1传感器的一般特性重点课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,1,章 传感器的一般特性,1.1,传感器的静态特性,1.2,传感器的动态特性,1.3,传感器的不失真测试条件,1.4,传感器的标定,(,输出,输入特性,),1.1,传感器的静态特性,输入信号不变或缓慢变化时系统的特性,传感器输出只与输入量的大小有关,常用的静态特性指标,线性度,灵敏度,迟滞,重复性,静态误差,由磁滞、蠕变、摩擦、间隙以及松动等因素引起,相关术语：,静态信号与动态信号,静态测量与动态测量,11/11/2024,2,冲击与振动,温度,供电,电磁场,外界影响,传感器输入输出作用图,输入,传感器,输出,误差因素,稳定性,(,零漂,),干扰稳定性,温漂,分辨力,线性度,迟滞,重复性,灵敏度,传感器本身静态特性的影响,1.1,传感器的静态特性,11/11/2024,3,1.1.1,线性度,传感器输入输出之间的线性程度,线性传感器的优点,:,理论分析、设计计算简单；,传感器标定、数据处理方便；,分度盘均匀、刻线均匀，精度高；,避免非线性补偿。,实际传感器特性存在非线性,11/11/2024,4,1.1.1,线性度,线性特性,x,y,输出,y,输入,x,传感器,非线性特性,仅有奇次特性项的传感器有较大的测量范围,11/11/2024,5,1.1.1,线性度,非线性误差的评定,非线性特性的线性化处理,便于测量,实际特性曲线与拟合直线,非线性误差,实际曲线与拟合直线之间的最大偏差,用满量程的百分数表示,Lmax,y,x,max,y,FS,x,11/11/2024,6,1.1.1,线性度,直线的拟合方法：,最小二乘法,(,误差平方和最小,),；,固定端点的最小二乘法；,两端点连线法,(,有条件最优,),最小二乘法最优,x,y,y,FS,max,y,y,FS,x,max,x,y,FS,y,max,11/11/2024,7,提高线性度的方法：,缩小测量范围,分段标定法,误差修正与补偿,标定得实际曲线；,按拟合曲线计算误差,补偿量：,测量,y,c,误差补偿：实际测量结果：,条件：传感器系统稳定性要好,x,1,x,2,传感器的静态输入输出特性曲线,输入,x,输出,y,实际曲线,拟合直线,0,x,3,x,0,差值,传感器的静态输入输出特性曲线,输入,x,输出,y,实际曲线,拟合直线,0,x,3,x,差值,y,y,a,y,c,11/11/2024,8,1.1.2,灵敏度,传感器的输出相对与输入的变化率,输出增量,y,、输入量增量,x,时,线性系统灵敏度为常数,非线性系统灵敏度是被测量的函数,评定条件：稳态,期望：灵敏度高而稳定,11/11/2024,9,传感器正、反行程的输出,-,输入特性曲线不重合,评定方法,加载,0,x,max,卸载,x,max,0,原因：,弹性敏感元件的弹性滞后；,运动部件摩擦；,传动机构的间隙、紧固件松动。,1.1.3,迟滞,(,回程误差,),x,max,11/11/2024,10,1.1.4,重复性,传感器同一加载方向上，多次测试的特性曲线的不一致程度,原因：随机误差,评定方法,11/11/2024,11,1.1.5,分辨力,/,分辨率,/,预值,分辨力,:,传感器所能检测到的最小输入量的增量,分辨率,:,分辨力相对于满量程的百分数,阈值,:,传感器在零点附近的分辨力,11/11/2024,12,本节小结,五种主要的静态特性,灵敏度,传感器对被测量的灵敏程度；,灵敏度越大，静态放大倍数越高。,线性度,传感器输入输出的线性程度；,线性度越小，测量精度越高。,迟滞,机械部件缺陷,重复性,随机干扰,分辨率,11/11/2024,13,1.2,传感器的动态特性,动态特性,被测量快速变化时，传感器输出与输入之间的动态关系；,输出须反映被测信号随时间的变化规律；,测量结果与被测量的大小、频率以及测量仪器的动态特性有关。,11/11/2024,14,1.2,传感器的动态特性,实例：,温度测量,影响测量值的原因,动态测量时测量结果：,与被测量大小有关,与被测量频率有关,与传感器的,动态性能,有关,动态特性是传感器的固有特性,动态误差,t,0,t,t,0,T,0,T,1,T,理想输入,实际输出,11/11/2024,15,1.2.1,传感器的数学模型,数学模型,:,传感器输出与输入的数学函数,传感器模型建立基础：线性时不变理论,输出导数的线性组合输入导数的线性组合,输出,y,输入,x,传感器,11/11/2024,16,1.2.1,传感器的数学模型,为常数,传感器,理想,数学模型：线性时不变微分方程,叠加性：多输入的响应互不影响,频率保持性：输出与输入的频率相等,计算不便,输出,y,输入,x,传感器,11/11/2024,17,1.2.2,传感器的传递函数,拉普拉斯变换：,当 时，若,x(t),、,y(t),的,各阶导数为,0,，,对传感器数学模型进行拉氏变换,经整理：,n,传递函数的“阶数”，,n,0,1,2,传递函数是系统输出、输入拉氏变换的比值,输出,y,输入,x,传感器,11/11/2024,18,传递函数的特点,传递函数从复频域上描述传感器输入输出之间的关系,传递函数取决于传感器的结构参数，与系统具体的输入信号无关；,传递函数的所有极点在复平面的左半边。,传递函数反映：在任意输入下，传感器的输出,(,瞬态和稳态响应之和,),与输入的拉氏变换之比。,11/11/2024,19,1.2.3,传感器的频率响应函数,研究系统在正弦输入下的稳态响应,定义：在正弦输入下，系统稳态响应与输入的傅里叶变换的比值，即：,11/11/2024,20,1.2.3,传感器的频率响应函数,频率响应函数,幅频特性,相频特性,实频特性,虚频特性,11/11/2024,21,x,0,、,y,0,为幅值，,为频率，,为相位差,频谱特性的物理意义,若,则,幅频特性：输出与输入的幅值比,相频特性：输出相对于输入的相位差,输出,y,输入,x,传感器,11/11/2024,22,1.2.4,过渡函数,过渡函数即传感器的,阶跃响应,函数,传感器输入,传感器输出,输出,y,输入,x,传感器,0,t,x(t,),A,A,1,时：,x,单位阶跃信号,;,y,单位阶跃响应,.,11/11/2024,23,1.2.4,过渡函数,快速性,上升时间,(595%),稳定时间,(012%),动态误差,超调量,(,过调量,),稳态误差,标注,注明起止示值,动态指标值,100,95,5,2,t/s,y,t,w,t,rs,0,超调量,m,快、准、稳,11/11/2024,24,1.2.5,传感器动态特性的应用,传感器的动态特性表示方法,数学模型,(,微分方程,),传递函数,频率响应函数,(,频率特性,),阶跃响应函数,(,过渡函数,),传感器简化模型,一阶系统,二阶系统,零阶系统,高阶系统,(,三阶以上,),11/11/2024,25,(1),一阶传感器,数学模型,可化为,时间常数,灵敏度,传递函数,频率响应函数,11/11/2024,26,(1),一阶传感器,幅频特性,相频特性,当 时,表明传感器具有良好的频率特性,当 时,是频率的非线性函数,结论,:,一阶传感器的工作频率应远远小于时间常数的倒数,.,=1:,高频与低频渐近线相交,.,11/11/2024,27,(1),一阶传感器,单位阶跃响应,性质,瞬态误差逐渐减小,;,稳态误差,=0;,t=4,时,稳态误差小于,2,%,.,时间常数越小越好,时间常数,0,t,x(t,),1,11/11/2024,28,(1),一阶传感器,一阶系统举例,质量,-,弹簧,-,阻尼振动系统,(,测振传感器,),电阻,-,电容振荡系统,C,K,M,0,C,R,+,+,11/11/2024,29,(2),二阶传感器,数学模型,可化为,阻尼比,固有频率,传递函数,频响函数,11/11/2024,30,(2),二阶传感器,频率比,幅频特性,相频特性,11/11/2024,31,(2),二阶传感器,当 时,各频率分量增益相同,相位是频率的线性函数,当 附近,与 共振,共振幅与阻尼比有关,时线性段最宽,当 时：,幅频剧烈衰减,-,幅频特性,相频特性,阻尼比增大,实用,0.60.8,11/11/2024,32,(2),二阶传感器,二阶系统举例,质量,-,弹簧,-,阻尼振动系统,(,测振传感器,),电阻,-,电感,-,电容振荡系统,M,c,K,C,L,R,+,+,11/11/2024,33,(2),二阶传感器,传递函数,单位阶跃响应,性质,稳态误差理论上,=0;,系统参数影响响应过程,;,阻尼比,1,时,产生过冲量,;,阻尼比,=0,时过冲,100%;,一般阻尼比,=0.60.8,调整时间短,过冲误差小,.,0,t,x(t,),1,阻尼比,11/11/2024,34,传感器的动态特性,小结,一,/,二阶传感器传递函数,/,频响函数,传感器动态特性,一阶传感器有一个特征参数,;,时间常数越小越，响应越快，频率范围越宽；,线性测量：频率比,1/31/5,二阶传感器有两个特征参数,;,动态特性受固有频率,/,阻尼比控制,固有频率越大,线性测量频率范围越大,;,阻尼比越小,过渡过程越长，过冲误差越大,;,阻尼比,=0.60.8,有较好的综合性能,线性测量：频率比,/,0,1,(1/31/5),11/11/2024,35,不失真测试的含义,:,传感器准确测出输入信号波形,频率相同,;,幅值可放大或缩小,;,允许有延时,则,:,傅里叶变换,:,频率响应函数,:,不失真测试条件,:,t,x(t,),0,1.3,传感器的不失真测试条件,输出,y,输入,x,传感器,y(t,),11/11/2024,36,说明,:,理想传感器的幅频特性为常数,否则产生幅值失真,理想传感器的相频特性为线性函数,否则产生相位失真,当测试用于自控时,才是理想的,实际传感器在特定区域近似满足不失真条件,一阶系统 时,二阶系统 时,阻尼比,=0.60.8,时,不失真测试频带最宽,.,综合考虑,:,误差,/,快速性,/,稳态误差,/,测量范围,11/11/2024,37,1.4,传感器的标定,标定内容,:,传感器静态性能指标,(,静态标定,),灵敏度、线性度、迟滞、重复性,传感器动态性能参数,(,动态标定,),(,一阶,),时间常数,;(,二阶,),固有频率,阻尼比,.,传感器标定类型,新产品出厂标定,;,传感器使用一段时间,(1,年,),后重新标定,;,传感器维修后标定,.,11/11/2024,38,1.4,传感器的标定,标定系统,标准量,标准传感器,待标定传感器,输出量显示,输出量测量,标定装置,标定设备的精度应比待标定传感器高一个数量级,标准状态：,温度,(205),；,湿度,85,；,气压,(1017)kPa,11/11/2024,39,1.4,传感器的标定,静态标定方法,1,全量程分成若干等间距点,;,2,标准量由小到大逐点递增,记录待标定传感器,(,和标准传感器,),的输出值,;,3,标准量由大到小逐点递减,记录待标定传感器,(,和标准传感器,),的输出值,;,4,过程,2,、,3,重复多次,(310),；,5,画出输入输出曲线；,6,按定义求出静态指标。,11/11/2024,40,1.4,传感器的标定,动态标定方法,阶跃响应法,频率响应法,其他方法,略,11/11/2024,41,1.6,传感器的技术指标,与第一节、第二节重复,略,本章作业：,P20,：,1,5,11/11/2024,42,