信号的检测与变换.ppt

电气测量技术 申忠如 信号的检测与变换 河南工业大学电气工程学院赵亮教学2楼42067758833 4 1传感器4 1 1传感器的定义4 1 2传感器的组成4 1 3传感器分类4 2传感器的特性4 2 1传感器的静态特性4 2 2传感器的动态特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 4 3常见的传感器4 3 1应变式传感器4 3 2压阻式传感器4 3 3热电阻式传感器4 3 4电涡流式传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 4 1传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的定义传感器是一种以一定精确度把被测量 主要是非电量 转换为与之有确定关系 便于应用的某种物理量 主要是电量 的测量装置 4 1 1传感器的定义 4 1传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的定义的解释 传感器是测量装置 能完成检测任务 它的输入量是某一被测量 如物理量 化学量 生物量等 它的输出是某种物理量 这种量要便于传输 转换 处理 显示等 这种量可以是气 光 电量 但主要是电量 输出与输入间有对应关系 且有一定的精确度 4 1 1传感器的定义 4 1传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的组成 4 1 2传感器的组成 传感器组成框图 敏感元件它是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件敏感元件的输出就是它的输入 它把输入转换成电路参数 转换电路将上述电路参数接入转换电路 并转换成电量输出 4 1传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的分类方法 4 1 3传感器分类 1 按照传感器的工作机理 可分为物理型 化学型 生物型等 2 按构成原理 可分为结构型和物性型两大类 3 按传感器的能量转换情况 可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器 4 按照传感器的使用来分类 可分为位移传感器 压力传感器 振动传感器 温度传感器等 4 1传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 结构型传感器结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的 包括力场的运动定律 电磁场的电磁定律等 这类传感器的特点是传感器的性能与它的结构材料没有多大关系 如差动变压器 4 1 3传感器分类 物性型传感器物性型传感器是利用物质定律构成的 如欧姆定律等 物性型传感器的性能随材料的不同而异 如光电管 半导体传感器等 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的静态特性 4 2 1传感器的静态特性 线性度灵敏度迟滞重复性零点漂移温漂静态标定 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 线性度 4 2 1传感器的静态特性 传感器的输出 输入特性一般可用下列多项式表示 最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差 或线性度 的指标 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 传感器的静态特性 4 2 1传感器的静态特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 灵敏度 4 2 1传感器的静态特性 4 2传感器的特性 灵敏度是指传感器在稳态下输出变化量 y与引起此变化的输入变化量 x之比 用k表示 a 线性传感器 b 非线性传感器灵敏度 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 迟滞 4 2 1传感器的静态特性 迟滞特性重复性 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 迟滞 4 2 1传感器的静态特性 用最大输出差值 Hmax对满量程输出YFS的百分比表示 即 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 重复性 4 2 1传感器的静态特性 正反行程中的最大偏差 或 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 零点漂移 4 2 1传感器的静态特性 传感器无输入时 每隔一段时间进行读数 其输出偏离零值 即为零点漂移 零漂 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 温漂 4 2 1传感器的静态特性 温漂表示温度变化时 传感器输出值的偏离程度 一般以温度变化1 输出最大偏差与满量程的百分比 温漂 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 静态标定 4 2 1传感器的静态特性 将传感器全量程 测量范围 分成若干等间距点 根据传感器量程分点情况 由小到大输入标准量值 并记录下与各输入值相对应的输出值 将输入值由大到小地减少 记录下与各输入值相对应的输出值 按以上所述过程 对传感器进行正 反行程多次测试 一般是3次 将得到的输出 输入数据用表格或曲线表示出来 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 动态特性 4 2 2传感器的动态特性 传感器的动态特性是指在测量随时间变化的动态非电量时传感器输出与输入之间的关系 即传感器的输出对随时间变化的输入量的反应能力 一个动态特性好的传感器 不仅要能精确地反映被测动态量的大小 还要迅速地再现被测量随时间变化的规律 在研究传感器的动态特性时 将大多数传感器简化为一阶或二阶系统 同时 可以从时域和频域两个方面来进行分析 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 瞬态响应特性 4 2 2传感器的动态特性 一阶传感器的单位阶跃响应 二阶传感器的单位阶跃响应 瞬态响应特性指标 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 一阶传感器的单位阶跃响应 4 2 2传感器的动态特性 设x t 和y t 分别为传感器的输入量和输出量 均是时间的函数 则一阶传感器的传递函数为 当输入为单位阶跃信号时 X s 1 s 传感器输出的拉氏变换为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 一阶传感器的单位阶跃响应 4 2 2传感器的动态特性 一阶传感器单位阶跃响应 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的单位阶跃响应 4 2 2传感器的动态特性 二阶传感器的传递函数为 在单位阶跃信号作用下 传感器输出的拉氏变换为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的单位阶跃响应 4 2 2传感器的动态特性 为临界阻尼 超调量为100 产生等幅振荡 达不到稳态 1 为过阻尼 无超调也无振荡 但反应迟钝 动作缓慢 达到稳态所需时间较长 1 为欠阻尼 衰减振荡 达到稳态值所需时间随 的减小而加长 时响应时间最短 在实际使用中 为了兼顾有短的上升时间和小的超调量 一般传感器都设计成欠阻尼式的 阻尼比 一般取在0 6 0 8之间 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的单位阶跃响应 4 2 2传感器的动态特性 二阶传感器单位阶跃响应 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 瞬态响应特性指标 4 2 2传感器的动态特性 一阶传感器的性能指标是时间常数 越小响应速度越快 二阶传感器的性能指标可由上图表示 各指标定义为 上升时间tr输出由稳态值的10 变化到稳态值的90 所用的时间 调整时间ts系统从阶跃输入开始到输出值进入稳态值所规定的范围内所需要的时间 峰值时间tp阶跃响应曲线达到第一个峰值所需时间 超调量 传感器输出超过稳态值的最大值 A 常用相对于稳态值的百分比 表示 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的动态性能指标 4 2 2传感器的动态特性 二阶传感器的动态性能指标 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 一阶传感器的频率特性 4 2 2传感器的动态特性 将一阶传感器的传递函数中的s用j 代替 即可得到频率特性表达式 幅频特性 相频特性 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 一阶传感器的频率特性 4 2 2传感器的动态特性 幅频特性相频特性 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的频率特性 4 2 2传感器的动态特性 二阶传感器的频率特性表达式 幅频特性 相频特性分别为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器的频率特性 4 2 2传感器的动态特性 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 频率响应特性指标 4 2 2传感器的动态特性 工作频带传感器增益保持在一定值内的频率范围 即对数幅频特性曲线上幅值衰减3dB时所对应的频率范围 称为传感器的工作频带 对应有上 下截止频率 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 动态标定 4 2 2传感器的动态特性 在动态标定中 常常采用阶跃变化和正弦变化的信号作为标准的输入量 即以一个已知的阶跃信号激励传感器 使传感器按自身的固有频率振动 并记录下运动状态 从而确定其动态特性 或者以一个振幅和频率均为已知 可调的正弦信号激励传感器 根据记录的运动状态 确定传感器的动态特性 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 4 2 2传感器的动态特性 一阶传感器单位阶跃响应时间常数的求解 一阶传感器的单位阶跃响应函数为 令z ln 1 y t 则上式可变为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 一阶传感器单位阶跃响应时间常数的求解 4 2 2传感器的动态特性 一阶传感器时间常数的求法 二阶传感器 1 阶跃响应 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器单位阶跃响应的阻尼比 4 2 2传感器的动态特性 二阶传感器 1 的单位阶跃响应为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器单位阶跃响应的阻尼比 4 2 2传感器的动态特性 阻尼比 其中 若考虑 当 0 1时 以1代替 则可用此式计算 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器单位阶跃响应的无阻尼固有频率 4 2 2传感器的动态特性 根据响应曲线 不难测出振动周期Td 于是有阻尼的固有频率 d为 则无阻尼固有频率 n为 4 2传感器的特性 电气测量技术 河南工业大学2011年 二阶传感器单位阶跃响应的无阻尼固有频率 4 2 2传感器的动态特性 幅频特性求时间常数 欠阻尼二阶传感器的 n和 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 工作原理 4 3 1应变式传感器 电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时其电阻值将发生变化 F l A R 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 电阻的灵敏系数 4 3 1应变式传感器 对于半径为r的圆导体 A r2 A A 2 r r又由材料力学可知 在弹性范围内 为导体的纵向应变 其数值一般很小 常以微应变度量 为电阻丝材料的泊松比 一般金属 0 3 0 5 为压阻系数 与材质有关 为应力值 E为材料的弹性模量 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 金属电阻的灵敏系数 4 3 1应变式传感器 材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率 随应变引起的 金属材料 k0以前者为主 则k0 1 2 1 7 3 6半导体 k0值主要是由电阻率相对变化所决定 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 常用金属电阻丝材料性能 4 3 1应变式传感器 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 选用要求 4 3 1应变式传感器 电阻温度系数要小 否则因环境温度变化也会改变其阻值 确保电阻丝与铜线的焊接性能 并与其他金属的接触电势要小 机械强度要足够高 具有优良的机械加工性能 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 半导体的压阻效应 4 3 2压阻式传感器 固体受到作用力后 电阻率就要发生变化 这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强 压阻式传感器的灵敏系数大 分辨率高 频率响应高 体积小 它主要用于测量压力 加速度和载荷等参数 因为半导体材料对温度很敏感 因此压阻式传感器的温度误差较大 必须要有温度补偿 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 压阻效应 4 3 2压阻式传感器 金属材料半导体材料 半导体电阻率 l为半导体材料的压阻系数 它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关E为半导体材料的弹性模量 与晶向有关 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 压阻效应 4 3 2压阻式传感器 对半导体材料而言 lE 1 故 1 项可以忽略 半导体材料的电阻值变化 主要是由电阻率变化引起的 而电阻率 的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 金属热电阻 4 3 3热电阻式传感器 热电阻 电阻体 最主要部分 绝缘套管 接线盒作为热电阻的材料要求 电阻温度系数要大 以提高热电阻的灵敏度 电阻率尽可能大 以便减小电阻体尺寸 热容量要小 以便提高热电阻的响应速度 在测量范围内 应具有稳定的物理和化学性能 电阻与温度的关系最好接近于线性 应有良好的可加工性 且价格便宜 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 常用热电阻 4 3 3热电阻式传感器 铂热电阻 主要作为标准电阻温度计 广泛应用于温度基准 标准的传递 铜热电阻 测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围一般为 50 150 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 铂热电阻目前最好材料 4 3 3热电阻式传感器 长时间稳定的复现性可达10 4K 是目前测温复现性最好的一种温度计 铂电阻的精度与铂的提纯程度有关 百度电阻比 W 100 越高 表示铂丝纯度越高 国际实用温标规定作为基准器的铂电阻W 100 1 3925目前技术水平已达到W 100 1 3930工业用铂电阻的纯度W 100 为1 387 1 390 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 铂热电阻 4 3 3热电阻式传感器 铂丝的电阻值与温度之间的关系 即特性方程如下 当温度t在 200 t 0 时 当温度t在0 t 650 时 国内统一设计的工业用标准铂电阻 W 100 1 391R0分为50 和100 两种 分度号分别为Pt50和Pt100其分度表 给出阻值和温度的关系 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 铜热电阻 4 3 3热电阻式传感器 应用 测量精度要求不高且温度较低的场合 测量范围 50 150 优点 温度范围内线性关系好 灵敏度比铂电阻高 容易提纯 加工 价格便宜 复制性能好 缺点 易于氧化 一般只用于150 以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量 与铂相比 铜的电阻率低 所以铜电阻的体积较大 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 铜热电阻 4 3 3热电阻式传感器 铜电阻的阻值与温度之间的关系为 为铜的温度系数 4 25 4 28 10 3 铜电阻的阻值与温度之间的关系是线性的 工业上使用的标准化铜热电阻的R0按国内统一设计取50 和100 两种 分度号分别为Cu50和Cu100 相应的分度表可查阅相关资料 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 热电阻的结构 4 3 3热电阻式传感器 普通工业用热电阻式温度传感器 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 4 3 3热电阻式传感器 热电阻的结构 铜热电阻结构示意图 铂热电阻结构示意图 4 3常见的传感器 电气测量技术 河南工业大学2011年 电涡流式传感器 4 3 4电涡流式传感器 当导体置于交变磁场或在固定磁场中运动时