[理学]传感器原理.ppt

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[理学]传感器原理

* 举例2: 某水银温度计微分方程为 式中,Q0为水银的高度(米);Ti为被测温度(0C)。试确定该温度计的时间常数和静态灵敏度。 解:该温度计为一阶传感器,其微分方程基本形式为a1(dy/dt)+a0y= b0x ,将此式与微分方程比较可得时间常数和静态灵敏度系数,即 时间常数τ= a1/a0=4/2=2s 静态灵敏度系数K= b0/a0=2*10-3/2=10-3m/0C * 二阶系统 x c k m y F(t) F1(t) F2(t) 很多传感器,如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器。 微分方程为: ω0——传感器的固有频率;ζ——传感器的阻尼比 * 二阶系统 传递函数 静态灵敏度 * 幅频特性 相频特性 频率特性 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。 * 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 (a) ω/ ω0 (b) 0 -30° -60° -90° -120° -150° -180° 0.5 1 1.5 2 2.5 ξ=0 ξ=0.2 ξ=0.4 ξ=0.6 ξ=1 ξ=0.8 ξ=0.707 ξ=0 ξ=0.2 ξ=0.4 ξ=0.6 ξ=0.707 ξ=0.8 ξ=1 ξ=0.8 ξ=1 ξ=0.707 ξ=0.6 ξ=0.4 ξ=0.2 ξ=0 二阶传感器幅频与相频特性 (a)幅频特性(b)相频特性 当ξ→0时,在ω/ω0=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ξ≥0.707时,不再出现谐振,这时 将随着ω/ω0的增大而单调下降。 阻尼比的影响较大。 ω/ ω0 为了使测试结果能精确地再现被测信号的波形,在传感器设计时,必须使其阻尼比 ,固有频率w0至少应大于被测信号频率w的3~5倍,即w0≥(3~5)w,即w/ w0≤ (0.2~0.3)。 * 2.阶跃信号输入时的阶跃响应 t 0 U(t) A * 2.阶跃信号输入时的阶跃响应 一阶系统的阶跃响应 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。 * 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 τ越小,响应越快;故在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。 t 0 y 1 τ=0.1 τ=0.5 * 二阶系统的阶跃响应 在 的情形下,阶跃信号输入时的输出信号为衰减振荡,其振荡角频率(阻尼振荡角频率)为 ;幅值按指数衰减, 越大,即阻尼越大,衰减越快。 (2-34) * 二阶系统的阶跃响应 * 在一定的x 值下,欠阻尼系统比临界阻尼系统更快地达到稳态值;过阻尼系统反应迟钝,动作缓慢,所以系统通常设计成欠阻尼系统,x 取值为0.6~0.8。 * 评价传感器动态特性的时域指标:上升时间tr,响应时间ts(过程时间),超调量 ,衰减度 等 上升时间tr:输出值从稳态值的10%上升到90%所需的时间。 响应时间ts :输出量从开始变化到达稳态值的规定范围内所需的时间。 超调量σ: 容许误差:一般为±2%或±5% * 上升时间,响应时间,是表征仪表(或系统)的响应速度性能参数; 超调量,衰减度是表征仪表(或系统)的稳定性能参数。 通过这两个方面就完整地描述了仪表(或系统)的动态特性。 * 2.3 传感器的标定 目的:通过各种试验建立传感器的输入量与输出量之间的关系,确定传感器在不同使用条件下的误差关系。 主要指标:静态响应特性、动态响应特性、环境特性 方法:利用一定等级的仪器及设备产生已知的非电量(如标准压力、加速度、位移等)作为输入量,输入至待标定的传感器中,得到传感器的输出量;然后将传感器的输出量与输入量作比较,从而得到一系列曲线(称为标定曲线);通过对曲线的分析处理,得到其动、静态特性的过程。 * 2.3.1 传感器的静态特性标定 传感器的静态标定主要是检验、测试传感器的静态特性指标,如静态灵敏度、非线性、迟滞、重复性等。 静态特性标定的标准是在静态标准条件下进行的。 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击(除非这些量本身就是被测物理量);环境温度一般为20±5℃;相对湿度不大于85%;大气压力为101.3±8 kPa时的情况。 * 1.压力传感器的静态标定 标定设备:液体压力计、活塞式压力计和压力定点方法。 活塞式压力计是基于帕斯卡原理和平衡原理进行工作的。 标定方法:加载法和卸载法 * 2.加速度传感器的静态标定

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