传感器原理与应用仿真设计

1、华址电力*孑课程设计报告（2014 2015年度第1学期）名称：传感器原理及应用题目：使用Matlab工具进行仿真验证 院系：控制与计算机学院班级：测控1201班学号：1121160106学生姓名：贾平指导教师：郭鹏设计周数：两周成绩：日期：2014年1月22日传感器原理及应用综合实验一仿真部分任务书一、目的与要求本实验的目的是配合 传感器原理与应用 课程的传感器静态特性与动态特性相关部分的内 容，利用Matlab/Simulink进行仿真验证。培养学生利用计算机进行数据处理和模型仿真的能力，为今后从事相关领域的工作打下基础。要求学生了解传感器静态和动态特性的基础知识，掌握 Matlab/Si

2、mulink进行数据分析和仿真的基本方法。具体要求为：掌握基于最小二乘法的数据处理方法，能够进行简单的数据处理；掌握传感器动态特性的分析手段，了解不同阶次特性的基本性质，并能够进行相应的仿真实验，对传感器动态特性有感性认识。二、主要内容1自学Matlab/Simulink使用的基本知识，包括信号源、传递函数、信号显示等内容；2、 学习使用 Matlab 进行最小二乘法数据处理，分别通过自己编写函数和使用Matlab 提 供的函数实现相同功能；3、 学习传感器动态特性， 包括零阶、一阶和二阶传感器动态特性，并采用Matlab/Simulink 进行仿真验证。（一）数据处理（学号单数做K型，双数做

3、S型热电偶）S型热电偶特性（温度范围在 0 1700 C,查表温度间隔为100 C）如下表 所示：温度C）S型热电偶分度（mV001000.6462001.4413002.3234003.2595004.2336005.2397006.2758007.3459008.44910009.587110010.757120011.951130013.159140014.373150015.582160016.777170017.947对热电偶特性进行曲线拟合，要求：1. 按照最小二乘法原理编写 Matlab 程序；2. 采用Matlab自带的拟合函数进行线性拟合，对前面的结果验证；3. 采用Matl

4、ab自带的拟合函数进行二次曲线拟合，并给出线性拟合的误差分析。（二）传感器动态特性分析利用Matlab/Simuli nk对传感器动态特性进行分析，输入信号分别采用为阶跃信号和正弦信号，要求：1. 对零阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论；2. 对一阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论；3. 对二阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论，特别需要对阻尼比系 数分情况进行讨论。三、进度计划序号实验内容完成时间备注1自学 Matlab/Simulink软件的使用方法1月12-13日2学习传感器静态、动态特性，并采用Matlab/Simuli nk进行验证1月14-2

5、1日3交实验报告，答辩1月22-23日4注：在不做传感器实验的时间内完成这部分仿真实验。四、实验成果要求完成实验报告，实验报告内容应包括上述数据处理和传感器动态特性分析两部分实验分析 结果，同时，实验报告附件中应包含：1. 提供曲线拟合部分的自己编写的程序和采用Matlab自带函数进行验证的代码;2. 提供Matlab/Simuli nk搭建的仿真图。五、考核方式交实验报告的同时进行答辩，根据实验报告和答辩情况综合评定成绩。学习使用Matlab进行最小二乘法数据处理，分别通过自己编写函数和使用 Matlab提供的函数实现相同功能；S型热电偶特性（温度范围在 0 1700 C,查表温度间隔为10

6、0 C）如下表 所示：温度C）S型热电偶分度（mV001000.6462001.4413002.3234003.2595004.2336005.2397006.2758007.3459008.44910009.587110010.757120011.951130013.159140014.373150015.582160016.777170017.947对热电偶特性进行曲线拟合，要求：1. 按照最小二乘法原理编写Matlab 程序；2. 采用Matlab自带的拟合函数进行线性拟合，对前面的结果验证；3. 采用Matlab自带的拟合函数进行二次曲线拟合，并给出线性拟合的误差分析。1. 按照最小二

7、乘法原理编写Matlab 程序；clcsyms yt xt;m仁0;m2=0;m3=0;m4=0;x=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;for i=1:16;m1=m1+x(i);m2=m2+y(i);m3=m3+x(i)*y(i);m4=m4+x(i)

8、*x(i);en d;k=(18*m3-m1*m2)/(18*m4-m1A2); a0=(m4*m2-m1*m3)/(18*m4-m1A2);xt=x;yt=aO+k*xt;%按最小二乘法编写的程序k %out ka0 % out a0k =0.0104a0 =-0.55442. 采用Matlab自带的拟合函数进行线性拟合，对前面的结果验证；clcsyms yt xt;m仁0;m2=0;m3=0;m4=0;x=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141

9、 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;figure(1);subplot(3,1,1);stem(x,y,'fill');xlabel('温度 / ° C');ylabel('s型热电偶分度/mV');title('原始数据点');axis(0 1700 0 18);for i=1:16;m1=m1+x(i);m2=m2+y(i);m3=m3+x(i)*y(i);m4

10、=m4+x(i)*x(i);en d;k=(18*m3-m1*m2)/(18*m4-m1A2); a0=(m4*m2-m1*m3)/(18*m4-m1A2);xt=x;yt=a0+k*xt;subplot(3,1,2);plot(xt,yt);xlabel('温度 / ° C');ylabel('s型热电偶分度/mV');title('最小二乘法拟合曲线');axis(0 1700 0 18);a=polyfit(x,y,1);% 使用matlab自带程序近线性拟合 xi=0:0.001:1700;yi=polyval(a,xi);su

11、bplot(3,1,3);plot(xi,yi);%二者曲线进行比较xlabel('温度 / ° C');ylabel('s 型热电偶分度/mV');title('matlab自带拟合函数拟合曲线')axis(0 1700 0 18);k %out ka0 % out a0a%!带线性拟合系数figure(2)stem(x,y,'fill');xlabel('温度 / ° C');ylabel('s 型热电偶分度/mV');axis(0 1700 0 18);hold on;pl

12、ot(xi,yi);legend('原始数据点','拟合曲线');sprintf('自带函数拟合直线方程：Y=%0.5gx+%g',a(1),a(2)V F度分偶电热挈原始数据点温度/ °最小二乘法拟合曲线度分偶电热夢度分偶电热挈10002004006008001000120014001600温度/ Cmatlab自带拟合函数拟合曲线10002004006008001000120014001600温度/ CV F度分偶电热夢k =0.0104a0 = -0.5544a = 0.0108 -0.9225ans =自带函数拟合直线方程：Y=

13、0.010827x+-0.9224913. 采用Matlab自带的拟合函数进行二次曲线拟合，并给出线性拟合的误差分析。clcx=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;b=polyfit(x,y,2);xj=0:0.001:1700 yj=polyval(b,

14、xj);stem(x,y,'fill');xlabel('温度 / ° C');ylabel('s 型热电偶分度/mV');axis(0 1700 0 18);hold on;plot(xj,yj);legend('原始数据点','二次拟合曲线');sprintf('二次曲线方程：Y=(%0.5g)xA2+%0.5gx+%0.5g',b(1),b(2),b(3)ans =二次曲线方程：Y=(1.4213e-006)xA2+0.0084104x+-0.27817温度/ °V F度分

15、偶电热夢（二）传感器动态特性分析利用Matlab/Simuli nk对传感器动态特性进行分析，输入信号分别采用为阶跃信号和正弦信号，要求：1. 对零阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论；StepTransfer FcnsimoutTo WorkspaceScope阶跃信号零阶传感器动态特性正弦信号零阶传感器动态特性零阶传感器输入与输出呈正比关系，并且与频率无关，无相位失真和幅值失真问题。2. 对一阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论；Tra nsfer FenScope阶跃信号一阶传感器动态特性正弦信号一阶传 感器动态特性由图可知，随时间的推移，输出最终与输入呈正比。一阶传感器具有一定的延迟。3. 对二阶传感器的动态特性进行仿真，并对仿真结果进行讨论，特别需要对阻尼比系数分情 况进行讨论。阻尼比=0.5Transfer Fcn2Scope2阶跃信号二阶传感器动态特性正弦信号二阶传感器动态特性此为欠阻尼情况，阶跃响应峰值