北航传感器原理8

传感器技术及应用——传感器的特性（五）李成2013.04.09

思考题(第2讲：传感器的特性)1.传感器的动态特性?2.传感器动态无失真条件？3.传感器动态特性的时、频域分析函数？4.传感器动态特性的指标？课程回顾：2.8.1一阶传感器的单位阶跃响应y(t)=1et/时间常数表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最终稳定值的63.5%所经过的时间。只用到一个实验数据。一阶传感器的阶跃响应(a)单位阶跃信号；(b)一阶传感器阶跃响应曲线传感器的动态参数确定方法：主要是研究传感器的动态响应特性，即频率响应、时间常数、固有频率、和阻尼比等2.8传感器的动态标定动态标定—研究动态响应—确定动态响应参数

若改写上式为：1y(t)=et/=ez，

z=ln1y(t)

其中，z=t/，z与t线性。作z~t曲线，其斜率t/z=，由此确定时间常数考虑了传感器瞬态响应的全过程。求一阶传感器时间常数方法2.8.1一阶传感器的单位阶跃响应2.8传感器的动态标定

传感器对阶跃输入的响应曲线是传感器输出与时间的关系曲线，所以又称为时域曲线。

若传感器振荡周期Td是稳定的，而且振荡幅度有规律地单调减小，则传感器（或测压系统）可以近似地看成是二阶系统。

只要能得到传感器的无阻尼固有频率和阻尼比，那么传感器的幅频特性和相频特性可分别表示为2.8传感器的动态标定2.8.2二阶传感器的单位阶跃响应

确定传感器的阻尼比和固有频率n

。欠阻尼二阶传感器的阶跃响应二阶传感器(1)的阶跃响应2.8.2二阶传感器的单位阶跃响应2.8传感器的动态标定y(t)以d=n√1–2作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值对应的时间tp=0，/d，2/d，……，将t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M

或

测得M，由上式或-M曲线，可求阻尼比；由标定测得的tp

，得fdd

n。2.8.2二阶传感器的单位阶跃响应2.8传感器的动态标定-M曲线标定方法

对压力计进行校验，分为静态校定和动态校定。2.8传感器的动态标定2.8.4压力传感器的静态标定实际压力计的静态标定？与动态标定的不同？静态标定方法静态校验主要是测定静态精度，确定仪表的等级，两种方法：一种叫“砝码校验法”（使用活塞式压力计进行校验），一种叫“标准表比较法”。标准表比较法将被测的压力计与一只标准压力计进行比较的方法。选用的标准压力计的精度应该比被校的压力计精度高两极，校验时被较的压力计的读数与标准压力计的数值越接近越好。标准表比较法需要的设备有压力泵（或称压力表校验器）和标准压力计。砝码校验法应用静压平衡原理。这种校验方法的基本设备是活塞式压力校验器（或称活塞式压力计）。2.8传感器的动态标定2.8.4压力传感器的静态标定活塞式压力校验器活塞式压力计的原理当作用在活塞下端的油压与活塞、托盘和砝码的重力以及摩擦力相平衡时，活塞就被托起并稳定在一定位置上，因此根据所加砝码与活塞、托盘的重力以及活塞承压的有效面积就可确定被测压力的数值。其中，m0-活塞和托盘的质量（kg）；m-砝码质量（kg）；A-活塞承压的有效面积（m2）；p：工作液压力，Pa。2.8传感器的动态标定2.8.4压力传感器的静态标定砝码校验的静态校验流程：①校验压力计以前，将活塞压力计放到便于操作、无震动的工作台上。然后调节支撑螺钉，观察水准器将活塞压力计调至水平。——调平②把传压介质（变压器油或蓖麻油）灌入油杯内，反复旋转手摇泵手轮，以排除测量系统内腔中的空气。——排空气③关死油杯阀8，缓慢地旋转手轮，检查油路是否畅通，若无问题，即可装上被校验的压力计。——试压④打开油杯阀8，反时针旋转手摇泵手轮，使手摇泵将油吸入气缸内。⑤关死油杯阀，拧开阀6、10、13，顺时针旋转手轮产生初压使活塞盘升起，并旋转活塞盘，直到与定位指示板的刻度线相齐为止。——调零⑥把砝码加到活塞盘上，并使砝码和活塞盘处于旋转状态，所加砝码重力应与所校验的压力值相对应。再旋转手轮加压使活塞盘升起，并与定位指示板刻度线相齐。为减小活塞内摩擦阻力，活塞以不小于30转/分的角速度向顺时针方向旋转。⑦依次增加或减少砝码，校验各需要校验的点。⑧校验完毕后，反时针旋转手轮逐步卸下砝码，最后打开油杯阀，将砝码全部取下。2.8传感器的动态标定2.8.4压力传感器的静态标定注意事项：①活塞和缸经过很好的表面加工和配合，故摩擦阻力减至最小。由于活塞、油和缸间存在粘滞现象，在加取砝码时，要求转动砝码盘，故起作用的是动摩擦而不是静摩擦。②由于活塞的面积和活塞本身的重力固定不变，所以专用砝码的重力和液压所产生的压力具有简单的比例关系。③一般生产厂家在出厂前已将砝码校好，并标上相应的压力值，因此校验压力计只要在静压平衡时直接读取砝码数即可。④活塞式压力计由制造厂按一给定的g值进行修正，通常g的标准是9.860665米/秒2，如果有必要，用户还应按当地g的变化进行修正。2.8传感器的动态标定2.8.4压力传感器的静态标定2.8.5压力传感器的动态标定压力传感器的动态标定方法有正弦激励法、半正弦激励（落球、落锤冲击）法和阶跃压力激励法。2.8传感器的动态标定

●动态信号压力源：产生满意的周期或阶跃压力；并能可靠地确定其真实压力-时间关系。

●稳态标定（需周期性稳态压源）活塞与缸筒式稳态压力源，如右图。调节手柄可以改变压力的幅值，可获得70kg/cm2的峰值压力，频率可达100Hz。活塞缸筒稳态压力源示意图1-接被检压力计；2-接标准压力计；3-飞轮；4-调节手柄

●非稳态标定利用非稳态（阶跃）压力信号和阶跃函数理论进行标定。非稳态（阶跃）压力源有：快卸荷阀；脉冲膜片；闭式爆炸器；激波管等。●激波管非稳态压力标定

特点：

●结构简单，可产生较理想的瞬态“标准”压力；

●压力幅度范围宽，便于改变压力值；

●压力频率范围宽（2kHz~1.5MHz）；

●便于分析研究和数据处理。2.8传感器的动态标定2.8.5压力传感器的动态标定

1.结构：主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气源等组成，如下图所示。激波管非稳态压力标定2.原理：激波管所产生的激波如右图所示。

入射激波的阶跃压力为

反射激波的阶跃压力为

式中，Ms—马赫数。由测速系统决定。激波管非稳态压力标定(a)激波管结构示意图(a)膜片破裂前情况(c)膜片破裂后、稀疏波反射前情况(d)稀疏波反射后情况(e)反射激波波动情况3.标定测量系统

由被标定传感器4和5、前置电荷放大器10及记忆示波器11等组成，可测阶跃响应波形，如下图所示。由响应波形进行数据分析处理，直接求得传感器的幅频特性及动态灵敏度。

传感器4响应入射激波阶跃压力，传感器5响应反射激波阶跃压力。

4.气源系统由气源、气压表、泄气门等组成。常采用压缩空气或氮气。被标定传感器输出波形激波管非稳态压力标定2.8.6加速度传感器灵敏度的标定校准方法通常有绝对校准法和比较校准法。绝对法常用于标定高精度传感器或标准传感器，而工程中最常用的是比较校准方法。加速度传感器的灵敏度是指它所承受的加速度与所产生电量的比值。对压电加速度传感器，通常以pC·s2/m（或pC/g）和mV·s2/m（或mV/g）表示，前者称为电荷灵敏度，后者为电压灵敏度。2.8传感器的动态标定（1）加速度传感器灵敏度的绝对法标定

振幅测量法是各国进行绝对校准的主要方法。它是通过一套标准装置激励被标定的加速度传感器，测出被标定传感器的输出电量和激励设备的振动频率与振幅，再计算出被标定传感器的灵敏度，即——被校传感器输出电压（峰值）；——激励设备振动频率；——激励设备振幅；——激励设备振动加速度，2.8传感器的动态标定2.8传感器的动态标定

振动信号源：振动台产生正弦激励的标定信号。

激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的振幅值Xm(m)；

精密数字频率计测出振动台的振动频率f(1/s)；

精密数字电压表测出传感器输出电压值Erms(mV)。被标振动传感器的加速度灵敏度Sa为（2）振动传感器灵敏度的比较法标定

2.8传感器的动态标定将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值Ua和U，若标准测振传感器的加速度灵敏度为Sa0，则被标传感器加速度灵敏度Sa为