1傳感器的一般特性課件

第1章傳感器的一般特性1.1傳感器的靜態(tài)特性1.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性1.3傳感器的不失真測試條件1.4傳感器的標(biāo)定(輸出—輸入特性)6/4/20232:20AM11.1傳感器的靜態(tài)特性輸入信號(hào)不變或緩慢變化時(shí)系統(tǒng)的特性傳感器輸出只與輸入量的大小有關(guān)常用的靜態(tài)特性指標(biāo)線性度靈敏度遲滯重復(fù)性靜態(tài)誤差由磁滯、蠕變、摩擦、間隙以及松動(dòng)等因素引起相關(guān)術(shù)語：靜態(tài)信號(hào)與動(dòng)態(tài)信號(hào)靜態(tài)測量與動(dòng)態(tài)測量6/4/20232沖擊與振動(dòng)溫度供電電磁場外界影響

傳感器輸入輸出作用圖輸入傳感器輸出誤差因素穩(wěn)定性(零漂)干擾穩(wěn)定性溫漂分辨力線性度遲滯重復(fù)性靈敏度傳感器本身靜態(tài)特性的影響1.1傳感器的靜態(tài)特性6/4/202331.1.1線性度傳感器輸入輸出之間的線性程度線性傳感器的優(yōu)點(diǎn):理論分析、設(shè)計(jì)計(jì)算簡單；傳感器標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理方便；分度盤均勻、刻線均勻，精度高；避免非線性補(bǔ)償。實(shí)際傳感器特性存在非線性6/4/202341.1.1線性度線性特性xy輸出y輸入x傳感器非線性特性僅有奇次特性項(xiàng)的傳感器有較大的測量范圍6/4/202351.1.1線性度非線性誤差的評(píng)定非線性特性的線性化處理——便于測量實(shí)際特性曲線與擬合直線非線性誤差實(shí)際曲線與擬合直線之間的最大偏差用滿量程的百分?jǐn)?shù)表示ΔLmaxyxmaxyFSx6/4/202361.1.1線性度直線的擬合方法：最小二乘法(誤差平方和最小)；固定端點(diǎn)的最小二乘法；兩端點(diǎn)連線法(有條件最優(yōu))最小二乘法最優(yōu)xyyFSΔmaxyyFSxΔmaxxyFSyΔmax6/4/20237提高線性度的方法：縮小測量范圍分段標(biāo)定法誤差修正與補(bǔ)償標(biāo)定得實(shí)際曲線；按擬合曲線計(jì)算誤差補(bǔ)償量：測量yc誤差補(bǔ)償：實(shí)際測量結(jié)果：條件：傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性要好

x1

x2傳感器的靜態(tài)輸入輸出特性曲線輸入x輸出y實(shí)際曲線擬合直線0

x3

x0差值傳感器的靜態(tài)輸入輸出特性曲線輸入x輸出y實(shí)際曲線擬合直線0

x3

x差值Δy

ya

yc6/4/202381.1.2靈敏度傳感器的輸出相對(duì)與輸入的變化率輸出增量Δy

、輸入量增量Δx時(shí)線性系統(tǒng)靈敏度為常數(shù)非線性系統(tǒng)靈敏度是被測量的函數(shù)評(píng)定條件：穩(wěn)態(tài)期望：靈敏度高而穩(wěn)定6/4/20239傳感器正、反行程的輸出-輸入特性曲線不重合評(píng)定方法加載0

xmax卸載xmax0原因：彈性敏感元件的彈性滯后；運(yùn)動(dòng)部件摩擦；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、緊固件松動(dòng)。1.1.3遲滯(回程誤差)xmax6/4/2023101.1.4重復(fù)性傳感器同一加載方向上，多次測試的特性曲線的不一致程度原因：隨機(jī)誤差評(píng)定方法6/4/2023111.1.5分辨力/分辨率/預(yù)值分辨力:傳感器所能檢測到的最小輸入量的增量分辨率:分辨力相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)閾值:傳感器在零點(diǎn)附近的分辨力6/4/202312本節(jié)小結(jié)五種主要的靜態(tài)特性靈敏度傳感器對(duì)被測量的靈敏程度；靈敏度越大，靜態(tài)放大倍數(shù)越高。線性度傳感器輸入輸出的線性程度；線性度越小，測量精度越高。遲滯—機(jī)械部件缺陷重復(fù)性—隨機(jī)干擾分辨率6/4/2023131.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性被測量快速變化時(shí)，傳感器輸出與輸入之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系；輸出須反映被測信號(hào)隨時(shí)間的變化規(guī)律；測量結(jié)果與被測量的大小、頻率以及測量儀器的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。6/4/2023141.2傳感器的動(dòng)態(tài)特性實(shí)例：溫度測量影響測量值的原因動(dòng)態(tài)測量時(shí)測量結(jié)果：與被測量大小有關(guān)與被測量頻率有關(guān)與傳感器的動(dòng)態(tài)性能有關(guān)動(dòng)態(tài)特性是傳感器的固有特性動(dòng)態(tài)誤差t0tt0T0T1T理想輸入實(shí)際輸出6/4/2023151.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型:傳感器輸出與輸入的數(shù)學(xué)函數(shù)傳感器模型建立基礎(chǔ)：線性時(shí)不變理論輸出導(dǎo)數(shù)的線性組合＝輸入導(dǎo)數(shù)的線性組合輸出y輸入x傳感器6/4/2023161.2.1傳感器的數(shù)學(xué)模型為常數(shù)傳感器理想數(shù)學(xué)模型：線性時(shí)不變微分方程疊加性：多輸入的響應(yīng)互不影響頻率保持性：輸出與輸入的頻率相等計(jì)算不便輸出y輸入x傳感器6/4/2023171.2.2傳感器的傳遞函數(shù)拉普拉斯變換：當(dāng)時(shí)，若x(t)、y(t)的各階導(dǎo)數(shù)為0，對(duì)傳感器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行拉氏變換經(jīng)整理：n—傳遞函數(shù)的“階數(shù)”，n＝0,1,2,……傳遞函數(shù)是系統(tǒng)輸出、輸入拉氏變換的比值輸出y輸入x傳感器6/4/202318傳遞函數(shù)的特點(diǎn)傳遞函數(shù)從復(fù)頻域上描述傳感器輸入輸出之間的關(guān)系傳遞函數(shù)取決于傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，與系統(tǒng)具體的輸入信號(hào)無關(guān)；傳遞函數(shù)的所有極點(diǎn)在復(fù)平面的左半邊。傳遞函數(shù)反映：在任意輸入下，傳感器的輸出(瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)之和)與輸入的拉氏變換之比。6/4/2023191.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)研究系統(tǒng)在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)定義：在正弦輸入下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與輸入的傅里葉變換的比值，即：6/4/2023201.2.3傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)—頻率響應(yīng)函數(shù)—幅頻特性—相頻特性—實(shí)頻特性—虛頻特性6/4/202321x0、y0為幅值，ω為頻率，φ為相位差頻譜特性的物理意義若則幅頻特性：輸出與輸入的幅值比相頻特性：輸出相對(duì)于輸入的相位差輸出y輸入x傳感器6/4/2023221.2.4過渡函數(shù)過渡函數(shù)即傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)傳感器輸入傳感器輸出輸出y輸入x傳感器0tx(t)AA＝1時(shí)：x單位階躍信號(hào);y單位階躍響應(yīng).6/4/2023231.2.4過渡函數(shù)快速性上升時(shí)間(5~95%)穩(wěn)定時(shí)間(0~1±2%)動(dòng)態(tài)誤差超調(diào)量(過調(diào)量)穩(wěn)態(tài)誤差標(biāo)注注明起止示值動(dòng)態(tài)指標(biāo)值100％95％5％±2％t/sytwtrs0超調(diào)量δm快、準(zhǔn)、穩(wěn)6/4/2023241.2.5傳感器動(dòng)態(tài)特性的應(yīng)用傳感器的動(dòng)態(tài)特性表示方法數(shù)學(xué)模型(微分方程)傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)(頻率特性)階躍響應(yīng)函數(shù)(過渡函數(shù))……傳感器簡化模型一階系統(tǒng)■二階系統(tǒng)零階系統(tǒng)■高階系統(tǒng)(三階以上)6/4/202325(1)一階傳感器數(shù)學(xué)模型可化為時(shí)間常數(shù),靈敏度傳遞函數(shù)頻率響應(yīng)函數(shù)6/4/202326(1)一階傳感器

■幅頻特性■相頻特性

當(dāng)時(shí),,

表明傳感器具有良好的頻率特性當(dāng)時(shí),是頻率的非線性函數(shù)結(jié)論:一階傳感器的工作頻率應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)的倒數(shù).ωτ=1:高頻與低頻漸近線相交.6/4/202327(1)一階傳感器單位階躍響應(yīng)性質(zhì)瞬態(tài)誤差逐漸減小;穩(wěn)態(tài)誤差=0;t=4τ時(shí),穩(wěn)態(tài)誤差小于2%.時(shí)間常數(shù)越小越好時(shí)間常數(shù)0tx(t)16/4/202328(1)一階傳感器一階系統(tǒng)舉例質(zhì)量-彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)(測振傳感器)電阻-電容振蕩系統(tǒng)CKM＝0CR－+－+6/4/202329(2)二階傳感器數(shù)學(xué)模型可化為阻尼比,固有頻率傳遞函數(shù)頻響函數(shù)6/4/202330(2)二階傳感器頻率比幅頻特性相頻特性6/4/202331(2)二階傳感器當(dāng)時(shí)

各頻率分量增益相同相位是頻率的線性函數(shù)當(dāng)附近與共振共振幅與阻尼比有關(guān)時(shí)線性段最寬當(dāng)時(shí)：幅頻劇烈衰減,φ-π幅頻特性相頻特性阻尼比增大實(shí)用0.6~0.86/4/202332(2)二階傳感器二階系統(tǒng)舉例質(zhì)量-彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)(測振傳感器)電阻-電感-電容振蕩系統(tǒng)McKCLR－+－+6/4/202333(2)二階傳感器傳遞函數(shù)單位階躍響應(yīng)性質(zhì)穩(wěn)態(tài)誤差理論上=0;系統(tǒng)參數(shù)影響響應(yīng)過程;阻尼比<1時(shí),產(chǎn)生過沖量;阻尼比=0時(shí)過沖100%;一般阻尼比=0.6~0.8調(diào)整時(shí)間短,過沖誤差小.0tx(t)1阻尼比6/4/202334傳感器的動(dòng)態(tài)特性小結(jié)一/二階傳感器傳遞函數(shù)/頻響函數(shù)傳感器動(dòng)態(tài)特性一階傳感器有一個(gè)特征參數(shù);時(shí)間常數(shù)越小越，響應(yīng)越快，頻率范圍越寬；線性測量：頻率比ωτ<1/3~1/5二階傳感器有兩個(gè)特征參數(shù);動(dòng)態(tài)特性受固有頻率/阻尼比控制固有頻率越大,線性測量頻率范圍越大;阻尼比越小,過渡過程越長，過沖誤差越大;阻尼比=0.6~0.8,有較好的綜合性能線性測量：頻率比ω/ω0<<1(1/3~1/5)6/4/202335不失真測試的含義:傳感器準(zhǔn)確測出輸入信號(hào)波形頻率相同;幅值可放大或縮小;允許有延時(shí)則:傅里葉變換:頻率響應(yīng)函數(shù):不失真測試條件:tx(t)01.3傳感器的不失真測試條件輸出y輸入x傳感器y(t)6/4/202336說明:理想傳感器的幅頻特性為常數(shù)否則產(chǎn)生幅值失真理想傳感器的相頻特性為線性函數(shù)否則產(chǎn)生相位失真當(dāng)測試用于自控時(shí),才是理想的實(shí)際傳感器在特定區(qū)域近似滿足不失真條件一階系統(tǒng)時(shí),二階系統(tǒng)時(shí),阻尼比=0.6~0.8時(shí),不失真測試頻帶最寬.綜合考慮:誤差/快速性/穩(wěn)態(tài)誤差/測量范圍…6/4/2023371.4傳感器的標(biāo)定標(biāo)定內(nèi)容:傳感器靜態(tài)性能指標(biāo)(靜態(tài)標(biāo)定)靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性……傳感器動(dòng)態(tài)性能參數(shù)(動(dòng)態(tài)標(biāo)定)(一階)時(shí)間常數(shù);(二階)固有頻率,阻尼比.傳感器標(biāo)定類型新產(chǎn)品出廠標(biāo)定;傳感器使用一段時(shí)間(1年)后重新標(biāo)定;傳感器維修后標(biāo)定.6/4/2023381.4傳感器的標(biāo)定標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)量標(biāo)準(zhǔn)傳感器待標(biāo)定傳感器輸出量顯示輸出量測量標(biāo)定裝置標(biāo)定設(shè)備的精度應(yīng)比待標(biāo)定傳感器高一個(gè)數(shù)量級(jí)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：溫度(20±5)°；濕度<85％；氣壓(101±7)kPa6/4/2023391.4傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定方法1全量程分成若