间为t0时刻的脉冲函数 （2）脉冲函数的频谱 单位脉冲函数的频谱等于常数。 脉冲有无限宽广的频谱，在所有频带上是等强的。 这种频谱称均匀谱或白色频谱。 （3）周期单位脉脉序列的频谱 等间隔周期单位脉冲 T为周期，n为整数。 （4）正弦、余弦信号频谱 2.3传感器的静态特性 在分析传感器时通常将它看作一个二端网络。传感器的特性反映它对外界的响应程度，一般分为静态特性与动态特性二类 传感器的静态特性是指被物理测量不随时间变化或随时间变化极其缓慢的情况（稳态）下，传感器的输出与输入的关系 在输出-输入关系上，在数学上可表示为： y为输出量， x为输入量，ai为传感器的特性参数， a0为零位输出， a1为传感器的灵敏度，常用K或S表示， a2，a3…an为非线性项系数。 理想的传感器的输出-输入应该是线性的，这样在传感器的标定与应用时都会带来极大的方便。 实际上的传感器的输出-输入特性大都是非线性的。 (a)：理想的特性曲线 (