第11章 傳感器的標定

1、第11章 傳感器的標定為什么要標定？Why什么是標定？What怎樣進行標定？How1第11章 傳感器的標定2為什么要標定？為什么要標定？ 任何一種傳感器在制造、裝配完畢后都必須對原設(shè)計指標進行一系列試驗，以確定傳感器的實際性能。Calibration新研制的傳感器需進行全面技術(shù)性能的鑒定，用鑒定數(shù)據(jù)進行量值傳遞，同時鑒定數(shù)據(jù)也是改進傳感器設(shè)計的重要依據(jù)經(jīng)過一段時間儲存或使用后對傳感器的復測，可檢測傳感器的基本性能是否發(fā)生變化，判定其是否可繼續(xù)使用。對可繼續(xù)使用的傳感器，若某些指標(如靈敏度)發(fā)生了變化，應通過再次標定，對原數(shù)據(jù)進行修正。第11章 傳感器的標定3什么是標定？什么是標定？傳感器的標

2、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差關(guān)系。Calibration靜態(tài)標定動態(tài)標定主要用于檢驗、測試傳感器(或是整個傳感系統(tǒng))的靜態(tài)特性指標，如靜態(tài)靈敏度、線性度、遲滯、重復性等。主要用于檢驗、測試傳感器(或傳感系統(tǒng))的動態(tài)特性，如動態(tài)靈敏度、頻率響應等第11章 傳感器的標定p基本參數(shù)指標基本參數(shù)指標 量程指標：量程范圍、過載能力。量程指標：量程范圍、過載能力。 靈敏度指標：靈敏度、分辨力、滿量程輸出。靈敏度指標：靈敏度、分辨力、滿量程輸出。 精度有關(guān)指標：誤差、線性、滯后、重復性。精度有關(guān)指標：誤差、線性、滯后、重復性。 動態(tài)性能指標：固有頻率、阻

3、尼比、時間常數(shù)動態(tài)性能指標：固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應范圍。、頻率響應范圍。第11章 傳感器的標定p 環(huán)境參數(shù)指標環(huán)境參數(shù)指標 溫度指標：工作溫度范圍，溫度誤差，溫度漂移，溫溫度指標：工作溫度范圍，溫度誤差，溫度漂移，溫度系數(shù)。度系數(shù)。 其他環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干其他環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等。擾能力等。p 可靠性指標可靠性指標 工作壽命、平均無故障時間、絕緣電阻、耐壓等。工作壽命、平均無故障時間、絕緣電阻、耐壓等。p 其他指標其他指標 供電方式供電方式（直流、交流、頻率、波形）直流、交流、頻率、波形） 電壓范圍電壓范圍第11章 傳感器的標

4、定怎樣進行標定？怎樣進行標定？利用一種標準設(shè)備產(chǎn)生的已知非電量(如標準力、壓力、位移等)作為輸入量，輸入至待標定的傳感器中，得到傳感器的輸出量；然后將傳感器的輸出量與輸入的標準量作比較，從而得到一系列的標定曲線。Calibration第11章 傳感器的標定傳感器標定的分類傳感器標定的分類 （1）根據(jù)被測量進行分類）根據(jù)被測量進行分類 絕對標定法絕對標定法 被測量是由高精度的設(shè)備被測量是由高精度的設(shè)備產(chǎn)生并測量其大小的。特點：精度較高，但較產(chǎn)生并測量其大小的。特點：精度較高，但較復雜。復雜。 相對標定法相對標定法或或比較標定法比較標定法 被測量是用被測量是用根據(jù)絕對標定法標定好的標準傳感器來測量

5、的根據(jù)絕對標定法標定好的標準傳感器來測量的。特點：簡單易行，但標定精度較低。特點：簡單易行，但標定精度較低。第11章 傳感器的標定8輸出量輸出量已知非電量已知非電量輸入量輸入量輸出輸出2輸出輸出1輸入標準量：由標準傳感器檢測得到輸入標準量：由標準傳感器檢測得到實質(zhì)：待標定傳感器與標準傳感器之間的比較實質(zhì)：待標定傳感器與標準傳感器之間的比較第11章 傳感器的標定p標定系統(tǒng)的組成標定系統(tǒng)的組成被測非電量的標準發(fā)生器，如測力砝碼、環(huán)形測力機、活塞式被測非電量的標準發(fā)生器，如測力砝碼、環(huán)形測力機、活塞式壓力計、位移標定設(shè)備（深度千分尺）、恒溫源（低溫壓力計、位移標定設(shè)備（深度千分尺）、恒溫源（低溫-6

6、30.74-630.74）用鉑電阻溫度計、（）用鉑電阻溫度計、（630-1064630-1064）用鉑鐒）用鉑鐒- -鉑熱電偶等。鉑熱電偶等。被測非電量的標準測試系統(tǒng)，如標準壓力傳感器、標準力傳感被測非電量的標準測試系統(tǒng)，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等。器、標準溫度計等。待標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精待標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。度是已知的。第11章 傳感器的標定傳感器的靜態(tài)特性標定傳感器的靜態(tài)特性標定 1.靜態(tài)標定條件靜態(tài)標定條件 （20 5）；85%RH；（；（760 60）mm汞柱汞柱 2.標定儀器設(shè)備（標準量具）

7、精度等級的確定標定儀器設(shè)備（標準量具）精度等級的確定 標準量具的精度等級比被標定傳感器至少高一個等級；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(shè)備又必須比標準量具至少高一個等級。附加設(shè)備又必須比標準量具至少高一個等級。 3.靜態(tài)特性標定方法靜態(tài)特性標定方法比較法比較法 創(chuàng)造一個靜態(tài)標準條件；創(chuàng)造一個靜態(tài)標準條件； 選擇標準量具；選擇標準量具； 標定步驟：標定步驟： 全量程等間隔分點標定；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）；傳感器相應的輸出量）； 列出傳感器輸出列出傳感

8、器輸出-輸入數(shù)據(jù)表格或繪制輸出輸入數(shù)據(jù)表格或繪制輸出-輸入特性曲線；輸入特性曲線； 數(shù)據(jù)處理獲取相應的靜態(tài)特指標。數(shù)據(jù)處理獲取相應的靜態(tài)特指標。第11章 傳感器的標定例例 02MPa壓力傳感器的標定（輸出電壓壓力傳感器的標定（輸出電壓15V；1.5級級)，K=2V/MPa 標定數(shù)據(jù)表標定數(shù)據(jù)表輸入壓力輸入壓力(MPa) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 輸出電壓輸出電壓(V) 升升 1.02 1.40 1.79 2.19 2.56 2.98 3.41 3.78 4.17 4.57 4.98輸出電壓輸出電壓(V) 降降

9、1.01 1.42 1.81 2.23 2.58 3.05 3.43 3.82 4.20 4.59 5.01 平平 均（均（V） 1.02 1.41 1.80 2.21 2.57 3.02 3.42 3.80 4.19 4.58 4.99 升降變差（升降變差（V） 0.01 0.02 0.02 0.04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 絕對誤差絕對誤差 (V) 0.02 0.01 0.00 0.01 -0.03 0.02 0.02 0.00 -0.01 -0.02 -0.01 m=0.03 V, 最大最大升降變差升降變差0.07V，所以，所以 max= n

10、m= 0.07/(5-1) 100%=0.07/4 100%=1.75% 根據(jù)標定數(shù)據(jù)，該表只能定為根據(jù)標定數(shù)據(jù)，該表只能定為2.5級。級。第11章 傳感器的標定1211-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定 常用的壓力傳感器靜態(tài)標定裝置活塞壓力計杠桿式壓力標定機彈簧測力計式壓力標定機第11章 傳感器的標定1311-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定活塞壓力計標定壓力的示意圖標準壓力表 砝碼活塞進油閥 油杯被標定傳感器 針形閥手輪手搖壓力泵活塞壓力計由： 校驗泵(壓力發(fā)生系統(tǒng)) 活塞部分(壓力測量系統(tǒng))組成。利用活塞和加在活塞中的砝碼重量所產(chǎn)生的壓力與手搖壓力泵所產(chǎn)生的壓力相平衡的原理進行標定工作。第11章 傳感器

11、的標定14標準壓力表 砝碼活塞進油閥 油杯被標定傳感器 針形閥手輪手搖壓力泵11-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定活塞壓力計第11章 傳感器的標定15 轉(zhuǎn)動壓力泵的手輪，使托盤上升到規(guī)定的刻線位置； 按所要求的壓力間隔，逐點增加砝碼重量，使壓力計產(chǎn)生所需的壓力； 同時用數(shù)字電壓表記下傳感器在相應壓力下的輸出值。這樣就可以得出被標定傳感器的輸出特性曲線(即輸出與壓力間的關(guān)系曲線)。根據(jù)這條曲線可確定出所需要的各個靜態(tài)特性指標。 11-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定標準壓力表 砝碼活塞進油閥 油杯被標定傳感器 針形閥手輪手搖壓力泵第11章 傳感器的標定16活塞壓力計精度可達0.05%以上。不適合壓電式壓力測量系

12、統(tǒng)，因為活塞壓力計的加載過程時間太長，致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏，嚴重影響其標定精度。 11-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定標準壓力表 砝碼活塞進油閥 油杯被標定傳感器 針形閥手輪手搖壓力泵第11章 傳感器的標定17PSbWa11-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定杠桿式壓力標定機示意圖被標定的傳感器 支柱杠桿 凸輪砝碼 標定時，按要求的壓力間距，選定待標的壓力點數(shù)； 根據(jù)壓力點數(shù)，施加相應的砝碼重量W； 加上砝碼后，把凸輪放倒，使傳感器突然接受到力的作用。一次標定必須在短時間內(nèi)完成，約數(shù)秒鐘。壓力P與砝碼重量W關(guān)系為： 杠桿式壓力標定機第11章 傳感器的標定18l 把待標定的壓力傳感器放置于上、下支柱之間；

13、l 調(diào)整上部螺桿到適當位置；l 轉(zhuǎn)動凸輪手柄，使測力計上移，給傳感器加力；l 由千分表讀出變形量，按測力計的檢定表便可查得傳感器所受到的力F。11-1 壓力傳感器的靜態(tài)標定彈簧測力式壓力標定機手輪螺桿被標定的傳感器 標準測力計 底座凸輪手柄FPS壓力與力F之間的關(guān)系：第11章 傳感器的標定1911-2 壓力傳感器的動態(tài)標定 傳感器的動態(tài)特性取決于什么？傳感器的動態(tài)模型，即階數(shù)以及，,等幅頻特性、相頻特性階躍響應各種已知頻率的正弦信號激勵試驗階躍信號激勵試驗這種方法的缺點是標定頻率低(低于500 Hz)，標定裝置制作困難，應用受到限制。第11章 傳感器的標定 測量一階傳感器的階躍響測量一階傳感器

14、的階躍響應，當輸出值達到穩(wěn)態(tài)值的應，當輸出值達到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時間即為它的所經(jīng)歷的時間即為它的時間常數(shù)。時間常數(shù)。 但這樣確定時間常數(shù)實際但這樣確定時間常數(shù)實際上沒有涉及響應的全過程，測上沒有涉及響應的全過程，測量結(jié)果的可靠性僅取決于某些量結(jié)果的可靠性僅取決于某些個別的瞬時值。為獲得更可靠個別的瞬時值。為獲得更可靠的結(jié)果的結(jié)果常采用下面的方法。y t ( )t010.632x t ( )t011. 實驗確定一階傳感器時間常數(shù)的方法第11章 傳感器的標定一階傳感器的階躍響應為一階傳感器的階躍響應為令z = -t/t，上式可改寫為由上式依據(jù)測得的y(t) 可求出對應的z，作出z-t曲線

15、，則應得到線性關(guān)系，根據(jù)t = -Dt/Dz可確定時間常數(shù)，1. 實驗確定一階傳感器時間常數(shù)的方法 這種方法考慮了瞬態(tài)響應的全過程，具有較高的可靠性。還可根據(jù)z-t曲線與直線的符合程度判斷傳感器與一階傳感器的符合度。zt t z第11章 傳感器的標定二階傳感器一般都設(shè)計成阻尼比x=0.60.8的欠阻尼系統(tǒng)。階躍輸入時，典型的欠阻尼二階傳感器的瞬態(tài)響應是以阻尼角頻率wd作衰減振蕩：n2d1- - 2.實驗確定二階傳感器自然振蕩頻率與阻尼比的方法其中，第11章 傳感器的標定2.實驗確定二階傳感器自然振蕩頻率與阻尼比的方法y(t)以d= n12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=

16、0，/d，2/d，將t=/d代入y(t)的表達式，可得最大過沖量M：21- eM1ln12M或測得M，由上式，可求阻尼比；由標定測得的tp ，得fd d n。 第11章 傳感器的標定若衰減振蕩緩慢，過程較長，可測若衰減振蕩緩慢，過程較長，可測Mi和和Mi+n來求來求 ，n為兩峰值相隔的為兩峰值相隔的周期數(shù)。設(shè)周期數(shù)。設(shè)Mi對應的時間為對應的時間為ti，則，則Mi+n對應的時間為對應的時間為將將ti和和ti+n代入欠阻尼二階傳感器的階躍響應式，得代入欠阻尼二階傳感器的階躍響應式，得整理后得整理后得式中式中212-ninintt21/212lnln2-neeMMninnnttnii22224nnn

17、niinMMln2.實驗確定二階傳感器自然振蕩頻率與阻尼比的方法第11章 傳感器的標定25壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；頻率范圍寬(2 kHz2.5 MHz)；便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。此外，激波管結(jié)構(gòu)簡單，使用方便可靠，標定精度可達4%5%。11-2 壓力傳感器的動態(tài)標定 激波管法是產(chǎn)生階躍壓力比較常用的方法。因為它的前沿壓力很陡，接近理想階躍函數(shù)，所以壓力傳感器標定時廣泛應用此種方法。激波管法具有如下特點：高壓室低壓室膜片側(cè)面被標定的傳感器底面被標定的傳感器測速壓力傳感器 測速前置級數(shù)字頻率計測壓前置級記錄裝置 氣源氣壓表泄氣門第11章 傳感器的標定2611-2 壓力傳感器的動態(tài)標定 原理：標定時根據(jù)要求對高、低壓室充以不同的壓縮空氣，低壓室一般為一個大氣壓力，對高壓室則充以高壓氣體。當高、低壓室的壓力差達到一定值時膜片破裂，高壓氣體迅速膨脹沖入低壓室,從而形成激波。這個激波的波陣面壓力保持恒定，接近理想的階躍波，并以超音速沖向被標定