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傳感器動態(tài)性能分析與動態(tài)補償

[2012/5/31]

　　傳感器動態(tài)性能分析與動態(tài)補償

　　傳感器的靜態(tài)特性

　　傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關，所以它們之間的關系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。

　　傳感器的動態(tài)特性

　　所謂動態(tài)特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應和頻率響應來表示。

　　dB(Decibel，分貝)是一個純計數(shù)單位，本意是表示兩個量的比值大小，沒有單位

　　對于功率，dB=10*lg(A/B)。對于電壓或電流，dB=20*lg(A/B)。

　　-3=10*lg(x)

　　x=0.5(8-20Hz)

　　剎那是指一個心念起動的極短時間即為一“念”，20念為一瞬，20瞬為一彈指，20彈指為一羅預，20羅預為一須臾，30須臾為一晝夜，如此算來，一剎那就是0.018秒。

　　摘要：在對炮口沖擊波測試中，壓力傳感器的動態(tài)性能指標是否滿足測量要求至關重要。本文通過GLS(SF)方法建立壓力傳感器的數(shù)學模型，并由數(shù)學模型求出動態(tài)性能指標。然而該傳感器的動態(tài)性能指標不能滿足測量要求，針對此問題本文采用零極點相消的方法設計出動態(tài)補償濾波器，明顯提高了該傳感器的動態(tài)性能，最終解決了該沖擊波的測量問題。

　　1引言

　　在炮口沖擊波測試系統(tǒng)中，需要對沖擊波高壓信號進行動態(tài)測量。

　　由于炮口沖擊波是一種高速壓力波，信號的頻帶很寬(有效帶寬約為70KHZ)，信號上升一般在數(shù)ua內(nèi)，且持續(xù)時間短，所以要求壓力傳感器的工作頻帶寬、響應時間快？梢哉f傳感器的動態(tài)特性將直接影響測試系統(tǒng)功能的發(fā)揮。

　　首先需要對該傳感器動態(tài)特性進行研究，如果其工作頻帶不能涵蓋被測量信號的有效帶寬，輸出信號與被測信號之間存在畸變，測量結果就不可信。這時就需要進行動態(tài)補償以減小動態(tài)誤差。

　　為了獲取傳感器的動態(tài)特性，必須從它的動態(tài)模型人手，通過動態(tài)校準實驗數(shù)據(jù)，用系統(tǒng)辨識的方法獲得傳感器的動態(tài)數(shù)學模型，并由此求出動態(tài)性能指標。

　　如果動態(tài)性能指標不能滿足測量要求，就應該設計動態(tài)補償濾波器，改善傳感器的動態(tài)性能，提高整個測試系統(tǒng)的可靠性和準確性。

　　2傳感器建模方法、步驟及其結果

　　對于壓力傳感器建模，從系統(tǒng)辨識理論可知，為了辨識系統(tǒng)，必須對系統(tǒng)加人足夠“豐富”的激勵信號(充分覆蓋被校傳感器的模態(tài))，激勵出傳感器的主要模態(tài)Δ全面獲取傳感器的有用信息，據(jù)此建立相應的輸人輸出關系。

　　基于預測的濾波算法

　　1、采集10個數(shù)據(jù)。

　　2、當采集到第11個數(shù)據(jù)時，通過前面10個數(shù)據(jù)進行曲線擬合如果數(shù)據(jù)時在動態(tài)范圍內(nèi)，此數(shù)據(jù)有效。否則數(shù)據(jù)通過，擬合后，此數(shù)據(jù)和采集的數(shù)據(jù)進行加權處理。

　　如果超過動態(tài)值，此數(shù)據(jù)為假數(shù)據(jù)。

　　3、是正常擾動造成的數(shù)據(jù)如何處理：信號為階躍信號則持續(xù)增大或持續(xù)減小，如果為周期性信號，則此數(shù)據(jù)又是。

　　假設：系統(tǒng)為一階對象或是二階對象。

　　4、是干擾信號：頻率超過某個頻率，某個頻率50H，沖擊干擾。

　　5、10個數(shù)據(jù)可以分析數(shù)據(jù)的頻譜。

　　傳感器的靜態(tài)特性

　　此特性通過硬件系統(tǒng)保證。

　　傳感器的選取，器件的選取(特別是溫度特性)，電源系統(tǒng)設計。

　　傳感器的動態(tài)特性

　　此特通過軟件系統(tǒng)保證。

　　干擾信號和正常信號的區(qū)分：

　　干擾信號分成隨機信號、周期信號干擾和沖擊干擾。

　　正常信號的形式，一般為給定值。

　　隨機信號干擾可采取平均濾波的方法。

　　沖擊干擾,變化率大的太多則為，沖擊干擾，例如：某傳感器動態(tài)響應速度8到20mS,-3DB。那么數(shù)據(jù)

　　LP=20lg(P/P0)

　　-3=20lg(P/P0)

　　-0.15=lg(P/P0)

　　P/P0=0.707

　　則再20ms內(nèi)，此次值不可能大于，上次的0.707。否則此次值取0.707這個值。

　　時域動態(tài)校準實驗數(shù)據(jù)處理方法

　　本文提出一套時域動態(tài)校準的實驗數(shù)據(jù)處理方法。它可以根據(jù)時域動態(tài)校準的實驗數(shù)據(jù),求出被校傳感器(或系統(tǒng))的參數(shù)模型(差分方程,離散傳遞函數(shù)與連續(xù)傳遞函數(shù)),非參數(shù)模型(頻率特性和階躍響應等)與動態(tài)性能指標,同時還有檢查模型回歸效果的功能,可將模型計算的瞬態(tài)響應與動態(tài)校準的實驗數(shù)據(jù)畫在同一坐標紙上,數(shù)學模型質(zhì)量的優(yōu)劣便一目了然。無論時域或頻域建立參數(shù)模型時,都采用了一定方式排除測量噪聲干擾。所以,由參數(shù)模型計算的頻率特性,比直接由實驗數(shù)據(jù)用FFT算法算出的更符合線性模型的性質(zhì)。由參數(shù)模型計算的階躍響應與頻率特性上計算時域與頻域的動態(tài)性能指標才比較合理。文中給出一個傳感器與放大器的動態(tài)校準的實驗數(shù)據(jù)處理結果。

　　傳感器基本特性

　　1、傳感器靜態(tài)特性

　　2、傳感器線性度、重復性、遲滯、零位誤差

　　3、靜態(tài)特性數(shù)據(jù)處理技術

　　4、傳感器動態(tài)特性

　　5、時域內(nèi)動態(tài)數(shù)據(jù)處理

　　6、頻域內(nèi)動態(tài)處理技術

　　7、傳感器的沖擊響應、階躍響應以及頻率響應的特征。