毕业论文压力传感器动态特性研究学生姓名：学号：仪器与电子学院学专业：指导教师：2015年 6月压力传感器动态特性研究摘要当代传感器技术发展迅速，无论对于人类的日常生活和工业生产，传感器都是一项不可或缺的技术。
其中，压力传感器是应用最为广泛的一类传感器，在工业、农业、化工以及航空航海等各个领域都能施展拳脚。
压力传感器的功能是准确检测到待测压力的压力值和压力变化，在实际使用过程中，压力传感器需要在一些高压环境下工作，要求其具有良好的动态特性，因此研究传感器的动态特性十分的重要。
本文主要针对数学模型在处理实验数据中的重要地位，并结合利用激波管对压力传感器进行动态校准实验，介绍如何利用系统辨识法中的最小二乘参数估计来建立动态数学模型的方法。
并利用Matlab/Simulink模块进行软件建模仿真，由仿真结果确定其数学模型的可信度,并利用软件分析压力传感器的动态特性。
关键词：传感器，动态特性，系统辨识，最小二乘法Dynamic characteristics of the pressure sensorAbstractModern sensor technology is developing rapidly, both for human daily life and industrial production, the sensor is an indispensable technology. Wherein the pressure sensor is the most widely used class of sensors in various fields of industry, agriculture, chemical and aviation navigation and so can their fists. Function of the pressure sensor is to be measured accurately detect a pressure value and pressure changes, in actual use, the pressure sensor needs to work in some high-pressure environment, is required to have excellent dynamic characteristics, the study of the dynamic characteristics of the sensor is important.In this paper, a mathematical model for the processing of experimental data in an important position, combined with the use of shock tube for dynamic pressure sensor calibration experiment on how to use the system parameter identification method of least squares method to build a dynamic mathematical model estimates. And the use of Matlab / Simulink software simulation modules, determine its credibility mathematical model simulation results, and the use of software to analyze the dynamic characteristics of the pressure sensor.Keywords: sensors, dynamic characteristics, system identification, least square method目录1 绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.3 辨识建模研究现状 (3)1.4 本文研究重点 (3)2 压力传感器分类及基本原理 (4)2.1 概述 (4)2.2 压电式压力传感器原理及应用 (4)2.3 压阻式压力传感器原理及应用 (4)2.4 电容式压力传感器原理及应用 (5)3 压力传感器动态特性测试系统 (6)3.1 动态校准装置 (6)3.1.1 稳态压力源装置 (6)3.1.2 非稳态压力源装置 (6)3.1.3 激波管结构 (7)3.1.4 激波管工作原理 (7)3.2 动态校准过程 (7)3.2.1 激波管动态校准实验 (7)3.2.2 激波管阶跃压力波的性质 (9)3.3 数据预处理 (10)4 压力传感器动态建模方法及软件模拟 (12)4.1 概述 (12)4.2 系统辨识的定义 (12)4.3 系统辨识法 (13)4.3 最小二乘的引出 (14)4.4 参数最小二乘估计 (14)4.5 基于残差平方和的模型阶次估计准则 (17)5 压阻式压力传感器动态特性仿真与验证 (18)5.1 MATLAB和SIMULINK (18)5.2 压力传感器动态特性仿真 (19)6 压力传感器动态特性分析 (24)6.1 压力传感器的性能指标 (24)6.1.1 传感器静态性能指标 (24)6.1.2 传感器动态性能指标 (24)6.2 不同压力传感器特性比较 (29)7 总结与展望 (31)7.1 本文总结 (31)7.2 工作展望 (31)附录 (32)参考文献 (34)致谢 (36)第一章绪论1.1 研究背景传感器是众多测试系统组成的核心部分，是测控系统的重要环节，是能够自动获取信息的重要装置。
随着科学技术的不断发展，在工程测试和技术开发等一些领域，都逐渐要求进行动态测量，要求了解瞬态过程中传感器参数的变化规律。
压力传感器的功能是准确检测到待测压力的压力值和压力变化[1]。
待测压力值可能在一段时间内比较稳定平缓，而在另外一段时间内发生急剧的变化，因此传感器有两个重要的基本特性：静态特性和动态特性。
在待测压力不变或者变化缓慢的情况下体现了压力传感器的静态特性，而在待测压力急剧变化时要求压力传感器的动态特性好。
传感器性能指标是衡量其优劣的标准，是其设计的目标，是用户选择的依据。
根据被测量是否随时间变化，传感器表现出两种特性：静态特性和动态特性。
迄今为止，国内外对于传感器静态特性的研究已经比较深入全面，由于静态标定设备比较普遍，各种传感器的说明书中，一般都标注静态性能指标。
而对传感器动态特性研究较少，起步较晚。
国内在此方面更为落后，主要原因是(1)受实验设备的限制，有些传感器生产厂家不具备动态标定设备，产品使用说明书中尚无动态性能指标；(2)技术发展滞后，实践探索工作还不够深入；(3)没有意识到动态特性的重要性，有些产品甚至不给出动态性能指标。
这些情况与动态测量的实际需要是很不相称的，给动态测量领域提出了一个严峻的问题。
近年来，随着生产实践和科学技术的发展，要求进行动态(和瞬态)测量的领域愈来愈多。
例如，航空、航天飞行器某些部件的瞬变温度和压力的测量；物体在装卸时或运动中称重；液压控制系统的瞬态压力测量；枪炮的膛内压力、发动机爆震压力的测量；血管脉动流量的快速测量等等。
人们希望能更深入、定量地了解许多动态(和瞬态)过程中各种参数的实际变化情况，以便进行更好地利用它，以推动科学技术的发展。
前面已提到，现代动态测试系统一般由传感器、信号调理电路与计算机系统组成。
通常信号调理电路与计算机系统的动态响应特性要比传感器的动态响应特性高得多。
因为传感器常常是机电系统，并且将非电量信号转换为电信号输出需要一个过程，所以其动态特性较后二者要差。
因此测试系统的动态特性，主要取决于传感器的动态特性，也可以说传感器是影响整个系统的关键环节。
选用或设计传感器时要特别注意它的动态响应特性。
若传感器的动态性能不佳，就无法快速、无失真的再现动态被测信号随时间变化的规律，无法为其后面的系统提供准确的信息，将带来较大的动态误差，可以说传感器的动态特性将直接影响测试系统功能的发挥。
对传感器动态特性的研究工作开展得比较深入之后，就可以准确了解传感器的动态特性[2]，并采取一定的方法改进其动态性能，一旦许多传感器的动态性能都能满足动态测试的实际要求时，它将有力地推动许多科学研究工作的快速前进。
对于从前苦于没有准确的动态测量手段，对许多瞬态过程的细节了解甚少的情况就可以大大改观。
例如，通过准确测量，知道液压控制系统的瞬态压力是额定工作压力的几倍，就可了解为什么有些部件易于损坏，而将它改进后，整个系统的故障减少，使用寿命增长。
总之，通过对传感器动态性能的研究，可解决动态测量的有关技术问题，使各种传感器都具有明确的动态性能指标，满足科学研究、产品开发和工程实际中对动态测量的要求。
这对科学研究和国民经济发展的影响是很广泛的，深远的，其科学价值和实用价值也是很大的[3]。
1.2 国内外研究现状在国外，上世纪50年代初，美国便开始了传感器动态测试和校准的研究工作。
仅在阿泊汀靶场里就有落锤空气炮、氮气驱动活塞等三种动态性能校准装置。
其中落锤式校准装置导轨高2.44m，锤重2.72-29.48kg，可用于校准液压压力传感器，峰值压力为（35-1406）×10^5Pa，脉冲宽度为1-12ms；对于低量程的压阻传感器，设计了驻波管和负阶压力发生器动态校准系统。
在动态力的校准方面，德国PTB实验室有稳态正弦激振力源振动台校准装置，他能产生最大为1kN的力，校准的频率范围为20Hz-1kHz。
世界著名的英国LDS公司V875振动台最大稳态正弦力幅值为36kN，频率范围为3kHz。
国内，在激波管动态压力校准装置方面，航天部一院计量站在1979年建立了完善的激波管动态压力校准系统。
中科院力学所曾将激波风洞改造为50MPa激波管动态压力校准系统。
80年代初，洛阳工程兵研究所研究了用炸药爆炸所产生的高压来形成激波的原理来制作激波管。
80年代中期，中国气动中心建立了100MPa的激波管。
2004年，北京航天测量技术研究所研发出保持时间可达19ms的激波管。
在负阶跃力校准装置方面，1995年，北京航空航天大学研制了0.01-1MN之间的几种负阶跃力发生器。
浙江大学于1997年采用落锤冲击卸荷的方法研究出可产生幅值达1200kN的负阶压力发生器。
在存在容腔的压力传感器动态特性研究方面，复旦大学陈金娥、柳兆荣教授等利用流体力学、管道压力方程对压力传感器动态特性做了一系列研究。