传感器原理及其应用 第12章 传感器的标定

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1、武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 第 12章 传感器的标定 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 12.1 传感器静态特性的标定 传感器的标定 ， 就是利用精度高一级的标准器具对传感器进 行定度的过程 ， 通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对 应关系 ， 同时也确定不同使用条件下的误差关系 。 传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标 ， 如线性度 、 灵 敏度 、 滞后和重复性等 。 动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数 ， 如频率响应 、 时间常数 、 固有频率和阻尼比等 。 工程测试中传感器的标定 ， 应在与

2、其使用条件相似的环境下进 行 。 为获得高的标定精度 ， (尤其像电容式 、 压电式传感器等 ) 应将传感器及其配用的电缆 、 放大器等测试系统一起标定 。 有时 ， 根据需要也要对温度响应 、 环境影响等进行标定 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 1. 静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的 。 所谓静 态标准是指没有加速度 、 振动 、 冲击 (除非这些参数本身就是 被测物理量 )及环境温度一般为室温 (20 5 )、 相对湿度不 大于 85%， 大气压力为 (101 7) kPa的情况 。 2. 静态特性标定系统 对传感器进行静态特性标定 ， 首

3、先要建立标定系统 。 传感器的 静态标定系统一般由以下几部分组成： (1) 被测物理量标准发生器 。 如测力机 、 活塞式压力计 、 恒温 源等 。 (2) 被测物理量标准测试系统 。 如标准力传感器 、 压力传感器 、 标准长度 量规等 。 (3) 被标定传感器所配接的信号调节器和显示 、 记录器等配接 仪器精度应是己知的 ， 也作为标准测试设备 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。 y i x i 被测物 理量标 准发生 器 待标 定传 感器 高精 度测 量装 置 y i x i 被测物 理量发 生器 待标 定传 感 器 高精

4、 度测 量装 置 标准传感器 y i x i 被测物 理量标 准发生 器 待标 定传 感器 高精 度测 量装 置 y i x i 被测物 理量发 生器 待标 定传 感 器 高精 度测 量装 置 标准传感器 绝对法标定系统： 标定精度高，但较复杂 标定装置能产生量值确定的 高精度标准输入量 ， 将之传递 给被标定的传感器 ， 同时标定 装置能测量并显示出被标定传 感器的输出量 。 比较法标定系统 标定装置不能测量被测量 ， 它 产生的被测输入量通过标准传 感器测量 ， 被标定传感器的输 出由高精度测量装置测量并显 示 。 但如果被标定传感器包括 后续测量电路和显示部分 ， 高 精度输出测量装置就

5、可去掉 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 注意 ！ 在标定传感器时 ， 所用的测量仪器的精度至少要 比被标定的传感器的精度高一个等级 。 3. 静态特性标定的步骤 标定过程步骤如下： (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 ， 由小到大逐渐一点一点输入标 准量值 ， 并记录下与各输入值相对应的输出值； (3) 将输入值由大到小一点一点的减少下来 ， 同时记录下与各 输入值相对应的输出值； (4) 按 (2)、 (3)所述过程 ， 对传感器进行正 、 反行程往复循环 多次测试 ， 将得到的输出 -输入测试数据用表格列出或画成

6、曲 线； (5) 对测试数据进行必要的处理 ， 根据处理结果就可以确定传 感器的线性度 、 灵敏度 、 滞后和重复性等静态特性指标 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 12.2 传感器动态特性的标定 传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应 ， 而与动态 响应有关的参数 ， 一阶传感器只有时间常数 一个参数 ， 二阶 传感器则有固有频率 和阻尼比 两个参数 。 n 传感器动态特性标定方法： 1. 阶跃响应法 由于获取阶跃信号比较方便 ， 使用阶跃响应法测量传感器动 态性能是一种较好的方法 。 对于一阶传感器 ， 简单的方法就是 测得阶跃响应之后 ， 传感器输出值达到最终稳

7、定值的 63.2%所 经历的时间 ， 即时间常数 。 但上述方法测量结果的可靠性仅仅取决于某些个别的瞬时值 。 为获得较可靠的结果 ， 应记录下整个响应期间传感器的输出值 ， 然后利用下述方法来确定时间常数 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 已知一阶传感器的阶跃响应函数为： ( ) 1 e tyt 整理得： 1 ( ) tyt e 令： ln 1 ( ) z y t 则 t z 表明 z和时间 t成线性关系 ， 且 ， 如图所示 。 因此 ， 可以根据测得的 值 ， 作出 z-t曲线 ， 再根据 值 算出时间常数 。 tz ()yt tz 武汉理工大学机电工程学院 第 1

8、2章 传感器的标定 对于二阶传感器 ， 实际设计时都设计成欠阻尼系统 ， 即阻尼 比 小于 1， 这样过冲量不会太大 ， 稳定时间也不会过长 ， 如图 。 它是以 的角频 率作衰减振荡的 ， 称为传 感器的 阻尼振荡频率 。 按照 求极值的通用方法 ， 可以求 得各振荡峰值所对应的时间 为 、 、 。 2dn 1 d d d2 已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为： ()y t A K n 2 n2 e1 s i n 1 1 t t 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 按求极值的通用方法，求得第一 个峰值输出为 21 d 1y t A K e 则对应的最大超调量为 2d 1 m

9、 e y t y y 测出最大超调量 ， 则可算出阻尼比： 2 m 1 1 ln 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 测出振荡周期 Td值 ， 根据 Td= 以及 与 的关系 ， 代入下 式计算固有频率： d/ d n n 2 d 2 1T 2. 频率响应法 该方法利用正弦周期输入信号 ， 通过测定不同正弦激励频率下 输出与输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频 特性 。 根据一阶传感器幅频特性曲线的 伯得图 ， 其对数幅频曲线下降 3dB处所测取的角频率 ， 可求得一阶传感器的时间常数 。 1 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 对欠阻尼二阶传感器

10、， 可从其幅频特性曲线上测得 3个特征 量：零频增益 Ar(0)、 共振频率增益 和共振角频率 。 rrA r 根据第 1章分析得出的欠阻 尼二阶传感器幅频特性表达 式 2 2 2 2( ) 0 / ( 1 ) ( 2 )rAA 通过对其求极值可推导出 r 2 1 0 21 r r A A r n 212 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 3. 冲击响应法 冲击响应法具有所需设备少 、 操作简便 、 调整控制方便的特 点 。 如用于力传感器动态标定的落锤式冲击台就是根据重物自 由下落 ， 冲击砧子所产生的冲击力作为标准动态力的 。 用冲击 信号作为传感器输入时 ， 传感器系统

11、传递函数为其输出信号的 拉氏变换 ， 由此可确定传感器的传递函数 。 12.3 常用的标定设备 12.3.1 静态标定设备 1. 力标定设备 测力传感器的标定主要是静态标定，采用比较法。 1) 测力砝码 最简单的力标定设备是各种测力砝码。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 我国基准测力装置是固定式基准测力机 ， 它实际上是由一组 在重力场中体现基准力值的直接加荷砝码 (静重砝码 )组成 。 图 (a)所示为一种杠杆式测力机 ， 这是一种直接加测力法码的标定 装置 。 图 (b)所示为一种液压式测力机原理图 ， 其中砝码经油路 产生的力作为标准力 ， 作用在被标定传感器上 ，

12、量程可高达 5MN。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 2) 拉压式测力计 图示为一种用环形测力计 作为标准的推力标定装置 。 它由液压缸产生测力 ， 测力 计的弹性敏感元件为椭圆形 钢环 ， 环体受力后的变形量 与作用力成线性关系 ， 测出 测力环变形量作为标准输入 。 如果用杠杆放大机构和百分 表结构来读取测力环变形量 ， 或用光学显微镜读取 ， 甚至 采用光学干涉法读取 ， 则可 大大提高测量精度 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 2. 压力标定设备 活塞压力计是目前 最常用的压力传感器 静态标定装置 。 图示 为活塞压力计结构原 理图 。 1 测

13、量活塞； 2 砝码； 3 活塞柱； 4 手摇泵； 5 工作液； 6 被校压力 表； 7 手轮； 8 丝杆； 9 手摇泵活塞； 10 油 杯； 11 进油阀手轮； 12 托盘； 13 标准压力 表； a、 b、 c 切断阀； d 进油阀 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 活塞压力计实物图 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 在压力表 (压力传感器 )标定时 ， 通过手轮对加压泵内的油液加 压 ， 根据流体静力学中液体压 力传递平衡原理 ， 该外加压力 均匀传递到活塞缸内顶起活塞 。 由于活塞上部是承重盘和砝码 ， 当油液中的压力 p产生的活塞上 顶力与承重盘和砝

14、码的重力相 等时 ， 活塞被稳定在某一平衡 位置上 ， 这时力平衡关系为 p A G 式中： A为活塞的截面积； G为承重盘和砝码 (包括活塞 )的总重 力； p为被测压力 。 1 测量活塞； 2 砝码； 6 被校压力表； 9 手摇泵活塞； 13 标准压力表； 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 一般取 A=1cm2或 0.1cm2， 因而可以方便准确地由平衡时所加砝 码和承重盘本身的重力知道被测压力 p的数值 。 通过被标定压 力表 (传感器 )上的压力指示值与这一标准压力值 p相比较 ， 就 可知道被标定压力表 (传感器 )误差大小 。 在现场标定时 ， 为了操作方便 ，

15、可以不用砝码加载 ， 而直接用 标准压力表读取所加压力 。 作为压力标准的活塞压力计精度为 0.002%， 作为国家基准器 的活塞压力计最高精度为 0.005%， 一等标准精度为 0.01%， 二等标准精度为 0.05%， 三等标准精度为 0.2%， 一般工业用 压力表用三等精度活塞压力计校准 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 3. 位移 (长度 )标定设备 位移 (长度 )测量系统的标定主要采用比较法 。 标定设备主要 是各种长度计量器具 ， 如各种直尺 、 千分尺 、 块规 、 塞规 、 专 门制造的标准样柱等均可作为位移传感器的静态标定设备 。 当精度为 2.5 1

16、0 时可直接用度盘指示器和千分尺作标准 器；如测量精度高于 2.5 ， 则应用块规来标定传感器 。 m m 块规精度高 ， 使用方便 ， 标定范围广 ， 是工业中常用的长度 标准器 。 块规由轴承钢制成 ， 具有两个相对经抛光的基准平 面 ， 它们的平面度和平行度都限制在规定的公差范围内 。 作 为标准用的块规的准确度为 0.03 /cm。 m 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 块规实物图 块规的使用 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 用块规来进行标定时可以采用直接比较法和光干涉法。 直接比较法 光干涉法 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定

17、块规只能进行静态的和小尺寸的标定 。 对大量程长度测量 装置的标定可用双频激光干涉仪 。 双频激光干涉仪的基本工作原理是光干涉原理 ， 它的特点是 利用两个频率相差很小的光的干涉 ， 亦即用时间频率代替了一 般干涉仪的空间频率 ， 因此对于环境震动 、 空气湍流等的影响 不敏感 ， 仪器的分辨力可达到纳米级 。 当用双频激光仪和被标 定的测量装置同时对运动物体进行测量时 ， 就可以得到测量装 置的动态误差 。 4. 温度标定设备 标定温度测量系统的方法可以分为两类：一是同一次标准比 较 ， 即按照国际计量委员会 1990年通过的国际温标 (ITS-1990) 相比较 ,见表 12-1 ；二是与

18、某个已经标定的标准装置进行比较 ， 这是常用的标定方法 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 复现表 12-1中这些基准点的方法是用一个内装有参考材料的 密封容器 ， 将待标定的温度传感器的敏感元件放在伸入容器中 心位置的套管中 。 然后加热 ， 使温度超过参考物质的熔点 ， 待 物质全部熔化 。 随后冷却 ， 达到三相点 (或凝固点 )后 ， 只要同 时存在固 、 液 、 气三态或 (固 、 液态 )约几分钟 ， 温度就稳定下 来 ， 并能保持规定值不变 。 对于定义固定点之间的温度 ， ITS-1990国际温标把温度分为 4 个温区 ， 各个温区的范围 、 (1) 0.6

19、5 5.0 K间为 3He或 4He (2) 3.0 24.5561 K间为 3He或 4He (3) 13.8033 K 961.78 (4) 961.78 以上为光学或光电高温计 。 以上有关标准测温仪器的分度方法以及固定点之间的内插公式 ， ITS-1990国际温标都有明确的规定 ， 可参考 ITS-1990标准文本 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 热电偶的标定 (校准 ):目的是核对标准热电偶的热电动势 -温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电动势 温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。 标定方法有 定点法 和 比较法 。 定点法 是以纯元

20、素的沸点或凝固点作为温度标准 。 如基准铂 铑 10-铂热电偶在 630.755 1064.43 的温度间隔内 ， 以金的 凝固点 1064.43 、 银的凝固点 961.93 、 锑的凝固点 630.775 作为标准温度进行标定 。 比较法 是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较 ， 比较法又可分为双极法 、 同名极法 (单极法 )和微差法 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 双极比较法 检定系统原理原理图。检定时将标准热电偶与被标 定热电偶的工作端捆扎在一起，插入炉膛内的均匀温度场中， 冷端分别插在 0 的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温 到达所需的标定温度

21、点 10 内，且炉温变化每分钟不超过 0.2 时，读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于 4次。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 12.3.2 动态标定设备 1. 振动传感器动态标定设备 采用振动台 (激振器 )产生正弦激励信号 。 振动台有机械的 、 电磁的 、 液压的等多种 。 常用的是电磁振动台 ， 能产生 5 7.5 kHz范围激振频率 。 高频激振器多用压电式 ， 频率范围为几 千赫到几百万赫 。 机械振动台种类较多 ， 其中偏心惯性质量式最常用 。 液压振动台是用高压液体通过电液伺服阀驱动作功进而推动 台面产生振动的激振设备 ， 它的低频响应好 ， 推力大 ，

22、 常用来 作为大吨位激振设备 。 振动的标定方法有绝对校准法、比较法和互易法。 绝对法 标定是由标准仪器直接准确决定出振动台的振幅和频 率 ， 它有精度高 、 可靠性大的优点 。 但该方法对设备精度要 求高 ， 标定时间长 ， 一般用在计量部门 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 比较法 的原理简单 、 操作方便 ， 对设备精度要求较低 ， 所以应用很广 。 上图为一个用比较法标定振动传感器的示意图 ， 将相同的运动 加在两个传感器上 ， 比较它们的输出 。 在比较法中 ， 标准传感 器是关键部件 ， 因此它必须满足如下要求：灵敏度精度优于 0.5%， 并具有长期稳定性 ，

23、 线性好；横向灵敏度比小于 2.5%； 对环境的响应小 ， 自振频率尽量高 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 振动标定的内容主要有灵敏度 、 频率响应 、 固有振动频率 、 横向灵敏度等 。 灵敏度 的标定是在传感器规定的频率响应范围内 ， 进行单频 标定 。 亦即在频率保持恒定的条件下 ， 改变振动台的振幅 ， 读 出传感器的输出电压值 (或其他量值 )， 就可以得到它的振幅 电压曲线 。 与标准传感器相比较 ， 就可以从下式求得它的灵敏 度： 1 12 2 USS U 式中： U1、 U2分别为待测传感器和标准传感器的输出电压； S1、 S2分别为待测传感器和标准传感

24、器的灵敏度 。 频率响应 的标定是在振幅恒定条件下 ， 改变振动台的振动频率 ， 所得到的输出电压与频率的对应关系即传感器的幅频响应；比 较待测传感器与标准传感器输出信号间的相位差 ， 就可以得到 传感器的相频特性 。 相位差可以用相位计读出 ， 也可以用示波 器观察它们的李沙育图形求得 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 频率响应的标定至少要做七点以上 ， 并应注意有无局部谐 振现象的存在 。 这可以用频率扫描方法来检查 。 固有振动频率 的测定是用高频振动台作激励源 ， 振动台的运动 质量应大于传感器质量十倍以上 。 横向灵敏度 是在单一频率下进行的 。 要求振动台的轴

25、向运动速 度比横向速度大 100倍以上 。 小于 1%的横向灵敏度则要求更加严 格 。 2. 压力传感器的动态标定设备 压力传感器动态标定时常用 激波管 产生阶跃压力信号 。 激波管 结构简单 ， 使用方便可靠 ， 标定精度可达 4% 5%。 所谓 激波 ， 是指气体某处压力发生突然变化 ， 压力波高速传播 ， 波速与压力变化强弱成正比 。 在传播过程中 ， 波阵面到达某处 ， 那里气体的压力 、 密度和温度都发生突变 ， 而波阵面未到处 ， 气体不受波的扰动；波阵面过后 ， 其后面的流体温度 、 压力都 比波阵面前高 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 标定时用压缩空气给

26、高压室充以高压气体 ， 而低压室一般为一 个大气压 。 当高 、 低压室的压力差达到设定程度时 ， 膜片突然 破裂 ， 高压气体迅速膨胀冲入低压室 ， 从而形成激波 。 这个激 波的波阵面压力恒定 ， 接近理想的阶跃波 ， 并以超音速冲向被 标定的传感器 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 入射激波的速度由压电式压力传感器 S1和 S2测出 。 S1和 S2相隔一 定距离安装 。 当激波掠过传感器 S1时 ， 其输出信号经放大器 、 限幅器后输出一个脉冲 ， 使数字频率计计数开始 ， 当激波掠过 传感器 S2时 ， 其输出信号经放大器 、 限幅器后又输出一个脉冲 ， 使数字

27、频率计计数结束 。 按下式可求得激波的平均速度： llv t nT 式中： l为两个测速传感器 S1和 S2之间的距离； t为 激波通过两个传感器之间距离所需时间； n为频率 计显示的脉冲计数值； T为计数器的时标 。 武汉理工大学机电工程学院 第 12章 传感器的标定 标定测量系统由触发传感器 S3和被标定传感器 S4、 放大器 、 记 忆示波器 、 频谱仪等组成 。 触发传感器 S3感受激波信号后 ， 其输 出启动记忆示波器扫描 。 紧随其后的被标定传感器 S4被激励 ， 其 输出信号放大后被记忆示波器记录；频谱仪测出被标定传感器 的固有频率 。 由波速可求得标准阶跃压力值 ， 再将被标定传感 器的输出送入计算机进行计算 、 处理 ， 就可求得传感器的幅频 、 相频特性 。