傳感器標(biāo)定與校準-測量技術(shù)基礎(chǔ)-11

1、北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制第十一章第十一章 傳感器標(biāo)定與校準傳感器標(biāo)定與校準概述概述傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制傳感器的標(biāo)定和校準傳感器的標(biāo)定和校準 傳感器的標(biāo)定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸傳感器的標(biāo)定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。差關(guān)系。 傳感器的標(biāo)定工作可分為如下幾個方面：傳感器的標(biāo)定工

2、作可分為如下幾個方面： 1. 新研制的傳感器需進行全面技術(shù)性能的檢定，新研制的傳感器需進行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進傳用檢定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進傳感器設(shè)計的重要依據(jù)；感器設(shè)計的重要依據(jù)； 2. 經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。工作。11.1 概述概述北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制傳感器的標(biāo)定傳感器的標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定：靜態(tài)標(biāo)定： 目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。靈敏度

3、、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標(biāo)定：動態(tài)標(biāo)定： 目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。 11.1 概述概述北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1) 靜態(tài)標(biāo)準條件靜態(tài)標(biāo)準條件2) 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定3) 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法靜態(tài)特性標(biāo)定的方法11.2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制1) 靜態(tài)標(biāo)定條件靜態(tài)標(biāo)定條件 l 無加速度、振動、沖擊無加速度

4、、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)l 環(huán)境溫度為室溫環(huán)境溫度為室溫(205)l 相對濕度不大于相對濕度不大于85% l 大氣壓力為大氣壓力為1017kPa11.2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制2) 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定 對傳感器進行標(biāo)定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的對傳感器進行標(biāo)定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的測量精度。各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的測量精度。 標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被

5、標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標(biāo)定確定的標(biāo)定傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的?？尚诺摹?1.2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3) 3) 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法靜態(tài)特性標(biāo)定的方法 對傳感器對傳感器(或傳感系統(tǒng)或傳感系統(tǒng))進行靜態(tài)特性標(biāo)定，首先就進行靜態(tài)特性標(biāo)定，首先就是創(chuàng)造一個靜態(tài)標(biāo)準條件，其次是選擇與被標(biāo)定傳感器是創(chuàng)造一個靜態(tài)標(biāo)準條件，其次是選擇與被標(biāo)定傳

6、感器的精度要求相適應(yīng)的一定精度等級的標(biāo)定用儀器設(shè)備，的精度要求相適應(yīng)的一定精度等級的標(biāo)定用儀器設(shè)備，然后按以下步驟進行標(biāo)定：然后按以下步驟進行標(biāo)定： (1) 將傳感器將傳感器(或傳感系統(tǒng)或傳感系統(tǒng))全量程全量程(測量范圍測量范圍)分成若分成若干等間距點；干等間距點； (2) 根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標(biāo)準量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出點地輸入標(biāo)準量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值值; 11.2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制3) 3) 靜態(tài)特

7、性標(biāo)定的方法靜態(tài)特性標(biāo)定的方法 (3) 將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記將輸入值由大到小一點一點的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； (4) 按按(2)、(3)所述過程，對傳感器進行正、反行所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)列成用表格或繪成曲線；列成用表格或繪成曲線； (5) 對測試數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理對測試數(shù)據(jù)進行必要的數(shù)據(jù)處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。復(fù)性等

8、靜態(tài)特性指標(biāo)。該標(biāo)定方法是一種常見的比較法。該標(biāo)定方法是一種常見的比較法。11.2 傳感器靜態(tài)標(biāo)定傳感器靜態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是確定傳感器的動態(tài)響傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要是確定傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器為時間應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器為時間常數(shù)常數(shù)，二階傳感器則有固有頻率，二階傳感器則有固有頻率n和阻尼比和阻尼比兩個兩個參數(shù)。參數(shù)。標(biāo)準激勵信號：標(biāo)準激勵信號： 階躍變化和正弦變化的輸入信號。階躍變化和正弦變化的輸入信號。11.3 傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電

9、學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為: ttye1 tyz1ln/tz z和時間和時間t成線性關(guān)系，并且成線性關(guān)系，并且有有=t/z ，可以根據(jù)測得的，可以根據(jù)測得的y (t)值作出值作出z-t曲線，并根據(jù)曲線，并根據(jù)t/z的值獲得時間常數(shù)的值獲得時間常數(shù)。 一階傳感器時間一階傳感器時間常數(shù)的求法常數(shù)的求法 zttyee1式中式中則上式可變?yōu)閯t上式可變?yōu)?1.3 傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制二階傳感器二階傳感器(1)(1)的單位

10、階躍響應(yīng)為的單位階躍響應(yīng)為: : /t/etyt2n221arcsin1sin11n21eM1ln12M11.3 傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 如果測得階躍響應(yīng)的較長瞬變過程，則可利用任如果測得階躍響應(yīng)的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量意兩個過沖量Mi和和Mi+n按下式求得阻尼比按下式求得阻尼比，其中，其中n是是該兩峰值相隔的周期數(shù)該兩峰值相隔的周期數(shù)(整數(shù)整數(shù))。 2224nnnniinMM ln當(dāng)當(dāng)0.1時，以時，以1代替，此時不會產(chǎn)生過大的誤差代替，此時不會產(chǎn)生過大的誤差(不大于不大于0.6%)，則可用下

11、式計算，則可用下式計算，即，即nMMnii2ln式中式中11.3 傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 若傳感器是精確的二階傳感器，則若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正值采用任意正整數(shù)所得的整數(shù)所得的值不會有差別。反之，若值不會有差別。反之，若n取不同值獲得取不同值獲得不同的不同的值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)曲線測出振動周期響應(yīng)曲線測出振動周期Td，有阻尼的固有頻率，有阻尼的固有頻率d 為為ddT12則無阻尼固有頻率則無阻尼固有頻率n為為21dn11.3 傳

12、感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)和欠阻尼和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。二階傳感器的固有頻率和阻尼比。 由幅頻特性求欠阻尼二階由幅頻特性求欠阻尼二階傳感器的傳感器的n和和由幅頻特性求一階傳由幅頻特性求一階傳感器時間常數(shù)感器時間常數(shù)12.2 傳感器動態(tài)標(biāo)定傳感器動態(tài)標(biāo)定北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院胥胥永永剛剛胥胥永永剛剛胥永剛制胥永剛制 傳感器對階躍壓力的響應(yīng)曲線是輸出壓力與時間傳感器對階躍壓力的響應(yīng)曲線是輸出壓力與時間的關(guān)系曲線，所以又稱為時域曲線。的關(guān)系曲線，所以又稱為時域曲線。 若傳感器振蕩周期若傳感器振蕩周期Td 是穩(wěn)定的，而且振蕩幅度有是穩(wěn)定的，而且振蕩幅度有規(guī)律地單調(diào)減