[信息与通信]第一章传感器的一般特性.ppt

第一章 传感器的一般特性 一、传感器的静态特性 二、传感器的动态特性 ①理论拟合 ②过零旋转拟合 ③端点连线拟合 把输出曲线两端点的连线作为拟合直线 ④端点连线平移拟合 在端点连线拟合基础上使直线平移，移动距离为原先的一半 最小二乘拟合 七、零点漂移 传感器在长时间工作的情况下输出量发生的变化，称为长时间工作稳定性或零点漂移 1.3 传感器的标定和校准 传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。 传感器的标定工作可分为如下几个方面， 1. 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据； 2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。 传感器的标定 静态标定: 目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。 动态标定: 目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 1.3.1 传感器的静态特性标定 1.3.2 传感器的动态特性标定 1.3.1 传感器的静态特性标定 1. 静态标准条件 2. 标定仪器设备精度等级的确定 3. 静态特性标定的方法 1. 静态标准条件 没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）、相对湿度不大于85% ，大气压力为101±7kPa的情况。 2. 标定仪器设备精度等级的确定 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。 标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。 3. 静态特性标定的方法 标定过程步骤： ⑴ 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点； ⑵ 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值； ⑶ 将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值； ⑷ 按⑵、⑶所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出－输入测试数据用表格列出或画成曲线； ⑸ 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。 1.3.2 传感器的动态特性标定 主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数τ，二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数。 标准激励信号: 阶跃变化和正弦变化的输入信号 2.一阶传感器——单位阶跃响应 对一阶系统的传感器，设在t=0时， x和y均为0，当t0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为 t x 0 1 (dy/dt)+a0y= b1(dx/dt)+b0x 齐次方程通解： 非齐次方程特解： y2=1 (t0) 方程解： t x 0 1 以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时， C1=-1，所以 输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=τ时,y=0.63 在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。 3.二阶传感器——频率响应函数及特性分析 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： τ—时间常数， ； ωn—自振角频率(natural frequency),ωn=1/τ ξ—阻尼比(damping coefficient) ， ； k—静态灵敏度，k=b0/a0 不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。 幅频特性 相频特性 频率特性 传递函数 当ξ→0时，在ω/ωn =1处 趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，谐振现象逐渐不明显。 当ζ＜1， ωn＞＞ω时， ≈0，幅频特性平直，输出与输入为线性关系；φ(ω)很小，与ω为线性关系；在设计传感器时，必须使阻尼比ζ＜1，固有频率ωn至少应大于被测信号频率ω的3~5倍，这样可使测试结果精确地再现被测信号波形。 根据阻尼比的大小不同，分为四种情况： 1）0＜ξ＜1(欠阻尼under-damped )： 方程通解? 3.二阶传感器——阶跃响应 单位阶跃响应通式 ω0——传感器的固有频率；ζ——传感器的阻尼比 令x=A 根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件 求出A1、A2，则 欠阻尼情况下曲线如图，这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。 tw 0