北航傳感器原理8

傳感器技術(shù)及應(yīng)用——傳感器的特性（五）李成2013.04.09

思考題(第2講：傳感器的特性)1.傳感器的動(dòng)態(tài)特性?2.傳感器動(dòng)態(tài)無(wú)失真條件？3.傳感器動(dòng)態(tài)特性的時(shí)、頻域分析函數(shù)？4.傳感器動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)？課程回顧：2.8.1一階傳感器的單位階躍響應(yīng)y(t)=1et/時(shí)間常數(shù)表示傳感器在階躍信號(hào)作用下，其響應(yīng)的輸出值達(dá)到最終穩(wěn)定值的63.5%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。只用到一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一階傳感器的階躍響應(yīng)(a)單位階躍信號(hào)；(b)一階傳感器階躍響應(yīng)曲線傳感器的動(dòng)態(tài)參數(shù)確定方法：主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率、和阻尼比等2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定—研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)—確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)

若改寫(xiě)上式為：1y(t)=et/=ez，

z=ln1y(t)

其中，z=t/，z與t線性。作z~t曲線，其斜率t/z=，由此確定時(shí)間常數(shù)考慮了傳感器瞬態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程。求一階傳感器時(shí)間常數(shù)方法2.8.1一階傳感器的單位階躍響應(yīng)2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

傳感器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)曲線是傳感器輸出與時(shí)間的關(guān)系曲線，所以又稱(chēng)為時(shí)域曲線。

若傳感器振蕩周期Td是穩(wěn)定的，而且振蕩幅度有規(guī)律地單調(diào)減小，則傳感器（或測(cè)壓系統(tǒng)）可以近似地看成是二階系統(tǒng)。

只要能得到傳感器的無(wú)阻尼固有頻率和阻尼比，那么傳感器的幅頻特性和相頻特性可分別表示為2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.2二階傳感器的單位階躍響應(yīng)

確定傳感器的阻尼比和固有頻率n

。欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)二階傳感器(1)的階躍響應(yīng)2.8.2二階傳感器的單位階躍響應(yīng)2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定y(t)以d=n√1–2作衰減振蕩，按求極值的方法可得各振蕩峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間tp=0，/d，2/d，……，將t=/d代入y(t)的表達(dá)式，可得最大過(guò)沖量M

或

測(cè)得M，由上式或-M曲線，可求阻尼比；由標(biāo)定測(cè)得的tp

，得fdd

n。2.8.2二階傳感器的單位階躍響應(yīng)2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定-M曲線標(biāo)定方法

對(duì)壓力計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，分為靜態(tài)校定和動(dòng)態(tài)校定。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.4壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定實(shí)際壓力計(jì)的靜態(tài)標(biāo)定？與動(dòng)態(tài)標(biāo)定的不同？靜態(tài)標(biāo)定方法靜態(tài)校驗(yàn)主要是測(cè)定靜態(tài)精度，確定儀表的等級(jí)，兩種方法：一種叫“砝碼校驗(yàn)法”（使用活塞式壓力計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)），一種叫“標(biāo)準(zhǔn)表比較法”。標(biāo)準(zhǔn)表比較法將被測(cè)的壓力計(jì)與一只標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)進(jìn)行比較的方法。選用的標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)的精度應(yīng)該比被校的壓力計(jì)精度高兩極，校驗(yàn)時(shí)被較的壓力計(jì)的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)的數(shù)值越接近越好。標(biāo)準(zhǔn)表比較法需要的設(shè)備有壓力泵（或稱(chēng)壓力表校驗(yàn)器）和標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。砝碼校驗(yàn)法應(yīng)用靜壓平衡原理。這種校驗(yàn)方法的基本設(shè)備是活塞式壓力校驗(yàn)器（或稱(chēng)活塞式壓力計(jì)）。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.4壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定活塞式壓力校驗(yàn)器活塞式壓力計(jì)的原理當(dāng)作用在活塞下端的油壓與活塞、托盤(pán)和砝碼的重力以及摩擦力相平衡時(shí)，活塞就被托起并穩(wěn)定在一定位置上，因此根據(jù)所加砝碼與活塞、托盤(pán)的重力以及活塞承壓的有效面積就可確定被測(cè)壓力的數(shù)值。其中，m0-活塞和托盤(pán)的質(zhì)量（kg）；m-砝碼質(zhì)量（kg）；A-活塞承壓的有效面積（m2）；p：工作液壓力，Pa。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.4壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定砝碼校驗(yàn)的靜態(tài)校驗(yàn)流程：①校驗(yàn)壓力計(jì)以前，將活塞壓力計(jì)放到便于操作、無(wú)震動(dòng)的工作臺(tái)上。然后調(diào)節(jié)支撐螺釘，觀察水準(zhǔn)器將活塞壓力計(jì)調(diào)至水平?！{(diào)平②把傳壓介質(zhì)（變壓器油或蓖麻油）灌入油杯內(nèi)，反復(fù)旋轉(zhuǎn)手搖泵手輪，以排除測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)腔中的空氣。——排空氣③關(guān)死油杯閥8，緩慢地旋轉(zhuǎn)手輪，檢查油路是否暢通，若無(wú)問(wèn)題，即可裝上被校驗(yàn)的壓力計(jì)?！噳孩艽蜷_(kāi)油杯閥8，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)手搖泵手輪，使手搖泵將油吸入氣缸內(nèi)。⑤關(guān)死油杯閥，擰開(kāi)閥6、10、13，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪產(chǎn)生初壓使活塞盤(pán)升起，并旋轉(zhuǎn)活塞盤(pán)，直到與定位指示板的刻度線相齊為止?！{(diào)零⑥把砝碼加到活塞盤(pán)上，并使砝碼和活塞盤(pán)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，所加砝碼重力應(yīng)與所校驗(yàn)的壓力值相對(duì)應(yīng)。再旋轉(zhuǎn)手輪加壓使活塞盤(pán)升起，并與定位指示板刻度線相齊。為減小活塞內(nèi)摩擦阻力，活塞以不小于30轉(zhuǎn)/分的角速度向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。⑦依次增加或減少砝碼，校驗(yàn)各需要校驗(yàn)的點(diǎn)。⑧校驗(yàn)完畢后，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪逐步卸下砝碼，最后打開(kāi)油杯閥，將砝碼全部取下。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.4壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定注意事項(xiàng)：①活塞和缸經(jīng)過(guò)很好的表面加工和配合，故摩擦阻力減至最小。由于活塞、油和缸間存在粘滯現(xiàn)象，在加取砝碼時(shí)，要求轉(zhuǎn)動(dòng)砝碼盤(pán)，故起作用的是動(dòng)摩擦而不是靜摩擦。②由于活塞的面積和活塞本身的重力固定不變，所以專(zhuān)用砝碼的重力和液壓所產(chǎn)生的壓力具有簡(jiǎn)單的比例關(guān)系。③一般生產(chǎn)廠家在出廠前已將砝碼校好，并標(biāo)上相應(yīng)的壓力值，因此校驗(yàn)壓力計(jì)只要在靜壓平衡時(shí)直接讀取砝碼數(shù)即可。④活塞式壓力計(jì)由制造廠按一給定的g值進(jìn)行修正，通常g的標(biāo)準(zhǔn)是9.860665米/秒2，如果有必要，用戶(hù)還應(yīng)按當(dāng)?shù)豨的變化進(jìn)行修正。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.4壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定2.8.5壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法有正弦激勵(lì)法、半正弦激勵(lì)（落球、落錘沖擊）法和階躍壓力激勵(lì)法。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

●動(dòng)態(tài)信號(hào)壓力源：產(chǎn)生滿(mǎn)意的周期或階躍壓力；并能可靠地確定其真實(shí)壓力-時(shí)間關(guān)系。

●穩(wěn)態(tài)標(biāo)定（需周期性穩(wěn)態(tài)壓源）活塞與缸筒式穩(wěn)態(tài)壓力源，如右圖。調(diào)節(jié)手柄可以改變壓力的幅值，可獲得70kg/cm2的峰值壓力，頻率可達(dá)100Hz?；钊淄卜€(wěn)態(tài)壓力源示意圖1-接被檢壓力計(jì)；2-接標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)；3-飛輪；4-調(diào)節(jié)手柄

●非穩(wěn)態(tài)標(biāo)定利用非穩(wěn)態(tài)（階躍）壓力信號(hào)和階躍函數(shù)理論進(jìn)行標(biāo)定。非穩(wěn)態(tài)（階躍）壓力源有：快卸荷閥；脈沖膜片；閉式爆炸器；激波管等?！窦げü芊欠€(wěn)態(tài)壓力標(biāo)定

特點(diǎn)：

●結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可產(chǎn)生較理想的瞬態(tài)“標(biāo)準(zhǔn)”壓力；

●壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；

●壓力頻率范圍寬（2kHz~1.5MHz）；

●便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8.5壓力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

1.結(jié)構(gòu)：主要由激波管、入射激波測(cè)速系統(tǒng)、標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)、氣源等組成，如下圖所示。激波管非穩(wěn)態(tài)壓力標(biāo)定2.原理：激波管所產(chǎn)生的激波如右圖所示。

入射激波的階躍壓力為

反射激波的階躍壓力為

式中，Ms—馬赫數(shù)。由測(cè)速系統(tǒng)決定。激波管非穩(wěn)態(tài)壓力標(biāo)定(a)激波管結(jié)構(gòu)示意圖(a)膜片破裂前情況(c)膜片破裂后、稀疏波反射前情況(d)稀疏波反射后情況(e)反射激波波動(dòng)情況3.標(biāo)定測(cè)量系統(tǒng)

由被標(biāo)定傳感器4和5、前置電荷放大器10及記憶示波器11等組成，可測(cè)階躍響應(yīng)波形，如下圖所示。由響應(yīng)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，直接求得傳感器的幅頻特性及動(dòng)態(tài)靈敏度。

傳感器4響應(yīng)入射激波階躍壓力，傳感器5響應(yīng)反射激波階躍壓力。

4.氣源系統(tǒng)由氣源、氣壓表、泄氣門(mén)等組成。常采用壓縮空氣或氮?dú)?。被?biāo)定傳感器輸出波形激波管非穩(wěn)態(tài)壓力標(biāo)定2.8.6加速度傳感器靈敏度的標(biāo)定校準(zhǔn)方法通常有絕對(duì)校準(zhǔn)法和比較校準(zhǔn)法。絕對(duì)法常用于標(biāo)定高精度傳感器或標(biāo)準(zhǔn)傳感器，而工程中最常用的是比較校準(zhǔn)方法。加速度傳感器的靈敏度是指它所承受的加速度與所產(chǎn)生電量的比值。對(duì)壓電加速度傳感器，通常以pC·s2/m（或pC/g）和mV·s2/m（或mV/g）表示，前者稱(chēng)為電荷靈敏度，后者為電壓靈敏度。2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定（1）加速度傳感器靈敏度的絕對(duì)法標(biāo)定

振幅測(cè)量法是各國(guó)進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)的主要方法。它是通過(guò)一套標(biāo)準(zhǔn)裝置激勵(lì)被標(biāo)定的加速度傳感器，測(cè)出被標(biāo)定傳感器的輸出電量和激勵(lì)設(shè)備的振動(dòng)頻率與振幅，再計(jì)算出被標(biāo)定傳感器的靈敏度，即——被校傳感器輸出電壓（峰值）；——激勵(lì)設(shè)備振動(dòng)頻率；——激勵(lì)設(shè)備振幅；——激勵(lì)設(shè)備振動(dòng)加速度，2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

振動(dòng)信號(hào)源：振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生正弦激勵(lì)的標(biāo)定信號(hào)。

激光光波長(zhǎng)度作為振幅量值的絕對(duì)基準(zhǔn)，測(cè)出振動(dòng)信號(hào)的振幅值Xm(m)；

精密數(shù)字頻率計(jì)測(cè)出振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率f(1/s)；

精密數(shù)字電壓表測(cè)出傳感器輸出電壓值Erms(mV)。被標(biāo)振動(dòng)傳感器的加速度靈敏度Sa為（2）振動(dòng)傳感器靈敏度的比較法標(biāo)定

2.8傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定將被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器“背靠背”安裝在振動(dòng)臺(tái)上。標(biāo)定時(shí)，分別測(cè)出被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器的輸出電壓值Ua和U，若標(biāo)準(zhǔn)測(cè)振傳感器的加速度靈敏度為Sa0，則被標(biāo)傳感器加速度靈敏度Sa為