传感器 频响:传感器常见的技术参数,你知多少?

2021/10/31 02:15 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器 频响:传感器常见的技术参数,你知多少?已关闭评论
摘要:

传感器频响:传感器常见的技术参数,你知多少?随着传感器在工业生产、农业种植、环境保护等领域的渗透和广泛应用,使得市场上的传感器产品种类繁多,在原理与结构上千差万别。如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。而在选用合适的传感器时,能够看懂传感器的各项技术参数这些专业名词,有助于我

传感器 频响:传感器常见的技术参数,你知多少?

随着传感器在工业生产、农业种植、环境保护等领域的渗透和广泛应用,使得市场上的传感器产品种类繁多,在原理与结构上千差万别。如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。而在选用合适的传感器时,能够看懂传感器的各项技术参数这些专业名词,有助于我们正确选型和使用产品。那么,关于传感器常见的一些技术参数,你知道多少呢?
1. 分辨率
分辨率是指传感器在规定测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量。与分辨力不同的是,分辨率是以百分数的形式表示传感器的分辨能力,是相对数;而分辨力是一个具有单位的绝对数值。例如某温度传感器的分辨力为0.1℃,满量程为500℃,则其分辨率为0.1/500=0.02%。
2. 灵敏度
灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。通常,在传感器的线性范围内,灵敏度越高,与被测量变化对应的输出信号的值才越大,越有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,继而被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。
3. 线性范围
传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值,传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,方便测量。
4. 稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。
5. 重复性
传感器的重复性是指在同一条件下、对同一被测量、沿着同一方向进行多次重复测量时,测量结果之间的差异程度。也称重复误差、再现误差等。重复性误差越小,说明其重复性越好,传感器的稳定性越好。
6. 精度
精度是指在真值附近正负三倍标准差的值与量程之比,是指测量值与真值的最大差异。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。
7. 频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因此频率响应低的传感器可测信号的频率较低。
8. 采样频率
采样频率是指传感器在单位时间内可以采样的测量结果的多少,反映了该传感器的快速反应能力。对于被测量快速变化的场合,采样频率是必须要充分考虑的技术指标之一。
随着采样频率的不同,传感器的精度指标也相应有所变化。一般而言,采样频率越高,测量精度越低。而传感器给出的最高精度往往是在最低采样速度下甚至是在静态条件下得到的测量结果。因此,在传感器选型时必须兼顾精度与速度两个指标。
传感器 频响:传感器常见的技术参数,你知多少?  第1张

传感器 频响:传感器的频率响应是什么意思?其实际意义是什么?

传感器的频率响应就是传感器外部信号的反应能力。比如,传感器的频率响应是每秒5000次,外部信号频率是6000次,那么,传感器就无法对外部信号做出正确的反应。如果这时传感器是作为计数器信号采集的话,传感器就无法输出正确的计数器值,造成计数信号缺失。
传感器原理及应用
主要内容包括:传感器及其基本特性、电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、热电式传感器、光电传感器、常用其他新型传感器、智能传感器、传感器的标定与选用。
本书可作为高等学校相关专业传感器原理及应用课程的本科教材,也可供高职高专院校师生和工程技术人员参考。

传感器的频率响应就是传感器外部信号的反应能力。
比如,传感器的频率响应是每秒5000次,外部信号频率是6000次,那么,传感器就无法对外部信号做出正确的反应。如果这时传感器是作为计数器信号采集的话,传感器就无法输出正确的计数器值,造成计数信号缺失。

传感器 频响:振动传感器频率响应范围

振动传感器频率响应,频率选择
磁电式振动传感器响应频率一般在0-2000HZ
磁电式振动传感器主要靠惯性检测振动,有输出幅值宽,无须供电等优点
压电加速度振动传感器响应频率一般在0-30KHz
压电加速度振动穿噶你因其频响宽、动态范围大、可靠性高、使用方便,受到广泛应用。用户作通用振动、冲击测量时,主要关心的技术指标为:灵敏度、频率范围,内部结构,现场环境和与后续仪器配置等。

1、灵敏度的选择
最小加速度测量值也称最小分辨率,考虑到后级放大电路噪声问题,应尽量远离最小可用值,以确保最佳信噪比。最大测量极限要考虑加速度计自身的非线性影响和后续仪器的最大输出电压,估算方法:最大被测加速度×传感器的电荷/电压灵敏度,以上数值是否超过配套仪器的最大输入电荷/电压值,建议如已知被测加速度范围可在传感器指标中的“参考量程范围”中选择(兼顾频响、重量),同时,在频响、重量允许的情况下,灵敏度可考虑高些,以提高后续仪器输入信号,提高信噪比。

在兼顾频响、重量的同时,可参照以下范围选择传感器灵敏度:土木工程原型和超大型机械结构的振动在0.1g~10g左右,可选3000pC/g~300pC/g的加速度计,机械设备的振动在10g~100g左右,可选择20pC/g~200pC/g的加速度计,冲击可选0.1pC/g~20pC/g左右的加速度计。

2、频率选择
生产厂给出的频响曲线是用螺钉安装的,一般将曲线分成二段:谐振频率和使用频率。使用频率的给值是按灵敏度偏差给出,有±10%、±5%、±3dB。谐振频率一般是避开不用,但也有特例,如轴承故障检测。
选择加速度计的频率应高于被测物的振动频率,有倍频分析要求的加速度计频响应更高。土木工程是低频,加速度计可选择0.2Hz~1kHz左右,机械设备一般是中频段,可根据设备转速、设备刚度等因素综合估计频率,选择0.5Hz~5kHz的加速度计。冲击测量高频居多。
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传感器 频响:频率响应

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频率响应
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频响是
[1]
在电子学上用来描述一台仪器对于不同频率的信号的处理能力的差异。同失真一样,这也是一个非常重要的参数指标。频响也称响曲线,是指增益随频率的变化曲线。任何音响设备或载体(记录声音信号的物体)都有其频响曲线。理想的频响曲线应当是平直的,声音信号通过后不产生失真。
中文名
频响
外文名
Frequency Response
别 称
频率响应
定 义
不同频率的信号的处理能力的差异
领 域
工程技术
学 科
电子学
目录
1
频率响应
2
频率失真
?
失真原因
?
测试方法
?
标注方法
3
频响曲线
?
概念
?
特征
4
影响
?
音色
?
声场、定位
?
整体音色
5
频响指标
频率响应频率响应
编辑
语音
一个“完美”的交流放大器,应该在频响指标上具有如下的素质:对于任何频率的信号都能够保持稳定的放大率,并且对于相应的负载具有同等的驱动能力。显然是完全不可能的,那么针对不同的放大器就有了不同的“前缀”,对于音频信号放大器(功率放大器或者小信号放大器)来说,我们还应该加上如此的“前缀”:在人耳可闻频率范围内以及“可能”影响到该范围内的频率的信号。这个范围显然缩小了很多,我们知道,人耳的可闻频率范围大约在20~Hz,也就是说只要放大器对这个频率范围内的信号能够达到“标准”即可。实际上,根据研究表明,高于这个频段以及部分低于这个频段的一些信号虽然“不可闻”,但是仍然会对人的听感产生影响,因此,这个范围还要再扩大,在现代音频领域中,这个范围通常是5~Hz,某些高要求的放大器甚至会达到0.1~数十万Hz。但是,上述要求表面上好像是比“完美”低了很多,却仍然是“不可能完成的任务”,我们连这样的要求也不可能达到。于是,就有了“频响”这个指标。(附言:指标本身就代表着“不完美”,如果一切都“完美”了,指标也就没有存在的理由了。)
放大器有两种失真:线性失真和非线性失真。我们通常把后者叫做“失真”,而把前者用其它方式表达出来。非线性失真我们已经知道了是一种什么情况了。而线性失真就是指频率和相位方面的“误差”,即频率失真和相位失真。
频率响应频率失真
编辑
语音
频率失真是一种“线性失真”,意思是说,发生这种失真时放大器的输出信号波形和输入波形仍然是“相似形”,它不会使放大器对要处理的信号产生“形变”。一个单纯的频率失真可以看成放大器对于不同频率的信号放大倍数不同,例如,1个十倍放大器,对1KHz的信号的放大倍数是10倍,而对于10KHz的交流信号可能放大倍数就变成了9.99倍,于是,我们就可以说这台放大器有频率失真了。在电声学上,我们把这种现象称为“频响曲线的不平直”,这里面的“曲线”我们稍后再讲。
频率响应失真原因
对于一台放大器来说,产生频率失真的原因非常多。很多放大器的内在特性都会影响到这个参数,甚至失真也会插进来一脚,总的来说,有如下一些情况会导致频率失真:
1、元器件的固有频率特性决定,这是最根本的原因,后面的一些原因实际上都源于这里。
2、采用负反馈技术放大器的开环特性以及负反馈电路本身的频响特性决定。
3、放大器的非线性失真对于测量方法引入的“测量误差”
4、放大器的电路设计导致传输特性的非理想化
5、安装和制造工艺不完善,引入的外界交流干扰信号导致频响的不平直。
谈到这里,我们会发现,这里有很多原因似乎和“测量方法”有关,所以有必要提一下频响是如何测量和定标的。
频率响应测试方法
任何可以被写上说明书的“指标”都是必须借助仪器来测量的,这些指标必须有一个共同的特点,就是“可重复性”,也就是说,只要你用同样的设备,就可以重复得到相同或相近的测量结果。我们把这一类指标称为“客观指标”,频响当然是属于此类。
频响的测量方法很简单,在放大器的输入端接入一个标准信号发生器,这个信号发生器可以产生标准的正弦波信号,并且可以通过调节使得这个发生器的输出信号的频率发生变化,而幅度不变。在放大器的输出端接一个标准的纯阻性负载,并且接一个交流电平表,通过读取电平表的数据,就可以测量该放大器的频响特性了。测量时,为了保证测试结果的可靠和准确,要尽量多地在测试频率范围内选取不同的频率,通常采用的是“对数采样法”,即从一个标准频率(例如1KHz)开始,按照2倍关系向上和向下取点,例如2K、4K、8K……,500、250、125、62.5……,如果嫌这个间隔太大,可以缩小倍数,例如√2,√2/2等等。将这些对应的频率的输出电平(单位是dB)记录下来,并经过统计计算就可以了。
这里,我们可能会忽视一个问题,就是这个放大器的放大倍数是否可以调整?放大器的输出功率应该是多少呢?不是我要卖关子,而是这里的“玄机”非常大。由于放大器的特性的不完美,所以会导致放大器在不同的工作状态下的频响特性发生变化。这叫“测试条件”。我们时常发现,两个质量完全不同的放大器在频响指标上“好像没什么差别”,是那个质量差的放大器在“说谎”吗?非也,是测试条件根本不同。
频率响应标注方法
放大器在不同的输出功率下,其频响是不同的,通常输出功率越大,其频响指标就越差。而一个比较负责任的指标标注,应该指“在该放大器的最大不失真功率下测量的指标”,而一些厂家为了回避大功率输出下放大器特性的劣化,使得该指标“看起来好看”,往往采用的是“标准测试方式”,也就是说,在给定放大器放大倍数(增益)的条件下进行测试,而这个放大倍数通常是1。显然,多数放大器是用来“放大”的,所以这个测试方法实际上并不全面,但是“出于商业目的和测试标准的允许”,这个测试仍然被认为是“正确”的。这样,我们就应该注意了,看指标的时候不能只关心那些数值,而应该和测试条件联系起来看。没有测试条件的指标是毫无意义的。
标准的频响标注方法是XHz~YHz±ZdB,这里的X是指低端频率,Y指高端频率,也就是测试频率的范围,Z表示的是在这个频率范围内,放大器放大倍数的差异。
很遗憾的是,单单看频响指标还是不能完全了解这个放大器的频响特性,于是厂家又给出了另一种表示形式-频响曲线。
频率响应频响曲线
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语音
频率响应概念
频响曲线是在上述的测试电路中,使信号发生器的输出信号频率发生连续变化(即通常说的“扫频”)并保持幅度不变,在输出端通过示波器或者其它一些记录仪将放大器对于这种连续变化相应的输出电平记录下来,就可以在一个坐标上描绘出一个电平对应频率的曲线。这个坐标的纵坐标是电平,横坐标是频率。纵坐标的单位是dB,横坐标的单位是Hz(或KHz)。为了记录方便,横坐标的标尺为对数型的,纵坐标则是线性的。
频率响应特征
我们可以看看各个厂家提供的不同器材的频响曲线,我们会发现,即使两个看起来频响指标完全相同的器材,其频响曲线也是非常不同的。这里我们暂且不讨论频响曲线不同对音质产生的影响,只看频响曲线有那些重要特征需要注意。这里要着重注意两个特征:平和直。平是指放大器在工作频率范围内频响的最大差距。这里我们需要注意的是“工作频率”,对于音频设备来说,我们应该关心的是20~Hz这一段的情况,如果要求很高,可以将范围扩大到5~Hz,这已经是足够了。
频率响应影响
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语音
频率失真对于音质的影响是非常巨大的,很多时候它会完全左右一个人对音质的评价结果。由于频响对于主观音质评价的影响因素太多,在这里不可能一一举尽,直挑选一些影响最大的方面来说。
频率响应音色
从广义的范围来说,音色也是音质的一个组成部分。我们知道,不同的乐器具有不同的声音特点,基音、泛音、共振相互作用组成了一件乐器的音色特点,音色就是这些基音、泛音、共振的频率以及比例关系。如果一套系统在频响上不够平直,那么就可能造成音色中各个组成部分的比例发生变化,有些泛音可能被增强了,而另一些泛音可能被削弱甚至难以被听到,这就改变了乐器的音色特征。由于我们很多时候没有机会对比原来那把乐器的声音,所以这个改变并非极端重要,但是,由于乐器“好听”与否几乎就是音色的代名词,因此,过度破坏音色特点的结果可能会造成这个乐器的声音变得难听,因此对于高要求的人来说,最好不要改变音色特征。由于频响会对音色产生影响,因此一些器材设计师会巧妙利用这个现象来弥补录音的不足。对于录音师来说,这种调整也是“家常便饭”,因为他们不可能每张唱片都能“请”到那些“名琴”。
频率响应声场、定位
声场是个非常复杂的电声现象,其中频响特性也会在某种程度上影响到声场表现。由于频响的影响,某些和声场表现有关的声音细节会被弱化或者加强,这就会导致所谓的声场“畸变”。这是一个非常微妙的影响,实在无法在这有限篇幅文字中完全说明,以后再说。对于定位来说,情况也是非常复杂,尤其是那些频率范围很宽的乐器,影响就更大。这一点比较容易理解,距离感和声音的大小有密切的关系,如果频响不平直,乐器在发出某种频率的声音的时候会感觉比发出其它声音要远些或者近些,这样,我们就会感到这个乐器被纵向拉长了,形体发生了变化。当频响的不平直度严重的时候,我们会感到乐器在前后晃动。
频率响应整体音色
这个话题可以非常古老了,这里就不再多说了。器材的冷(高频多)、暖(低频多),声音的密度、强度都是主要来源于此(当然还有其它因素的影响,进阶篇会有探讨)。
频率响应频响指标
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语音
对于厂家的频响指标,我们应该给予足够的重视。但是我们还要记住,这个指标并非“标注”的越高越好,由于我们的耳朵具有一些自身的特性,因此我们需要对频响有个清醒的理解。
1、我们需要的频响指标应该是整个系统的,而不是单一的器材。单个的器材的频响平直并不意味着我们一定会听到“平直”的声音,还要看系统中其它器材的情况。
2、甚至系统中所有器材的频响都是平直的时候,我们也不一定能听到平直的声音。这是因为我们的耳朵本身就不是“平直”的。我们知道,人的耳朵对于高频的敏感程度在一生中会发生变化,20岁左右达到最高峰,35岁左右开始走下坡路,到60岁左右会损失过半,另外还和身体健康状况以及遗传有关。因此,我们在考虑平直的时候,必须要把耳朵一起考虑进去。在这方面,行业内似乎有个心照不宣的约定,这个部分主要由音箱、耳机厂家以及录音师去完成。
3、我们对于频响起伏的辨别程度有限,有实验表明,0.2dB是极少数人的极限(大概几十万分之一都不到),绝大多数人在1~3dB之间。也就是说,小于1dB的频响不平直几乎没有意义,如果为了追求频响的过分平直而舍弃了一些其它要素将是得不偿失的。这个原则对于其它指标也是一样的。
4、前面说过,不能因为某些频段我们听不到就可以去忽略它,因为那些东西可能会暗示器材的一些其它特性的情况。
5、任何指标都要和别的综合起来看,而不能孤立起来看问题。
参考资料
1.

徐张明, 沈荣瀛, 华宏星. 基于频响函数相关性的灵敏度分析的有限元模型修正[J]. 机械强度, 2003, 25(1):7-10.

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