《传感器技术基础》PPT课件.ppt

第一章 传感器技术基础,一、传感器的静态特性,静态特性：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时的输入输出关系,理想状态：线性关系,1、静态模型,实际状态：非线性关系,静态特性曲线：,a - 零点输出，b - 理论灵敏度，,误差因素,多项式代数方程：,x - 输入量 y - 输出量 a0 - 零位输出 a1 - 传感器灵敏度 a2 an - 非线性常数,非线性原因：,温度,湿度,压力,冲击,振动,磁场,电场,摩擦,间隙,松动,迟滞,蠕变,变形,老化,外界干扰,2、静态特性指标,(1) 线性度:,传感器输入输出曲线与拟合直线的偏离程度，（非线性误差）,相对误差：,输出值与拟合直线的最大偏差值,理论满量程输出值,拟合直线：,理论直线法：传感器的理论输入输出直线（推导） 简单、方便，偏差大，与测试值无关,(b) 端点连线法：传感器输入输出曲线的两端点连线（计算） 简单、方便，偏差大，与测量值有关,(c) 最佳直线法：使得 正负行程的非线性偏差相等且最小（计算） 精度最高，图解法、计算,(d) 最小二乘法：按最小二乘原理求拟合直线，（计算） 残差平方和最小=距离平方和最小，精度高,(2) 回程误差:,传感器在正行程和反行程的输入输出曲线不重合的程度，（滞后）,相对误差：,Hmax：正反行程输出值的最大偏差,计算：有n个测量数据: (x1,y1), (x2,y2), , (xn,yn)， (n2) 求解最小二乘直线方程：y = a + bx 残差：i = yi (a + b xi) 残差平方和最小：2i=min,说明：最小二乘法的非线性误差不一定最小，正负行程偏差不一定相等,(3) 重复性:,同一条件下，对同一被测量，同一方向，多次重复测量，差异程度,对同一被测量值：各次测量数值的偏差程度,重复性，是传感器最基本的技术指标，是其他各项指标的前提和保证。,测量数据的分散性,贝塞尔公式：,相对误差：,max-各点正负行程输出值标准差最大值 a - 置信系数：a=2：置信概率95.4% a=3：置信概率99.73%,绝对误差：极限误差,对不同被测数值：各次测量曲线的偏差程度,(4) 灵敏度:,传感器输出量的增量与输入量的增量之比,斜率：,线性传感器：灵敏度为常数； 非线性传感器：灵敏度为变数,外源型传感器：灵敏度与电源电压相关,(5) 分辨力:,传感器能够检测出的输入量的最小变化量： 绝对数值 ( 0.01mm),(6) 阈值:,能够使传感器输出端产生变化的最小输入值，零点附近的分辨力,零点附近存在严重的非线性：“死区” 例如：电子称,传感器噪声：淹没有用信号 噪声电平 共性,注意：灵敏度误差 - 误差、干扰、不稳定、,(7) 稳定性:,传感器在相当长时间内保持其性能的能力 （长期稳定性）,一般：室温条件下，经过一定时间间隔，传感器的输出值的差异程度,例：应变式力传感器为稳定性：0.02%/12h,(8) 漂移:,在一定时间间隔内，传感器数值出现缓慢变化,漂移：零点漂移，灵敏度漂移,时间漂移：零点/灵敏度随时间缓慢变化 温度漂移：零点/灵敏度随温度缓慢变化,(0) 静态误差:,传感器在量程内任意点，输出值相对其理论值得偏离程度,评价传感器静态性能的综合指标， 将上述各项指标进行合成,今日作业,1、某传感器给定的精度为2%，满量程输出为50mV，求可能的最大误差。 2、上述传感器分别使用在满量程的1/4和4/5时，可能产生的相对误差分别有多大？由此你可以得出什么结论？,二、传感器的动态特性,动态特性：传感器在被测量随时间变化的条件下输入输出关系,1、动态模型,(1) 微分方程：,用线性常系数微分方程表示传感器的输入输出关系,ai、bi (I=0,1,n或m)：常数，取决于传感器+起始条件+被测量,优点：概念清晰，可区分暂态响应和稳态响应,(2) 传递函数：,利用拉氏变换，将微分方程转换成为复数域的数学模型,优点：表示了传感器本身特性，与输入量无关，可通过实验求得,缺点：求解方程麻烦，传感器调整时分析困难,2、动态特性,过程：,输入：“标准信号”-阶跃信号、正弦信号、线性信号、脉冲信号,(1) 传感器的频率响应特性：,输入：正弦信号-频率不同，幅值相等，,输出：正弦信号-幅值、相位、频率,频率响应特性,输入量：,输出量：,传递函数：,时域分析：输入-输出关系随时间变化 - 动态变化,频率响应特性 / 频率特性 / 频响特性 / 频响 / 频率传递函数,暂态过程（输出量由一个稳态到另一个稳态的过渡过程）,稳态过程（输出量达到稳定的状态）,频域分析：传感器输入输出关系随信号频率变化 - 频率响应特性,指数型式：,模：,A()：输出、输入幅值比 - 传感器的动态灵敏度（增益），,典型的对数幅频特性曲线：,理想幅频特性： 0dB水平线 （幅值不变）,相频特性：相位与频率的关系 - 调相式传感器,幅频特性：幅值比与频率关系 - 调幅式传感器,频响范围：误差3dB对应的频率范围 （通频带、频带、工作频带）,(2) 传感器的阶跃响应特性：,输入：阶跃信号,输出：阶跃响应,时间常数：传感器输出值上升到稳态值yc的63.2%所需的时间,上升时间Tr：传感器输出只有稳态值yc的10%上升到90%所需时间,响应时间Ts：输出值达到允许范围%的所需时间,超调量a1：响应曲线第一次超过稳态值yc的峰高：ymax-yc,衰减率：相邻两个波峰（或波谷）高度下降的百分数,稳态误差ess：无限长时间后，传感器稳态值与目标值偏差的相对误差,(3) 传感器的典型环节的动态响应：,a) 零阶环节：,微分方程：,传递函数：,特点：,输出 输入 ，与时间无关，与频率无关，无滞后 - 理想,b) 一阶环节：,微分方程：,（时间常数）,（静态灵敏度）,传递函数：,幅频特性：,相频特性：,频率特性：,幅频特性和相频特性 对数图（伯德图）：,b) 一阶环节：,输入阶跃信号：,一阶环节微分方程：,t=2：ed=13.5%； t=3：ed=5%； t=5：ed=0.7%；,动态误差（幅值）：,特点：,一阶环节实例：kc 环节：k-弹簧刚度，c-阻尼系数,c) 二阶环节：,微分方程：,（固有频率）,（阻尼比）,传递函数：,幅频特性：,相频特性：,频率特性：,幅频特性与相频特性 伯德图：,当/n1时： A()K，() 0 （零阶）,当0.7时： A()平坦段最宽，()接近 斜直线，失真最小（最佳）,输入阶跃信号：,c) 二阶环节：,当1时：无过冲，无震荡，过阻尼 曲线上升慢，响应速度低,应用实例：弹簧(k)、阻尼(c)、质量(m) 机械系统 外力作用下：运动微分方程,(4) 数字传感器的动态特性：,要