生物醫(yī)學(xué)傳感-傳感器基本知識(shí)(2)(編輯修改稿)
2025-01-31 14:03 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 管 壓力傳感器 【 例 3】 測量心內(nèi)壓的液體耦合導(dǎo)管 壓力傳感器，由經(jīng)血管插入心內(nèi)的 充液導(dǎo)管 和體外的 膜片壓力傳感器 組成 ,如圖 29a所示。設(shè)導(dǎo)管和壓力室中液體的等效質(zhì)量 為 m，彈性元件的彈性系數(shù)為k ，液體的粘性阻尼為 c，當(dāng)導(dǎo)管端的受到 壓力為 P（ t） 作用 時(shí)，通過液體耦合導(dǎo)管導(dǎo)致傳感器膜片偏移產(chǎn)生一 體積位移 V（ t） 。該系統(tǒng)的狀態(tài)可用下列微分方程式表示： (220) 22( ) ( ) ( ) ( )d Y t dY tm c kY t F tdt dt? ? ?(223) 二、傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)是輸出量和輸入量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表示 。如果傳遞函數(shù)巳知，那么由任一輸入量求出相應(yīng)輸出量。 11 1 011 1 0( ) ( )mmmmnnnnb D b D bD bYH D DX a D a D aD a????? ? ? ???? ? ? ?若用算子 D表示 ， ddt得到算子形式的傳遞函數(shù)： (224) 需注意： 算子形式的傳遞函數(shù)只是輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間關(guān)系的 數(shù)學(xué)表達(dá)式 ，書寫時(shí)一定寫成 ,不能只寫 ，更不能理解為 隨時(shí)間而變化的瞬時(shí)比。 ()Y DX YXYX傳遞函數(shù)的定義 是輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之比。 同樣，如果用拉氏變換法， 傳感器的傳遞函數(shù)用 H（ s）表示，把輸出的拉氏變換 Y(s) 與輸入 的拉氏變換 X(s)之比為傳遞函數(shù) : 11 1 011 1 0( ) ( )mmmmnnnnb s b s bs bYH s sX a s a s a s a????? ? ? ???? ? ? ?(225) 就傳遞函數(shù)來說， 拉氏變換形式的傳遞函數(shù)和算子形式的傳遞函數(shù)可以互相轉(zhuǎn)換 。 這兩種形式的傳遞函數(shù)都可以用來描述傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，有時(shí)統(tǒng)稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 三、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)就是 傳感器對輸入的動(dòng)態(tài)信號(hào)（周期信號(hào)、瞬變信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)）產(chǎn)生的輸出 ，即微分方程式（ 29）的解， 與輸入類型有關(guān) 。 瞬態(tài)響應(yīng)： 輸出信號(hào)到達(dá)新的穩(wěn)定狀態(tài)以前的響應(yīng) 特性稱為瞬態(tài)響應(yīng)。 穩(wěn)態(tài)響應(yīng)： 當(dāng)時(shí)間 t 趨于無窮大時(shí)傳感器的輸出狀 態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。 傳感器動(dòng)態(tài)特性的分析方法 分別用時(shí)域分析法和頻域分析法分析它們的特征 采用階躍信號(hào)和正弦信號(hào)作為典型實(shí)驗(yàn)信號(hào) 輸入信號(hào)為正弦波 X(t)＝ Asin?t，輸出量 Y(t)與輸入量X(t）的 頻率相同 ，但 幅值不等 ，并有 相位差 。而且， Y(t)幅值和相位隨輸入信號(hào)頻率 ?而變，即 Y(t)=Bsin（ ?t+?）。 正弦輸入時(shí)的頻率響應(yīng)（穩(wěn)態(tài)響應(yīng)） ?傳遞函數(shù) ： 0101)()()(asasabsbsbsXsYsHnnmm??????????頻率響應(yīng)函數(shù) ： 0101)()()()()()()(ajajabjbjbjXjYjHnnmm?????????????????????? jtjtjeABAeBejXjY ?? ? )()()( 所謂 頻率響應(yīng)（頻率特性） 是指在穩(wěn)定狀態(tài)下， B/A（幅值比）和相位 ?隨頻率 ?而變化的狀況。 ? ? jYBjeXA?? ?正弦輸入時(shí)的傳感器 頻率傳遞函數(shù) 為 ： 正弦輸入時(shí)，傳遞函數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)量，其幅值為輸出幅值對輸入幅值之比（ B/A），相角 ?為輸出相位與輸入相位之差， 大多數(shù)傳感器均存在滯后，所以其相角為負(fù)值 。 (b)圖中的曲線稱為 幅頻特性 ； (c)圖曲線稱為 相頻特性 。兩者合在一起稱為傳感器的 頻率特性 。 1）零階傳感器的傳遞函數(shù)及頻率特性 00( ) ( ) ( )Y Y Y bD s j KX X X a?? ? ? ? 由上式可知，零階傳感器其 輸出和輸入成正比 ，并且 與頻率無關(guān) ，因此無幅值和相位失真問題， 零階傳感器具有理想的動(dòng)態(tài)特性 。 00( ) ( ) ( )bY t X t K X ta??1 0 0() ( ) ( )dY ta a Y t b X tdt ??( 1) () ()D Y t KX t? ??10,aa?? 00b（時(shí)間常數(shù)靜態(tài)靈敏度系數(shù)k= ）a描述一階傳感器的 一階微分方程為： (214) (215) 用算子 D表示，則為： 2）一階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性 ( ) ( )1YKH D DXD ????算 子 形 式 傳 遞 函 數(shù) 為 ：( ) ( )1YKH s sXs ????拉 氏 形 式 的 傳 遞 函 數(shù) 為 ：2）一階傳感器的傳遞函數(shù)和頻率特性 22()1a r c t a n(())1BKjjKHjHA???? ? ????????????幅 頻 特 性 ：相 頻 特時(shí)頻 率 傳 遞 函 數(shù) 為 ： 間 常 數(shù) 越 小 ，頻 率 響 應(yīng) 特： 性 性 越 好 。22 1 0 02( ) ( ) ( ) ( )d Y t dY ta a a Y t b X tdt dt? ? ?22002( 1) ( ) ( )D D Y t K X t???? ? ?二階傳感器的數(shù)學(xué)模型： (219) 用算子 D表示為： K —— 傳感器的 靜態(tài)靈敏度 ， ω 0 —— 傳感器的無阻尼 固有頻率 ， ξ —— 傳感器的 阻尼系數(shù) ， 201 2/ aaa??200 aa??00/K b a?3）二階傳感器的傳遞函數(shù)及頻率特性 3）二階傳感器的傳遞函數(shù)及頻率特性 傳遞函數(shù)： ? ?2002( ) 1KHjjj? ? ? ??????幅頻特性： 22 2 2()14BKHjA qq??????????相頻特性： 22a r c t a n1qq?? ???（ 235） 22002( 1) ( ) ( )D D Y t K X t???? ? ?0q= /??式 中0q= /??頻率特性與 的關(guān)系：【 習(xí)題 1】 某壓力傳感器屬于二階系統(tǒng)，其固有頻率為 1000Hz,阻尼比為臨界值的 50%,當(dāng) 500Hz的簡諧壓力輸入后，試求其幅值誤差和相位滯后 。 （瞬態(tài)響應(yīng)） 階躍信號(hào)是最基本的瞬變信號(hào)。 0 , 01 , 0XtXt???? ???單位階躍輸入 : 1）零階傳感器的階躍響應(yīng) ( ) ( )Y t KX t? K 2）一階傳感器的階躍響應(yīng) 一階傳感器的拉氏傳遞函數(shù)： ( ) 1( ) ( )(1) 1 1Y s KHsX s s s??? ? ????設(shè) K1X(t) () ,Xss?單位階躍信號(hào) 的拉氏變換為： 代入下式( ) ( ) 1()1( ) 1sY s Y sHsX s s?? ? ??求拉氏反變換得： ( ) 1 (t 0 )tY t e ??? ? ? 輸出初始值為零。隨時(shí)間推移， Y接近 1，當(dāng) t=τ時(shí)，Y=。 τ 是時(shí)間常數(shù)，越小，響應(yīng)就越快。故 時(shí)間常數(shù)值是決定響應(yīng)速度的重要參數(shù) 。 3）二階傳感器的階躍響應(yīng) 具有 慣性質(zhì)量 、 彈簧 和 阻尼器 的振動(dòng)系統(tǒng)是典型的二階系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為： 202200( ) ( ) ( )( 2 )Y s X s H sKs s s?? ? ?????
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