傳感器的標定與校準

1、第14章傳感器的標定與校準傳感器的標定與校準：通過試驗,建立傳感器的輸出-輸入特性及其誤差關系.傳感器的標定與校準方法： 標準設備產(chǎn)生非電量一輸入量,測試被標定傳感器相應的輸出量,弁與輸入量比擬,作出標定圖表. 傳感器的標定系統(tǒng)：被測非電量的標準發(fā)生器與標準測試系統(tǒng)；待標傳感器與配接的信號調(diào)理和顯示、記錄器等.靜態(tài)標定一一標定靜態(tài)特性：靈敏度,線性度,精度,； 傳感器的標定一靜態(tài)標定一一動態(tài)特性參數(shù)(；n；2測t盛；動態(tài)標定信號：階躍信號或正弦信號. 傳感器的標定與校準的目的：保證測量的準確、統(tǒng)一和法制性.§14.1 測量誤差根本概念14.1.1 測量與測量誤差1 .測量“測量是以確

2、定量值為目的的一種操作o這種“操作就是測量中的比擬過程一一將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比擬的過程.實現(xiàn)比擬的工具 就是測量儀器儀表(簡稱儀表).檢測是意義更為廣泛的測量,它包含 測量和檢驗 的雙重含義.檢測過程應包括：信息的獲取一一用傳感器完成；信號的調(diào)理一一用變送器完成； 信號的顯示與記錄一一用顯示器、指示器或記錄儀完成.傳感器、變送器和顯示裝置可統(tǒng)稱為檢測儀表,或者將傳感器稱為一次儀表,將 變送器和顯示裝置稱為二次儀表.2 .測量誤差檢測儀表獲得的測量值與被測變量的真實值之間總會存在一定的差異,這一差異 稱為測量誤差.這就是誤差公理一一實驗結(jié)果都具有誤差,誤差自始至終存在于一切 科學實

3、驗的過程之中.(1)絕對誤差絕對誤差 后在理論上是指測量值x與被測量的真值xi之間的差值,即=x Xi (14-1)真值Xi是一理想的概念,在實際測量的條件下一般無法得到真值.通常用計量學 約定真值、標準器具相對真值、屢次測量平均值等作為真值,用X0表示.將式(14-1 )中的真實值 Xi用X0來代替,那么絕對誤差可以表示成叁一=x X0 (14-2)絕對誤差是可正可負的,而不是誤差的絕對值；絕對誤差還有量綱,它的單位與 被測量的單位相同.測量誤差可能由多個誤差分量組成.引起測量誤差的原因,通常包括：測量裝置 的根本誤差；非標準工作條件下所增加的附加誤差；所采用的測量原理以及根據(jù)該原理在實施測

4、量中運用和操作的不完善引起的方法誤差；標準工作條件下,被測量隨時 間的變化；影響量(不是被測量,但對測量結(jié)果有影響的量)引起的誤差；與觀測人 員有關的誤差因素等.根據(jù)引起誤差的原因和誤差的性質(zhì),測量誤差可分為三類：系統(tǒng)誤差,具有確定 性,決定測量的準確度,可以進行修正；隨機誤差,具有偶然性,決定測量的精密度, 利用誤差理論進行處理；粗大誤差,是錯誤,應剔除.(2 )相對誤差 實際相對誤差：6 實=-X 100%( 14-3)Xi標稱相對誤差(或示值相對誤差)6 標=皇 X 100%( 14-4)X0測量誤差 是對某一次具體測量好壞的評價.14.1.2 儀表誤差1 .測量儀表誤差的根本術(shù)語(1)

5、測量儀表的示值誤差測量儀表的示值就是測量儀表所給出的量值,測量儀表的示值誤差定義為“測量儀表的示值與對應輸入量的真值之差,它實際是儀表某一 次測量的誤差.由于真值不能確定,實際上用的是相對真值.此概念主要應用于與參 考標準相比擬的儀器,就實物量具而言,示值就是賦予它的值.在不易與其他稱呼混 淆時也簡稱為測量儀表的誤差.(2)測量儀表的最大允許誤差定義是“對給定的測量儀表,標準、規(guī)程等所允許的誤差極限值 o有時也稱為測量儀表的允許誤差限,或簡稱允許誤差(B允).(3)測量儀表的固有誤差常稱為測量儀表的根本誤差.定義是“在參考條件下確定的測量儀表的誤差.此參考條件也稱標準條件,是指為測量儀表的性能

6、試驗或為測量結(jié)果的相互比擬而規(guī)定的使用條件,一般包括作用于測量儀表的各影響量的參考值或參考范圍.(4)附加誤差附加誤差是指測量儀表在非標準條件時所增加的誤差,它是由于影響量存在和變化而引起的,如溫度附加誤差、壓力附加誤差等等.(5)測量范圍和量程測量范圍是指“測量儀器的誤差處在規(guī)定極限內(nèi)的一組被測量的值,也就是被測量可按規(guī)定的準確度進行測量的范圍.量程 是指測量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差.例如：測量范圍為 0100 c時,量程為100 C;測量范圍為20100 C時,量程為 80 C;測量范圍為 一20100 c時,量程為 120 Co2 .儀表誤差(1)引用誤差測量儀表的示值誤差可以用來表

7、示某次測量結(jié)果的準確度,但假設用來表示測量儀表的準確度那么不太適宜.由于測量儀表是用來測量某一規(guī)定范圍(測量范圍)內(nèi)的被測量,而不是只測量某一固定大小的被測量的.而且,同一個儀表的根本誤差,在整個 測量范圍內(nèi)變化不大,但測量示值的變化可能很大,這樣示值的相對誤差變化也很大. 所以,用測量儀表的示值相對誤差來衡量儀表測量的準確性是不方便的.為了方便起見,通常用 引用誤差 來衡量儀表的準確性能.引用誤差引用濺量儀表的示值的絕對誤差 與儀表的量程之比的百分數(shù)來表示,即引用誤差或相對百分誤差：國 二- X 10%0 14-5儀表量程"2儀表誤差儀表的準確度或精度是用儀表誤差的大小來說明其指示

8、值與被測量真值之間 的符合程度,誤差越小,準確度越高.儀表的準確度用儀表的最大引用誤差fimax 即儀表的最大允許誤差5允來表示,即max七 max 一100% 14-6 量程式中,max 一儀表在測量范圍內(nèi)的最大絕對誤差；量程=儀表測量上限儀表一儀表測量下限.誤差 是對儀表 在其 測量范圍內(nèi) 測量好壞的 整體 評價.3儀表精度等級 a儀表精度等級是按國家統(tǒng)一規(guī)定的允許誤差大小去掉儀表誤差的v 號和 “來劃分成假設干等級的.儀表的精度等級數(shù)越小,儀表的測量準確度越高.目前中國生 產(chǎn)的儀表的精度等級有：a=0.005 、 0.01 、 0.02, 0.05, 0.1 ,0.2, ( 0.4) ,

9、 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, ( 4.0),等.I級標準表n級標準表工業(yè)用表括號內(nèi)等級必要時采用.儀表的根本誤差：4ax=儀表量程 /a%,稱為儀表在測量范圍內(nèi)的根本誤差3 .儀表變差升降變差升降變差又稱回程誤差或示值變差,是指在相同條件下,使用同一儀表對某一參數(shù)進行正、反行程測量時,對應于同一測量值所得的儀表示值不等,正、反行程示值之差的絕對值稱為 差,即升降變差=I正行程示值 -反行程示值(14-7)儀表變差也用最大引用誤差表示,即正行程測量值-反行程測量值| max變差;X 100% 14-8 單柱必須注意,儀表的變差不能超出儀表的允許誤差或根本誤差.圖14-1測量儀表的變差

10、例14-1某壓力傳感器的測量范圍為 010MPa ,校驗該傳感器時得到的最大絕對誤差 為0.08MPa ,試確定該傳感器的精度等級.解：該傳感器的精度為：段 max0.08°max 量程 100%10_0100% 0.8%由于國家規(guī)定的精度等級中沒有0.8級儀表, 而該傳感器的精度又超過了0.5級儀表的允許誤差,所以,這只傳感器的精度等級應定為1.0級.例14-2某測溫傳感器的測量范圍為01000 C,根據(jù)工藝要求,溫度指示值的誤差不允許超過 二7C,試問應如何選擇傳感器的精度等級才能滿足以上要求解：根據(jù)工藝要求,傳感器的精度應滿足：max -max 100% 一7100% 二 0.

11、7%量程1000- 0此精度介于0.5級和1.0級之間,假設選擇精度等級為1.0級的傳感器,其允許最大絕對誤差為 ± 10C,這就超過了工藝要求的允許誤差,故應選擇0.5級的精度才能滿足工藝要求.由以上兩個例子可以看出,根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級和根據(jù)工藝要求來 選擇 儀表精度等級,要求是不同的.根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時, 儀表的精度等級值應選不小于由校驗結(jié)果所計算的精度值；根據(jù)工藝要求來選擇儀表 精度等級時,儀表的精度等級值應不大于工藝要求所計算的精度值.儀表的精度等級是衡量儀表質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標之一,它反映了儀表的準確度和精密度.儀表的精度等級一般用圈內(nèi)數(shù)字等

12、形式標注在儀外表板或銘牌上.§14. 2傳感器的靜態(tài)特性標定14.2.1 靜態(tài)標定條件20 堂C； < 85%RH ; 760 60 mm 汞柱14.2.2 標定儀器設備標準量具精度等級確實定標準量具的精度等級比被標定傳感器至少高一個等級；附加設備又必須比標準量具至少高一個等級.14.2.3靜態(tài)特性標定方法比擬法創(chuàng)造一個靜態(tài)標準條件；選擇標準量具；標定步驟：全量程等間隔分點標定,正、反行程往復循環(huán)一定次數(shù)逐點標定輸入標準量,測試傳感器相應的輸出量,列出傳感器輸出-輸入數(shù)據(jù)表格或繪制輸出-輸入特性曲線,數(shù)據(jù)處理獲取相應的靜態(tài)特指 標.§14. 3傳感器的動態(tài)特性標定動態(tài)

13、標定一一研究動態(tài)響應一一確定動態(tài)響應參數(shù)動態(tài)標定信號：階躍信號或正弦信號14.3.1 一階傳感器的動態(tài)標定確定時間常數(shù)一階傳感器的階躍響應如圖1-15(a)(b>圖L15階傳感器的階躍響應(G單位階跋盾號乂 b)一階傳感器階躍響座曲線_t/y(t)=1 -e時間常數(shù)液示傳感器在階躍信號作用下,其響應的輸出值到達最終穩(wěn)定值的63.5%所經(jīng)過的時間.只用到一個實驗數(shù)據(jù).假設改寫上式為:t/ z1 -y(t)= e =e ,z=ln 1 -y(t) *其中,T,由此確定時間常數(shù)T考慮了傳感器瞬態(tài)響應的全過z= T/ ； z與t線性.作zt曲線,其斜率 心z=程14.3.2二階傳感器的動態(tài)標定確

14、定傳感器的阻尼比一和固有頻率 °n°欠阻尼二階傳感器的階躍響應(如圖14-3)y(t) k 1JI、J / 12Q +sin d t arctan : nA' .Iy(t)以0= 8n,1 N作衰減振蕩,按求極值的方法可得各振蕩峰值對應的時間tP=0,能皆 2凱/ % ?,將t=巧 <'4弋入y(t)的表達式,可得最大過沖量MM測得M ,由上式或圖114-4,可求阻尼比二；由標定測得的tp,得 fd , OJd, ®n.圖14-4 -M曲線假設衰減振蕩緩慢,過程較長,可測 M i和M i+n來求,n觀兩峰值相隔的周期數(shù).設 i對應的時間為ti

15、,那么M i+n對應的時間為將ti和ti+n代入欠阻尼二階傳感器的階躍響應式,得 , t , nM ie2nln M Tn L也 t i - 2 n- -/ n 1 22i ' nJ -e 整理后得2n2、n42n 2式中當Qq.1時,1監(jiān)1至1,那么ln M i / M i -n an;2n &n - lnMi n也可以利用正弦信號輸入,測定傳感器輸出與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)幅頻特性分別按圖13-5和14-6來求一階傳感器的時間常數(shù) 和欠阻尼二階傳感器的阻尼比耳口固有頻率 3n.14-6由幅頻特性求欠阻尼二階除按感情的七和仙0圖14-5

16、由幅頻特性求一階傳感器時間常數(shù).1.1.1 14. 4 壓力傳感器的標定和校準1.1.2 靜態(tài)標定和校準靜態(tài)標定裝置：標準活塞壓力計,杠桿式測力計和彈簧式測力計.標準活塞壓力計標定裝置,如圖14-7所示；壓力標定曲線如圖14-8所示圖14-7活塞壓力計結(jié)構(gòu)示意圖圖14-8 壓力標定曲線杠桿式測力計標定裝置,如圖14-9所示,祛碼重量與壓力的關系W=pSb/a圖14-9杠桿式壓力標定機示意圖彈簧式測力計標定裝置,如圖14-10所示,p=F/S式中,F測力計檢定表所測得的傳感器所受的力；S一傳感器的受力面積fl圖4-10彈簧測力計式壓力標定機-時14-10所示.調(diào)節(jié)手柄可以改變壓力的幅值,可100

17、Hz .1.1.3 動態(tài)標定和校準動態(tài)信號壓力源：產(chǎn)生滿意的周期或階躍壓力；弁能可靠地確定其真實壓力 間關系.穩(wěn)態(tài)標定需周期性穩(wěn)態(tài)壓力源 活塞與缸筒式穩(wěn)態(tài)壓力源,如圖獲得70kg/cm 2的峰值壓力,頻率可達14-11 活塞缸筒穩(wěn)態(tài)壓力源示意圖1-接被檢壓力計；2-接標準壓力計；3-飛輪；4-調(diào)節(jié)手柄凸輪限制噴嘴式穩(wěn)態(tài)壓力源,如圖 14-11所示,可獲得 0.1kg/cm 2的峰值壓力,頻 率可達300Hz.圖14-12凸輪限制噴嘴穩(wěn)態(tài)壓力源1-恒定壓力入口； 2-接被檢壓力表；3-凸輪；4-接標準壓力表這兩種周期性穩(wěn)態(tài)壓力源只能提供可變的穩(wěn)態(tài)壓力,不能提供確定的數(shù)值或時間特 性,適合于將未知

18、特性的傳感器與特性的傳感器進行比擬的標定方法比擬法非穩(wěn)態(tài)標定 利用非穩(wěn)態(tài)階躍壓力信號和階躍函數(shù)理論進行標定.非穩(wěn)態(tài)階躍壓力源有：快卸荷閥；脈沖膜片；閉式爆炸器；激波管等.激波管非穩(wěn)態(tài)壓力標定特點：結(jié)構(gòu)簡單,可產(chǎn)生較理想的瞬態(tài)“標準壓力；壓力幅度范圍寬,便于改變壓力值；壓力頻率范圍寬2kHz1.5MHz ;便于分析研究和數(shù)據(jù)處理.1 .結(jié)構(gòu)主要由激波管、入射激波測速系統(tǒng)、標定測量系統(tǒng)、氣源等組成,如圖14-13所示.激波彳二標定裝置原理框圖I 一激波管的高壓室走一微波管的低壓室;A激波',上下壓空間的膜片；4TM面被標定的傳感器;5底面帔標定的傳盛器浦A格為側(cè)速壓力傳感器;8測速前置級;

19、9數(shù)字式頻率計Imr前置級山一泊錄記憶裝室比一氣源表遙l泄氣門激波管所產(chǎn)生的激波如圖14-15所示.入射激波的階躍壓力為與2 二 P2 - P 1 M 1M s2 _1 p16反射激波的階躍壓力為7-22p5 p5 _ p 1 M s _ 1 2 4M s2 p135 M s式中,M s馬赫數(shù).由測速系統(tǒng)決定.2 .入射激波測速系統(tǒng)由壓電式壓力傳感器6和7、前置電荷放大器 8和頻率計組成.v 1 t 1/nTM s定義M s - v VT " v vo - 1 ' T式中,vo 0時的聲速,vo=331.36m/s ; vtT'C 時的聲速；0=1/273=0.003

20、66一高斫安一 一低IR空一r反射稀疏就一*圖14-15激波管中壓力與波動情況(舊膜片爆破前情漏發(fā)而瞋H爆破后稀疏波反射前情況即廢放反射后情況i (由反射激波波動情況3 .標定測量系統(tǒng)由被標定傳感器5和6、前置電荷放大器10及記憶示波器 11等組成,可測階躍進響應波形,如圖14-14所示.由響應波形進行數(shù)據(jù)分析處理,直接求得傳感器的幅頻特性及動態(tài)靈敏度.傳感器5響應入射激波階躍壓力,傳感器響應反射激波階躍壓力.圖14-14被標定傳感器輸出波形4 .氣源系統(tǒng)由氣源、氣壓表、泄氣門等組成.常采用壓縮空氣或氮氣.§14.5振動傳感器的標定和校準振動信號源：振動臺產(chǎn)生正弦鼓勵的標定信號.14

21、.5.1 絕對標定法激光光波長度作為振幅量值的絕對基準,測出振動信號的振幅值X m(m);精密數(shù)字頻率計測出振動臺的振動頻率f (1/s);精密數(shù)字電壓表測出傳感器輸出電壓值Erms(mV) o那么被標振動傳感器的加速度靈敏度S a為2ErmsmV S2.LSa-2 f 2 X m幅 m m14.5.2比擬標定法將被標傳感器與標準測振傳感器“背靠背安裝在振動臺上.標定時,分別測出被標傳感器與標準測振傳感器的輸出電壓值度為Sa0 ,那么被標傳感器加速度靈敏度Ua和U ,假設標準測振傳感器的加速度靈敏Sa為頻率響應的標定,在振幅恒定條件下,Sa=Sa0 U/U a改變振動臺的振動頻率,測出傳感器輸

22、出電壓與振動頻率的關系,即幅頻響應.比擬被標傳感器與標準傳感器輸出信 號間的相位差,可得傳感器的相頻特性.被標傳感器支架圖14-16振動傳感器比擬標定系統(tǒng)§ 14.6 度傳感器的標定和校準14.6.1 溫標的根本概念為了保證溫度量值的統(tǒng)一和準確,應該建立一個衡量溫度的標準尺度,簡稱溫標.溫標是溫度的基準量,它規(guī)定溫度的始點零度和測量溫度的根本單位.各種溫度傳 感器和溫度計的標度數(shù)值均由溫標確定.目前國際上采用較多的溫標有攝氏溫標、國際 溫標,我國法定計量單位也已采用了這兩種溫標.止匕外,在一些國家還采用華氏溫標.溫標的三要素：溫度固定點,標準溫度計測溫物質(zhì),內(nèi)插公式.14.6.1.1 國際溫標1 .熱力學溫標K 1848年英國開爾文 L.Kelvin提出以熱力學第二定律為根底的熱力學溫標,選定水的三相點為 273.16K ,定義水的三相點溫度的1/273.16為1度,單位為開爾文,簡稱K 1954年國際計量會議.熱力學溫度也稱為絕對溫度2 .國際實用溫標( IPTS-68 , ITS-90 )溫度的根本單位與熱力學溫度相同,其標度具有11個固定點,如表14-2所示.測量各固定點之間溫度值的方法：13.81K630.74 C范圍內(nèi)用基準鉗電阻溫度計進行插補,電阻-溫度關系由一個的插補函數(shù)確定；630.74 C-1064.43 C范圍內(nèi),采用鉗鏈10-鉗熱電偶作為標