《传感器与检测技术的理论基础ppt电子课件教案第2章传感器的基本特性》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术的理论基础ppt电子课件教案第2章传感器的基本特性（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、主要内容,2.1 传感器静态特性 2.2 传感器动态特性,概 述：,传感器一般要变换各种信息量为电量，描述这种变换的输入与输出关系表达了传感器的基本特性。对不同的输入信号，输出特性是不同的，对快变信号与慢变信号，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，反应大不相同。 快变 信号考虑输出的动态特性即随时间变化的特性； 慢变 信号研究静态特性，即不随时间变化的特性。,2.1 传感器静态特性,当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信 号时（如温度、压力），讨论传感器的静态特 性，输入输出关系称静态特性。 静态特性可以用函数式表示为,静态特性包括： 线性度、迟滞、重复性、灵敏度
2、、稳定性,1、线性度,传感器静态特性和输入输出关系可以用多项式表示：,2.1 传感器静态特性,其中： X 输入量， Y 输出量； a0 x = 0 时的输出值 a1 理想灵敏度 a2, a3an 非线性项系数,2.1 传感器静态特性,传感器的非线性误差（线性度）通常用相对误差 表示：, 最大非线性绝对误差 满量程输出 线性度,2.1 传感器静态特性,各种直线拟合方法,2 、迟滞,传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不 重合的现象称迟滞。,2.1 传感器静态特性,2 、迟滞,迟滞误差一般由满量程输出的百分数表示：,2.1 传感器静态特性,例：一电子秤 增加砝码 10g 50g 100g 200g
3、 电桥输出 0.5 mv - 2mv - 4mv - 10mv 减砝码输出 1 mv - 5mv - 8mv - 10mv,为正、反 行程输出值间的最大差值,3 、重复性,2.1 传感器静态特性,传感器输入量按同一方向作多次测量时， 输出特性不一致的程度。 属于随机误差可用标准偏差表示：,或用最大重复偏差表示：,max 最大标准差； （23） 置信度；,3 、重复性,2.1 传感器静态特性,4 、灵敏度,2.1 传感器静态特性,在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量： S = dy/dx,5 、稳定性,2.1
4、传感器静态特性,表示传感器在一较长时间内保持性能参数的能力 例：,闪烁探测器8小时长期稳定性测量散点图,6 、分辨率和阈值,2.1 传感器静态特性,分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量； 阈值 输入小到某种程度输出不再变化的X值； 门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。,当输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出,2.2 传感器动态特性,当输入量随时间变化时,如 :加速度、振动等， 讨论传感器的动态特性。 这时被测量是时间的函数，或是频率的函数。 用时域法表示成：,用频域法表示为：,2.2 传感器动态特性,动态特性是指传感器输出对时间变化的输入量的 响应特性： 除理想状态，多数传感器
5、的输入信号是随时间变化的，输出信号一定不会与输入信号有相同的时间函数，这种输入输出之间的差异就是动态误差； 传感器输出对时间变化的输入量的响应既反映了传感器的动态特性。,2.2 传感器动态特性,例：动态测温 设环境温度为T0 ,水槽中水的温度为T,而且 T T0 传感器突然插入被测介质中； 用热电偶测温,理想情况测试曲线T是阶跃变化的； 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程,补充内容（电路分析）,E,E,复阻抗,复频域变换,1. 瞬态响应特性1) 一阶传感器的单位阶跃响应 在工程上, 一般将下式:,一阶传感器的传递函数：,对初始状态为零的传感器, 当输入一个单位阶跃信号 0 t01 t
6、0,x(t)=,2.2 传感器动态特性,由于x(t)=1(t), x(s)= , 传感器输出的拉氏变换为 Y(s)=H(s)X(s)=,一阶传感器的单位阶跃响应信号为,2.2 传感器动态特性,由图可见： 1）传感器存在惯性, 它的输出不能立即复现输入信号, 而是从零开始, 按指数规律上升, 最终达到稳态值 2）理论上只有时间达到无穷才能达到稳定，但当t=4时其输出达到稳态值的98.2%, 可以认为已达到稳态。 3）越小, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此, 值是一阶传感器重要的性能参数。,频率响应：幅频特性、相频特性,2.2 传感器动态特性,将一阶传感器的传递函数中的s用j代替后, 即可得
7、频率特性表达式, 即,相频特性 ()=-arctan(),幅频特性,假设输入信号为正弦信号：,2.2 传感器动态特性,讨论： 一阶系统在时间常数 1才近似零阶系统特性， A（）k,（）0; 输出y(t)反映输入x(t); 当 = 1 时，传感器灵敏度下降了3dB，如果灵敏度下降到3db时的频率为工作频率上限，则：上限频率为WH=1/，所以时间常数越小，WH越高工作频率越宽，响应越好； 另外，1, 为过阻尼, 无超调也无振荡, 但达到稳态所需时间较长。时, A（）1, （）很小, 此时, 传感器的输出y(t)再现了输入x(t)的波形。通常固有频率n至少应大于被测信号频率的 35 倍, 即n（35
8、）。 为了减小动态误差和扩大频率响应范围, 一般是提高传感器固有频率n。 ,2.2 传感器动态特性,3) 频率响应特性指标(1) 频带传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应有上、下截止频率。 (2) 时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小, 频带越宽。 (3) 固有频率n 二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。 ,1 、 传递函数,2.2 传感器动态特性,当输入量随时间变化时，略去影响小的因素，假设传感器输入、输出在线性范围变化，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：,式中： Y输出；X输入；ai 、bi 为常数,2.2 传感器动态特性,两边取拉氏变换
9、，将实函数变换到复变函数,时,2.2 传感器动态特性,传感器的传递函数：,2 、一阶系统的动态响应（惯性系统）,2.2 传感器动态特性,一阶系统传递函数,传递函数可简化为：,一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）,2.2 传感器动态特性,由拉氏反变换得到单位阶跃响应信号为：,2.2 传感器动态特性,讨论： 暂态响应是指数函数，输出曲线逐渐达到稳定； 理论上t时才能达到稳定，当t=时即达到 稳定值的63.2%，可见时间常数越小越好，是 反映一阶传感器的重要参数； 实际运用时t = 4时工程上认为已达到稳定； 由曲线看出它与动态测温相似，所以动态测温 是典型的一阶系统 。,一阶传感器的阶跃响应,2.2
10、传感器动态特性,一阶传感器的阶跃响应,一阶传感器的频率响应,2.2 传感器动态特性,输入正弦信号 拉氏变换后,一阶传感器的频率响应,2.2 传感器动态特性,反变换后得出输出的振幅和频率变化特性,输出Y(t)有个两部分，瞬态响应成分、稳态响应成分，瞬态响应随时间t逐渐消失。,2.2 传感器动态特性,忽略瞬态响应，稳态响应整理后为：,幅频特性：,相频特性：,2.2 传感器动态特性,讨论： 一阶系统在时间常数 1才近似零阶系统特性， A（）k,（）0; 输出y(t)反映输入x(t); 当= 1 时，传感器灵敏度下降了3dB，如果灵敏度 下降到3db时的频率为工作频率上限，则：上限频率 为WH=1/，
11、所以时间常数越小，WH越高工作频率 越宽，响应越好； 另外，时， 幅值A() 1，（） 0； 当1, 且=(/n=1)时，在/n=1附 近有个峰值，会产生共振，相位差900-1800； 传感器固有频率n至少应大于被测信号频率 的35倍n（35），保证增益避免共 振。,2.2 传感器动态特性,幅频特性,相频特性,本章小结：,1.传感器的静态特性指标包括：线性度、迟滞、 重复性、灵敏度、稳定性。 2.传感器的动态特性参数有：瞬态响应特性，频 率响应特性。 3.分别讨论一阶传感器、二阶传感器的传递函数、 传感器幅频特性、相频特性。,本章要点：,1.检测系统只着重输入和输出关系的传递函数 表示方法； 2.系统方程式状态变量是一次的系统，尤其系统 都是常数的系统叫线性常系数系统，我们课程 以后讨论的都是以线性常系数系统为对象。 3.一阶系统状态变量是一个，二阶系统状态变量 是两个，一般情况下，有n个状态变量的系统 叫n阶系统。,
