01 传感器的一般特性.ppt

§1-2 传感器的动态特性 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 只要输入量是时间的函数，则其输出量必将是时间的函数。 研究动态特性的标准输入形式有三种，即正弦、阶跃和线性，而经常使用的是前两种。 七、零点漂移（稳定性/长时间工作稳定性） 传感器无输入(或某一输入值不变)时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值(或原指示值)，即为零点漂移。 测试时先将传感器输出调至零点或某一特定点，相隔4h、8h或一定的工作次数后，再读出输出值，前后两次输出值之差即为稳定性误差。它可用相对误差表示,也可用绝对误差表示。 注意，还存在着另一种漂移——灵敏度漂移 八、温漂 温漂表示温度变化时，传感器愉出值的偏离程度。 测试时先将传感器置于一定温度(如20℃),将其输出调至零点或某一特定点，使温度上升或下降一定的度数(如5℃或10℃),再读出输出值，前后两次输出值之差即为温度稳定性误差 温度稳定性误差用温度每变化若干℃的绝对误差或相对误差表示,每℃引起的传感器误差又称为温度误差系数。 一．动态特性的一般数学模型 分析传感器动态特性，必须建立数学模型。 线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。 对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型为高阶常系数线性微分方程，即 若用算子D表示 利用拉氏变换，可以化为： 只需对以上的微分方程求解,便可得到动态响应及动态响应指标。 绝大多数传感器输出与输入的关系均可用零阶、一阶或二阶微分方程来描述。 （一）零阶传感器的数学模型 微分方程为 例，线性电位器就是一个零阶传感器。 设电位器的阻值沿长度L是线性分布的，则输出电压Usc和电刷位移之间的关系为 它对任何频率输入均无时间滞后。 实际上由于存在寄生电容和电感，高频时会引起少量失真，影响动态性能。 （二）一阶传感器的数学模型 如果传感器中含有单个储能元件，则在微分方程中出现Y的一阶导数，便可用一阶微分方程式表示。 例，使用不带保护套管的热电偶插入恒温水浴中进行温度测量 将方程组整理后得 一阶线性微分方程 (三)二阶传感器的数学模型 例，带保护套管式热电偶插入恒温水浴中的测温系统 T0——介质温度； T1——热接点湿度； T2——保护它省温度， m1C1——热电偶热容量； m2C2——套管热容量； R1——套管与热电偶间的热阻； R2——被测介质与套管间的热阻。 例：测量心内压得液压耦合导管——传感器系统 许多医用传感器都是二阶传感器，如测血压及其它生理压力的弹性压力传感器，加速度型心音传感器，微震颤传感器等振动型传感器，它们都含有质量M和弹簧Ks以及阻尼器C，其物理模型均可表示下图所示的弹簧－质量－阻尼系统。其动态特性都可用二阶微分方程来描述： 二、传递函数(输出信号与输入信号之比) 传递函数是输出量和输入量之间关系的数学表示。如果传递函数巳知，那么由任一输入量趾可求出相应输出量。传递函数的定义是输比信号与输入信号之比。 * * 第一章 传感器的一般特性 * 1.1 传感器的静特性 1.2 传感器的动特性 1.3 传感器的技术指标 * 在工程应用中，任何测量装置性能的优劣总要以一系列的指标参数衡量，通过这些参数可以方便地知道其性能。这些指标又称之为特性指标。 传感器的特性主要是指输出与输入之间的关系。它通常根据输入(传感器所测量的量)的性质来决定采用何种指标体系来描述其性能。 当被测量(输入量)为常量，或变化极慢时，一般采用静态指标体系，其输入与输出的关系为静态特性； 当被测量(输入量)随时间较快地变化时，则采用动态指标体系，其输入与输出的关系为动态特性。 §1-1 传感器的静态特性 传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为静态特性。 实际上，传感器的输出量和输入量之间的关系可由下列方程式确定(不考虑迟滞及蠕变效应) a0——零位输出 a1——传感器线性灵敏度，常用K表示 a2…an——非线性项的待定系数。 有以下四种情况： （1）理想线性（图a） (2)仅有奇次项（图b） 注意，在图 (b)中,原点附近较大范围内基本上是线性的。 另，输出－输入特性曲线关于原点对称（奇函数性质） (3) 仅有偶次项（图c） 注意，在图 (c)中, 相对线性范围中心偏离原点。 另，输出－输入特性曲线无对称性 (4)奇偶次项都有的非线性(图d) 注意，在图 (d)中,相对线性中心的选取。 另，输出－输入特性曲线也无对称性 传感器静态特性的线性化：用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某一段（非线性项方次不高，输入量变化不大时） 在设计传感器时，应将测量范围选取在静态特性最接近直线的