传感器标定

第1章传感检测技术基础1.1传感与检测的概念1.2传感与检测技术概述1.3传感器的基本特性1.4测量方法1.5测量误差1.6传感器标定1.6传感器标定利用标准设备产生已知的非电量（标准量），或用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程，称为传感器标定。1.6.1传感器标定1．传感器标定、校准与检定概念传感器或仪器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行一系列试验，进行全面检测，确定其实际性能，这个称之为标定过程。经使用一段时间（中国计量法规定一般为一年）或修理后，必须对其主要技术指标再次进行检测试验，即校准试验，以确保其性能指标达到要求。检定必须严格按照检定规程运作，对所检仪器给出具有法律效应合格或不合格的结论。2．传感器标定的方法与特点标定的基本方法是将已知的被测量（亦即标准量）输入给待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。传感器的标定有静态标定和动态标定两种。3.静态标定确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为室温20℃±5℃）、相对湿度不大于85％、气压为（101±7）kPa等条件。一般的静态标定包括如下步骤：（1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点。（2）根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增输入标准量值，并记录与各点输入值相对应的输出值。（3）将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与各点输入值相对应的输出值。（4）按上述步骤（2）、（3）所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次（一般为3～10次）测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线。（5）对测试数据进行必要处理。输入已知标准非电量，测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指标。4.动态标定传感器的动态标定就是通过实验得到传感器动态性能指标，确定方法常常因传感器的形式（如电的、机械的、气动的等）不同而不完全一样，但从原理上一般可分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应法和脉冲信号响应法等。（1）阶跃信号响应法1）一阶传感器时间常数τ的确定输入x是幅值为A的阶跃函数时，由一阶传感器的微分方程可得：y（t）＝kA[1-]te变形整理得:Z＝ln[l－y（t）／（kA）]其中Z=-t／τ根据测得的输出信号y（t）作出Z-t曲线，则τ=-△t／△Z。2）二阶传感器阻尼比ξ和固有频率ω0的确定211[/ln(/())]py22011Pdt二阶传感器一般设计成ξ＝0.7～0.8的欠阻尼系统。也可以利用任意两个超调量来确定ξ，表达式为：222()114/[ln(/]PiPinnσpi－第i个超调量σp（i+n）－第i+n个超调量σpi和σp（i+n）之间相隔n个周期（2）正弦信号响应法1）一阶传感器时间常数τ的确定。将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯得图，则其对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率ω0=1／τ，由此可确定一阶传感器的时间常数τ。2）二阶传感器阻尼比ξ和固有频率ω0的确定2021r20121AArA0--欠阻尼时零频增益Ar--共振频率(最大)增益Ωr--共振角频率（3）其他方法如果用功率谱密度为常数C的随机白噪声作为待标定传感器的标准输入量。1.6.2常用传感器标定设备1．静态标定设备传感器静态标定设备分类：力标定设备（如测力砝码、拉压式测力计）、压力标定设备（如活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计）、位移标定设备（如量块、直尺等）、温度标定设备（如铂电阻温度计、铂铑－铂热电偶、基准光电高温比较仪）等。（1）力标定设备1）测力砝码我国基准测力装置是固定式装基准测力机，图1.15采用杠杆式砝码标定装置。12341-支架2-传感器3-杠杆4-砝码图1.15杠杆式砝码标定装置图1.16为另一种液压式测力机工作原理。21341－传感器2－工作活塞，3－液压缸4－液体5－砝码6－加力活塞7－测力液压缸8－导管图1.16液压式测力机工作原理56782）拉压式（环形）测力计环形测力计是一种标准推力标定装置，它由液压缸产生测力，测出测力环变形量作为标准输入。可以用杠杆放大机构和百分表结构来读测力环变形量，也可用光学显微镜读取。若用光学干涉法读取，则精度更高（2）压力标定设备1）活塞式压力计利用图1.16的液压式测力机原理和不同的结构形式，再将传感器受力由点改成面接触结构，就形成了活塞式压力计，如图1.17所示。其中，砝码1经油路产生的压力作为标准压力作用在待标定的传感器6上。1234567891-标准压力表2-砝码3-活塞4-进油阀5-油杯6-被标传感器7-针形阀8-手轮9-手摇压力阀图1.17活塞压力计示意图2）水银压力计水银压力计是一种最普通的液体压力计，采用U形管水银压力计的原理，靠水银的重力产生压力，根据两端位置差和一端的压力，即可求出另一端的压力。（3）位移标定设备位移的标定设备主要是各种长度计量器具，如各种直尺、深度尺、深度千分尺、量块、塞规、专门制造的标准样柱等均可用作位移传感器的静态标定设备。（4）温度标定设备低温至630.74℃以内主要用铂电阻温度计,630.74～1064℃用铂铑-铂热电偶，1064℃以上则采用光学高温计。（5）应变标定设备一般采用加载后能产生已知均匀准确的一维应力装置，多采用泊松系数为0.285的合金钢的等弯矩梁或等强度悬臂梁实现，梁的应变通常用挠度计转换后测得。2、动态标定设备标定中常用的动态激励设备有激振器（如电磁振动台、低频回转台、机械振动台等）、激波管、周期与非周期函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。（1）振动标定设备1）电动式中、低频激振器中频激振器工作的频率范围为5～7.5kHz，一般采用电动式激振器作为中频标定用振动台。图1.18所示为电动式激振器结构示意图，驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极5与铁心6的气隙中。磁钢3、磁极5、铁心6和气隙构成磁回路，当线圈7通以经功率放大的交变电流时，它在气隙的磁场中受力，该力通过顶杆4传到试件8上便是激振力。2）压电式高频激振器1.被标传感器，2.内装传感器3.压电片，4.底座图1.19压电式高频振动台3）其他激振器机械振动台种类很多，其中最常用的是偏心惯性质量式。其原理是电机带动-偏心质量旋转，产生振动。（2）压力标定设备1）周期函数压力发生器①振动空腔校验器为封闭空腔，用适当方法产生空气谐振，安装在空腔壁上的传感器能感受到周期变化的力。②非谐振空腔校验器的原理是用一定方式调制通过容器的气流，使容器内的气体产生周期变化的压力。③转动阀门式方波压力发生器结构原理如图1.20所示：P1P2传感器图1.20方波压力发生器④喇叭式压力发生器的工作原理类似于动圈式扬声器，音圈受正弦信号激励，带动音膜振动，使空气耦合腔内的压力变化。2）非周期函数压力（力）发生器①激波管1-壳体2-破膜针3-高压腔4-管接头5-膜片6-低压腔7-传感器②落球装置451－标准传动杆2－本体3－活塞杆4－锤体5－液压油6－待标定传感器③快速阀门装置1－传感器2－泄放阀3－小容腔4－阀芯5－阀杆6－活塞7－供油管道1.6.3传感器标定实例1、应变式力传感器的静态标定先超负荷加载20次以上，超载量为传感器额定负荷的120％～150％。然后将传感器输入量以额定负荷的10％为间隔分成若干个点，按前面所述一般步骤标定，得到灵敏度、线性度、迟滞、重复性。在无负荷情况下对传感器缓慢加温或降温到一定的温度，可测得传感器的零点温漂；对传感器或整个标定设备加恒温罩，则可测得零点漂移；如加额定负荷而温度缓慢变化时，可测得灵敏度的温度系数。需要时也可测出分辨力和阈值。2．压电式压力传感器的静态标定压电式压力传感器的静态标定可在活塞式压力计上进行。传感器安装在静重式标准活塞压力计的接头上，传感器配接由静态标准电荷放大器和显示记录设备（可选用数字式峰值电压表、光线示波器、笔录仪、磁带记录仪等）组成的标准测量系统。3．热电阻的静态标定标定步骤：用标准温度计测出恒温箱温度，将被测热电阻置于恒温箱中，被测热电阻串联标准电阻Rs、可调电位器电压表和毫安表，调节可调电位器使被测系统回路电流控制在4mA。先将切换开关置标准电阻Rs一侧，读取电位差计示值Us，再转置被测电阻端读出电位电位差计示值Ut，即可按下式求得被测电阻的阻值RtRt=（Ut/Us）Rs一般取额定温度的90％、50％、10％为标定点。4．压力传感器的动态标定