1传感器的一般特性 传感器ppt课件

1、第1章 传感器的一般特性,1.1 传感器的静态特性 1.2 传感器的动态特性 1.3 传感器的不失真测试条件 1.4 传感器的标定*,(输出输入特性),1,1.1 传感器的静态特性,输入信号不变或缓慢变化时系统的特性 传感器输出只与输入量的大小有关 常用的静态特性指标 线性度 灵敏度 迟滞 重复性,静态误差 由磁滞、蠕变、摩擦、间隙以及松动等因素引起,相关术语： 静态信号与动态信号 静态测量与动态测量,2,传感器输入输出作用图,1.1 传感器的静态特性,3,1.1.1 线性度,传感器输入输出之间的线性程度 线性传感器的优点: 理论分析、设计计算简单； 传感器标定、数据处理方便； 分度盘均匀、刻

2、线均匀，精度高； 避免非线性补偿。 实际传感器特性存在非线性,4,1.1.1 线性度,线性特性,非线性特性,仅有奇次特性项的传感器有较大的测量范围,5,1.1.1 线性度,非线性误差的评定 实际特性曲线 拟合直线 非线性误差 实际曲线与拟合直线之间的最大偏差 用满量程的百分数表示,Lmax,y,xmax,yFS,x,6,1.1.1 线性度,直线的拟合方法： 最小二乘法(误差平方和最小)； 固定端点的最小二乘法； 两端点连线法(有条件最优) 最小二乘法最优,灵敏度,7,提高线性度的方法：,缩小测量范围 分段标定法 误差修正与补偿 标定得实际曲线； 按拟合曲线计算误差 补偿量： 测量yc 误差补偿

3、：实际测量结果： 条件：传感器系统稳定性要好,8,1.1.2 灵敏度,传感器的输出相对与输入的变化率 输出增量y 、输入量增量x时 线性系统灵敏度为常数 非线性系统灵敏度是被测量的函数 评定条件：稳态 期望：灵敏度高而稳定,9,传感器正、反行程的输出-输入特性曲线不重合 评定方法 加载0 xmax 卸载xmax 0 原因： 弹性敏感元件的弹性滞后； 运动部件摩擦； 传动机构的间隙、紧固件松动。,1.1.3 迟滞(回程误差),10,1.1.4 重复性,传感器同一加载方向上，多次测试的特性曲线的不一致程度 原因：随机误差 评定方法,11,1.1.5 分辨力/分辨率/预值,分辨力: 传感器所能检测到

4、的最小输入量的增量 分辨率: 分辨力相对于满量程的百分数 阈值: 传感器在零点附近的分辨力,12,本节小结五种主要的静态特性,灵敏度 传感器对被测量的灵敏程度； 灵敏度越大，静态放大倍数越高。 线性度 传感器输入输出的线性程度； 线性度越小，测量精度越高。 迟滞机械部件缺陷 重复性随机干扰 分辨率,13,1.2 传感器的动态特性,动态特性 被测量快速变化时，输出与输入之间的关系； 输出应能反映被测信号随时间的变化规律； 影响测量结果的因素 被测量的大小 被测量的频率 传感器动态特性。,14,1.2 传感器的动态特性,实例： 温度测量 影响测量值的原因 动态测量时测量结果： 与被测量大小有关 与

5、被测量频率有关 与传感器的动态性能 有关 动态特性是传感器的固有特性,动态误差,t,0,t0,T0,T1,T,理想输入,实际输出,15,1.2.1 传感器的数学模型,数学模型:传感器输出与输入的数学关系 传感器模型建立基础：线性时不变理论 输出导数的线性组合输入导数的线性组合,16,1.2.1 传感器的数学模型,为常数 传感器理想数学模型：线性时不变微分方程 叠加性：多输入的响应互不影响 频率保持性：输出与输入的频率相等 计算不便,17,1.2.2 传感器的传递函数,拉普拉斯变换： 当 时，若x(t)、y(t)的各阶导数为0 ， 对传感器数学模型进行拉氏变换 经整理： n传递函数的“阶数”，n

6、0,1,2, 传递函数是系统输出、输入拉氏变换的比值,18,传递函数的特点,传递函数从复频域上描述输入输出之间的关系； 传递函数反映：在任意输入下，传感器的输出(瞬态和稳态响应之和)与输入的拉氏变换之比； 传递函数取决于传感器的结构参数，与系统具体的输入信号无关； 传递函数的所有极点在复平面的左半边。,19,1.2.3 传感器的频率响应函数,传感器在正弦输入下的稳态响应 定义：在正弦输入下，系统稳态响应与输入的傅里叶变换的比值，即：,20,1.2.3 传感器的频率响应函数,频率响应函数,幅频特性,相频特性,实频特性,虚频特性,21,x0、y0为幅值； 为频率，为相位差,频谱特性的物理意义,在拉

7、氏变换因子 中 表示正弦信号，记为 则传感器输出为 幅频特性：输出与输入的幅值比 相频特性：输出相对于输入的相位差 根据幅频特性和输入的幅值可求得输出的幅值 动态测量结果与信号的频率有关,22,1.2.4 过渡函数,过渡函数即传感器的阶跃响应函数 传感器输入 传感器输出,A1时： x单位阶跃信号; y单位阶跃响应.,23,1.2.4 过渡函数,快速性 上升时间(595%) 稳定时间(012%) 动态误差 超调量(过调量) 稳态误差 标注 注明起止示值 动态指标值,快、准、稳,24,1.2.5 传感器动态特性的应用,传感器的动态特性表示方法 数学模型(微分方程) 动态特性的时域描述 传递函数 任

8、意输入的瞬态和稳态响应 频率响应函数(频率特性) 正弦输入下的稳态响应 阶跃响应函数(过渡函数) 单位阶跃下的响应 传感器简化模型 一阶系统 二阶系统 零阶系统 高阶系统(三阶以上),25,(1) 一阶传感器,数学模型 可化为 时间常数 , 灵敏度 传递函数 频率响应函数,26,(1) 一阶传感器,幅频特性 相频特性 当 时, , 表明传感器具有良好的频率特性 当 时, 是频率的非线性函数 结论:一阶传感器的工作频率应远远小于时间常数的倒数. =1:高频与低频渐近线相交.,27,(1) 一阶传感器,单位阶跃响应 性质 瞬态误差逐渐减小; 稳态误差=0; t=4时,稳态误差小于2%. 时间常数越

9、小越好,时间常数,28,(1) 一阶传感器,一阶系统举例 质量-弹簧-阻尼振动系统 (测振传感器) 电阻-电容振荡系统,29,(2) 二阶传感器,数学模型 可化为 阻尼比 , 固有频率 传递函数 频响函数,30,(2) 二阶传感器,频率比 幅频特性 相频特性,31,(2) 二阶传感器,当 时 各频率分量增益相同 相位是频率的线性函数 当 附近 与 共振 共振幅与阻尼比有关 时线性段最宽 当 时： 幅频剧烈衰减,-,幅频特性,相频特性,实用 0.60.8,32,(2) 二阶传感器,二阶系统举例 质量-弹簧-阻尼振动系统 (测振传感器) 电阻-电感-电容振荡系统,33,(2) 二阶传感器,传递函数

10、 单位阶跃响应 性质 稳态误差理论上=0; 系统参数影响响应过程; 阻尼比1时,产生过冲量; 阻尼比=0时过冲100%; 一般阻尼比=0.60.8调整时间短,过冲误差小.,阻尼比,34,传感器的动态特性小结,一/二阶传感器传递函数/频响函数 传感器动态特性 一阶传感器有一个特征参数; 时间常数越小越，响应越快，频率范围越宽； 线性测量：频率比1/31/5 二阶传感器有两个特征参数; 动态特性受固有频率/阻尼比控制 固有频率越大,线性测量频率范围越大; 阻尼比越小,过渡过程越长，过冲误差越大; 阻尼比=0.60.8,有较好的综合性能 线性测量：频率比/n1 (1/31/5),35,不失真测试的含

11、义: 传感器准确测出输入信号波形 频率相同; 幅值可放大或缩小 ; 允许有延时 则: 傅里叶变换: 频率响应函数: 不失真测试条件:,1.3 传感器的不失真测试条件,36,说明:,理想传感器的幅频特性为常数 否则产生幅值失真 理想传感器的相频特性为线性函数 否则产生相位失真 当测试用于自控时, 才是理想的 实际传感器在特定区域近似满足不失真条件 一阶系统 时, 二阶系统 时, 阻尼比=0.60.8时,不失真测试频带最宽. 综合考虑:误差/快速性/稳态误差/测量范围,37,1.4 传感器的标定,标定内容: 传感器静态性能指标(静态标定) 灵敏度、线性度、迟滞、重复性 传感器动态性能参数(动态标定) (一阶)时间常数;(二阶)固有频率,阻尼比. 传感器标定类型 新产品出厂标定; 传感器使用一段时间(1年)后重新标定; 传感器维修后标定.,38,1.4 传感器的标定,标定系统,标定设备的精度应比待标定传感器高一个数量级,标准状态： 温度(205)； 湿度85； 气压(1017)kPa,39,1.4 传感器的标定,静态标定方法 1全量程分成若干等间距点; 2标准量由小到大