传感器原理及应用教程-(精品课件).ppt

2.1 传感器的组成和分类 传感器定义有以下含义 ①它能完成检测任务，是由敏感元件和转换元件构成检测装置； ②输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； ③能按一定规律将被测量转换成电信号输出，输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； ④传感器的输出与输入之间存在确定的对应关系。 按使用场合不同又称为： 发送器、传送器、变送器、检测器、探头 3、传感器的组成 2.2 传感器的特性与主要性能指标 4．迟滞 5．重复性(Repeatability) 2.2 传感器的特性与主要性能指标 传感器动态特性可用下列微分方程描述 下面只研究零阶、一阶、二阶系统： 1．零阶传感器动态特性指标 零阶传感器的输出通过下列类型的方程与其输入相联系 y(t)=kx(t) 传感器的传输函数 G(s)=k 传感器的频率特性 G(jω)=k k：静态灵敏度或放大系数。 零阶传感器是比例传感系统，传函恒定不变。因此，传感器的动态误差和延迟两者皆为零。 上式的输入—输出关系要求传感器不包含任何储能元件。例如，用来测量线性位移和旋转位移的电位器型传感器。 2．一阶传感器动态特性指标 在一阶传感器中包含一个储能元件和另一些耗能元件。输入x(t)和输出y(t)由一阶微分方程描述： 相应的传递函数为： K——静态灵敏度(静态增益) ，K= 1/a0 τ—时间常数，τ= a1/a0 对初始状态为零的传感器, 当输入一个单位阶跃信号 一阶传感器的单位阶跃响应信号为    相应的响应曲线如图2-7所示。由图可见, 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。理论上传感器的响应只在t趋于无穷大时才达到稳态值, 但实际上当t=4τ时其输出达到稳态值的98.2%, 可以认为已达到稳态。τ越小, 响应曲线越接近于输入阶跃曲线, 因此, τ值是一阶传感器重要的性能参数。 二阶传感器包含两个储能元件和一些耗能元件。如，由质量、弹簧和阻尼器构成的加速度传感器，可变电感、分布电容和匹配电阻构成的位移传感器，均为经典的二阶系统。传感器输入x(t)和输出y(t)由二阶微分方程相联系： 传递函数： 3．二阶传感器动态特性指标 τ—时间常数， ； ωn—固有频率,ωn=1/τ ξ—阻尼系数， ； k—静态灵敏度，k=b0/a0 (常取为1) 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 (a) ωτ (b) 0 -30° -60° -90° -120° -150° -180° 0.5 1 1.5 2 2.5 ωτ ξ=0 ξ=0.2 ξ=0.4 ξ=0.6 ξ=1 ξ=0.8 ξ=0.707 ξ=0 ξ=0.2 ξ=0.4 ξ=0.6 ξ=0.707 ξ=0.8 ξ=1 ξ=0.8 ξ=1 ξ=0.707 ξ=0.6 ξ=0.4 ξ=0.2 ξ=0 二阶传感器幅频与相频特性 （a）幅频特性 （b）相频特性 ?当ξ→0时，在ωτ=1处A(ω)趋近无穷大，这一现象称之为谐振。随着ξ的增大，振荡现象逐渐不明显。 ?当ξ≥0.707时，不再出现振荡，这时A(ω)将随着ωτ的增大而单调下降。 阻尼系数的影响 A(ω) 二阶传感器的阶跃响应 单位阶跃响应通式 ωn—传感器的固有频率；ζ—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）0＜ξ＜1(有/欠阻尼)：该特征方程具有共轭复数根? 方程通解? 根据t→∞,y→kA求出A3；根据初始条件 求出A1、A2，则 令x=A 其曲线如图,这是一衰减振荡过程,ξ越小,振荡频率越高,衰减越慢。 tw 0.02 1 t tm δm ξ1的二阶传感器的过渡过程 (设允许相对误差γy=0.02) 2)ξ=0(零阻尼)：输出变成等幅振荡，即 发生时间 过冲量 稳定时间 tW=4τ/ξ 4）ξ1 (过阻尼)：特征方程具有两个不同的实根 3) ξ=1(临界阻尼)：特征方程具有重根-1/τ,过渡函数为 上两式表明，当ξ≥1时，该系统不再是振荡的，而是由两个一阶阻尼环节