传感器第1章(选修课11)

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,*,第一章 传感器的工作特性与评价,传感器特性包括总特性和工作特性：,总特性,是指传感器和被测对象以及后续仪器组成的,测量系统的输入与输出,的,匹配,，传感器的机械特性及,工作特性,。,工作特性,是指传感器,输入与输出,的关系。理想情况下是一一对应的。,传感器的工作特性,传感器的工作特性包括：,1、静态特性：在室温条件下15-35度，,相对湿度小于90%，压强：88-108KPa ，,没有任何冲击、振动和加速度，所测变化很,缓慢时，对传感器性能输入与输出关系,的描述。,2、动态特性：随时间变化的被测量与传感器输,出间的关系。,其它特性,3、环境特性：包括运行环境特性和非运行环境,特性。,4、可靠性：指传感器的概率寿命。,本章主要介绍传感器静态特性、动态特性,和可靠性。,第一章,第一节 传感器的静态特性,当被测量处于相对稳定状态时，输出信号Y与输入信号X间的关系可表示为：,Y=fX，,初条件：X=0 Y=0。,描述静态特性的重要指标有：灵敏度、线性度、重复性和迟滞等。,1、灵敏度系数K,当输入量变化 时，输出量有相应的变化 ：,灵敏度系数,定义为：,简称,灵敏度,。,说明：时，为线性传感器；,时，为非线性传感器。,量纲,：输出单位/输入单位,灵敏度系数续,物理意义：表示输出信号随输入信号的变化程度。,任何传感器都有一定的测量范围，一般来说，,灵敏度越高，测量范围越窄。,2、线性度 ,理想的传感器输出与输入的关系是线性的，即,有：。,而实际上传感器输入与输出的关系大多是非线,性的。,线性度是描述这种非线性程度的指标。为此引,入静态特性曲线，即输入信号X与输出信号,Y的关系曲线：,Y=fX,并且要对该曲线进行线性化处理。,静态特性曲线的线性化,当静态特性曲线的非线性项的方次不高，输入量的变化范围不大时，可用切线或割线代替实际的静态特性曲线的某段，以使其近似线性。该切线或割线被称为拟合直线。,常用确实定拟合直线的方法有：,端点连线拟合端基法,理论拟合切线法,最小二乘法拟合,分段折线逼近拟合计算机处理,上述拟合方法中以最小二乘法确定拟合直线精度最高,线性度的定义,线性度是用来说明静态特性曲线偏离某条拟合直线的程度，定义为：,：是测量范围内两线输出值的最大偏差；,：满量程的输出值。,线性度,可以看出，线性度的大小是以一定的拟合直线为根底而得到的；拟合直线不同，线性度的大小也不同，所以选择拟合直线的出发点，应是获得最小的线性度。,线性度常称为非线性偏差。,根据线性度的大小可以确定测量范围；反之依然。,3、迟滞差 ,在全测量范围内校准时，在同一次校准过程中，当输入逐渐增加到某一值正行程，与输入由高到低逐渐减小到刚刚相同的输入值时反行程，输出值经常是不一致的，这种现象就称为迟滞。定义迟滞差为：,：为正行程与反行程曲线间输出值的最大偏差。其产生原因是机械结构和制作工艺的缺陷。,确定静态特性指标的方法,测定传感器的静态特性曲线y-x；,利用最小二乘法等确定拟合直线；,根据拟合直线，给出灵敏度和线性度；,给出传感器的其他静态特性指标。,第一章,第二节 传感器的动态特性,传感器的输入是变化较快的连续信号，或是冲击信号，或是周期性输入信号，那么此时传感器输入与输出的关系将是随时间变化的函数。,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。它包括频率特性和暂态响应特性。,一、频率特性,设输入量为,周期信号,，,输出,信号,与输入,信号,比,的幅值,称为系统的,幅频特性,；两者的相位差,称为,相频特性,；无论幅频特性还是相频特性一般都是,随输入信号的频率而改变的。,幅频特性与相频特性合称,频率特性,，,该特性用以,评价传感器在波形复杂的周期信号作用下的复现误差,频率特性与动态品质的关系,可以证明：当1 =Const；,2 =时，,那么在满足上述关系的区间内 ，各种,谐波所组成的任意复杂的波形都能被精确的复,现。,通过对传感器频率特性的分析，可以发现传,感器在结构或参数配制上的缺陷。,传感器的“阶和三种不同阶的传感器,多数物性型传感器的动态性能可用,一阶微分方程,描述；而在电气系统中具有电阻、电容和电感的电路呈现二阶频率响应，同样具有阻尼的质量、弹簧等机械系统亦可用,二阶微分方程,描述。与此相关的传感器被称为,一阶,或,二阶传感器,；,零阶,传感器,是简单的、理想的,线性传感器,。,零阶传感器,有微分方程：,即有 =k和 =0。,其幅频和相频特性曲线见右图。,可以看出：,零阶传感器无幅值失真,和相位延迟，具有理想的,动态特性。,一阶传感器,一阶传感器的微分方程为：,变形后有：,式中 ；。故有频,率特性：,一阶传感器续,那么幅频和相频特性为：,讨论：1当 时，有 ，此时输出,波形与输入波形近似一致；,2当 时，有 ，说明,输出量的滞后最小。,可以看出：,对于一阶传感器，在 时频率特性较好。,二阶传感器,二阶传感器的微分方程为：,、和 是结构或材料常数，上式变形后：,其中固有频率 ；阻尼比,二阶传感器续,频率特性为：,幅频特性那么为：,和相频特性：,二阶传感器续,讨论：1当 一定且 时，有 和,，即有较好的频率特性；,2当 ，有 和,传感器无响应；,3当 且 时，传感器出现谐振，,波形严重失真；,4 的影响：在 一定，时，,幅频特性曲线有最宽的平直段，即频率,特性最好。,二阶传感器续,综上所述，对于二阶传感器,在,时频率特性较好。,二、暂态响应特性,同样利用一阶和二阶微分方程，在输入信号,为阶跃信号时，可分析传感器的时域响应，或,称暂态响应。,暂态响应由两个局部组成，第一个局部是正,确反映输入信号的，其结论与对频率特性的分,析结果一致。,暂态响应特性续,第二个局部是由输入作用引起的，它反映了传感器中能量存储过程和消耗过程间的动态平衡。,根据阶跃响应前沿局部的某些特征，定义了传感器的动态响应指标，如时滞、上升时间等自学。,第一章,第三节,传感器的可靠性,传感器的可靠性是指仪器的使用寿命问题。它包括仪器的平安性和维修性等。理论根底之一是概率论和数理统计。,几个根本概念,1可靠性定义：在确定的时期内和确定的外界条件下，传感器系统工作在允许的性能水平的概率。可靠性符号为：。,可靠性续,2不可靠性定义：在确定的时期内和确定的外界条件下，传感器系统不能工作在允许的性能水平的概率。不可靠性符号为：。,二者有：,3平均寿命MTTF：对不可修复的产品为其故障寿命的均值。,可靠性续,4故障率 ：是每个设备在每单位时间内的平均故障次数常为年故障率。多数系统和元件在工作时间内近似是常数。,可靠性模型,是根据可靠性的观点用数学表达式去评价产品的特征。通过模型分析能得到反映产品可靠性的实际状况。,可靠性模型,常用根本模型有串联和并联模型等。,1串联模型：它通过所有部件的正常工作来保证系统的正常功能。,系统的可靠度R为：,：各部件的可靠度。,可靠性模型续,2并联模型：在并联系统中，所有部件全发生故障时，信号才不能从输入端到达输出端。,此时系统的故障率为各部件故障率的乘积：,该系统通过冗余设计，,以提高系统的可靠性。,可靠度分配,可靠度的设计包括以下几个方面：,可靠性目标确定；,可靠度的分配；,系统可靠性调整；,设计内容。,可靠性的设计可参考浙江大学 陈裕全、李光著的,P.32。,传感器的选择标准,与测试条件有关的事项；,与传感器性能有关的事项；,与使用条件有关的事项；,与购置和维修有关的事项。,第一章主要内容,静态特性定义；主要指标灵敏度、线性度和迟滞；,动态特性的评价标准；零阶、一阶和二阶传感器的频率特性结论；暂态响应特性,传感器的可靠性,