传感器绪论与第一章.ppt

1,传感器与检测技术,徐小玲,xiaolingandyou,广东石油化工学院自动化系测控教研室,Sensors,上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。,39,正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）由传递函数导出,为一复数，它可用代数形式及指数形式表示，即,=,式中分别为W(jw)实部和虚部；分别为W(jw)的幅值和相角；,K=,可见，K值表示了输出量幅值与输入量幅值之比，即动态灵敏度，K值是的函数，称为幅频特性，以K()表示。,40,1动态响应（正弦和阶跃）,（1）正弦输入时的频率响应,零阶传感器,在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为,a0y=b0 x,K静态灵敏度,零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。,41,一阶传感器,微分方程除系数a1，a0，b0外其他系数均为0，则,a1(dy/dt)+a0y=b0 x,时间常数(=a1/a0)；K静态灵敏度(K=b0/a0),传递函数：,频率特性：,幅频特性：,相频特性：,负号表示相位滞后,时间常数越小，系统的频率特性越好,42,二阶传感器,很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：,时间常数，；0自振角频率,0=1/阻尼比，；k静态灵敏度，k=b0/a0,43,不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。,传递函数,幅频特性,相频特性,频率特性,44,2.4,2.2,2.0,1.8,1.6,1.4,1.2,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,0.5,1,1.5,2,2.5,(a),(b),0,-30,-60,-90,-120,-150,-180,0.5,1,1.5,2,2.5,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=1,=0.8,=0.707,=0,=0.2,=0.4,=0.6,=0.707,=0.8,=1,=0.8,=1,=0.707,=0.6,=0.4,=0.2,=0,二阶传感器幅频与相频特性（a）幅频特性（b）相频特性,当0时，在=1处k()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0.707时，不再出现谐振，这时k()将随着的增大而单调下降。,阻尼比的影响较大。,45,（2）阶跃输入时的阶跃响应,一阶传感器的阶跃响应,对一阶系统的传感器，设在t=0时，x和y均为0，当t0时，有一单位阶跃信号输入,如图。此时微分方程为,t,x,0,A,a1(dy/dt)+a0y=b0 x,令=a1/a0时间常数,K=b0/a0静态灵敏度,其传递函数和频率特性分别为：,t,x,0,A,当输入为阶跃函数时，即,输出的初值为0,随着时间推移y接近于A,当t=时,y=0.63,在一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。,得：,46,二阶传感器的阶跃响应,单位阶跃响应通式,0传感器的固有频率；传感器的阻尼比,特征方程,根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）01(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根,方程通解,根据t,ykA求出A3；根据初始条件,求出A1、A2，则,令x=A,47,其曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。,(设允许相对误差y=0.02),2)=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即,发生时间,过冲量,稳定时间,tW=4/,48,4）1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根,3)=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为,上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时间常数不同。,过渡函数为,49,实际传感器，值一般可适当安排，兼顾过冲量m不要太大，稳定时间t不要过长的要求。在0.60.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当=0.60.7时，幅值比k()/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在00.58范围内，幅值比变化不超过5，相频特性中()接近于线性关系。,对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。,50,1、时域性能指标,时间常数：输出值上升到稳态值的63%所需的时间。上升时间tr：输出值从稳态值的10%上升到90%所需的时间。响应时间t2或t5：输出值到达稳态值的98%或95%所需的时间。超调量：,三、动态性能指标,51,1、时域性能指标,0.1,1,0.9,0.63,y(tp),t2或t5,tp,tr,时间常数,上升时间tr,响应时间t2或t5,超调量,容许误差：一般为2%或5%,52,2、频域性能指标,通频带：幅值衰减3db（0.707)时所对应的频率范围。工作频带g1或g2：幅值误差为5%或10%所对应的频率范围。相位误差：在工作频带范围内，传感器实际输出与输入间的相位误差。,53,频域的各项动态性能指标,0.707,0.95,1.2,1.1,1.05,0.9,0,b,g2,g1,通频带b,工作频带g1或g2,54,一、与测量条件有关的因素(1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。,第七节传感器的选用原则,55,二、与传感器有关的技术指标(1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。,56,三、与使用环境条件有关的因素(1)安装现场条件及情况；(2)环境条件(湿度、温度、振动等)；(3)信号传输距离；(4)所需现场提供的功率容量。,四、与购买和维修有关的因素(1)价格；(2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间；(4)交货日期。,57,基本参数指标,环境参数指标,可靠性指标,其他指标,量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等,温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲