傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)資料

1、第12章 傳感器的標(biāo)定(bio dn)與校準(zhǔn) 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)：通過試驗(yàn)，建立傳感器的輸出-輸入特性及其誤差關(guān)系。 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)方法：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生(chnshng)已知非電量輸入量，測試被標(biāo)定傳感器相應(yīng)的輸出量，并與輸入量比較，作出標(biāo)定圖表。 傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)：被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器與標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)；待標(biāo)傳感器與配接的信號調(diào)理和顯示、記錄器等。 靜態(tài)標(biāo)定標(biāo)定靜態(tài)特性：靈敏度，線性度， 傳感器的標(biāo)定 精度； 動(dòng)態(tài)標(biāo)定動(dòng)態(tài)特性參數(shù)（；n，）測試； 動(dòng)態(tài)標(biāo)定信號：階躍信號或正弦信號。 傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)的目的:保正測量的準(zhǔn)確、統(tǒng)一和法制性。共四十頁12.1 測量誤差基本概念12.1.1 測量與

2、測量誤差 1.測量 “測量是以確定量值為目的的一種操作”。這種“操作”就是測量中的比較(bjio)過程將被測參數(shù)與其相應(yīng)的測量單位進(jìn)行比較的過程。實(shí)現(xiàn)比較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(yàn)的雙重含義。工程參數(shù)檢測就是用專門的技術(shù)工具（儀表），依靠能量的變換、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算找到被測量的值。一個(gè)完整檢測過程應(yīng)包括： 信息的獲取傳感器(一次儀表)； 信號的調(diào)理變送器(二次儀表) ； 信號的顯示與記錄顯示、記錄儀(二次儀表) 。共四十頁12.1 測量誤差基本概念 2. 測量誤差 檢測儀表獲得的測量值與被測變量(binling)的真實(shí)值之間存在一定的差異，這一差

3、異稱為測量誤差。 誤差公理實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程之中。 測量誤差有絕對誤差和相對誤差之分。 （1）絕對誤差 絕對誤差在理論上是指測量值x與被測量的真值xi之間的差值，即=xxi=xx0 (真值xi一般用相對真值x0代替） 絕對誤差是可正可負(fù)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。 共四十頁12.1 測量誤差基本概念 測量誤差的分類： 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(judng)測量的準(zhǔn)確度，可以進(jìn)行修正； 隨機(jī)誤差，具有偶然性，決定測量的精密度，利用誤差理論進(jìn)行處理； 粗大誤差，是

4、錯(cuò)誤，應(yīng)剔除。 共四十頁12.1 測量誤差基本概念（2）相對誤差(xin du w ch) 實(shí)際相對誤差： （14-3） 標(biāo)稱相對誤差（或示值相對誤差） （14-4） 測量誤差是對某一次具體測量好壞的評價(jià)。共四十頁12.1 測量誤差基本概念12.1.2 儀表誤差 1 .儀表誤差術(shù)語 測量儀表的示值誤差=儀表示值x-真實(shí)值xi =xx0(xi用約定真值x0來代替 ) 相對示值誤差 測量儀表的最大允許誤差 定義是“對給定的測量儀表，規(guī)范、規(guī)程等所允許的誤差極限值”。有時(shí)也稱為(chn wi)測量儀表的允許誤差限，或簡稱允許誤差（允）。 共四十頁12.1 測量誤差基本概念 測量儀表的固有誤差 常稱為

5、(chn wi)測量儀表的基本誤差。定義是“在參考條件下確定的測量儀表的誤差”。此參考條件也稱為標(biāo)準(zhǔn)條件，是指為測量儀表的性能試驗(yàn)或?yàn)闇y量結(jié)果的相互比較而規(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。 附加誤差 附加誤差是指測量儀表在非標(biāo)準(zhǔn)條件時(shí)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。 共四十頁12.1 測量誤差基本概念 2.測量范圍和量程(lingchng) 測量范圍: 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”。 量程: 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時(shí)，量程為100； 測量范圍為201

6、00時(shí)，量程為80； 測量范圍為20100時(shí)，量程為120。共四十頁12.1 測量誤差基本概念3.精確度（簡稱精度） 儀表(ybio)誤差： （儀表）引用誤差： 儀表的準(zhǔn)確度用儀表的最大引用誤差max（即儀表的最大允許誤差允）來表示，即式中，max儀表在測量范圍內(nèi)的最大絕對誤差； 儀表誤差整體上評價(jià)儀表在其測量范圍內(nèi)測量的好壞。共四十頁12.1 測量誤差基本概念 儀表精度等級(dngj)a（去掉儀表誤差的“”號和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 級標(biāo)準(zhǔn)表 級標(biāo)準(zhǔn)表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工業(yè)用表 儀表的基本誤

7、差： max=儀表量程a%共四十頁12.1 測量誤差基本概念 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(jìn)行正、反行程測量時(shí)，對應(yīng)于同一測量值所得的儀表示(biosh)值不等，正、反行程示值之差的絕對值稱為升降變差，即（升降）變差正行程示值反行程示值儀表變差也用最大引用誤差表示，即 必須注意，儀表的變差不能超出儀表的允許誤差（或基本誤差）。 圖14-1 測量(cling)儀表的變差共四十頁12.1 測量誤差基本概念 例12-1 某壓力傳感器的測量范圍為010MPa，校驗(yàn)該傳感器時(shí)得到的最大絕對誤差為0.08MPa，試確定該傳感器的精度等

8、級。 解：該傳感器的精度為： 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(yīng)定為1.0級。 根據(jù)(gnj)儀表校驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時(shí)，儀表的精度等級值應(yīng)選不小于由校驗(yàn)結(jié)果所計(jì)算的精度值 共四十頁12.1 測量誤差基本概念 例12-2 某測溫傳感器的測量范圍為01000，根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許(ynx)超過7，試問應(yīng)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(yīng)滿足： 此精度介于0.5級和1.0級之間，若選擇精度等級為1.0級的傳感器，其允許最大絕對誤差為10，這就超過了工藝

9、要求的允許誤差，故應(yīng)選擇0.5級的精度才能滿足工藝要求。 根據(jù)工藝要求來選擇儀表精度等級時(shí)，儀表的精度等級值應(yīng)不大于工藝要求所計(jì)算的精度值 共四十頁12.2 傳感器的靜態(tài)(jngti)特性標(biāo)定 1.靜態(tài)標(biāo)定條件 （205）；85%RH；（76060）mm汞柱 2.標(biāo)定儀器設(shè)備（標(biāo)準(zhǔn)量具）精度等級的確定 標(biāo)準(zhǔn)量具的精度等級比被標(biāo)定傳感器至少高一個(gè)等級； 附加設(shè)備又必須比標(biāo)準(zhǔn)量具至少高一個(gè)等級。 3.靜態(tài)特性標(biāo)定方法比較法 創(chuàng)造一個(gè)靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件； 選擇(xunz)標(biāo)準(zhǔn)量具； 標(biāo)定步驟： 全量程等間隔分點(diǎn)標(biāo)定； 正、反行程往復(fù)循環(huán)一定次數(shù)逐點(diǎn)標(biāo)定（輸入標(biāo)準(zhǔn)量，測試傳感器相應(yīng)的輸出量）； 列出傳感器輸

10、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(yīng)的靜態(tài)特指標(biāo)。共四十頁12.2 傳感器的靜態(tài)特性(txng)標(biāo)定例14-1 02MPa壓力傳感器的標(biāo)定（輸出(shch)電壓15V；1.5級)，K=2V/MPa 標(biāo)定數(shù)據(jù)表輸入壓力(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(V) 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(V) 降 1.01 1.42 1.81 2.23 2.58 3.05 3.43 3.82 4.20

11、4.59 5.01 平 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（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 (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, 最大升降變差0.07V，所以 max=nm= 0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%=1.75% 根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，該表只能定為2.5級。共四十頁12.3 傳感器的

12、動(dòng)態(tài)特性(txng)標(biāo)定動(dòng)態(tài)標(biāo)定 研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)(xingyng) 確定動(dòng)態(tài)響應(yīng)(xingyng)參數(shù)動(dòng)態(tài)標(biāo)定信號：階躍信號或正弦信號一、一階傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定 確定時(shí)間常數(shù)一階傳感器的單位階躍響應(yīng)（如圖1-15）y(t)=1et/共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)(dngti)特性標(biāo)定一階傳感器的單位階躍響應(yīng)（如圖1-15）y(t)=1et/ 時(shí)間常數(shù)(sh jin chn sh)表示傳感器在階躍信號作用下，其響應(yīng)的輸出值達(dá)到最終穩(wěn)定值的63.5%所經(jīng)過的時(shí)間。只用到一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖1-15 一階傳感器的階躍響應(yīng)(a)單位階躍信號；(b)一階傳感器階躍響應(yīng)曲線共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)特性(tx

13、ng)標(biāo)定若改寫上式為： 1y(t)= et/=ez， z=ln1y(t) （14-1）其中，z= t/，z與t線性。 作zt曲線(qxin)，其斜率t/z= ，由此確定時(shí)間常數(shù)考慮了傳感器瞬態(tài)響應(yīng)的全過程。如圖14-2所示。圖14-3 而階傳感器(1)的階躍響應(yīng)圖14-2求一階傳感器時(shí)間常數(shù)方法共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)特性(txng)標(biāo)定二、二階傳感器的動(dòng)態(tài)(dngti)標(biāo)定確定傳感器的阻尼比和固有頻率n 。欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)（如圖14-3）圖14-3 二階傳感器(1)的階躍響應(yīng)共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)(dngti)特性標(biāo)定y(t)以d= n12作衰減振蕩(zhndng)

14、，按求極值的方法可得各振蕩峰值對應(yīng)的時(shí)間tp=0，/d，2/d，將t=/d代入y(t)的表達(dá)式，可得最大過沖量M或 測得M，由上式或圖14-4，可求阻尼比；由標(biāo)定測得的tp ，得fd d n。 共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)(dngti)特性標(biāo)定圖14-4 -M曲線(qxin)共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)特性(txng)標(biāo)定若衰減振蕩緩慢，過程(guchng)較長，可測Mi和Mi+n來求，n為兩峰值相隔的周期數(shù)。設(shè)Mi對應(yīng)的時(shí)間為ti，則Mi+n對應(yīng)的時(shí)間為將ti和ti+n代入欠阻尼二階傳感器的階躍響應(yīng)式，得整理后得式中共四十頁12.3 傳感器的動(dòng)態(tài)(dngti)特性標(biāo)定 當(dāng) 0.1時(shí)，12

15、 1，則 也可以利用正弦信號輸入，測定傳感器輸出(shch)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14-5和14-6來求一階傳感器的時(shí)間常數(shù)和欠阻尼二階傳感器的阻尼比和固有頻率n。 圖14-5 由幅頻特性求一階 14-6 由幅頻特性求欠阻尼傳感器時(shí)間常數(shù) 二階除按感情的和0共四十頁12.4 壓力傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn)12.4.1 靜態(tài)(jngti)標(biāo)定和校準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定裝置：標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計(jì)，杠桿式測力計(jì)和彈簧式測力計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計(jì)標(biāo)定裝置，如圖14-7所示；壓力標(biāo)定曲線如圖14-8所示。圖14-7 活塞壓力計(jì)標(biāo)定壓力示意圖 圖4-8 壓力標(biāo)定

16、曲線共四十頁12.4 壓力傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn)杠桿式測力計(jì)標(biāo)定裝置(zhungzh)，如圖14-9所示，砝碼重量與壓力的關(guān)系W=pSb/a p=Wa/Sb 圖14-9 杠桿式壓力標(biāo)定機(jī)示意圖共四十頁12.4 壓力傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn)彈簧式測力計(jì)標(biāo)定(bio dn)裝置，如圖14-10所示，p=F/S式中，F(xiàn)測力計(jì)檢定表所測得的傳感器所受的力；S傳感器的受力面積。圖4-10 彈簧測力計(jì)式壓力標(biāo)定機(jī)共四十頁12.4 壓力傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn) 12.4.2 動(dòng)態(tài)(dngti)標(biāo)定和校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)信號壓力源：產(chǎn)生滿意的周期或階躍壓力；并能可靠地確定其真實(shí)壓力-時(shí)間關(guān)

17、系。穩(wěn)態(tài)標(biāo)定（需周期性穩(wěn)態(tài)壓源） 活塞與缸筒式穩(wěn)態(tài)壓力源，如圖14-11所示。調(diào)節(jié)手柄可以改變壓力的幅值，可獲得70kg/cm2的峰值壓力，頻率可達(dá)100Hz。圖14-11 活塞缸筒穩(wěn)態(tài)壓力源示意圖1-接被檢壓力計(jì)；2-接標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)；3-飛輪；4-調(diào)節(jié)手柄 共四十頁12.4 壓力傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn)凸輪控制噴嘴式穩(wěn)態(tài)壓力源，如圖14-12所示，可獲得0.1kg/cm2的峰值(fn zh)壓力，頻率可達(dá)300Hz。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(shí)間特性，適合于將未知特性的傳感器與已知特性的傳感器進(jìn)行比較的標(biāo)定方法（比較法）圖14-12 凸輪控制噴

18、嘴穩(wěn)態(tài)壓力源1-恒定壓力入口；2-接被檢壓力計(jì)；3-凸輪；4-接標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)共四十頁12.4 壓力(yl)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) 非穩(wěn)態(tài)標(biāo)定(bio dn)利用非穩(wěn)態(tài)（階躍）壓力信號和階躍函數(shù)理論進(jìn)行標(biāo)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(biāo)定 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單，可產(chǎn)生較理想的瞬態(tài)“標(biāo)準(zhǔn)”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。共四十頁12.4 壓力(yl)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) .結(jié)構(gòu) 主要由激波管、入射激波測速系統(tǒng)(xtng)、標(biāo)定測量系統(tǒng)(xtng)、氣源等組成，如圖14-12所示

19、。共四十頁12.4 壓力(yl)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) 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(yl)為 反射激波的階躍壓力為式中，Ms馬赫數(shù)。由測速系統(tǒng)決定。共四十頁12.4 壓力(yl)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) 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(jì)組成。 Ms定義(dngy)式中，v00時(shí)的聲速，v0=331.36m/s；vTT時(shí)的聲速；=1/273=0.00366。共四十頁12.4 壓力(yl)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn) 3.標(biāo)定測量系統(tǒng) 由被標(biāo)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，可測階躍響應(yīng)波形，如圖14-14所示。 由響應(yīng)波

20、形進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，直接求得傳感器的幅頻特性及動(dòng)態(tài)靈敏度。 傳感器5響應(yīng)入射激波階躍壓力(yl)，傳感器6響應(yīng)反射激波階躍壓力。 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?dú)?。圖14-14 被標(biāo)定傳感器輸出波形共四十頁12.5 振動(dòng)傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn) 振動(dòng)信號源：振動(dòng)臺產(chǎn)生正弦激勵(lì)(jl)的標(biāo)定信號。 一、絕對標(biāo)定法 激光光波長度作為振幅量值的絕對基準(zhǔn)，測出振動(dòng)信號的振幅值Xm(m)； 精密數(shù)字頻率計(jì)測出振動(dòng)臺的振動(dòng)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)。 被標(biāo)振動(dòng)傳感器的加速度靈敏度Sa為共四十頁12.5 振動(dòng)傳感器的標(biāo)定

21、(bio dn)和校準(zhǔn) 二、比較標(biāo)定法 將被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測振傳感器“背靠背”安裝在振動(dòng)臺上。標(biāo)定時(shí)，分別測出被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)測振傳感器的輸出電壓值Ua和U，若標(biāo)準(zhǔn)測振傳感器的加速度靈敏度為Sa0，則被標(biāo)傳感器加速度靈敏度Sa為 Sa=Sa0U/Ua 頻率響應(yīng)的標(biāo)定，在振幅恒定條件(tiojin)下，改變振動(dòng)臺的振動(dòng)頻率，測出傳感器輸出電壓與振動(dòng)頻率的關(guān)系，即幅頻響應(yīng)。 比較被標(biāo)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出信號間的相位差，可得傳感器的相頻特性。圖14-16 振動(dòng)傳感器比較標(biāo)定系統(tǒng)共四十頁12.6 溫度傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn) 12.6.1溫標(biāo)的基本概念 1.溫標(biāo) 溫度的基準(zhǔn)量，規(guī)定溫度的始

22、點(diǎn)（零度）和測量溫度的基本單位。 溫標(biāo)的三要素：溫度固定點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)(測溫物質(zhì))，內(nèi)插公式。 2.熱力學(xué)溫標(biāo)（K） 1848年英國開爾文（L.Kelvin)提出以以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的熱力學(xué)溫標(biāo)，選定水的三相點(diǎn)為273.16K，定義水的三相點(diǎn)溫度的1/273.16為1度，單位為開爾文，簡稱K (1954年國際計(jì)量會議(huy)。 熱力學(xué)溫度也稱為絕對溫度。 共四十頁12.6 溫度傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn) 3.國際實(shí)用溫標(biāo)（IPTS-68，ITS-90） 溫度的基本單位與熱力學(xué)溫標(biāo)相同，其標(biāo)度具有11個(gè)固定點(diǎn)。如表14-2所示。 測量各固定點(diǎn)之間溫度值得方法： 13.81K630.74范圍內(nèi)用基準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行插補(bǔ)，電阻-溫度關(guān)系由一個(gè)已知的插補(bǔ)函數(shù)確定； 630.74 1064.43范圍內(nèi)，采用鉑銠-鉑熱電偶作為標(biāo)準(zhǔn)儀器(yq)。表14-2 IPTS-68規(guī)定的一次溫度標(biāo)準(zhǔn)和參考點(diǎn)共四十頁12.6 溫度傳感器的標(biāo)定(bio dn)和校準(zhǔn) 4.攝氏溫標(biāo)和華氏溫標(biāo) 攝氏溫標(biāo):標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰的熔點(diǎn)定為零度（0），水的沸點(diǎn)定為100度（10