传感器的基特性-生物医学传感器ppt课件

1、第第2 2章章 传感器的根本特征传感器的根本特征授课教师：齐秋菊授课教师：齐秋菊授课期班：授课期班：07生工生工授课时间：授课时间：180分钟分钟Page 2医学仪器教研室医学仪器教研室知识回想知识回想n传感器的定义、特点以及组成n传感器的作用n医用传感器的用途和分类提供信息、监护、生化检验、自动控制、治疗n任务原理、被丈量种类、人体感官对应n医用传感器的特性和要求n医用传感器的开展Page 3医学仪器教研室医学仪器教研室n 传感器的特性传感器的特性 主要指其转化信息的才干和性质。主要指其转化信息的才干和性质。这种才干和性质常用传感器输入和输出的对应关系这种才干和性质常用传感器输入和输出的对应

2、关系来描画。来描画。n 传感器的静态特性传感器的静态特性 当输入量为静态量时，其输出当输入量为静态量时，其输出输入关系称为静态特性。输入关系称为静态特性。n 静态量静态量 是指常量或变化缓慢的量。是指常量或变化缓慢的量。n 传感器的动态特性传感器的动态特性 当输入量为动态量时其输入输当输入量为动态量时其输入输出关系称为动态特性。出关系称为动态特性。n 动态量动态量 是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量是指周期变化、瞬态变化或随机变化的量Page 4医学仪器教研室医学仪器教研室第一节第一节 传感器的静态特性传感器的静态特性一、静态特性1.定义：假设传感器的输入量在较长时间维持不变或发生极其缓慢的

3、变化那么传感器的输出量与输入量间的关系即为静态特性。2.分类： 一般情况次数为偶数次数为奇数非线性特性线性特性Page 5医学仪器教研室医学仪器教研室nxaxaxaxaayn 3322103.数学模型数学模型YY输出信号；输出信号；XX输入信号；输入信号；a0a0无输入时的输出，零位输出；无输入时的输出，零位输出；a1a1传感器的线性灵敏度；传感器的线性灵敏度；a2,a3, ana2,a3, an非线性项的待定常数非线性项的待定常数Page 6医学仪器教研室医学仪器教研室n 理想线性特性理想线性特性n 当当a0=a2=a3=an=0时，输时，输入输出之间具有理想的线性入输出之间具有理想的线性关

4、系，此时传感器的静态特关系，此时传感器的静态特性为：性为：0XYxay1其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称其静态特性曲线是一条直线，具有这种特性的传感器我们称之为线性传感器。之为线性传感器。Page 7医学仪器教研室医学仪器教研室n 对于理想线性的传感器，其输出量随输入量的变化也是线性的，即：xay1y - 输出量变化；x - 输入量变化；n 这时这时 ，其中的，其中的a1叫做传感器的灵敏度。叫做传感器的灵敏度。xyxya1Page 8医学仪器教研室医学仪器教研室n 非线性项为偶数n 当a3=a5=a7=0时特性曲线如下图：n 特点：不具有对称性，且线性范围较窄，所以传感器设

5、计时普通很少采用这种特性。.44221xaxaxayPage 9医学仪器教研室医学仪器教研室n 非线性项次数为奇数n 当a2=a4=0时，特性曲线如下图。n 特点：n a.特性曲线关于原点对称y( x )=-y( -x )。n b.特性曲线在原点有较宽的线性区.55331xaxaxayPage 10医学仪器教研室医学仪器教研室n 普通情况n 当a0=0时特性曲线如下图：nnxaxaxay.221n 此时的特性曲线如图，虽然经过原点，但不具有对称性。Page 11医学仪器教研室医学仪器教研室n 利用数学模型讨论差动丈量的优越性n 设一个传感器的输出为：n 另一个一样的传感器经适当的链接使之产生相

6、反的位移，这时的输出为：n 输出的差为：.44332210 xaxaxaxaay.)(233121xaxayyy.44332210 xaxaxaxaayPage 12医学仪器教研室医学仪器教研室二、静态特性目的二、静态特性目的 1.丈量范围丈量范围 2.灵敏度灵敏度 3.线性度线性度 4.迟滞迟滞 5.稳定性稳定性 6.环境特性环境特性Page 13医学仪器教研室医学仪器教研室1.丈量范围丈量范围丈量范围：输入量的取值范围。丈量范围：输入量的取值范围。限制丈量范围的要素：限制丈量范围的要素： 传感元件的丈量范围有一定的限制。传感元件的丈量范围有一定的限制。如弹性元件。如弹性元件。 变换电路的任

7、务范围也是有限制的。变换电路的任务范围也是有限制的。如电桥。如电桥。Page 14医学仪器教研室医学仪器教研室2.灵敏度灵敏度定义：传感器的灵敏度指传感器到达稳定后定义：传感器的灵敏度指传感器到达稳定后输出变化量输出变化量y对输入变化量对输入变化量x的比值。的比值。公式：公式：灵敏度界限的定义：灵敏度界限的定义： 输入变化输入变化x时，输出变化时，输出变化y， x变小变小y也变小，但是普通来说也变小，但是普通来说x小到一定程小到一定程度时，度时， y就不再发生变化了，这时的就不再发生变化了，这时的x叫做灵敏度界限。叫做灵敏度界限。Page 15医学仪器教研室医学仪器教研室3.线性度线性度定义：

8、指在规定条件下传感器的特定义：指在规定条件下传感器的特性曲线与拟合直线间的最大偏向性曲线与拟合直线间的最大偏向LMAX与传感器满量程与传感器满量程FS输出值输出值yFS的百分比。的百分比。公式：公式：意义：反映传感器偏离线性的程度。意义：反映传感器偏离线性的程度。Page 16医学仪器教研室医学仪器教研室4.迟滞定义：对于同一个大小的输入行程，传感器正反行程的输出信号大小不等，这种景象称为迟滞。公式：产生缘由：各种传感元件资料的物理性质。%100HmaxLFSyPage 17医学仪器教研室医学仪器教研室5.稳定性稳定性定义：在传感器输入端加上同样的输入时，即使环境定义：在传感器输入端加上同样的

9、输入时，即使环境条件完全一样，所得到的输出较之以前有所不同。条件完全一样，所得到的输出较之以前有所不同。传感器特性不稳定的缘由：传感器特性不稳定的缘由： 传感器长时间放置不用。经时变化传感器长时间放置不用。经时变化 传感器接受不适当的外界应力或进展不用要的加热。传感器接受不适当的外界应力或进展不用要的加热。传感器在延续运用过程，遭到外界信号干扰或传感传感器在延续运用过程，遭到外界信号干扰或传感器投入运用的时间过长。漂移器投入运用的时间过长。漂移传感器在刚接通电源前后任务是不稳定的，在接通传感器在刚接通电源前后任务是不稳定的，在接通电源升温时间内最好防止运用传感器。电源升温时间内最好防止运用传感

10、器。Page 18医学仪器教研室医学仪器教研室6.6.环境特性环境特性影响传感器的环境要素：影响传感器的环境要素：温度的变化是在影响传感器特性中最普遍又最重要的温度的变化是在影响传感器特性中最普遍又最重要的要素。要素。气压的变化传感元件或容器会产生体积的变化，因此气压的变化传感元件或容器会产生体积的变化，因此特性也跟着变化。特性也跟着变化。湿度的变化对光学传感器或电容传感器的影响尤为明湿度的变化对光学传感器或电容传感器的影响尤为明显，由于湿度的变化会使光学传感器折射率发生改动，显，由于湿度的变化会使光学传感器折射率发生改动，电容传感器介电常数发生改动。电容传感器介电常数发生改动。电源的变化电源

11、电压动摇会引起灵敏度和输出漂移。电源的变化电源电压动摇会引起灵敏度和输出漂移。电源电压的动摇会直接使电桥电路的不平衡电压产生电源电压的动摇会直接使电桥电路的不平衡电压产生变化。电源频率的变化除了对利用交流磁场的传感器变化。电源频率的变化除了对利用交流磁场的传感器有所影响外，对其他传感器影响不大。有所影响外，对其他传感器影响不大。Page 19医学仪器教研室医学仪器教研室第二节第二节 传感器的动态特性传感器的动态特性n 为什么学习传感器的动态特性？为什么学习传感器的动态特性？n 答：只需输入量是时间函数，那么输出量也是时答：只需输入量是时间函数，那么输出量也是时间函数，其间的关系要用动态特性来阐

12、明。间函数，其间的关系要用动态特性来阐明。n 如何学习传感器的动态特性？如何学习传感器的动态特性？n 答：建立动态的数学模型，用数学中的逻辑推理答：建立动态的数学模型，用数学中的逻辑推理和运算方法，分析传感器在动态变化的输入量作和运算方法，分析传感器在动态变化的输入量作用下，输出量如何随时间改动。用下，输出量如何随时间改动。Page 20医学仪器教研室医学仪器教研室n 例1：图示是一个简单的传感安装，主要由弹簧元件和黏性阻尼器组成,想x(t)表示该安装的输入鼓励，y(t)表示系统的输出位移。n 根据图可列微分方程：)()()(01txtykdttdyk0k1k弹簧弹性系数阻尼器阻尼系数Page

13、 21医学仪器教研室医学仪器教研室n 例2 图中有三部分组成，分别为动木块m、弹簧元件和黏性阻尼器，列出该系统的微分方程。n 解：根据图例，可列的微分方程为：)()()()(0122txtykdttdykdttydm0k弹簧弹性系数1k阻尼器阻尼系数Page 22医学仪器教研室医学仪器教研室一、传感器动态特性的数学模型xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111.1.普通表达式普通表达式表达式中的各系数都是与系统构造参数有关的常数Page 23医学仪器教研室医学仪器教研室2.零阶传感器零阶传感器kxxLUUr传感器的特性方程不

14、含有输出量传感器的特性方程不含有输出量y(t)的导数项故称为零阶微的导数项故称为零阶微分方程，相对应，传感器称为零阶传感器。分方程，相对应，传感器称为零阶传感器。Page 24医学仪器教研室医学仪器教研室RTTqqdtdTmC/)(11001013.一阶传感器一阶传感器假设热电偶的质量为m，比热为c，热接点温度T1；被测介质温度为T0；被测介质与热电偶之间的热阻为R。根据能量守恒定律，列出热电偶的热平衡方程有：011TTdtdT 将上面的两个式整理消去中间变量,并令时间常数=RmC得：q01是被测介质传送给热电偶的能量Page 25医学仪器教研室医学仪器教研室4.二阶传感器二阶传感器)()()

15、()(M22tPtykdttdyRdttydse)()()()(001222txbtyadttdyadttyda如图，丈量心内压的液压耦合导管压力传感器。弹性元件的弹性系数；eMsk导管和压力室中液体的质量；液体的粘性阻尼。RPage 26医学仪器教研室医学仪器教研室二、传感器的传送函数xbdtdxb.dtxdbdtxdbyadtdya.dtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111n对于一个复杂的系统或输入信号，求解其微分方程是很困难对于一个复杂的系统或输入信号，求解其微分方程是很困难的，因此可以采用足以反映系统动态特性的函数，将系统的的，因此可以采用足以反映系统动态特性的

16、函数，将系统的输入输出联络起来，工程中常用的函数有传送函数、频率呼输入输出联络起来，工程中常用的函数有传送函数、频率呼应、脉冲呼应函数和阶跃呼应。应、脉冲呼应函数和阶跃呼应。Page 27医学仪器教研室医学仪器教研室)bsb.sbsX(s)(b)as.asasY(s)(ammmmnnnn0111011101110111asa.sasabsb.sbsbX(s)Y(s)H(s)nnnnmmmm整理得：整理得：对上式进展拉氏变换，得：对上式进展拉氏变换，得：Page 28医学仪器教研室医学仪器教研室n 例：求一阶传感器的传送函数)()()(001txbtyadttdya对其进展拉氏变换)()s()1

17、S(skxy1)()()(sksXsYsH整理得到传送函数00abk 静态灵敏度；静态灵敏度；01aa时间常数。时间常数。Page 29医学仪器教研室医学仪器教研室n 例：求二阶传感器的传送函数)()()()(001222txbtyadttdyadttyda对其进展拉氏变换)() s () 12(0202skxys20022002022) 12)()()(sskssksXsYsH（对其进展拉氏变换Page 30医学仪器教研室医学仪器教研室00abk 200aa2012aaa静态灵敏度；静态灵敏度；无阻尼的固有频率；无阻尼的固有频率；阻尼比。阻尼比。Page 31医学仪器教研室医学仪器教研室小结

18、小结n传感器的静态特性理想线性、非线性项次数为传感器的静态特性理想线性、非线性项次数为偶数偶数n传感器的静态特性目的丈量范围灵敏度，线性传感器的静态特性目的丈量范围灵敏度，线性度、迟滞、稳定、环境度、迟滞、稳定、环境n传感器的动态特性表述传感器的动态特性表述n传感器动态特性的数学模型零阶、一阶、二阶传感器动态特性的数学模型零阶、一阶、二阶n传感器的传送函数拉氏变换传感器的传送函数拉氏变换Page 32医学仪器教研室医学仪器教研室作业作业n 某位移传感器，在输入量变化5 mm时，输出电压变化为300 mV，求其灵敏度。n 传感器差动丈量的优点是什么？用传感器静态方程来阐明这一优点。n 知一种传感

19、器微分方程 ，其中y为输出电压mV，x为输入温度。试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。xydtdy15. 0330Page 33医学仪器教研室医学仪器教研室三、传感器的动态呼应三、传感器的动态呼应概念概念瞬态呼应：输出信号到达新的稳定形状以前的呼瞬态呼应：输出信号到达新的稳定形状以前的呼应特性，又叫暂态呼应。应特性，又叫暂态呼应。稳态呼应：当时间稳态呼应：当时间t趋于无穷大时传感器的输出趋于无穷大时传感器的输出形状。形状。频率呼应：在频域中对系统信息传送特性的描画，频率呼应：在频域中对系统信息传送特性的描画，与系统的输入和时间都没有关系。与系统的输入和时间都没有关系。Page 34医学仪器教研

20、室医学仪器教研室n怎样研讨这三种呼应？怎样研讨这三种呼应？n研讨传感器的瞬态呼应时，常用阶跃信号作为研讨传感器的瞬态呼应时，常用阶跃信号作为输入信号，由于它是瞬变信号。输入信号，由于它是瞬变信号。n研讨稳态呼应时，常用正弦信号，由于医学中研讨稳态呼应时，常用正弦信号，由于医学中所研讨的信号多是周期性的，而周期性信号都所研讨的信号多是周期性的，而周期性信号都可以看成是正弦函数的叠加。可以看成是正弦函数的叠加。n用傅里叶变换替代拉普拉斯变换，即将传送函用傅里叶变换替代拉普拉斯变换，即将传送函数中的变量数中的变量s置换为置换为j。Page 35医学仪器教研室医学仪器教研室1.瞬态呼应一阶传感器：)0

21、)(1 ()(tektyt求解方法：求解方法：对传送函数对传送函数整理得：整理得：单位阶跃函数的拉普拉斯变换为：单位阶跃函数的拉普拉斯变换为：1)()()(sksXsYsH)(1)()()(sXsksXsHsYssX1)(进展拉普拉斯反变换：进展拉普拉斯反变换：代入上式：代入上式：ssksY1.1)()0)(1 ()(tektytPage 36医学仪器教研室医学仪器教研室n 二阶传感器瞬态呼应)(ty三种形状：欠阻尼、临界阻尼、过阻尼。从实际上说，临界阻尼形状时呼应时间最短。实践上普通多是使系统处于稍欠阻尼形状，这样便于调整。为了兼顾到短的上升时间和小的过冲两方面，阻尼比普通取0.7左右。)

22、1()1 ()(00tketktyt02002202)()()(sksXsYsHPage 37医学仪器教研室医学仪器教研室瞬态呼应特性目的时间常数是描画一阶传感器动态特性的重要参数，越小，呼应速度越快。二阶传感器阶跃呼应的典型性能目的可由图表示Page 38医学仪器教研室医学仪器教研室Page 39医学仪器教研室医学仪器教研室2.稳态呼应对正弦函数和余弦函数分别做拉式变换，得：代入代入)()()(sXsHsY22sin)(ssX22cos)(sssX例如输入量例如输入量 整理得后进展拉式发变换，得：整理得后进展拉式发变换，得：)sin(1)(220txtyn 在输出信号中含有与输入量周期一样的

23、成分；n 振幅和相位都与 有关。txtxsin)(0得出的系统呼应得出的系统呼应y(t)包括瞬态包括瞬态呼应成分和稳态呼应成分。但呼应成分和稳态呼应成分。但瞬态呼应逐渐消逝。瞬态呼应逐渐消逝。arctanPage 40医学仪器教研室医学仪器教研室002,2TT故n 和T0决议了系统的增益和相位滞后n 假设T0 ，即输入信号的周期T0比系统的时间常数 大很多时，输出振幅几乎等于输入信号振幅，而且相位滞后比较小；n 假设T0比较小，输出信号的振幅与输入信号振幅之比那么较小，相位滞后增大。Page 41医学仪器教研室医学仪器教研室3.频率呼应函数01110111asa.sasabsb.sbsbX(s

24、)Y(s)H(s)nnnnmmmm拉普拉斯变换拉普拉斯变换傅里叶变换傅里叶变换01110111a)(ja.)(ja)(jab)(jb.)(jb)(jb)X(j)Y(j)H(jnnnnmmmm它是在频域中对系统信息传送特性的描画，且仅是频率函数，它是在频域中对系统信息传送特性的描画，且仅是频率函数，与时间和输入无关。与时间和输入无关。)H(j称为传感器的频率呼应函数，称为传感器的频率呼应函数， 是是 一种特一种特例。例。H(s)H(jPage 42医学仪器教研室医学仪器教研室n 幅频特性：反映传感器的动态灵敏度n 相频特性：表示输出超前输入的角度，通常输出总是滞后于输入，故常为负值。)()()(

25、)()(jIReAjHHjH)()(arctanRIHH）（22)()()()(IRHHjHAPage 43医学仪器教研室医学仪器教研室n 一阶传感器的频率呼应函数1)()()(sksXsYsH1)()()(jkjXjYjH其幅频呼应其幅频呼应 和相频呼应和相频呼应 分别为：分别为：）（)H(j221)(kjHarctan）（Page 44医学仪器教研室医学仪器教研室n 二阶传感器的频率呼应n 其幅频特性和相频特性分别为：2nn1()1 ()2H jj222nn1( )1 ()(2)A22( )1 ()nnarctan Page 45医学仪器教研室医学仪器教研室u二阶传感器的幅频特性、相频特性

26、图：幅频特性幅频特性相频特性相频特性Page 46医学仪器教研室医学仪器教研室第三节第三节 传感器动态特性分析传感器动态特性分析传感器动态呼应分析，分为时域分析和频域分析。时域分析方法：将传感器的微分方程变为拉普拉斯函数，进展代数运算后，进展拉普拉斯逆运算，得出y(t).频域分析方法：只需求求出幅值和相位随变化的表达式就可以了。Page 47医学仪器教研室医学仪器教研室【例2-4】 一阶传感器的时域分析一阶传感器的时域表达式为：)01)(tetyt（该式可看成是由稳态分量和瞬态分量两部分组成。一阶传感器的时间常数越小越好Page 48医学仪器教研室医学仪器教研室【例2-5】 一阶传感器的频域分

27、析一阶传感器的频域呼应函数为：1)()()(jkjXjYjH2211)(jH其对数幅值为：规范型取k=1，幅频呼应为：)(1lg2022dB在低频段，即 ，11lg201lg2022dB01lg201lg2022在高频段，即 ，Page 49医学仪器教研室医学仪器教研室对数幅频特性为：)(1lg2022dB相频特性为：arctanPage 50医学仪器教研室医学仪器教研室 频率呼应特性目的频率呼应特性目的 频带频带 传感器增益坚持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲传感器增益坚持在一定值内的频率范围，即对数幅频特性曲线上幅值衰减线上幅值衰减-3dB时所对应的频率范围，称为传感器的频时所对应的

28、频率范围，称为传感器的频带或通频带，对应有上、下截止频率。带或通频带，对应有上、下截止频率。 时间常数时间常数 用时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性，来表征一阶传感器的动态特性，越小，频带越越小，频带越宽。宽。 固有频率固有频率0 二阶传感器的固有频率二阶传感器的固有频率0表征了其动态特性。表征了其动态特性。Page 51医学仪器教研室医学仪器教研室一、静态误差：一、静态误差：1.误差源：误差源：把传感器放入丈量位置的过程所呵斥的误差；把传感器放入丈量位置的过程所呵斥的误差；传感器本身存在于被测物体中所引起的误差；传感器本身存在于被测物体中所引起的误差；传感器本身的特性引起的误差。传

29、感器本身的特性引起的误差。2.对传感器特性的要求：对传感器特性的要求：输入为零时要求输出也为零；输入为零时要求输出也为零；对某个确定的输入值，按照对应关系输出值也应该是对某个确定的输入值，按照对应关系输出值也应该是确定的。确定的。第四节第四节 传感器的误差传感器的误差Page 52医学仪器教研室医学仪器教研室3.与输入有关的误差与输入有关的误差 传感器的非线性和迟滞性随着传感器的非线性和迟滞性随着x的增大会产生明显的误的增大会产生明显的误差；在由于环境条件变化带来的误差中，温度的变化差；在由于环境条件变化带来的误差中，温度的变化所产生的误差最为显著，另外由于气压、湿度、振动、所产生的误差最为显

30、著，另外由于气压、湿度、振动、电源电压动摇带来的误差也不容忽视。电源电压动摇带来的误差也不容忽视。4.与输入无关的误差与输入无关的误差 由构成传感器的各个元件所产生的噪声组合，它包括内由构成传感器的各个元件所产生的噪声组合，它包括内部产生的噪声和外部产生的噪声。部产生的噪声和外部产生的噪声。Page 53医学仪器教研室医学仪器教研室二、动态误差二、动态误差1. 稳态误差：输出量到达稳定形状后与输入信号之稳态误差：输出量到达稳定形状后与输入信号之间的差别。间的差别。2. 瞬态误差：当输入信号发生越变时输出量由一个瞬态误差：当输入信号发生越变时输出量由一个稳态到另一个稳态之间过渡过程中的误差。稳态到另一个稳态之间过渡过程中的误差。Page 54医学仪器教研室医学仪器教研室第五节第五节 传感器的标定和校准传感器的标定和校准 传感器的标定是经过实验