傳感器第1章(選修課11).ppt

第一章 傳感器的工作特性與評價(jià),傳感器特性包括總特性和工作特性： 總特性是指傳感器和被測對象以及后續(xù)儀器組成的測量系統(tǒng)的輸入與輸出的匹配，傳感器的機(jī)械特性及工作特性。 工作特性是指傳感器輸入與輸出的關(guān)系。理想情況下是一一對應(yīng)的。,傳感器的工作特性,傳感器的工作特性包括： 1、靜態(tài)特性：在室溫條件下（15-35度， 相對濕度小于90%，壓強(qiáng)：88-108KPa ） ， 沒有任何沖擊、振動和加速度，所測變化很 緩慢時(shí)，對傳感器性能（輸入與輸出關(guān)系） 的描述。 2、動態(tài)特性：隨時(shí)間變化的被測量與傳感器輸 出間的關(guān)系。,其它特性,3、環(huán)境特性：包括運(yùn)行環(huán)境特性和非運(yùn)行環(huán)境 特性。 4、可靠性：指傳感器的概率壽命。 本章主要介紹傳感器靜態(tài)特性、動態(tài)特性 和可靠性。,第一章 第一節(jié) 傳感器的靜態(tài)特性,當(dāng)被測量處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸出信號（Y）與輸入信號（X）間的關(guān)系可表示為： Y = f（X）， 初條件：X=0 Y=0。 描述靜態(tài)特性的重要指標(biāo)有：靈敏度、線性度、重復(fù)性和遲滯等。,1、靈敏度系數(shù)（K）,當(dāng)輸入量變化 時(shí)，輸出量有相應(yīng)的變化 ： 靈敏度系數(shù) 定義為： 簡稱靈敏度。 說明： 時(shí) ，為線性傳感器； 時(shí)，為非線性傳感器。 量綱：輸出單位/輸入單位,靈敏度系數(shù)（續(xù)）,物理意義：表示輸出信號隨輸入信號的變化程度。 任何傳感器都有一定的測量范圍，一般來說， 靈敏度越高，測量范圍越窄。,2、線性度（ ）,理想的傳感器輸出與輸入的關(guān)系是線性的，即 有： 。 而實(shí)際上傳感器輸入與輸出的關(guān)系大多是非線 性的。 線性度是描述這種非線性程度的指標(biāo)。為此引 入靜態(tài)特性曲線，即輸入信號（X）與輸出信號 （Y）的關(guān)系曲線： Y = f（X） 并且要對該曲線進(jìn)行線性化處理。,靜態(tài)特性曲線的線性化,當(dāng)靜態(tài)特性曲線的非線性項(xiàng)的方次不高，輸入量的變化范圍不大時(shí)，可用切線或割線代替實(shí)際的靜態(tài)特性曲線的某段，以使其近似線性。該切線或割線被稱為擬合直線。 常用的確定擬合直線的方法有： 端點(diǎn)連線擬合（端基法） 理論擬合（切線法） 最小二乘法擬合 分段折線逼近擬合（計(jì)算機(jī)處理） 上述擬合方法中以最小二乘法確定擬合直線精度最高,線性度的定義,線性度是用來說明靜態(tài)特性曲線偏離某條擬合直線的程度，定義為： ：是測量范圍內(nèi)兩線輸出值的最大偏差； ：滿量程的輸出值。,線性度,可以看出，線性度的大小是以一定的擬合直線為基礎(chǔ)而得到的；擬合直線不同，線性度的大小也不同，所以選擇擬合直線的出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)是獲得最小的線性度。 線性度常稱為非線性偏差。 根據(jù)線性度的大小可以確定測量范圍；反之依然。,3、遲滯差（ ）,在全測量范圍內(nèi)校準(zhǔn)時(shí)，在同一次校準(zhǔn)過程中，當(dāng)輸入逐漸增加到某一值（正行程），與輸入由高到低逐漸減小到剛才相同的輸入值時(shí)（反行程），輸出值經(jīng)常是不一致的，這種現(xiàn)象就稱為遲滯。定義遲滯差為： ：為正行程與反行程曲線間輸出值的最大偏差。其產(chǎn)生原因是機(jī)械結(jié)構(gòu)和制作工藝的缺陷。,確定靜態(tài)特性指標(biāo)的方法,測定傳感器的靜態(tài)特性曲線y-x； 利用最小二乘法等確定擬合直線； 根據(jù)擬合直線，給出靈敏度和線性度； 給出傳感器的其他靜態(tài)特性指標(biāo)。,第一章 第二節(jié) 傳感器的動態(tài)特性,傳感器的輸入是變化較快的連續(xù)信號，或是沖擊信號，或是周期性輸入信號，則此時(shí)傳感器輸入與輸出的關(guān)系將是隨時(shí)間變化的函數(shù)。 動態(tài)特性是指傳感器對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它包括頻率特性和暫態(tài)響應(yīng)特性。,一、頻率特性,設(shè)輸入量為周期信號，輸出信號與輸入信號比 的幅值 稱為系統(tǒng)的幅頻特性；兩者的相位差 稱為相頻特性；無論幅頻特性還是相頻特性一般都是 隨輸入信號的頻率而改變的。 幅頻特性與相頻特性合稱頻率特性，該特性用以 評價(jià)傳感器在波形復(fù)雜的周期信號作用下的復(fù)現(xiàn)誤差,頻率特性與動態(tài)品質(zhì)的關(guān)系,可以證明：當(dāng)（1） =Const； （2） = 時(shí)， 則在滿足上述關(guān)系的區(qū)間內(nèi)（ ），各種 諧波所組成的任意復(fù)雜的波形都能被精確的復(fù) 現(xiàn)。 通過對傳感器頻率特性的分析，可以發(fā)現(xiàn)傳 感器在結(jié)構(gòu)或參數(shù)配制上的缺陷。,傳感器的“階”和三種不同階的傳感器,多數(shù)物性型傳感器的動態(tài)性能可用一階微分方程描述；而在電氣系統(tǒng)中具有電阻、電容和電感的電路呈現(xiàn)二階頻率響應(yīng)，同樣具有阻尼的質(zhì)量、彈簧等機(jī)械系統(tǒng)亦可用二階微分方程描述。與此相關(guān)的傳感器被稱為一階或二階傳感器；零階傳感器是簡單的、理想的線性傳感器。,零階傳感器,有微分方程： 即有 =k和 =0。 其幅頻和相頻特性曲線見右圖。 可以看出： 零階傳感器無幅值失真 和相位延遲，具有理想的 動態(tài)特性。,一階傳感器,一階傳感器的微分方程為： 變形后有： 式中 ； ； 。故有頻 率特性：,一階傳感器（續(xù)）,則幅頻和相頻特性為： 討論：（1）當(dāng) 時(shí)，有 ，此時(shí)輸出 波形與輸入波形近似一致； （2）當(dāng) 時(shí)，有 ，表明 輸出量的滯后最小。 可以看出： 對于一階傳感器，在 時(shí)頻率特性較好。,二階傳感器,二階傳感器的微分方程為： 、 、 和 是結(jié)構(gòu)或材料常數(shù)，上式變形后： 其中固有頻率 （ ）；阻尼比,二階傳感器（續(xù)）,頻率特性為： 幅頻特性則為： 和相頻特性：,二階傳感器（續(xù)）,討論：（1）當(dāng) 一定且 時(shí)，有 和 ，即有較好的頻率特性； （2）當(dāng) ，有 和 傳感器無響應(yīng)； （3）當(dāng) 且 時(shí)，傳感器出現(xiàn)諧振， 波形嚴(yán)重失真； （4） 的影響：在 一定， 時(shí)， 幅頻特性曲線有最寬的平直段，即頻率 特性最好。,二階傳感器（續(xù)）,綜上所述，對于二階傳感器 在 , 時(shí)頻率特性較好。,二、暫態(tài)響應(yīng)特性,同樣利用一階和二階微分方程，在輸入信號 為階躍信號時(shí)，可分析傳感器的時(shí)域響應(yīng)，或 稱暫態(tài)響應(yīng)。 暫態(tài)響應(yīng)由兩個部分組成，第一個部分是正 確反映輸入信號的，其結(jié)論與對頻率特性的分 析結(jié)果一致。,暫態(tài)響應(yīng)特性（續(xù)）,第二個部分是由輸入作用引起的，它反映了傳感器中能量存儲過程和消耗過程間的動態(tài)平衡。 根據(jù)階躍響應(yīng)前沿部分的某些特征，定義了傳感器的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，如時(shí)滯、上升時(shí)間等（自學(xué)）。,第一章 第三節(jié) 傳感器的可靠性,傳感器的可靠性是指儀器的使用壽命問題。它包括儀器的安全性和維修性等。理論基礎(chǔ)之一是概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)。 幾個基本概念 （1）可靠性定義：在確定的時(shí)期內(nèi)和確定的外界條件下，傳感器系統(tǒng)工作在允許的性能水平的概率?？煽啃苑枮椋?。,可靠性（續(xù)）,（2）不可靠性定義：在確定的時(shí)期內(nèi)和確定的外界條件下，傳感器系統(tǒng)不能工作在允許的性能水平的概率。不可靠性符號為： 。 二者有： （3）平均壽命（MTTF）：對不可修復(fù)的產(chǎn)品為其故障壽命的均值。,可靠性（續(xù)）,（4）故障率（ ）：是每個設(shè)備在每單位時(shí)間內(nèi)的平均故障次數(shù)（常為年故障率）。多數(shù)系統(tǒng)和元件在工作時(shí)間內(nèi)近似是常數(shù)。 可靠性模型 是根據(jù)可靠性的觀點(diǎn)用數(shù)學(xué)表達(dá)式去評價(jià)產(chǎn)品的特征。通過模型分析能得到反映產(chǎn)品可靠性的實(shí)際狀況。,可靠性模型,常用基本模型有串聯(lián)和并聯(lián)模型等。 （1）串聯(lián)模型：它通過所有部件的正常工作來保證系統(tǒng)的正常功能。 系統(tǒng)的可靠度R為： ：各部件的可靠度。,可靠性模型（續(xù)）,（2）并聯(lián)模型：在并聯(lián)系統(tǒng)中，所有部件全發(fā)生故障時(shí)，信號才不能從輸入端達(dá)到輸出端。 此時(shí)系統(tǒng)的故障率為各部件故障率的乘積： 該系統(tǒng)通過冗余設(shè)計(jì)， 以提高系統(tǒng)的可靠性。,可靠度分配,可靠度的設(shè)計(jì)包括以下幾個方面： 可靠性目標(biāo)確定； 可靠度的分配； 系統(tǒng)可靠性調(diào)整； 設(shè)計(jì)內(nèi)容。 可靠性的設(shè)計(jì)可參考浙江大學(xué) 陳裕全、李光著的P.32。,傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn),與測試條件有關(guān)的事項(xiàng)； 與傳感器性能有關(guān)的事項(xiàng)； 與使用條件有關(guān)的事項(xiàng)； 與購買和維修有關(guān)的事項(xiàng)。,第一章主要內(nèi)容,靜態(tài)特性定義；主要指標(biāo)（靈敏度、線性度和遲滯）； 動態(tài)特性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；零階、一階和二階傳感器的頻率特性結(jié)論；暫態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的可靠性,