傳感器技術及應用——傳感器的特性（五）李成2013.04.09

思考題(第2講：傳感器的特性)1.傳感器的動態特性?2.傳感器動態無失真條件？3.傳感器動態特性的時、頻域分析函數？4.傳感器動態特性的指標？課程回顧：2.8.1一階傳感器的單位階躍響應y(t)=1et/時間常數表示傳感器在階躍信號作用下，其響應的輸出值達到最終穩定值的63.5%所經過的時間。只用到一個實驗數據。一階傳感器的階躍響應(a)單位階躍信號；(b)一階傳感器階躍響應曲線傳感器的動態參數確定方法：主要是研究傳感器的動態響應特性，即頻率響應、時間常數、固有頻率、和阻尼比等2.8傳感器的動態標定動態標定—研究動態響應—確定動態響應參數

若改寫上式為：1y(t)=et/=ez，

z=ln1y(t)

其中，z=t/，z與t線性。作z~t曲線，其斜率t/z=，由此確定時間常數考慮了傳感器瞬態響應的全過程。求一階傳感器時間常數方法2.8.1一階傳感器的單位階躍響應2.8傳感器的動態標定

傳感器對階躍輸入的響應曲線是傳感器輸出與時間的關系曲線，所以又稱為時域曲線。

若傳感器振蕩周期Td是穩定的，而且振蕩幅度有規律地單調減小，則傳感器（或測壓系統）可以近似地看成是二階系統。

只要能得到傳感器的無阻尼固有頻率和阻尼比，那么傳感器的幅頻特性和相頻特性可分別表示為2.8傳感器的動態標定2.8.2二階傳感器的單位階躍響應

確定傳感器的阻尼比和固有頻率n

。欠阻尼二階傳感器的階躍響應二階傳感器(1)的階躍響應2.8.2二階傳感器的單位階躍響應2.8傳感器的動態標定y(t)以d=n√1–2作衰減振蕩，按求極值的方法可得各振蕩峰值對應的時間tp=0，/d，2/d，……，將t=/d代入y(t)的表達式，可得最大過沖量M

或

測得M，由上式或-M曲線，可求阻尼比；由標定測得的tp

，得fdd

n。2.8.2二階傳感器的單位階躍響應2.8傳感器的動態標定-M曲線標定方法

對壓力計進行校驗，分為靜態校定和動態校定。2.8傳感器的動態標定2.8.4壓力傳感器的靜態標定實際壓力計的靜態標定？與動態標定的不同？靜態標定方法靜態校驗主要是測定靜態精度，確定儀表的等級，兩種方法：一種叫“砝碼校驗法”（使用活塞式壓力計進行校驗），一種叫“標準表比較法”。標準表比較法將被測的壓力計與一只標準壓力計進行比較的方法。選用的標準壓力計的精度應該比被校的壓力計精度高兩極，校驗時被較的壓力計的讀數與標準壓力計的數值越接近越好。標準表比較法需要的設備有壓力泵（或稱壓力表校驗器）和標準壓力計。砝碼校驗法應用靜壓平衡原理。這種校驗方法的基本設備是活塞式壓力校驗器（或稱活塞式壓力計）。2.8傳感器的動態標定2.8.4壓力傳感器的靜態標定活塞式壓力校驗器活塞式壓力計的原理當作用在活塞下端的油壓與活塞、托盤和砝碼的重力以及摩擦力相平衡時，活塞就被托起并穩定在一定位置上，因此根據所加砝碼與活塞、托盤的重力以及活塞承壓的有效面積就可確定被測壓力的數值。其中，m0-活塞和托盤的質量（kg）；m-砝碼質量（kg）；A-活塞承壓的有效面積（m2）；p：工作液壓力，Pa。2.8傳感器的動態標定2.8.4壓力傳感器的靜態標定砝碼校驗的靜態校驗流程：①校驗壓力計以前，將活塞壓力計放到便于操作、無震動的工作臺上。然后調節支撐螺釘，觀察水準器將活塞壓力計調至水平。——調平②把傳壓介質（變壓器油或蓖麻油）灌入油杯內，反復旋轉手搖泵手輪，以排除測量系統內腔中的空氣。——排空氣③關死油杯閥8，緩慢地旋轉手輪，檢查油路是否暢通，若無問題，即可裝上被校驗的壓力計。——試壓④打開油杯閥8，反時針旋轉手搖泵手輪，使手搖泵將油吸入氣缸內。⑤關死油杯閥，擰開閥6、10、13，順時針旋轉手輪產生初壓使活塞盤升起，并旋轉活塞盤，直到與定位指示板的刻度線相齊為止。——調零⑥把砝碼加到活塞盤上，并使砝碼和活塞盤處于旋轉狀態，所加砝碼重力應與所校驗的壓力值相對應。再旋轉手輪加壓使活塞盤升起，并與定位指示板刻度線相齊。為減小活塞內摩擦阻力，活塞以不小于30轉/分的角速度向順時針方向旋轉。⑦依次增加或減少砝碼，校驗各需要校驗的點。⑧校驗完畢后，反時針旋轉手輪逐步卸下砝碼，最后打開油杯閥，將砝碼全部取下。2.8傳感器的動態標定2.8.4壓力傳感器的靜態標定注意事項：①活塞和缸經過很好的表面加工和配合，故摩擦阻力減至最小。由于活塞、油和缸間存在粘滯現象，在加取砝碼時，要求轉動砝碼盤，故起作用的是動摩擦而不是靜摩擦。②由于活塞的面積和活塞本身的重力固定不變，所以專用砝碼的重力和液壓所產生的壓力具有簡單的比例關系。③一般生產廠家在出廠前已將砝碼校好，并標上相應的壓力值，因此校驗壓力計只要在靜壓平衡時直接讀取砝碼數即可。④活塞式壓力計由制造廠按一給定的g值進行修正，通常g的標準是9.860665米/秒2，如果有必要，用戶還應按當地g的變化進行修正。2.8傳感器的動態標定2.8.4壓力傳感器的靜態標定2.8.5壓力傳感器的動態標定壓力傳感器的動態標定方法有正弦激勵法、半正弦激勵（落球、落錘沖擊）法和階躍壓力激勵法。2.8傳感器的動態標定

●動態信號壓力源：產生滿意的周期或階躍壓力；并能可靠地確定其真實壓力-時間關系。

●穩態標定（需周期性穩態壓源）活塞與缸筒式穩態壓力源，如右圖。調節手柄可以改變壓力的幅值，可獲得70kg/cm2的峰值壓力，頻率可達100Hz。活塞缸筒穩態壓力源示意圖1-接被檢壓力計；2-接標準壓力計；3-飛輪；4-調節手柄

●非穩態標定利用非穩態（階躍）壓力信號和階躍函數理論進行標定。非穩態（階躍）壓力源有：快卸荷閥；脈沖膜片；閉式爆炸器；激波管等。●激波管非穩態壓力標定

特點：

●結構簡單，可產生較理想的瞬態“標準”壓力；

●壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；

●壓力頻率范圍寬（2kHz~1.5MHz）；

●便于分析研究和數據處理。2.8傳感器的動態標定2.8.5壓力傳感器的動態標定

1.結構：主要由激波管、入射激波測速系統、標定測量系統、氣源等組成，如下圖所示。激波管非穩態壓力標定2.原理：激波管所產生的激波如右圖所示。

入射激波的階躍壓力為

反射激波的階躍壓力為

式中，Ms—馬赫數。由測速系統決定。激波管非穩態壓力標定(a)激波管結構示意圖(a)膜片破裂前情況(c)膜片破裂后、稀疏波反射前情況(d)稀疏波反射后情況(e)反射激波波動情況3.標定測量系統

由被標定傳感器4和5、前置電荷放大器10及記憶示波器11等組成，可測階躍響應波形，如下圖所示。由響應波形進行數據分析處理，直接求得傳感器的幅頻特性及動態靈敏度。

傳感器4響應入射激波階躍壓力，傳感器5響應反射激波階躍壓力。

4.氣源系統由氣源、氣壓表、泄氣門等組成。常采用壓縮空氣或氮氣。被標定傳感器輸出波形激波管非穩態壓力標定2.8.6加速度傳感器靈敏度的標定校準方法通常有絕對校準法和比較校準法。絕對法常用于標定高精度傳感器或標準傳感器，而工程中最常用的是比較校準方法。加速度傳感器的靈敏度是指它所承受的加速度與所產生電量的比值。對壓電加速度傳感器，通常以pC·s2/m（或pC/g）和mV·s2/m（或mV/g）表示，前者稱為電荷靈敏度，后者為電壓靈敏度。2.8傳感器的動態標定（1）加速度傳感器靈敏度的絕對法標定

振幅測量法是各國進行絕對校準的主要方法。它是通過一套標準裝置激勵被標定的加速度傳感器，測出被標定傳感器的輸出電量和激勵設備的振動頻率與振幅，再計算出被標定傳感器的靈敏度，即——被校傳感器輸出電壓（峰值）；——激勵設備振動頻率；——激勵設備振幅；——激勵設備振動加速度，2.8傳感器的動態標定2.8傳感器的動態標定

振動信號源：振動臺產生正弦激勵的標定信號。

激光光波長度作為振幅量值的絕對基準，測出振動信號的振幅值Xm(m)；

精密數字頻率計測出振動臺的振動頻率f(1/s)；

精密數字電壓表測出傳感器輸出電壓值Erms(mV)。被標振動傳感器的加速度靈敏度Sa為（2）振動傳感器靈敏度的比較法標定

2.8傳感器的動態標定將被標傳感器與標準測振傳感器“背靠背”安裝在振動臺上。標定時，分別測出被標傳感器與標準測振傳感器的輸出電壓值Ua和U，若標準測振傳感器的加速度靈敏度為Sa0，則被標傳感器加速度靈敏度Sa為