北航传感器原理8

1、传感器技术传感器技术及及应用应用传感器的特性（五）传感器的特性（五）李李成成2013.04.092013.04.09 思考题思考题( (第第2 2讲：传感器的特性讲：传感器的特性) )1.1.传感器的动态特性传感器的动态特性? ?2.2.传感器动态无失真条件？传感器动态无失真条件？3.3.传感器动态特性的时、频域分析函数？传感器动态特性的时、频域分析函数？4.4.传感器动态特性的指标？传感器动态特性的指标？课程回顾：课程回顾：School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.8.1 2.8.1 一阶传感器的单位阶跃响应一阶传感器的单位阶跃响应y(

2、t)=1et/时间常数时间常数 表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最终稳定值的表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最终稳定值的63.5%63.5%所经过的时间。所经过的时间。只用到一个实验数据只用到一个实验数据。一一阶传感器的阶跃响应阶传感器的阶跃响应(a)(a)单位阶跃信号；单位阶跃信号；(b)(b)一阶传感器阶跃响应曲线一阶传感器阶跃响应曲线传感器的动态参数确定方法：传感器的动态参数确定方法：主要是研究传感器的动态响主要是研究传感器的动态响应特性，即应特性，即频率响应、时间常数、固有频率、和阻尼比频率响应、时间常数、固有频率、和阻尼比等等2.8 2.8 传感器的动态标

3、定传感器的动态标定动态动态标定标定研究动态响应研究动态响应确定确定动态响应参数动态响应参数School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.若改写上式为：若改写上式为： 1 y(t)= e t/ =ez， z=ln 1 y(t) 其中其中，z= t/ ，z与与t线性。线性。 作作zt曲线，其斜率曲线，其斜率 t/ z= ，由此确定时间常数，由此确定时间常数 考虑了考虑了传感器瞬传感器瞬态态响应的全过程响应的全过程。求求一阶传感器时间常数方法一阶传感器时间常数方法2.8.1 2.8.1 一一阶传感器的单位阶跃响应阶传感器的单位阶跃响应2.8 2.8 传

4、感器的动态标定传感器的动态标定School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 传感器对阶跃输入的响应曲线是传感器输出与时间的关系曲线，所以又称为时域曲线。 若传感器振荡周期Td是稳定的，而且振荡幅度有规律地单调减小，则传感器（或测压系统）可以近似地看成是二阶系统。 只要能得到传感器的无阻尼固有频率和阻尼比，那么传感器的幅频特性和相频特性可分别表示为202220/4/1)(KjH 002arctan 2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.2 2.8.2 二阶二阶传感器的单位阶跃响应传感器的单位阶跃响应School of Instr

5、u. Sci. & Opto-electro. Eng.确定传感器的确定传感器的阻尼比阻尼比 和固有频率和固有频率n n 。欠阻尼二阶传感器的欠阻尼二阶传感器的阶跃响应阶跃响应221arctansin11)(tektydtn二二阶传感器阶传感器( (1)1)的阶跃响应的阶跃响应2.8.2 2.8.2 二阶二阶传感器的单位阶跃响应传感器的单位阶跃响应2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定202220/4/1)(KjH 002arctanSchool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.y(t)以以 d= n12作衰减振荡，按求极值的方

6、法可作衰减振荡，按求极值的方法可得各得各振振荡峰值对应的时间荡峰值对应的时间tp=0， / d，2 / d，将将t= / d代代入入y(t)的表达式，可得最大过冲量的表达式，可得最大过冲量M或或 测测得得M，由上式，由上式或或 -M曲线，曲线，可求阻尼比可求阻尼比 ；由由标定测得的标定测得的tp ，得，得fd d n。 21 eM1ln12M2.8.2 2.8.2 二阶二阶传感器的单位阶跃响应传感器的单位阶跃响应2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定 - -M M曲线曲线n标定方法标定方法 对压力计进行校验，分为静态对压力计进行校验，分为静态校定和校定和动态动态校定校定。2.8 2.

7、8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.4 2.8.4 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定实际压力计的静态标定？与动态标定的不同？实际压力计的静态标定？与动态标定的不同？n静态标定方法静态标定方法 静态静态校验主要是测定静态精度，确定仪表的等级校验主要是测定静态精度，确定仪表的等级，两种，两种方法：一种叫方法：一种叫“砝砝码校验法码校验法”（使用活塞式压力计进行校验），一种叫（使用活塞式压力计进行校验），一种叫“标准表比较法标准表比较法”。标准表比较法标准表比较法 将被测的压力计与一只标准压力计进行比较的方法。将被测的压力计与一只标准压力计进行比较的方法。 选用的标准压力计的精度应该

8、比被校的压力计精度高两极，校验时被较选用的标准压力计的精度应该比被校的压力计精度高两极，校验时被较的压力计的读数与标准压力计的数值越接近越好。的压力计的读数与标准压力计的数值越接近越好。 标准表比较法需要的设备有压力泵（或称压力表校验器）和标准压力计。标准表比较法需要的设备有压力泵（或称压力表校验器）和标准压力计。砝码校验法砝码校验法 应用静压平衡原理。应用静压平衡原理。这种校验方法的基本设备是这种校验方法的基本设备是活塞式压力校验器（或活塞式压力校验器（或称活塞式压力计）称活塞式压力计）。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.4 2.8.4 压力传感器的静态标定压力传感器的

9、静态标定活塞式压力校验器活塞式压力校验器n活塞式压力计的原理活塞式压力计的原理l当作用在活塞下端的油压与活塞、托当作用在活塞下端的油压与活塞、托盘和砝码的重力以及摩擦力相平衡时，盘和砝码的重力以及摩擦力相平衡时，活塞就被托起并稳定在一定位置上，活塞就被托起并稳定在一定位置上，因此根据所加砝码与活塞、托盘的重因此根据所加砝码与活塞、托盘的重力以及活塞承压的有效面积就可确定力以及活塞承压的有效面积就可确定被测压力的数值。被测压力的数值。)(0mmAgp其中，其中，m0-活塞和托盘的质量（活塞和托盘的质量（kg）；）；m-砝码质量（砝码质量（kg）；）；A-活塞承压的有效面积活塞承压的有效面积（m2

10、）；）；p：工作液压力，：工作液压力，Pa。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.4 2.8.4 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定n 砝码砝码校验的静态校验的静态校验流程：校验流程：校验压力计以前，将活塞压力计放到便于操作、无震动的工作台上。然后调节支撑螺校验压力计以前，将活塞压力计放到便于操作、无震动的工作台上。然后调节支撑螺钉，观察水准器将活塞压力计调至水平。钉，观察水准器将活塞压力计调至水平。调平调平把传压介质（变压器油或蓖麻油）灌入油杯内，反复旋转手摇泵手轮，以排除测量系把传压介质（变压器油或蓖麻油）灌入油杯内，反复旋转手摇泵手轮，以排除测量系统内腔中的空气。

11、统内腔中的空气。排空排空气气关死油杯阀关死油杯阀8，缓慢地旋转手轮，检查油路是否畅通，若无问题，即可装上被校验的压，缓慢地旋转手轮，检查油路是否畅通，若无问题，即可装上被校验的压力计。力计。试压试压打开油杯阀打开油杯阀8，反时针旋转手摇泵手轮，使手摇泵将油吸入气缸内。，反时针旋转手摇泵手轮，使手摇泵将油吸入气缸内。关死油杯阀，拧开阀关死油杯阀，拧开阀6、10、13，顺时针旋转手轮产生初压使活塞盘升起，并旋转活塞，顺时针旋转手轮产生初压使活塞盘升起，并旋转活塞盘，直到与定位指示板的刻度线相齐为止。盘，直到与定位指示板的刻度线相齐为止。调调零零把把砝码加到活塞盘上，并使砝码和活塞盘处于旋转状态，所

12、加砝码重力应与所校验的砝码加到活塞盘上，并使砝码和活塞盘处于旋转状态，所加砝码重力应与所校验的压力值相对应。再旋转手轮加压使活塞盘升起，并与定位指示板刻度线相齐压力值相对应。再旋转手轮加压使活塞盘升起，并与定位指示板刻度线相齐。为减小。为减小活塞内摩擦活塞内摩擦阻力阻力，活塞，活塞以不小于以不小于30转转/分的角速度向顺时针方向旋转。分的角速度向顺时针方向旋转。依次增加或减少砝码，校验各需要校验的点。依次增加或减少砝码，校验各需要校验的点。校验完毕后，反时针旋转手轮逐步卸下砝码，最后打开油杯校验完毕后，反时针旋转手轮逐步卸下砝码，最后打开油杯阀，阀，将砝码全部取下。将砝码全部取下。2.8 2.

13、8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.4 2.8.4 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定n 注意事项：注意事项： 活塞和缸经过很好的表面加工和配合，故摩擦阻力减至最小。由活塞和缸经过很好的表面加工和配合，故摩擦阻力减至最小。由于活塞、油和缸间存在粘滞现象，于活塞、油和缸间存在粘滞现象，在加取砝码时，要求转动砝码盘，在加取砝码时，要求转动砝码盘，故起作用的是动摩擦而不是静摩擦故起作用的是动摩擦而不是静摩擦。 由于活塞的面积和活塞本身的重力固定不变，所以由于活塞的面积和活塞本身的重力固定不变，所以专用砝码的重专用砝码的重力和液压所产生的压力具有简单的比例关系力和液压所产生的压力具有简单

14、的比例关系。 一般生产厂家在出厂前已将砝码校好，并标上相应的压力值，因一般生产厂家在出厂前已将砝码校好，并标上相应的压力值，因此此校验压力计只要在静压平衡时直接读取砝码数即可校验压力计只要在静压平衡时直接读取砝码数即可。 活塞式压力计由制造厂按一给定的活塞式压力计由制造厂按一给定的g值进行修正，通常值进行修正，通常g的标准是的标准是9.860665米米/秒秒2，如果有必要，用户还应按当地，如果有必要，用户还应按当地g的变化进行修正。的变化进行修正。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.4 2.8.4 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定School of Instru.

15、Sci. & Opto-electro. Eng.2.8.5 2.8.5 压力传感器压力传感器的动态标定的动态标定压力传感器压力传感器的动态标定方法有的动态标定方法有正弦激励法、半正弦激励（落球、正弦激励法、半正弦激励（落球、落锤冲击）法和阶跃压力激励法落锤冲击）法和阶跃压力激励法。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定动态信号压力源动态信号压力源：产生满意的：产生满意的周期或阶跃压力；并能可靠地确定周期或阶跃压力；并能可靠地确定其真实压力其真实压力-时间关系。时间关系。稳态标定稳态标定（需周期性稳态压源（需周期性稳态压源）活塞）活塞与缸筒式与缸筒式稳态压力源，如稳态压力源，

16、如右图。调节手柄可以改变压力的右图。调节手柄可以改变压力的幅值，可获得幅值，可获得70kg/cm2的峰值的峰值压力，频率可达压力，频率可达100Hz。活塞活塞缸筒稳态压力源示意图缸筒稳态压力源示意图1-1-接被检压力计；接被检压力计；2-2-接标准压力计；接标准压力计；3-3-飞轮；飞轮；4-4-调节调节手柄手柄School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 非稳态标定非稳态标定利用非稳态（阶跃）压力信号和阶跃函数理论进利用非稳态（阶跃）压力信号和阶跃函数理论进行标定。非稳态（阶跃）压力源有：快卸荷阀；脉冲行标定。非稳态（阶跃）压力源有：快卸荷阀

17、；脉冲膜片；闭式爆炸器；激波管等。膜片；闭式爆炸器；激波管等。 激波管激波管非稳态压力标定非稳态压力标定 特点：特点： 结构简单，可产生较理想的瞬态结构简单，可产生较理想的瞬态“标准标准”压力；压力； 压力幅度范围宽，便于改变压力值；压力幅度范围宽，便于改变压力值； 压力频率范围宽（压力频率范围宽（2kHz1.5MHz）；）； 便于分析研究和数据处理。便于分析研究和数据处理。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定2.8.5 2.8.5 压力传感器压力传感器的动态标定的动态标定School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 1.结构：结构

18、：主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气源气源等组成，等组成，如下图所如下图所示。示。激波管非稳态压力激波管非稳态压力标定标定School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2. 原理：原理：激波管所产生的激激波管所产生的激波波如右图所如右图所示。示。 入射激波入射激波的阶跃压力为的阶跃压力为 反射激波反射激波的阶跃压力为的阶跃压力为式中，式中，Ms马赫数。由测马赫数。由测速系统决定。速系统决定。激波管非稳态压力激波管非稳态压力标定标定(a)(a)激波管激波管结构示意图结构示意图(a)(a)

19、膜片膜片破裂前破裂前情况情况(c)(c)膜片膜片破裂后、稀疏波反射前情况破裂后、稀疏波反射前情况(d)(d) 稀疏波稀疏波反射后反射后情况情况(e)(e) 反射反射激波波动激波波动情况情况121441) 1(67PMPPPS12221661542) 1(37PMMMPPPSSsSchool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 3.标定测量系统标定测量系统 由被标定由被标定传感器传感器4和和5、前置电荷放大器前置电荷放大器10及记忆示波器及记忆示波器11等组等组成，可测阶跃响应波形，成，可测阶跃响应波形，如如下下图所图所示。示。 由响应波形进行数据分

20、析处理，由响应波形进行数据分析处理，直接求得传感器的幅频特性及动直接求得传感器的幅频特性及动态灵敏度。态灵敏度。 传感器传感器4响应响应入射激波阶跃压力，入射激波阶跃压力，传感器传感器5响应响应反射激波阶跃压力。反射激波阶跃压力。 4.气源系统气源系统 由气源、气压表、泄气门等组成。由气源、气压表、泄气门等组成。常采用压缩空气或氮气。常采用压缩空气或氮气。被被标定传感器输出波形标定传感器输出波形激波管非稳态压力激波管非稳态压力标定标定School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2.8.6 2.8.6 加速度传感器加速度传感器灵敏度的标定灵敏度的

21、标定校准方法通常有绝对校准法和比较校准法校准方法通常有绝对校准法和比较校准法。绝对法常用。绝对法常用于标定高精度传感器或标准传感器，而工程中最常用的于标定高精度传感器或标准传感器，而工程中最常用的是比较校准方法。是比较校准方法。加速度传感器的灵敏度是指它所承受的加速度与所产生加速度传感器的灵敏度是指它所承受的加速度与所产生电量的比值。对压电加速度传感器，通常以电量的比值。对压电加速度传感器，通常以 pCspCs2 2/m/m（或（或pC/pC/g g）和）和mVsmVs2 2/m/m（或（或 mV/mV/g g）表示，前者称为）表示，前者称为电荷灵敏度，后者为电压灵敏度。电荷灵敏度，后者为电压

22、灵敏度。2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.（1 1）加速度传感器）加速度传感器灵敏度的绝对法标定灵敏度的绝对法标定 振幅测量法是各国进行绝对校准的主要方法。它是通过一套标准装置激励被标定的加速度传感器，测出被标定传感器的输出电量和激励设备的振动频率与振幅，再计算出被标定传感器的灵敏度，即022xfUaUKUf0 xa022xfa被校传感器输出电压（峰值）；激励设备振动频率；激励设备振幅；激励设备振动加速度，2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定School of Instru.

23、 Sci. & Opto-electro. Eng. 光 电 管 光 电放 大 器计 数 器激 光 器分 光 镜测 量 镜参 考 镜双 线示 波器电 压 表前 置放 大 器 振 动 台 功 放 待 校 传 感 器频 率 计正 弦 信 号发 生 器2.8 2.8 传感器的动态标定传感器的动态标定 振动信号源：振动信号源：振动台产生正弦激励的标定信号。振动台产生正弦激励的标定信号。 激光光波激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的振幅值振幅值Xm(m)； 精密数字频率计精密数字频率计测出振动台的振动频率测出振动台的振动频率f (1/s)； 精密数字电压表精密数字电压