传感器的一般特性分析.ppt

第2章 传感器的一般特性 2.1 概述 2.2 传感器的静态特性 2.3 传感器的动态特性 静态特性：指在静态信号的作用下，描述传感器的输入、输出之间的一种关系。 传感器实际的输出—输入关系曲线偏离拟合直线的程度，称为传感器的线性度或非线性误差。 拟合直线：在输入量变化允许的范围内，可以用满足一定条件的直线来近似地代表实际曲线或其一段，该直线即称为“拟合直线”（工作曲线）。 1.2 传感器的一般特性 例：有一压力传感器，校验数据如表1所示，求迟滞误差、最小二乘法拟合直线方程及线性度。 解 为了求最小二乘法拟合直线方程，就是要确定方程系数b和K。为此，首先对三次正、反行程校验输出值平均，计入表中。校验数据点数n=6，并根据前面计算公式，列表求出: 由此可得 K=0.3987V/MPa，b=0.0028V，则直线方程为 y=0.3987x + 0.0028 (V) (1) 迟滞（回差滞环）现象： 稳态下传感器的输出增量与输入增量的比值。即 3 滞环误差： (3)迟滞大小通常由实验确定，最大滞环率（回差EH ）： 重复性表示传感器在输入量按同一方向（增或减）全量程多次测试时所得特性曲线的不一致程度。 (4)不重复性误差一般属于随机误差的性质 5.分辨力（ △xmin ） 在规定的测量范围内，传感器所能检测出最小输入变化量。分辨率用相对于输入满量程的相对值表示。即 例：一阶压力传感器动态数学模型 (A)串联系统： 总传递函数为各子系统传递函数的积。 1. 传感器的阶跃响应(时域) 下面以传感器的单位阶跃响应来评价传感器的动态特性。 (1)一阶传感器的阶跃响应特性 一阶传感器的单位阶跃响应信号为 ? =0时，响应是一个等幅振荡过程，又称无阻尼状态，达不到稳态； ? 1时，响应是一个不振荡的衰减过程，又称过阻尼状态，达到稳态所需时间较长； ? =1 时，响应是一个由不振荡衰减到振荡衰减的临界过程，又称为临界阻尼状态； 0 ? 1时，响应是一个衰减振荡过程，达到稳态值所需时间随?的减小而加长，又称为欠阻尼状态。 对于稳定的常系数线性系统，拉氏变换是广义的傅氏变换，取S=σ+jω中的σ=0，则S=jω，即拉氏变换局限于S平面的虚轴，则得到傅氏变换： 则频率特性的相位角 Φ(ω)表示传感器输出信号的相位随频率ω变化的关系，故称之为传感器相频特性。 (1)零阶传感器的频率响应 零阶系统的微分方程为 结论： 零阶传感器的输出值与输入值成恒定的比例关系，与输入量的频率无关。 即零阶系统具有理想的动态特性，无论被测量x(t)如何随时间变化，零阶系统的输出都不会失真，其输出在时间上也无任何滞后，所以零阶系统又称为比例系统。  (2)一阶传感器的频率响应 解：一阶系统的微分方程 所谓二阶传感器是指由二阶微分方程所描述的传感器。很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为： 设传感器的静态灵敏度s0=1，传感器的拉氏变换为 其幅频特性、 相频特性分别为 结论： 传感器的无失真测试条件 设传感器输出y(t)和输入x(t)满足下列关系： 传感器的频率响应为 一 阶 传 感 器 二 阶 传 感 器 微分方程 传递函数 频率特性 幅频特性 相频特性 对于较为复杂的系统，如果各个环节阻抗匹配适当，可忽略相互间的影响，将其看作是一些较为简单系统的串联与并联。 H(jw)即称为频率响应函数，简称为频率响应。频率响应是传递函数的一个特例。 tao是时间常数，s0是静态灵敏度。 因此我们传感器通常工作在欠阻尼状态? 1 。 左式看作一阶传感器单位阶跃响应的通式。 式中x(t)、 y(t)分别为传感器的输入量和输出量,均是时间的函数, tao表征传感器的时间常数。 在单位阶跃激励下的二阶传感器的阻尼比通常选在0.6~0.8。 由图可见, 传感器存在惯性, 它的输出不能立即复现输入信号, 而是从零开始, 按指数规律上升, 最终达到稳态值。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值, 但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%, 可以认为已达到稳态。τ越小，则响应愈快, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此, τ值是一阶传感器重要的性能参数。 研究传感器的基本特性的意义： ?测量。 传感器作为测量系统，由输出y推求输入x； ?传感器的研究、设计与系统建立。虽然传感器的基本特性是外特性，但却是和内部参数息息相关的，因此不同传感器的内部结构不同，表现出的特性也不同。 根据