（测试计量技术及仪器专业论文）压力传感器的辨识建模及动态补偿技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文以炮口冲击波压力的测试为背景，围绕压力传感器的动态特性研究及改进这一 主题，论述了相关的辨识建模和动态补偿技术，并进行了实验研究和计算机仿真研究。 首先研究了辨识建模方法，在一般最小二乘法的基础上，着重研究了近似最优辅助 变量的四步算法，并针对压力传感器动态校准实验中，输入端干扰可忽略和输出端测量 噪声近似白噪的特点，介绍了一种带有特殊白化预滤波器的广义最小二乘的迭代法。接 着，把系统辨识的方法运用到动态补偿数字滤波器的设计中，打破了一般数字滤波器时 间域设计中逼近给定的脉冲响应的限制。并通过理论上分析零极点对系统动态特性的影 响，研究了利用重新配置零极点来改善系统动态特性的方法。 最后建立了压力传感器的激波管校准实验系统，并对校准频率范围和校准精度进行 了深入分析。恨据校准实验数据建立了传感器的动态数学模型，在此基础上分析了压力 传感器的动态特性，设计了动态补偿数字滤波器，明显提高了压力传感器动态响应的快 速性和展宽了工作频带。并给出了对实验校准信号和模拟的冲击波信号进行补偿的仿真 结果0 ，一 关t 词，压力传感垮动态校穆 。 固动森嘭蜒麴眇一 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a g a i n s t t h eb a c k g r o u n d o f p r e s s u r em e a s u r e m e m o f t h em u z z l es h o c kw a v e ，t h er e s e a r c h w o r ka b o u tt e c h n o l o g yo f d y n a m i cm o d e l i n ga n dc o m p e n s a t i o n ，c o r r e l a t i v e l yt ot h et o p i co f t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di t si m p r o v e m e n to f p r e s s u r es e n s o r s ，i sd e s c r i b e di nd e t a i l n i n c l u d e se x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h f i r s t l y , t h em o d e l i n gm e t h o d sa r es t u d i e d o nt h eb a s i so fl e a s ts q u a r em e t h o d ，t h e a p p r o x i m a t e l yo p t i m a lf o u r - s t a g e i n s t r u m e n t a lv a r i a b l em e t h o di s p r e s e n t e d s i n c e t h e d y n a m i cc a l i b r a t i o nt e s th a ss u c ha t t r i b u t e sa si n p u tn o i s es m a l lt ob eo m i t t e da n do u t p u t m e 船u r e m e n tn o i s ea p p r o x i m a t et ow h i t en o i s e ，ag e n e r a l i z e dl e a s t s q u a r em e t h o d 、i t h s p e c i a lw h i t e n i n g f i l t e ri sp r o v i d e d t h e nt h em e t h o d so f s y s t e mi d e n t i f i c a t i o na r ea p p l i e dt o t h ed e s i g no fd i g i t a lf i l t e r , w h i c hb r e a kt h er e s t r i c t i o no fa p p r o a c h i n gt h e g i v e ni m p u l s e r e s p o n s e t h r o u g ha n a l y z i n gi n f l u e n c eo f t h el o c a t i o no f z e r o - p o l ep o i n t so nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e rd e s i g n st h ed y n a m i cc o m p e n s a t i o nu n i t sb yr e - d i s p o s i n gz e r o - p o l e p o i n t s f i n a l l yt h ed y n a m i cc a l i b r a t i o nt e s ti ss e tu p c a l i b r a t i n gf r e q u e n c yr a n g ea n dp r e c i s i o n a r ea n a l y z e dd e e p l y u s i n gs e n s o r sd y n a m i cc a l i b r a t e dd a t a ，i t sd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e da n da c c o r d i n gt ot h em o d e l ，i t sd y n a m i c p e r f o r m a n c ei so b t a i n e da n dad y n a m i c c o m p e n s a t e dd i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e d ，w h i c hs h o r t e n st h ed y n a m i cr e s p o n s et i m eo fp r e s s u r e s e n s o ra n dw i d e n st h ew o r kb a n d w i d t h e v i d e n t l y i na d d i t i o n ，t h ec o m p e n s a t i n gr e s u l t so f t h e d y n a m i c c a l i b r a t i o nt e s ta n ds i m u l a t i o ns h o c kw a v ea r eg i v e n k e y w o r d s ：p r e s s u r es e n s o r , d y n a m i cc a l i b r a t i o n ，m o d e l i n g , d y n a m i cc o m p e n s a t i o n ， d i g i t a ls i m u l a t i o n 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 传感器动态特性研究的意义 传感器技术、通讯技术以及计算机技术并列为现代信息技术的三大基础，分别构成 信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器的种类很多，包括物理的、化学 的和生物的传感器，这些传感器配上相应的部件，如信号调理变换器、计算机系统等， 便组成了各种各样的测试系统。其中传感器在测试系统中处于首位，直接敏感外界信息， 是自动获取信息的重要装置，也是推广和普及计算机应用必不可少的器件，并且，在大 多数情况下，被测信息的第一次传输与转换都是由传感器完成的。由于被测信息大多是 非电量，完成这种传输与转换要比传输与转换电信号困难得多。因此传感器往往是测试 系统中的核心器件，测试系统分析的大量工作集中在传感器上，其重要性已被人们充分 认识，并已成为研究和开发的热点。 传感器性能指标是衡量其优劣的标准，是其设计的目标，是用户选择的依据。根据 被测量是否随时间变化，传感器表现出两种特性：静态特性和动态特性。目前，国内外 对于传感器静态特性的研究已经比较深入和全面，由于静态标定设备比较普遍，各种传 感器的说明书中，一般都标注静态性能指标。而对动态特性研究较少，起步较晚。国内 在此方面更为落后，主要原因是( 1 ) 受实验设备的限制，有些专业生产厂家不具备动 态标定设备，产品使用说明书中尚无动态性能指标；( 2 ) 技术发展滞后，实践探索工作 还不够深入；( 3 ) 没有意识到动态特性的重要性，有些产品甚至不给出动态性能指标。 这些情况与动态测量的实际需要是很不相称的，给动态测量领域提出了一个严峻的问 题。 近年来，随着生产实践和科学技术的发展，要求进行动态( 和瞬态) 测量的领域愈 来愈多。例如，航空、航天飞行器某些部件的瞬变温度和压力的测量；物体在装卸时或 运动中称重；液压控制系统的瞬态压力测量；枪炮的膛内压力、发动机爆震压力的测量； 血管脉动流量的快速测量等等。人们希望能更深入、定量地了解许多动态( 和瞬态) 过 程中各种参数的实际变化情况，以便进行更好地利用它，以推动科学技术的发展。前面 已提到，现代动态测试系统一般由传感器、信号调理电路与计算机系统组成。通常信号 调理电路与计算机系统的动态响应特性要比传感器的动态响应特性高得多。因为传感器 常常是机电系统，并且将非电量信号转换为电信号输出需要一个过程，所以其动态特性 较后二者要差。因此测试系统的动态特性，主要取决于传感器的动态特性，也可以说传 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 感器是影响整个系统动态特性的关键环节，选用或设计传感器时要特别注意它的动态响 应特性。若传感器的动态性能不佳，就无法快速、无失真的再现动态被测信号随时间变 化的规律，无法为其后面的系统提供准确的信息，将带来较大的动态误差，可以说传感 器的动态特性将直接影响测试系统功能的发挥。 可用图1 - 1 说明以上问题：设某个压力传感器的 如图1 1 所示。当被测信号的频率c o o ) l 时，输 入和输出在幅频上是线性关系，传感器可以准确 l 地反映被测量的变化；当i c 0 2 时，输出信号接近于零， 传感器无法反映被测量的变化，测量结果没有意 图1 - 1 传感器的幅频特性曲线 义。通常意义下的动态测量，也就是根据被测信号的特点，选取满足幅频特性的平直段 包含被测信号各频率分量的传感器系统用于测量。所以，首先需要对传感器的动态特性 进行研究，求出其特性指标，确定其是否满足测量的要求，当不能满足要求时，可通过 改善传感器的结构和参数或进行动态补偿，改进传感器的动态性能，减小测试误差，使 测量结果准确可靠。 对传感器动态特性的研究工作开展得比较深入之后，就可以准确了解传感器的动态 特性，并采取一定的方法改进其动态性能，一旦许多传感器的动态性能都能满足动态测 试的实际要求时，它将有力地推动许多科学研究工作的快速前进。对于从前苦于没有准 确的动态测量手段，对许多瞬态过程的细节了解甚少的情况就可以大大改观。例如，通 过准确测量，知道液压控制系统的瞬态压力是额定工作压力的几倍，就可了解为什么有 些部件易于损坏，而将它改进后，整个系统的故障减少，使用寿命增长。 总之，通过对传感器动态性能的研究，可解决动态测量的有关技术问题，使各种传 感器都具有明确的动态性能指标，满足科学研究、产品开发和工程实际中对动态测量的 要求。这对科学研究和国民经济发展的影响是很广泛的，深远的，其科学价值和实用价 值也是很大的。 1 2 传感器动态特性研究的现状 传感器的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。通常用动态数 学模型来描述，通过机理分析或系统辨识求得动态数学模型，利用数学模型计算动态性 能指标，并进行频域分析，全面研究传感器的运动规律。并利用传感器的数学模型研究 动态补偿的方法，改善动态特性等。动态建模和动态补偿技术既具有较高的理论性、又 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 有较强的实践性和实用性，是传感器动态特性研究中的关键问题。近年来，随着材料技 术、数字化技术、微处理技术、自动化技术等日益广泛应用，促使辨识建模及动态补偿 等技术随之得到更加普遍的应用。 1 2 1 辨识建模的研究现状 建立传感器的数学模型是为了获取其动态特性，研究其运动规律，所以建立正确可 靠的模型至关重要。在传感器的模型辨识方面，国内外都有比较成熟的理论和方法。建 立动态数学模型的方法有两大类p 】：一类是分析法，根据系统的工作原理，运用各种物 理定理推导出描述系统的数学模型。主要应用于机理简单、结构简单的传感器；另一类 是系统辨识法，利用系统输入输出的观测数据来建模。两种方法可以结合运用。其中系 统辨识法根据所涉及的模型形式，可分为两类：( 1 ) 非参数模型辨识方法( 经典的辨识 方法) ：在假定过程是线性的前提下，不必事先确定模型的具体结构。如阶跃响应法、 脉冲响应法、频率响应法、相关分析法、谱分析法等，这些辨识方法在工程上有着广泛 的应用，至今仍受到普遍重视；( 2 ) 参数类模型辨识方法( 现代的辨识方法) ：假定一 种模型结构。通过极小化模型与过程之间的误差准则函数来确定模型的参数。如最小二 乘类法( 包括最小二乘法、增广二乘法、广义二乘法、辅助变量法等) 、梯度校正法、 极大似然法、预报误差法、神经网络辨识法等。 随着控制理论、计算机控制技术和统计估计理论应用的深入，特别是其它各门学科 的研究方法进一步趋向定量化，这对建模工作来说，既提出了新的更高要求，又提供了 新的有利手段。系统辨识的各种新方法不断出现，并获得了成功的应用。如： 文献【5 6 】针对测量中动态校准实验条件的特殊性，提出了种具有特殊滤波器的极 大似然法及其递推算法。该算法简单、准确度高、收敛性好。 文献【7 】提出最优模型选择方法，使模型在容许的误差范围内简化为简单的模型，同 时确定模型的阶数和参数。所求模型更简单，计算量少。 文献8 l o 提出了采用沃尔什函数的最小二乘建模方法，同时估计连续传递函数阶 次和参数。 文献【1 1 1 4 】讨论了基于神经网络的传感器建模方法。其中文献 11 1 2 用b p 算法， 1 3 1 4 应用函数链f l n n 建模。神经网络建摸法可以跟踪补偿环境变化引起的传感器 特性的各种变化。 目前，辨识建模技术无论在理论研究和实际应用上都处于兴旺发展时期。 1 2 2 动态补偿技术的研究现状 传感器以及整个测量系统的频响范围总是有限的，特别是传感器的频响范围往往是 限制整个系统频响的主要环节。传感器动态特性不理想时，如幅频特性不平坦、相频特 性非线性，通过测试系统只能得到失真的输出信号，降低了所测信号的可信度。这种情 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 况下，往往需要改变传感器或整个测试系统重新进行测试。但有时所需要的高性能的传 感器并不存在，这时必须求助于动态补偿技术，对传感器的各种“缺陷”进行“修补”， 使传感器的动态性能在原有的基础上，进一步得到改进，减小测量的动态误差。这是国 内外研究的前沿课题，也是传感器技术研究的关键问题之一。 动态补偿技术是从二十世纪六、七十年代以来迅速发展起来的，当时由于核技术和 宇宙工业上出现了大量的瞬变信号急需测量。这些瞬变信号变化非常快，以致当时找不 到适当的仪器去测量，因而各种动态补偿技术也就应运而生，弥补了仪器方面的不足。 但发展这类技术的意义并不限于消极的补救作用，而是给测试系统的设计提出了一些新 的观点和思想，因而获得了迅速的发展。 在发展的初期，往往是以阶跃响应或脉冲响应为基础，由输出按一定的计算关系直 接求出输入端的信号，以达到减小测试系统动态误差的目的，这种方法也称为动态误差 修正。目前在有些情况下仍在使用，且效果很好。常见的动态误差修正方法有数值微分 法、叠加积分法、频率域修正法和反卷积法掣2 7 1 。 数值微分法根据描述系统输入( 被测信号) 和输出( 测量结果) 之间的微分方程， 由测量结果恢复出被测信号。这种方法基于系统准确可靠的微分方程，在计算中采用大 量数值微分，故要保证足够的计算精度，计算量很大。 叠加积分法把被测信号看成许多阶跃信号叠加，而把测量结果看成这些阶跃信号的 响应，从而导出由测量结果恢复被测信号的数学关系。这种方法不用建立测量系统的动 态数学模型，但计算量也比较大。 频率域修正法由测试系统的频率特性h q o d ) 和测试结果信号的频谱t o o j ) 求出被测 信号的频谱x ( y o j ) ，再利用傅立叶反变换得到被测信号的估计值。该方法在求h o o j ) 时， 会遇到混迭误差、泄漏误差及栅栏效应的影响，并由于在全频率范围内计算输入信号， 使得计算结果易受高频噪声的影响。在理论上，频率域修正法相当于具有动态误差的输 出信号y ( o 经过传递函数为1 n ( s ) 的补偿环节，使被补偿后的等效系统成为理想系统， 而使输入信号得到了无失真的传输。实际中这种方法能否成功应用的前提除了风肋) 和 y ( f 曲的计算要十分准确外。还要求测试系统的噪声可忽略不计。而实际的测量信号中不 可避免地含有测量噪声，它通过1 h ( s ) 的补偿滤波器后，将成倍放大，以致补偿后的输 出信号的信噪比大大降低。 反卷积法就是在系统的输入和输出信号以及脉冲响应序列中，若已知脉冲响应序列 和输出信号而求输入信号。用公式可表示为x ( 七) = y ( ) ( 班m ( ，2 ) ，其中( 1 ) 表示反卷积 运算， ( n ) 为系统的脉冲响应。从这种角度讲，也就是测量得到的信号是已被 ( 刀) 所“加 工”后失真的信号，现在要利用已知的y ( 仃) 和厅( ”) 恢复输入端的原始信号x ( ) 。如文 献 2 2 1 中对传感器预处理器的研究，在信号处理电路中带有单片机时，这种时域反卷积 计算非常容易，可达到在线计算的目的。但在实际进行反卷积运算时，常常面i 临着信号 已被噪声或误差所“污染”，使得反卷积成为一个病态问题。即使有很小的噪声或误差 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 存在于数据中，也会使所得结果严重失真，给运算带来困难。 目前研究的热点集中在动态特性补偿技术上，即采取增加补偿环节的办法对传感器 系统的动态特性进行改进。补偿环节以辨识建模得到的模型为依据，设计出一种动态补 偿滤波器，与原来的传感器系统相串联，使级联补偿器后系统的总的动态性能满足使用 要求。它与动态误差修正技术的目的都是为了提高测试精度减小动态误差，但两者侧重 点不同：它强调提高系统的工作频带和响应速度，采取级联补偿环节的办法对动态特性 进行改进。由于大多数的测试系统带有计算机，可设计动态补偿数字滤波器，进行软件 补偿，该方法经济、灵活且适应性强。 随着科学技术的不断发展和国内外从事动态参量测量的学者不懈的努力，对于传感 器及测试系统动力学特性的研究，逐渐形成了- - f 7 新的学科测试系统动力学。目前 这一学科的框架已初步形成，其中由北京航空航天大学黄俊钦教授的新著测试系统动 力学的出版标志这一崭新学科已初步建立。它较全面地论述了测试系统动力学的目的 意义，提出了一整套研究方法，为测试系统动力学这门学科打下了一个基础。合肥工业 大学把测试系统动力学的思想成功地应用于机器人腕力传感器的研究，解决了腕力传感 器动态特性研究中动态建模、动态补偿和解耦等关键问题。南京理工大学对枪炮膛内壁 表面瞬态温度测试用的薄膜热电偶传感器动态特性进行了深入研究和改进，大大减小了 动态测量误差。可以说近几年来，在传感器特性的动态补偿研究方面取得了丰硕的成果： 文献 2 9 3 0 将函数联结型神经网络( f l a n n ) 引入传感器动态特性的研究，建立 腕力传感器的数学模型，设计动态补偿器。通过频率分析，补偿后的工作频带明显要宽。 文献【3 2 】在用人工神经网络对传感器特性进行补偿的基础上，进行改进和简化，用 m a t l a b 编制训练程序，改进后网络的补偿收敛次数明显降低，节约了5 0 的时间。 文献1 3 3 将动态补偿滤波器的设计问题转化为一个多变量的优化问题。不对传感器 建模，而直接根据传感器的时域响应和预期输出数据，采用单纯形的优化算法设计补偿 滤波器。 文献【3 4 】运用时间域优化技术，以理想阶跃与实际阶跃响应曲线之间的误差面积做 指标函数，设计了一种补偿数字滤波器，改善传感器的阶跃响应和频率响应。 文献【3 5 】讨论了传感器补偿的软件技术，能很好地处理噪声和漂移，同时，也给出 了一个用滤波器改善阶跃响应的结果。 文献【3 6 】对应变式压力传感器的动态补偿滤波器的频率特性，采用最小二乘估计法 拟合其传递函数。在用于爆炸冲击波测量时，补偿前后，测量精度有明显提高。 文献 3 7 】采用具有遗忘因子的最小二乘法对机器人腕力传感器的动态校准实验数据 建立了从二阶到八阶的数学模型，并对其中三阶差分方程设计了动态补偿滤波器对传感 器的阶跃仿真曲线进行补偿，经过补偿，到达稳态的时间明显缩短。 文i t 扶 3 8 4 2 介绍根据零极点相消法设计出动态补偿数字滤波器的方法及各种具体 实现。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 总之，当前动态建模技术和动态补偿技术的发展正方兴未艾，虽然理论上还没形成 统一完整的体系，还有许多问题有待深入探讨，但已经出现了许多种方法，取得了一些 可喜的成效，在传感器动态特性研究的应用方面有着广阔的前景。 1 3 本文课题来源及主要工作 当火炮等武器发射时，高温、高压的火药气体会形成一种超过空气压力的冲击波， 它以大于声波的速度向四处传播，这种炮口冲击波不但会引起人的肺脏或耳膜损伤，导 致暂时性或永久性听力损失，引起武器或周围设备零部件损坏：而且，随着声探测技术 的发展，它会向敌方暴露我方阵地。冲击波信号的准确测量对于鉴定人员的安全性、装 备抗声探测性、评价冲击波对战斗车辆及零部件影响具有十分重要的意义。目前，世界 各国均把它列为武器摸底、定型、校验各试验阶段的必测参数之一。在我国常规兵器实 验中，该测试结果是衡量武器是否满足战术技术指标的重要依据之一。国外对冲击波信 号的研究起步于6 0 年代，在测试方法、测试设备、冲击波生理危害研究及减少冲击波 途径等方面取得了一系列成果。我国起步较晚，但在近1 0 多年来的研究中，已积累了 大量数据，并设计出了冲击波场测试系统。 我们教研室研制了一套炮口冲击波场动态参数测试系统。硬件部分主要由传感器、 前端信号调理放大器、v x i 动态信号处理系统组成。其中由2 8 个压力传感器构成点阵 布置在炮口冲击波的作用范围区域内，直接敏感动态压力信号，对冲击波作多点的精确 测试。由于炮口冲击波是一种高速压力波，具有陡峭的信号前沿，且持续作用时间短， 故含有较多的高频分量，这样的频率结构对动态测试系统提出了苛刻的要求。要求测试 系统工作频带足够宽、响应速度足够快。 我们选用的是美国恩德福克( e n d e v c 0 ) 公司的8 5 1 0 系列固态压阻式压力传感器。 但在现场测量中，发现由压力传感器构成的测量点阵，对同一压力值，所测压力结果不 相同，并且测试曲线中有很大的振荡等等从而使布放的传感器点阵不能正确测试冲击波 压力场的分布情况，严重影响了整个系统的测试精度。经分析知，在整个测试系统中， 动态特性较差的薄弱环节是压力传感器，其它两部分的通道带宽在2 m h z 以上，可视为 纯放大环节，故影响测试精度的主要部分是压力传感器。由于长期以来，一直未能对压 力传感器的动态性能有一个清晰的认识，没有提出相应的改进方法，测试精度仍无法保 证。所以压力传感器动态特性如何，当其动态特性不满足要求时，如何进行改善以及用 于测量的多个压力传感器的动态特性是否一致等等是靶场冲击波压力动态测试中亟需 解决的问题。 本文的研究内容，将测试系统动力学的思想应用于研究压阻式压力传感器的动态特 性，针对以上存在的问题和压力传感器的使用条件、特点，以动态校准实验为基础，采 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用系统辨识建模、动态补偿和计算机仿真相结合的研究方法，运用时域分析和频域估计 相结合的分析方法，应用自动控制和信号处理有关理论，深入研究了传感器的动态特性， 发现其动态性能并不能满足测试要求，于是设计了动态补偿滤波器，改善其动态特性。 本文的研究不仅为测试系统动力学的研究内容增添新的应用实例，而且可推广运用于其 它传感器和测试系统。 下面分章介绍一下主要研究工作： 第一章为绪论。主要介绍了传感器动态特性研究的意义和动态建模、动态补偿技术 的研究现状，以及本课题的研究意义。 第二章简要介绍了固态压阻式压力传感器的工作原理及其动态特性指标的计算，并 对动态误差产生的原因进行了分析，得出无失真动态测试的条件。 第三章对时域辨识建模方法进行了研究。在一般最小二乘法的基础上，研究了最优 辅助变量的四步算法和适于动态校准实验中数据建模的带有特殊白化预滤波器的广义 最小二乘的迭代算法，并分析了比较各种方法的特点。对矩阵运算中存在的数值病态问 题，提出用增量变换法或递推算法。 第四章对动态补偿理论及方法进行了研究。因为实际测试中都不可避免地存在有噪 声，所以理想的动态补偿器在实际中并不能实现。本文研究了系统辨识法和零极点配置 法设计动态补偿滤波器的方法，并分析了它们的特点。 第五章建立了压力传感器的激波管校准实验系统，为了提高建模精度及后续补偿的 效果，对激波管阶跃信号的性质和实验的精度问题进行了深入数值分析。 第六章详细介绍了压力传感器的辨识建模和动态补偿过程，给出了相应的结果。对 并对补偿效果进行了仿真研究。对多个压力传感器进行补偿后的等效系统的动态特性的 一致性做了研究。 第七章为结论和展望。重点阐述了论文研究的结论，并对现有的研究工作提出了建 议。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章压力传暮器及其动态特性 2 1 概述 传感器的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。它与静态特性 的区别是：动态特性中输入量与输出量的关系不是一条直线，而是随输入信号的频率而 变化。在静态测量条件下，一般需要研究传感器的迟滞、非线性、重复性等性能指标， 而在动态测量条件下还必须注意传感器的动态性能指标。如果动态性能指标不符合要 求，测量得到的波形往往发生畸变，这时测量结果的动态误差是很大的。学术界一直在 试图建立一套统一的误差理论，希望能够用参数形式明确地将测试系统的全部特性描述 出来。然而这样做的结果是非常抽象的，另外在数学原理上，将静、动态性能全部纳入 一个微分方程，求解起来也很困难，因此，直至目前为止，对传感器的动态性能和静态 性能仍然是分开研究的，并在研究其动态性能时认为静态性能是理想的，而传感器的总 的性能就具体体现为各种静态和动态的性能指标。 传感器的频率特性中最重要的指标是保证动态测量结果的幅值和相位误差小于规 定允许值的工作频带，也即通常人们所说的满足无失真测量条件的频率段。这里无失真 其含义实际上为失真度小于某一规定允许值。 本章首先简单介绍了压阻式压力传感器工作原理及其动态特性描述方法，对于传感 器的动态性能的各项指标，以及它们之间的关系，有时间域和频率域的多种表示方法， 由于国内外尚缺乏统一的规定，只介绍几个目前国内仪器仪表界较常用的动态性能指 标，以及它们的含义和计算方法。压力传感器应用于实际动态测试中，都不可避免地会 带来动态误差，动态误差的特性如何，怎样保证在失真度小于允许值的情况下进行动态 测试，也是本章要讨论的问题。 2 2 1 工作原理 2 2 压阻式压力传寤器 由于炮口冲击波是一种高速压力波，信号的频带宽，持续时间短，所以要求传感器 固有频率高、响应速度快。为此，我们选用美国e n d e v c o 公司的8 5 1 0 系列固态压阻 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 式压力传感器，其主要技术性能指标： 量程5 1 0 0 k p a 频响 0 1 0 0 饵z 上升时间 9