傳感器原理與應用仿真設計

1、華址電力*孑課程設計報告（2014 2015年度第1學期）名稱：傳感器原理及應用題目：使用Matlab工具進行仿真驗證 院系：控制與計算機學院班級：測控1201班學號：1121160106學生姓名：賈平指導教師：郭鵬設計周數(shù)：兩周成績：日期：2014年1月22日傳感器原理及應用綜合實驗一仿真部分任務書一、目的與要求本實驗的目的是配合 傳感器原理與應用 課程的傳感器靜態(tài)特性與動態(tài)特性相關部分的內 容，利用Matlab/Simulink進行仿真驗證。培養(yǎng)學生利用計算機進行數(shù)據(jù)處理和模型仿真的能力，為今后從事相關領域的工作打下基礎。要求學生了解傳感器靜態(tài)和動態(tài)特性的基礎知識，掌握 Matlab/Si

2、mulink進行數(shù)據(jù)分析和仿真的基本方法。具體要求為：掌握基于最小二乘法的數(shù)據(jù)處理方法，能夠進行簡單的數(shù)據(jù)處理；掌握傳感器動態(tài)特性的分析手段，了解不同階次特性的基本性質，并能夠進行相應的仿真實驗，對傳感器動態(tài)特性有感性認識。二、主要內容1自學Matlab/Simulink使用的基本知識，包括信號源、傳遞函數(shù)、信號顯示等內容；2、 學習使用 Matlab 進行最小二乘法數(shù)據(jù)處理，分別通過自己編寫函數(shù)和使用Matlab 提 供的函數(shù)實現(xiàn)相同功能；3、 學習傳感器動態(tài)特性， 包括零階、一階和二階傳感器動態(tài)特性，并采用Matlab/Simulink 進行仿真驗證。（一）數(shù)據(jù)處理（學號單數(shù)做K型，雙數(shù)做

3、S型熱電偶）S型熱電偶特性（溫度范圍在 0 1700 C,查表溫度間隔為100 C）如下表 所示：溫度C）S型熱電偶分度（mV001000.6462001.4413002.3234003.2595004.2336005.2397006.2758007.3459008.44910009.587110010.757120011.951130013.159140014.373150015.582160016.777170017.947對熱電偶特性進行曲線擬合，要求：1. 按照最小二乘法原理編寫 Matlab 程序；2. 采用Matlab自帶的擬合函數(shù)進行線性擬合，對前面的結果驗證；3. 采用Matl

4、ab自帶的擬合函數(shù)進行二次曲線擬合，并給出線性擬合的誤差分析。（二）傳感器動態(tài)特性分析利用Matlab/Simuli nk對傳感器動態(tài)特性進行分析，輸入信號分別采用為階躍信號和正弦信號，要求：1. 對零階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論；2. 對一階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論；3. 對二階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論，特別需要對阻尼比系 數(shù)分情況進行討論。三、進度計劃序號實驗內容完成時間備注1自學 Matlab/Simulink軟件的使用方法1月12-13日2學習傳感器靜態(tài)、動態(tài)特性，并采用Matlab/Simuli nk進行驗證1月14-2

5、1日3交實驗報告，答辯1月22-23日4注：在不做傳感器實驗的時間內完成這部分仿真實驗。四、實驗成果要求完成實驗報告，實驗報告內容應包括上述數(shù)據(jù)處理和傳感器動態(tài)特性分析兩部分實驗分析 結果，同時，實驗報告附件中應包含：1. 提供曲線擬合部分的自己編寫的程序和采用Matlab自帶函數(shù)進行驗證的代碼;2. 提供Matlab/Simuli nk搭建的仿真圖。五、考核方式交實驗報告的同時進行答辯，根據(jù)實驗報告和答辯情況綜合評定成績。學習使用Matlab進行最小二乘法數(shù)據(jù)處理，分別通過自己編寫函數(shù)和使用 Matlab提供的函數(shù)實現(xiàn)相同功能；S型熱電偶特性（溫度范圍在 0 1700 C,查表溫度間隔為10

6、0 C）如下表 所示：溫度C）S型熱電偶分度（mV001000.6462001.4413002.3234003.2595004.2336005.2397006.2758007.3459008.44910009.587110010.757120011.951130013.159140014.373150015.582160016.777170017.947對熱電偶特性進行曲線擬合，要求：1. 按照最小二乘法原理編寫Matlab 程序；2. 采用Matlab自帶的擬合函數(shù)進行線性擬合，對前面的結果驗證；3. 采用Matlab自帶的擬合函數(shù)進行二次曲線擬合，并給出線性擬合的誤差分析。1. 按照最小二

7、乘法原理編寫Matlab 程序；clcsyms yt xt;m仁0;m2=0;m3=0;m4=0;x=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;for i=1:16;m1=m1+x(i);m2=m2+y(i);m3=m3+x(i)*y(i);m4=m4+x(i)

8、*x(i);en d;k=(18*m3-m1*m2)/(18*m4-m1A2); a0=(m4*m2-m1*m3)/(18*m4-m1A2);xt=x;yt=aO+k*xt;%按最小二乘法編寫的程序k %out ka0 % out a0k =0.0104a0 =-0.55442. 采用Matlab自帶的擬合函數(shù)進行線性擬合，對前面的結果驗證；clcsyms yt xt;m仁0;m2=0;m3=0;m4=0;x=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141

9、 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;figure(1);subplot(3,1,1);stem(x,y,'fill');xlabel('溫度 / ° C');ylabel('s型熱電偶分度/mV');title('原始數(shù)據(jù)點');axis(0 1700 0 18);for i=1:16;m1=m1+x(i);m2=m2+y(i);m3=m3+x(i)*y(i);m4

10、=m4+x(i)*x(i);en d;k=(18*m3-m1*m2)/(18*m4-m1A2); a0=(m4*m2-m1*m3)/(18*m4-m1A2);xt=x;yt=a0+k*xt;subplot(3,1,2);plot(xt,yt);xlabel('溫度 / ° C');ylabel('s型熱電偶分度/mV');title('最小二乘法擬合曲線');axis(0 1700 0 18);a=polyfit(x,y,1);% 使用matlab自帶程序近線性擬合 xi=0:0.001:1700;yi=polyval(a,xi);su

11、bplot(3,1,3);plot(xi,yi);%二者曲線進行比較xlabel('溫度 / ° C');ylabel('s 型熱電偶分度/mV');title('matlab自帶擬合函數(shù)擬合曲線')axis(0 1700 0 18);k %out ka0 % out a0a%!帶線性擬合系數(shù)figure(2)stem(x,y,'fill');xlabel('溫度 / ° C');ylabel('s 型熱電偶分度/mV');axis(0 1700 0 18);hold on;pl

12、ot(xi,yi);legend('原始數(shù)據(jù)點','擬合曲線');sprintf('自帶函數(shù)擬合直線方程：Y=%0.5gx+%g',a(1),a(2)V F度分偶電熱挈原始數(shù)據(jù)點溫度/ °最小二乘法擬合曲線度分偶電熱夢度分偶電熱挈10002004006008001000120014001600溫度/ Cmatlab自帶擬合函數(shù)擬合曲線10002004006008001000120014001600溫度/ CV F度分偶電熱夢k =0.0104a0 = -0.5544a = 0.0108 -0.9225ans =自帶函數(shù)擬合直線方程：Y=

13、0.010827x+-0.9224913. 采用Matlab自帶的擬合函數(shù)進行二次曲線擬合，并給出線性擬合的誤差分析。clcx=0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700;y=0 0.646 1.141 2.323 3.259 4.233 5.239 6.275 7.345 8.449 9.587 10.757 11.951 13.15914.373 15.582 16.777 17.947;b=polyfit(x,y,2);xj=0:0.001:1700 yj=polyval(b,

14、xj);stem(x,y,'fill');xlabel('溫度 / ° C');ylabel('s 型熱電偶分度/mV');axis(0 1700 0 18);hold on;plot(xj,yj);legend('原始數(shù)據(jù)點','二次擬合曲線');sprintf('二次曲線方程：Y=(%0.5g)xA2+%0.5gx+%0.5g',b(1),b(2),b(3)ans =二次曲線方程：Y=(1.4213e-006)xA2+0.0084104x+-0.27817溫度/ °V F度分

15、偶電熱夢（二）傳感器動態(tài)特性分析利用Matlab/Simuli nk對傳感器動態(tài)特性進行分析，輸入信號分別采用為階躍信號和正弦信號，要求：1. 對零階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論；StepTransfer FcnsimoutTo WorkspaceScope階躍信號零階傳感器動態(tài)特性正弦信號零階傳感器動態(tài)特性零階傳感器輸入與輸出呈正比關系，并且與頻率無關，無相位失真和幅值失真問題。2. 對一階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論；Tra nsfer FenScope階躍信號一階傳感器動態(tài)特性正弦信號一階傳 感器動態(tài)特性由圖可知，隨時間的推移，輸出最終與輸入呈正比。一階傳感器具有一定的延遲。3. 對二階傳感器的動態(tài)特性進行仿真，并對仿真結果進行討論，特別需要對阻尼比系數(shù)分情 況進行討論。阻尼比=0.5Transfer Fcn2Scope2階躍信號二階傳感器動態(tài)特性正弦信號二階傳感器動態(tài)特性此為欠阻尼情況，階躍響應峰值