《传感器概述》PPT课件.ppt

1,第2章 传感器概述,2.1 传感器的组成和分类,1. 定义：,能感受规定被测量,并转换成可用输出信号的器件.,研究对象,2个功能,在不同领域，传感器名称不一样： 电子领域：敏感元件；超声波领域：换能器； 其他：变送器，探头。,2,2. 组成,(1)敏感元件：感受被测量并输出中间量； (2)转换元件：把中间量转化为电信号；,(3)信号调理转换电路和辅助的电源。,某些传感器不存在转换元件,3,(2) 按工作原理分：如应变式、电容式、压电式、磁电式等。,工程应用时的分类方法,学习时的分类方法,3. 分类方法：,(1) 按被测量分：如温度、压力、位移、速度传感器等；,4,2.2 传感器的基本特性,研究方法：输入输出法 传感器的基本特性：由y与x的关系式 y= f (x)描述 分类：根据输入x是否变化，可以分为 静态特性 (x不变)和动态特性(x变化) 。,5,2.2.1 传感器的静态特性,静态特性：输入为常量，系统稳定时的基本特性。,实际为缓变量,启动时存在暂态响应,此时y只与x有关，与t无关,特性函数,说明： 实际中，ai的值并不是由f(x)得到，而是通过实验得到; a0 零点输出； ai (i0)非线性项系数； a2=a3=an=0,则 y=a0+a1x 是1直线 ,故叫线性传感器 反之叫非线性传感器。,6,1. 灵敏度,严格定义：,定义：,说明： S越大，传感器越灵敏。 线性传感器：S是一常数； 非线性传感器： S随x变化而变化。,7,2. 线性度,(1)拟合直线：用来近似代替实际特性曲线的直线 拟合的优点：标度刻度和处理数据方便。 拟合的条件：非线性项次数不高(n不高) 或 x变化范围小,8,(a)理论拟合： 直接令输入输出函数的a2=a3=an=0，得 y=a0+a1x y=f(x)在x=0处的切线,拟合方法：,(b)过零旋转拟合：将一直线绕曲线与y轴的交点旋转，并使 L1=L2,(c)端点连线拟合,(d)端点平移拟合：将端点连线拟合平移，并满足 L1=L2= L3,四种拟合的误差比较： (a) (c)最大，(b)居中，(d)最小,9,(e)最小二乘法拟合(补充),设拟合直线：y=kx+b 实际特性曲线的n个点：(x1，y1)、 (x2，y2) ， (xn，yn)。,最小二乘法拟合就是拟合直线与实际曲线所有点的差值平方和最小。,第i个点(xi，yi)两线的差值：i=yi - (kxi+b) 所有点(n个点)差值平方和: =i2=yi - (kxi+b)2,差值平方和最小:,解出,总体上误差最小,10,(2)线性度(非线性误差) 系统误差 全量程范围内，实际特性曲线与拟合直线的最大偏差与满量程之比。,线性度值越高，原曲线的线性程度就越差。,11,3. 迟滞,(1)迟滞 输入量由小到大(正行程)及输入量由大到小(反行程)变化时，静态特性曲线不重合的现象。,(2)迟滞误差系统误差 全量程范围内，正反行程输出的最大差值与满量程之比。,H越大，误差越大。,12,4. 重复性 (1) 重复性 输入量按同一方向作多次变化时，所得特性曲线不一致的程度。,正行程各曲线的最大差值为Rmax1，反行程的最大差值为Rmax2。,(2)重复性误差随机误差,13,5. 漂移,(1)什么是漂移？ x 不变，y 却随 t 变化而变化的现象。 (2) 漂移的危害 (3) 漂移的产生原因 自身因素 外界因素(温度、湿度),(4) 温度漂移 分类 零点漂移：输入为0时，温度变化引起的输出变化。 灵敏度漂移：温度变化灵敏度变化输出变化 温度漂移误差 温度每变化1时输出的变化量,yt、y20传感器在环境温度t 和20时的输出。,14,2.2.2 传感器的动态特性,动态特性：x变化，y不仅与x有关，还与t有关。 y=f(x,t),静态特性：x不变，y只与x有关，与t无关。 y=f(x),如何得到动态特性的表达式y=f(x,t)呢？下面举例说明。,15,补充例：加速度传感器如图，传感器读数为m相对于外壳的位移y(零点即平衡位置)。用传感器测量小车加速度a，试确定传感器的特性函数(y与a的关系)。,解：设小车相对于地的位移为x，则,m：相对于地的位移为x+y，,m水平方向受力分析如右,解该微分方程即可得y与a的关系,16,1. 传感器的基本动态特性方程,对于大多数传感器，有bm=bm-1=b1=0，则,式中，a0、a1、, an, b0、b1、., bm由传感器本身结构决定。,(1)特性方程的拉氏解法,特性方程拉氏变换：,得到传递函数：,说明：传递函数和特性方程是完全等价的。 根据特性方程中最高阶数n的取值可把传感器分成0阶、1阶一直到n阶系统。我们只研究0、1、2阶系统(为什么？)。,17,(2)0阶系统,a0 y=b0 x,只a0不为0，则,说明：0阶系统的的动态特性和线性传感器的静态特性类似。 故 静态灵敏度,y与x在幅度上成正比、相位上无延迟，故该系统是不失真系统。 零阶系统的实例：电位器式的电阻传感器、变面积式的电容传感器、静态式压力传感器测量液位。,18,(3)1阶系统,只a0、a1 不为0，则,说明：式中 静态灵敏度， 时间常数,传递函数：,1阶系统的实例：不带套管热电偶测温系统、电路中常用的阻容滤波器。,19,(4)2阶系统,只a0、a1 、a2不为0，则,令,说明： k静态灵敏度，阻尼系数，n固有频率,传递函数：,2阶系统的实例：带有套管的热电偶、 电磁式的动圈仪表及RLC振荡电路。,20,(5)n阶系统,结论：多阶系统可以看成1阶或2阶系统的级联或者并联。,1、2阶系统的级联,1、2阶系统的并联,1阶系统,2阶系统,21,2. 传感器的动态响应特性,动态特性取决于：传感器的“固有因素” (如阶数等)； 输入信号的形式。,通常的研究对象： 1、2阶系统； 输入为标准输入(脉冲信号、阶跃信号、正弦信号),如是任意信号怎么办？,22,(1)输入为阶跃信号瞬态响应特性,1阶系统,传递函数：,阶跃信号：,讨论：(a)k越大，输出越大。 (b)越小，延迟越小。 (c)和k是相矛盾的。,23,2阶系统,传递函数：,阶跃信号：,24,无阻尼(只振荡),欠阻尼(振荡,衰减),临界阻尼(只衰减),过阻尼(只衰减),双曲正弦(指数函数),讨论： (a)k决定了输出的大小。 (b)决定了输出的形状。,25,(c) 传感器工作状态的选择,=0，始终不能达到稳定值 ，故不能作为工作状态。,过阻尼(1), 输出达到稳定的时间很长,也不作为工作状态。,临界阻尼 (=1)，达到稳定的时间最短，但要使=1，非常困难，故不作为工作状态。,欠阻尼 (01)，稳定时间较短，而且取值是一个范围，容易满足，故选欠阻尼作为工作状态。,26,传感器的工作状态：欠阻尼状态(01，一般取0.60.7),n越大，衰减越快，输出延迟越小。,总结：2阶系统的瞬态响应对3个参数的要求。,27,瞬态响应的特性指标都根据输出曲线进行定义,定义略，只是注意：,(a)定义没说明是1阶还是2阶适用，说明2者都适用。 (b)衰减比：d =/1。,28,(2)输入为正弦信号频率响应特性,1阶系统,暂态响应(可忽略),稳态响应,幅频特性:,相频特性：,此时，k越大越好(输出大)，越小越好(越接近不失真系统)。,29,2阶系统,暂态响应(可忽略),Y()：幅频特性，：相频特性,此时，k越大越好(输出大)， 取0.60.7(考虑到阶跃响应) ，n越大越好(越接近不失真系统，通常n至少为被测信号频率的35倍)。,30,频率响应的特性指标根据幅频特性和相频特性图给出,(a)定义没说明是1阶还