传感器结构原理与设计---第一章 传感器的一般特性.ppt

传 感 器 第一章 传感器的一般特性 第一节 传感器的静特性 第二节 传感器的动特性 第三节 传感器的标定 第四节 传感器的技术指标 传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。 第一节 传感器的静特性 设拟合直线方程： 即得到k和b的表达式 二．迟滞 三．重复性 第二节 传感器的动特性 说明： 为使传感器的输出信号和输入信号随时间的变化曲线一致或相近，要求传感器不仅具有良好的静特性，也应具有良好的动特性； 动态性是传感器输出值能真实再现变化着的输入量能力的反映。 描述传感器动态特性的工具： 传递函数（复数域） 频率响应函数（频率域） 脉冲响应函数或过渡函数（时域） （一）数学模型与传递函数 数学模型： 一般表达式： 传感器视为线性定常（时不变）系统，数学模型可采用常系数线性微分方程： 传递函数： （二）频率特性 （三）过渡函数与稳定时间 过渡函数就是输入为阶跃信号的响应。 阶跃信号如图1－6a，输出信号y(t)如图1－6b。 说明： 严格说来，过渡函数曲线上各点到 直线的距离都是动态误差。 当过渡过程基本结束， 处于允许误差 范围内所经历的时间称为稳定时间 。稳定时间也是重要的动态特性之一。 当后续测量控制系统有可能受过渡函数的极大值的影响时，过冲量 应给予限制。 （三）应用 实际的模拟传感器的数学模型，通常可简化用零阶、一阶、二阶微分方程表示，需用高阶（三阶以上）微分方程表示的较少。数学模型为几阶微分方程就称为几阶传感器。 结论：阻尼比 的影响较大。当 时，在 处 趋近无穷大，这一现象称之为谐振。 随着 的增大，谐振现象逐渐不明显。当 时，不再出现谐振，这时 将随着 的增大而单调下降。 求解下列方程： 根据阻尼比的大小不同，可分为以下四种情况： 1）0＜ξ＜1(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根? 第三节 传感器的标定 为什么要对传感器标定？ 制造、装配完成后作标定试验判断是否达到设计指标；工作一定时间或维修后要标定。 传感器的标定即通过试验确定传感器的输入量和输出量之间的关系。有两层含义：确定性能指标；明确各性能指标的适用工作环境。 标定分类：静态标定，确定线性度、灵敏度、滞后、重复性等指标；动态标定，确定时间常数、固有频率、阻尼比等指标。 标定方法：将已知的被测量（标准量）输入待标定传感器，得到输出量；对输入量、输出量处理比较，得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到各项性能指标。 标定系统：绝对法标定系统和比较法标定系统 一、传感器静特性的标定 静态标准条件： 无速度、振动、冲击；环境温度20±5℃，相对湿度不大于85%；气压为（101±7）kPa。 静态标定步骤： 传感器量程分成若干等距点； 由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录对应输出值； 由大到小、逐点递减，并记录对应输出值； 按2、3过程，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绘制曲线； 对测试数据处理，获得校正曲线，确定线性度、灵敏度、迟滞、重复性等指标。 二、传感器动特性的实验确定法 动态标定，就是通过实验得到传感器动态特性指标的具体数值。 动态标定方法：阶跃信号响应法、正弦信号响应法、脉冲信号响应法等。 阶跃信号响应法 1、一阶传感器时间常数τ的确定 一阶传感器的阶跃响应函数y（t）=kA[1-exp(-t/ τ)] 确定τ的方法1：输出值达到稳态值的63.2%所经历的时间； 确定τ的方法2：Z=ln[1-y(t)/kA]=-t/ τ，作出Z-t曲线，其斜率为-1/ τ。 2、二阶传感器阻尼比ζ和固有频率ω0的确定 二阶传感器一般设计为ζ=0.7~0.8欠阻尼系统，可测得其阶跃响应曲线，根据曲线各实测参数可确定阻尼比ζ和固有频率ω0。 第四节 传感器的技术指标 列出全面衡量传感器质量的统一指标不切合实际，因此，可以列出若干基本参数和比较重要的环境参数指标作为检验、使用和评价传感器的依据。如表1－1。 针对某一具体传感器，也并非全部指标必需。 不要选择“万能”传感器去适合不同场合，而应根据实际需要，保证主要参数，其余满足基本要求即可。 ???? 可能经过若干次振荡（或不经振荡）缓慢地趋向稳定值 ??? ，这里 ? 为仪器的静态灵敏度。这一过程称为过渡过程， ???? 称为过渡函数。 （称重过程） 过渡函数求解： 满足初始条件t=0，y=0时，上式的特解即为过渡函数