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1、第4章传感器的特性本讲稿第一页，共三十三页传感器特性主要是指输出与输入之间的关系。传感器的特性传感器的特性 传感器输出与输入关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即得到静态特性。因此，传感器的静态特性只是动态特性的一个特例。当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态当输入量随时间较快地变化时，这一关系称为动态特性。特性。当输入量为常量，或变化极慢时，这一关系称为静态特性；本讲稿第二页，共三十三页实际上传感器的静态特性要包括非线性非线性和随机性随机性等因素，如果把这些因素都引入微分方程将使问题复杂化。为避免这种情况，总是把静态特性和动态特性分开考虑。传感器的
2、输出与输入具有确定的对应关系最好呈线性关系。但一般情况下，输出输入不会符合所要求的线性关系，同时由于存在迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动等各种因素以及外界条件的影响，使输出输入对应关系的唯一确定性也不能实现。考虑了这些情况之后，传感器的输出输入作用图大致如图所示。传感器除了描述输出输入关系的特性之外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。本讲稿第三页，共三十三页稳定性(零漂)传感器传感器温度供电各种干扰稳定性温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑制，有时也可以对外界条件加以限制。衡量传感器
3、特性的主要技术指标本讲稿第四页，共三十三页传感器的静态特性传感器的静态特性：在稳态信号作用下的输入输出关系。不含有时间变量。线性度灵敏度迟滞重复性漂移本讲稿第五页，共三十三页一、静态特性技术指标一、静态特性技术指标1 1线性度线性度传感器的输出输入关系或多或少地存在非线性。在不考虑迟滞、蠕变、不稳定性等因素的情况下，其静态特性可用下列多项式代数方程表示：式中：y输出量；x输入量；a0零点输出；a1理论灵敏度；a2、a3、an非线性项系数。y=a0+a1x+a2x2+a3x3+anxn本讲稿第六页，共三十三页传感器的输入、输出间成线性关系的程度各项系数不同，决定了特性曲线的具体形式。各项系数不同
4、，决定了特性曲线的具体形式。本讲稿第七页，共三十三页非线性特性的“线性化”静态特性曲线可实际测试获得。在获得特性曲线之后，可以说问题已经得到解决。但是为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系。这时可采用各种方法，其中也包括硬件或软件补偿，进行线性化处理。本讲稿第八页，共三十三页通常用相对误差L表示：Lmax一最大非线性误差；yFS量程输出。在采用直线拟合线性化时，输出输入的校正曲线与其拟合曲线之间的最大偏差，就称为非线性误差或线性度一般来说，这些办法都比较复杂。所以在非线性误差不太大的情况下，总是采用直线拟合的办法来线性化。非线性偏差的大小是以一定的拟合直线为基准直线而得出来的。拟合直线不同
5、，非线性误差也不同。所以，选择拟合直线的主要出发点，应是获得最小的非线性误差。另外，还应考虑使用是否方便，计算是否简便。ef=(Lmax/yFS)100%理论拟合；理论拟合；端点连线平移拟合；端点连线平移拟合；端点连线拟合；端点连线拟合；过过零旋转拟合；零旋转拟合；最小二乘拟合；最小二乘拟合；最小包容拟合最小包容拟合本讲稿第九页，共三十三页直线拟合方法a)理论拟合b)过零旋转拟合c)端点连线拟合d)端点连线平移拟合本讲稿第十页，共三十三页设拟合直线方程：0yyixy=kx+bxI最小二乘拟合法最小二乘法拟合最小二乘法拟合y=kx+b若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上响应值之间
6、的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使为最小值，即i=yi-(kxi+b)对k和b一阶偏导数等于零，求出a和k的表达式本讲稿第十一页，共三十三页即得到k和b的表达式将k和b代入拟合直线方程，即可得到拟合直线，然后求出残差的最大值Lmax即为非线性误差。本讲稿第十二页，共三十三页2 2迟滞迟滞0yxHmaxyFS迟滞特性式中Hmax正反行程间输出的最大差值。迟滞误差的另一名称叫回程误差。回程误差常用绝对误差表示。检测回程误差时，可选择几个测试点。对应于每一输入信号，传感器正行程及反行程中输出信号差值的最大者即为回程误差。传感器在正(输入量增大)反（输入量减小）行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。迟
7、滞特性如图所示，它一般是由实验方法测得。迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,即本讲稿第十三页，共三十三页3重复性yx0Rmax2Rmax1重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即重复性是指传感器在输入按同重复性是指传感器在输入按同一方向连续多次变动时所得特一方向连续多次变动时所得特性曲线不一致的程度性曲线不一致的程度。重复性误差也常用绝对误差表示。检测时也可选取几个测试点，对应每一点多次从同一方向趋近，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin，算出最大值与最小值之差或3作为重复性偏差Ri，在几个Ri中取出最大值Rmax作为重复性误差。Rmax1正行程的最大重复性偏差，Rmax2反行程的最
8、大重复性偏差。本讲稿第十四页，共三十三页4灵敏度与灵敏度误差s=(k/k)100%由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵敏度误差用相对误差表示，即可见，传感器输出曲线的斜率斜率就是其灵敏度。对线性特性的传感器，其特性曲线的斜率处处相同，灵敏度k是一常数，与输入量大小无关。K=y/x传感器输出的变化量传感器输出的变化量 y与引起该变化量的输入变化量与引起该变化量的输入变化量 x之比之比即为其静态灵敏度，其表达式为即为其静态灵敏度，其表达式为本讲稿第十五页，共三十三页被测量随时间变化的形式可能是各种各样的，只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数。通常研究动态特性是根据标准输
9、入特性来考虑传感器的响应特性。二、传感器的动态特性二、传感器的动态特性动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。标准输入有三种：经常使用的是前两种。u正弦变化的输入u阶跃变化的输入u线性输入本讲稿第十六页，共三十三页1数学模型与传递函数分析传感器动态特性，必须建立数学模型。线性系统的数学模型为一常系数线性微分方程。对线性系统动态特性的研究，主要是分析数学模型的输入量x与输出量y之间的关系，通过对微分方程求解，得出动态性能指标。对于线性定常（时间不变）系统，其数学模型数学模型为高阶常系数线性微分方程，即y输出量；x输入量；t时间a0，a1，a
10、n常数；b0，b1，bm常数输出量对时间t的n阶导数；输入量对时间t的m阶导数返回2返回1本讲稿第十七页，共三十三页动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数Y(s)传感器输出量的拉氏变换式；X(s)传感器输入量的拉氏变换式上式分母是传感器的特征多项式，决定系统的“阶”数。可见，对一定常系统，当系统微分方程已知，只要把方程式中各阶导数用相应的s变量替换，即求出传感器的传递函数。本讲稿第十八页，共三十三页正弦输入下传感器的动态特性（即频率特性）由传递函数导出为一复
11、数，它可用代数形式及指数形式表示，即=式中分别为的实部和虚部；分别为的幅值和相角；K=可见，K值表示了输出量幅值与输入量幅值之比，即动态灵敏度，K值是的函数，称为幅频特性，以K()表示。本讲稿第十九页，共三十三页1动态响应（正弦和阶跃）（1）正弦输入时的频率响应）正弦输入时的频率响应零阶传感器在零阶传感器中，只有a0与b0两个系数，微分方程为a0y=b0 xK静态灵敏度零阶输入系统的输入量无论随时间如何变化，其输出量总是与输入量成确定的比例关系。在时间上也不滞后，幅角等于零。如电位器传感器。在实际应用中，许多高阶系统在变化缓慢、频率不高时，都可以近似地当作零阶系统处理。本讲稿第二十页，共三十三
12、页一阶传感器微分方程除系数a1，a0，b0外其他系数均为0，则a1(dy/dt)+a0y=b0 x时间常数(=a1/a0)；K静态灵敏度(K=b0/a0)传递函数：频率特性：幅频特性：相频特性：负号表示相位滞后时间常数越小，系统的频率特性越好本讲稿第二十一页，共三十三页二阶传感器很多传感器，如振动传感器、压力传感器等属于二阶传感器，其微分方程为：时间常数，；0自振角频率,0=1/阻尼比，；k静态灵敏度，k=b0/a本讲稿第二十二页，共三十三页不同阻尼比情况下相对幅频特性即动态特性与静态灵敏度之比的曲线如图。传递函数幅频特性相频特性频率特性本讲稿第二十三页，共三十三页2.42.22.01.81.
13、61.41.21.00.80.60.40.200.511.522.5(a)(b)0-30-60-90-120-150-1800.511.522.5=0=0.2=0.4=0.6=1=0.8=0.707=0=0.2=0.4=0.6=0.707=0.8=1=0.8=1=0.707=0.6=0.4=0.2=0二阶传感器幅频与相频特性（a）幅频特性（b）相频特性当0时，在=1处k()趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着的增大，谐振现象逐渐不明显。当0.707时，不再出现谐振，这时k()将随着的增大而单调下降。阻尼比的影响较大。本讲稿第二十四页，共三十三页（2）阶跃输入时的阶跃响应）阶跃输入时的阶跃响应一
14、阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应对一阶系统的传感器，设在一阶系统的传感器，设在t=0时，时，x和和y 均为均为0，当，当t0时，有一单位阶跃信号时，有一单位阶跃信号输入输入,如图。此时微分方程为如图。此时微分方程为tx01(dy/dt)+a0y=b1(dx/dt)+b0 x齐次方程通解：非齐次方程特解：y2=1(t0)方程解：tx01以初始条件y(0)=0代入上式，即得t=0时，C1=-1，所以输出的初值为0,随着时间推移y接近于1,当t=时,y=0.63在一阶系统中一阶系统中,时间常数值是决定响应速度的重要参数。本讲稿第二十五页，共三十三页二阶传感器的阶跃响应二阶传感器的阶跃响应单位阶
15、跃响应通式0传感器的固有频率；传感器的阻尼比特征方程根据阻尼比的大小不同，分为四种情况：1）01(有阻尼)：该特征方程具有共轭复数根方程通解根据t,ykA求出A3；根据初始条件求出A1、A2，则令x=A本讲稿第二十六页，共三十三页其曲线如图，这是一衰减振荡过程,越小,振荡频率越高,衰减越慢。tw0.021ttmm1（过阻尼）：特征方程具有两个不同的实根3)=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/,过渡函数为上两式表明，当上两式表明，当1时，该系统不再是振荡的，而是由两个时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后者两个时一阶阻尼环节组成，前者两个时间常数相同，后
16、者两个时间常数不同。间常数不同。过渡函数为本讲稿第二十八页，共三十三页实际传感器，值一般可适当安排，兼顾过冲量m不要太大，稳定时间t不要过长的要求。在0.60.7范围内，可获得较合适的综合特性。对正弦输入来说，当=0.60.7时，幅值比k()/k在比较宽的范围内变化较小。计算表明在00.58范围内，幅值比变化不超过5，相频特性中()接近于线性关系。对于高阶传感器，在写出运动方程后，可根据式具体情况写出传递函数、频率特性等。在求出特征方程共轭复根和实根后，可将它们分解为若干个二阶模型和一阶模型研究其过渡函数。有些传感器可能难于写出运动方程，这时可采用实验方法，即通过输入不同频率的周期信号与阶跃信
17、号，以获得该传感器系统的幅频特性、相频特性与过渡函数等。本讲稿第二十九页，共三十三页一、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的；(2)被测试量的选择；(3)测量范围；(4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。第七节 传感器的选用原则本讲稿第三十页，共三十三页二、与传感器有关的技术指标二、与传感器有关的技术指标 (1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。本讲稿第三十一页，共三十三页 三、与使用环境条件有关的因素(1)(1)安装现场条件及情况；安装现场
18、条件及情况；(2)(2)环境条件环境条件(湿度、温度、振动等湿度、温度、振动等)；(3)(3)信号传输距离；信号传输距离；(4)(4)所需现场提供的功率容量。所需现场提供的功率容量。四、与购买和维修有关的因素四、与购买和维修有关的因素(1)(1)价格；价格；(2)(2)零配件的储备；零配件的储备；(3)(3)服务与维修制度，保修时间；服务与维修制度，保修时间；(4)(4)交货日期。交货日期。本讲稿第三十二页，共三十三页基本参数指标基本参数指标环境参数指标环境参数指标可靠性可靠性指标指标其他指标其他指标量程指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有
19、关指标：精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标动态性能指标：固定频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：抗冲振指标：允许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其他环境参数其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀等能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等本讲稿第三十三页，共三十三页