第11章-传感器的标定讲解课件.ppt

1、第11章 传感器的标定为什么要标定？Why什么是标定？What怎样进行标定？How1第11章 传感器的标定2为什么要标定？为什么要标定？任何一种传感器在制造、装配完毕后都必须对原设计指标进行一系列试验，以确定传感器的实际性能。Calibration新研制的传感器需进行全面技术性能的鉴定，用鉴定数据进行量值传递，同时鉴定数据也是改进传感器设计的重要依据经过一段时间储存或使用后对传感器的复测，可检测传感器的基本性能是否发生变化，判定其是否可继续使用。对可继续使用的传感器，若某些指标(如灵敏度)发生了变化，应通过再次标定，对原数据进行修正。第11章 传感器的标定3什么是标定？什么是标定？传感器的标定

2、，是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。Calibration静态标定动态标定主要用于检验、测试传感器(或是整个传感系统)的静态特性指标，如静态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等。主要用于检验、测试传感器(或传感系统)的动态特性，如动态灵敏度、频率响应等第11章 传感器的标定p基本参数指标基本参数指标 量程指标：量程范围、过载能力。量程指标：量程范围、过载能力。灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出。灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出。精度有关指标：误差、线性、滞后、重复性。精度有关指标：误差、线性、滞后、重复性。动态性能指标：固有频率、阻尼比、时

3、间常数动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围。、频率响应范围。第11章 传感器的标定p 环境参数指标环境参数指标 温度指标：工作温度范围，温度误差，温度漂移，温温度指标：工作温度范围，温度误差，温度漂移，温度系数。度系数。其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干其他环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁干扰能力等。扰能力等。p 可靠性指标可靠性指标 工作寿命、平均无故障时间、绝缘电阻、耐压等。工作寿命、平均无故障时间、绝缘电阻、耐压等。p 其他指标其他指标 供电方式供电方式（直流、交流、频率、波形）直流、交流、频率、波形）电压范围电压范围第11章 传感器的标定怎样进行标

4、定？怎样进行标定？利用一种标准设备产生的已知非电量(如标准力、压力、位移等)作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定曲线。Calibration第11章 传感器的标定传感器标定的分类传感器标定的分类 （1）根据被测量进行分类）根据被测量进行分类 绝对标定法绝对标定法 被测量是由高精度的设备被测量是由高精度的设备产生并测量其大小的。特点：精度较高，但较产生并测量其大小的。特点：精度较高，但较复杂。复杂。相对标定法相对标定法或或比较标定法比较标定法 被测量是用被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的根据绝对标定

5、法标定好的标准传感器来测量的。特点：简单易行，但标定精度较低。特点：简单易行，但标定精度较低。第11章 传感器的标定8输出量输出量已知非电量已知非电量输入量输入量输出输出2输出输出1输入标准量：由标准传感器检测得到输入标准量：由标准传感器检测得到实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较实质：待标定传感器与标准传感器之间的比较第11章 传感器的标定p标定系统的组成标定系统的组成被测非电量的标准发生器，如测力砝码、环形测力机、活塞式被测非电量的标准发生器，如测力砝码、环形测力机、活塞式压力计、位移标定设备（深度千分尺）、恒温源（低温压力计、位移标定设备（深度千分尺）、恒温源（低温-630.74-6

6、30.74）用铂电阻温度计、（）用铂电阻温度计、（630-1064630-1064）用铂铹）用铂铹-铂热电偶等。铂热电偶等。被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感被测非电量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等。器、标准温度计等。待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。度是已知的。第11章 传感器的标定传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定 1.静态标定条件静态标定条件 （20 5）；85%RH；（；（760 60）mm汞柱汞柱 2.标定仪器设备（标准量具）精度等级的确定标定

7、仪器设备（标准量具）精度等级的确定 标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级；标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级；附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。3.静态特性标定方法静态特性标定方法比较法比较法 创造一个静态标准条件；创造一个静态标准条件；选择标准量具；选择标准量具；标定步骤：标定步骤：全量程等间隔分点标定；全量程等间隔分点标定；正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试传感器相应的输出量）；传感器相应的输出量）；列出传感器输出列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出输

8、入数据表格或绘制输出-输入特性曲线；输入特性曲线；数据处理获取相应的静态特指标。数据处理获取相应的静态特指标。第11章 传感器的标定例例 02MPa压力传感器的标定（输出电压压力传感器的标定（输出电压15V；1.5级级)，K=2V/MPa 标定数据表标定数据表输入压力输入压力(MPa)0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 输出电压输出电压(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输出电压输出电压(V)降降 1.01 1.42 1.81 2.23

9、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 升降变差（升降变差（V）0.01 0.02 0.02 0.04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 绝对误差绝对误差 (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,最大最大升降变差升降变差0.07V，所以，所以 max=nm=0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%

10、=1.75%根据标定数据，该表只能定为根据标定数据，该表只能定为2.5级。级。第11章 传感器的标定1211-1 压力传感器的静态标定 常用的压力传感器静态标定装置活塞压力计杠杆式压力标定机弹簧测力计式压力标定机第11章 传感器的标定1311-1 压力传感器的静态标定活塞压力计标定压力的示意图标准压力表 砝码活塞进油阀 油杯被标定传感器 针形阀手轮手摇压力泵活塞压力计由：校验泵(压力发生系统)活塞部分(压力测量系统)组成。利用活塞和加在活塞中的砝码重量所产生的压力与手摇压力泵所产生的压力相平衡的原理进行标定工作。第11章 传感器的标定14标准压力表 砝码活塞进油阀 油杯被标定传感器 针形阀手轮

11、手摇压力泵11-1 压力传感器的静态标定活塞压力计第11章 传感器的标定15 转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置；按所要求的压力间隔，逐点增加砝码重量，使压力计产生所需的压力；同时用数字电压表记下传感器在相应压力下的输出值。这样就可以得出被标定传感器的输出特性曲线(即输出与压力间的关系曲线)。根据这条曲线可确定出所需要的各个静态特性指标。11-1 压力传感器的静态标定标准压力表 砝码活塞进油阀 油杯被标定传感器 针形阀手轮手摇压力泵第11章 传感器的标定16活塞压力计精度可达0.05%以上。不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重影

12、响其标定精度。11-1 压力传感器的静态标定标准压力表 砝码活塞进油阀 油杯被标定传感器 针形阀手轮手摇压力泵第11章 传感器的标定17PSbWa11-1 压力传感器的静态标定杠杆式压力标定机示意图被标定的传感器 支柱杠杆 凸轮砝码 标定时，按要求的压力间距，选定待标的压力点数；根据压力点数，施加相应的砝码重量W；加上砝码后，把凸轮放倒，使传感器突然接受到力的作用。一次标定必须在短时间内完成，约数秒钟。压力P与砝码重量W关系为：杠杆式压力标定机第11章 传感器的标定18l 把待标定的压力传感器放置于上、下支柱之间；l 调整上部螺杆到适当位置；l 转动凸轮手柄，使测力计上移，给传感器加力；l 由

13、千分表读出变形量，按测力计的检定表便可查得传感器所受到的力F。11-1 压力传感器的静态标定弹簧测力式压力标定机手轮螺杆被标定的传感器 标准测力计 底座凸轮手柄FPS压力与力F之间的关系：第11章 传感器的标定1911-2 压力传感器的动态标定 传感器的动态特性取决于什么？传感器的动态模型，即阶数以及，,等幅频特性、相频特性阶跃响应各种已知频率的正弦信号激励试验阶跃信号激励试验这种方法的缺点是标定频率低(低于500 Hz)，标定装置制作困难，应用受到限制。第11章 传感器的标定 测量一阶传感器的阶跃响测量一阶传感器的阶跃响应，当输出值达到稳态值的应，当输出值达到稳态值的63.2%所经历的时间即

14、为它的所经历的时间即为它的时间常数。时间常数。但这样确定时间常数实际但这样确定时间常数实际上没有涉及响应的全过程，测上没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅取决于某些量结果的可靠性仅取决于某些个别的瞬时值。为获得更可靠个别的瞬时值。为获得更可靠的结果的结果常采用下面的方法。y t()t010.632x t()t011.实验确定一阶传感器时间常数的方法第11章 传感器的标定一阶传感器的阶跃响应为一阶传感器的阶跃响应为令z=-t/t，上式可改写为由上式依据测得的y(t)可求出对应的z，作出z-t曲线，则应得到线性关系，根据t=-Dt/Dz可确定时间常数，1.实验确定一阶传感器时间常数的方法 这种

15、方法考虑了瞬态响应的全过程，具有较高的可靠性。还可根据z-t曲线与直线的符合程度判断传感器与一阶传感器的符合度。zt t z第11章 传感器的标定二阶传感器一般都设计成阻尼比x=0.60.8的欠阻尼系统。阶跃输入时，典型的欠阻尼二阶传感器的瞬态响应是以阻尼角频率wd作衰减振荡：n2d1-2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法其中，第11章 传感器的标定2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法y(t)以d=n12作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值对应的时间tp=0，/d，2/d，将t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M：21-eM1ln12M或测得M，由上式，可求

16、阻尼比；由标定测得的tp，得fd d n。第11章 传感器的标定若衰减振荡缓慢，过程较长，可测若衰减振荡缓慢，过程较长，可测Mi和和Mi+n来求来求，n为两峰值相隔的为两峰值相隔的周期数。设周期数。设Mi对应的时间为对应的时间为ti，则，则Mi+n对应的时间为对应的时间为将将ti和和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得整理后得整理后得式中式中212-ninintt21/212lnln2-neeMMninnnttnii22224nnnniinMMln2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法第11章 传感器的标定25压力幅度范围宽，便于改变压力值

17、；频率范围宽(2 kHz2.5 MHz)；便于分析研究和数据处理。此外，激波管结构简单，使用方便可靠，标定精度可达4%5%。11-2 压力传感器的动态标定 激波管法是产生阶跃压力比较常用的方法。因为它的前沿压力很陡，接近理想阶跃函数，所以压力传感器标定时广泛应用此种方法。激波管法具有如下特点：高压室低压室膜片侧面被标定的传感器底面被标定的传感器测速压力传感器 测速前置级数字频率计测压前置级记录装置 气源气压表泄气门第11章 传感器的标定2611-2 压力传感器的动态标定 原理：标定时根据要求对高、低压室充以不同的压缩空气，低压室一般为一个大气压力，对高压室则充以高压气体。当高、低压室的压力差达

18、到一定值时膜片破裂，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保持恒定，接近理想的阶跃波，并以超音速冲向被标定的传感器。激波管法第11章 传感器的标定激波管中压力与波动情况11-2 压力传感器的动态标定 激波管法(a)膜片爆破前情况(b)膜片爆破后稀疏波反射前情况(c)稀疏波反射后情况(d)反射激波波动情况 22211716aPPPMP-入射激波的阶跃压力：22551122114135aaaMPPPMPM-反射激波的阶跃压力：其中，Ma为激波的马赫数，由测速系统决定P1一般采用当地的大气压第11章 传感器的标定28传感器在激励下按固有频率产生一个衰减振荡，其波形由显示系统记录下来，用以确定传感器的动态特性。11-2 压力传感器的动态标定 激波管法