傳感器原理與工程應(yīng)用PrincipleandApplicationofSensors第9章傳感器的標定

本章內(nèi)容9.1傳感器靜態(tài)特性的標定9.2傳感器動態(tài)特性的標定9.3常用的標定設(shè)備9.4傳感器標定舉例第9章傳感器的標定9.1傳感器靜態(tài)特性的標定傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準器具對傳感器進行定度的過程，通過實驗建立傳感器輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。靜態(tài)標定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。動態(tài)標定的目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。工程測試中傳感器的標定，應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進行。為獲得高的標定精度，(尤其像電容式、壓電式傳感器等)應(yīng)將傳感器及其配用的電纜、放大器等測試系統(tǒng)一起標定。有時，根據(jù)需要也要對溫度響應(yīng)、環(huán)境影響等進行標定。第9章傳感器的標定

1.靜態(tài)標準條件傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標準條件下進行標定的。所謂靜態(tài)標準是指沒有加速度、振動、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20℃±5℃)、相對濕度不大于85%，大氣壓力為(101±7)

kPa的情況。

2.靜態(tài)特性標定系統(tǒng)對傳感器進行靜態(tài)特性標定，首先要建立標定系統(tǒng)。傳感器的靜態(tài)標定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：(1)被測物理量標準發(fā)生器。如測力機、活塞式壓力計、恒溫源等。(2)被測物理量標準測試系統(tǒng)。如標準力傳感器、壓力傳感器、標準長度——量規(guī)等。(3)被標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器和顯示、記錄器等配接儀器精度應(yīng)是己知的，也作為標準測試設(shè)備。第9章傳感器的標定標定系統(tǒng)分為絕對法標定系統(tǒng)和比較法標定系統(tǒng)。絕對法標定系統(tǒng)：標定精度高，但較復(fù)雜

標定裝置能產(chǎn)生量值確定的高精度標準輸入量，將之傳遞給被標定的傳感器，同時標定裝置能測量并顯示出被標定傳感器的輸出量。比較法標定系統(tǒng)標定裝置不能測量被測量，它產(chǎn)生的被測輸入量通過標準傳感器測量，被標定傳感器的輸出由高精度測量裝置測量并顯示。但如果被標定傳感器包括后續(xù)測量電路和顯示部分，高精度輸出測量裝置就可去掉。第9章傳感器的標定注意！在標定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標定的傳感器的精度高一個等級。

3.靜態(tài)特性標定的步驟標定過程步驟如下：(1)將傳感器全量程(測量范圍)分成若干等間距點；(2)根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點輸入標準量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(3)將輸入值由大到小一點一點的減少下來，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；(4)按(2)、(3)所述過程，對傳感器進行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出-輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；(5)對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標。第9章傳感器的標定9.2傳感器動態(tài)特性的標定傳感器的動態(tài)標定主要是研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有時間常數(shù)一個參數(shù)，二階傳感器則有固有頻率和阻尼比兩個參數(shù)。傳感器動態(tài)特性標定方法：

1.階躍響應(yīng)法由于獲取階躍信號比較方便，使用階躍響應(yīng)法測量傳感器動態(tài)性能是一種較好的方法。對于一階傳感器，簡單的方法就是測得階躍響應(yīng)之后，傳感器輸出值達到最終穩(wěn)定值的63.2%所經(jīng)歷的時間，即時間常數(shù)。但上述方法測量結(jié)果的可靠性僅僅取決于某些個別的瞬時值。為獲得較可靠的結(jié)果，應(yīng)記錄下整個響應(yīng)期間傳感器的輸出值，然后利用下述方法來確定時間常數(shù)。第9章傳感器的標定已知一階傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)為：整理得：令：則表明z和時間t成線性關(guān)系，且，如圖所示。因此，可以根據(jù)測得的值，作出z-t曲線，再根據(jù)值算出時間常數(shù)。第9章傳感器的標定對于二階傳感器，實際設(shè)計時都設(shè)計成欠阻尼系統(tǒng)，即阻尼比小于1，這樣過沖量不會太大，穩(wěn)定時間也不會過長，如圖。它是以的角頻率作衰減振蕩的，稱為傳感器的阻尼振蕩頻率。按照求極值的通用方法，可以求得各振蕩峰值所對應(yīng)的時間為、、…。已知欠阻尼二階傳感器階躍響應(yīng)表達式為：第9章傳感器的標定按求極值的通用方法，求得第一個峰值輸出為則對應(yīng)的最大超調(diào)量為測出最大超調(diào)量，則可算出阻尼比：第9章傳感器的標定測出振蕩周期Td值，根據(jù)Td=以及與的關(guān)系，代入下式計算固有頻率：

2.頻率響應(yīng)法該方法利用正弦周期輸入信號，通過測定不同正弦激勵頻率下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。根據(jù)一階傳感器幅頻特性曲線的伯得圖，其對數(shù)幅頻曲線下降3dB處所測取的角頻率，可求得一階傳感器的時間常數(shù)。第9章傳感器的標定對欠阻尼二階傳感器，可從其幅頻特性曲線上測得3個特征量：零頻增益Ar(0)、共振頻率增益和共振角頻率。根據(jù)第1章分析得出的欠阻尼二階傳感器幅頻特性表達式通過對其求極值可推導(dǎo)出第9章傳感器的標定

3.沖擊響應(yīng)法沖擊響應(yīng)法具有所需設(shè)備少、操作簡便、調(diào)整控制方便的特點。如用于力傳感器動態(tài)標定的落錘式?jīng)_擊臺就是根據(jù)重物自由下落，沖擊砧子所產(chǎn)生的沖擊力作為標準動態(tài)力的。用沖擊信號作為傳感器輸入時，傳感器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為其輸出信號的拉氏變換，由此可確定傳感器的傳遞函數(shù)。9.3常用的標定設(shè)備9.3.1靜態(tài)標定設(shè)備

1.力標定設(shè)備測力傳感器的標定主要是靜態(tài)標定，采用比較法。1)測力砝碼最簡單的力標定設(shè)備是各種測力砝碼。第9章傳感器的標定我國基準測力裝置是固定式基準測力機，它實際上是由一組在重力場中體現(xiàn)基準力值的直接加荷砝碼(靜重砝碼)組成。圖(a)所示為一種杠桿式測力機，這是一種直接加測力法碼的標定裝置。圖(b)所示為一種液壓式測力機原理圖，其中砝碼經(jīng)油路產(chǎn)生的力作為標準力，作用在被標定傳感器上，量程可高達5MN。第9章傳感器的標定2)拉壓式測力計圖示為一種用環(huán)形測力計作為標準的推力標定裝置。它由液壓缸產(chǎn)生測力，測力計的彈性敏感元件為橢圓形鋼環(huán)，環(huán)體受力后的變形量與作用力成線性關(guān)系，測出測力環(huán)變形量作為標準輸入。如果用杠桿放大機構(gòu)和百分表結(jié)構(gòu)來讀取測力環(huán)變形量，或用光學(xué)顯微鏡讀取，甚至采用光學(xué)干涉法讀取，則可大大提高測量精度。第9章傳感器的標定

2.壓力標定設(shè)備活塞壓力計是目前最常用的壓力傳感器靜態(tài)標定裝置。圖示為活塞壓力計結(jié)構(gòu)原理圖。1—測量活塞；2—砝碼；3—活塞柱；4—手搖泵；5—工作液；6—被校壓力表；7—手輪；8—絲桿；9—手搖泵活塞；10—油杯；11—進油閥手輪；12—托盤；13—標準壓力表；a、b、c—切斷閥；d—進油閥第9章傳感器的標定活塞壓力計實物圖第9章傳感器的標定在壓力表(壓力傳感器)標定時，通過手輪對加壓泵內(nèi)的油液加壓，根據(jù)流體靜力學(xué)中液體壓力傳遞平衡原理，該外加壓力均勻傳遞到活塞缸內(nèi)頂起活塞。由于活塞上部是承重盤和砝碼，當(dāng)油液中的壓力p產(chǎn)生的活塞上頂力與承重盤和砝碼的重力相等時，活塞被穩(wěn)定在某一平衡位置上，這時力平衡關(guān)系為式中：A為活塞的截面積；G為承重盤和砝碼(包括活塞)的總重力；p為被測壓力。1—測量活塞；2—砝碼；6—被校壓力表；9—手搖泵活塞；13—標準壓力表；第9章傳感器的標定一般取A=1cm2或0.1cm2，因而可以方便準確地由平衡時所加砝碼和承重盤本身的重力知道被測壓力p的數(shù)值。通過被標定壓力表(傳感器)上的壓力指示值與這一標準壓力值p相比較，就可知道被標定壓力表(傳感器)誤差大小。在現(xiàn)場標定時，為了操作方便，可以不用砝碼加載，而直接用標準壓力表讀取所加壓力。作為壓力標準的活塞壓力計精度為0.002%，作為國家基準器的活塞壓力計最高精度為0.005%，一等標準精度為0.01%，二等標準精度為0.05%，三等標準精度為0.2%，一般工業(yè)用壓力表用三等精度活塞壓力計校準。第9章傳感器的標定

3.位移(長度)標定設(shè)備位移(長度)測量系統(tǒng)的標定主要采用比較法。標定設(shè)備主要是各種長度計量器具，如各種直尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)、專門制造的標準樣柱等均可作為位移傳感器的靜態(tài)標定設(shè)備。當(dāng)精度為2.5～10時可直接用度盤指示器和千分尺作標準器；如測量精度高于2.5，則應(yīng)用塊規(guī)來標定傳感器。塊規(guī)精度高，使用方便，標定范圍廣，是工業(yè)中常用的長度標準器。塊規(guī)由軸承鋼制成，具有兩個相對經(jīng)拋光的基準平面，它們的平面度和平行度都限制在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。作為標準用的塊規(guī)的準確度為±0.03/cm。第9章傳感器的標定塊規(guī)實物圖塊規(guī)的使用第9章傳感器的標定用塊規(guī)來進行標定時可以采用直接比較法和光干涉法。直接比較法光干涉法第9章傳感器的標定塊規(guī)只能進行靜態(tài)的和小尺寸的標定。對大量程長度測量裝置的標定可用雙頻激光干涉儀。雙頻激光干涉儀的基本工作原理是光干涉原理，它的特點是利用兩個頻率相差很小的光的干涉，亦即用時間頻率代替了一般干涉儀的空間頻率，因此對于環(huán)境震動、空氣湍流等的影響不敏感，儀器的分辨力可達到納米級。當(dāng)用雙頻激光儀和被標定的測量裝置同時對運動物體進行測量時，就可以得到測量裝置的動態(tài)誤差。

4.溫度標定設(shè)備標定溫度測量系統(tǒng)的方法可以分為兩類：一是同一次標準比較，即按照國際計量委員會1990年通過的國際溫標(ITS-1990)相比較,見表9-1；二是與某個已經(jīng)標定的標準裝置進行比較，這是常用的標定方法。第9章傳感器的標定復(fù)現(xiàn)表9-1中這些基準點的方法是用一個內(nèi)裝有參考材料的密封容器，將待標定的溫度傳感器的敏感元件放在伸入容器中心位置的套管中。然后加熱，使溫度超過參考物質(zhì)的熔點，待物質(zhì)全部熔化。隨后冷卻，達到三相點(或凝固點)后，只要同時存在固、液、氣三態(tài)或(固、液態(tài))約幾分鐘，溫度就穩(wěn)定下來，并能保持規(guī)定值不變。對于定義固定點之間的溫度，ITS-1990國際溫標把溫度分為4個溫區(qū)，各個溫區(qū)的范圍、使用的標準測溫儀器分別為：(1)

0.65～5.0

K間為3He或4He蒸氣壓溫度計；(2)

3.0～24.5561

K間為3He或4He定容氣體溫度計；(3)

13.8033

K～961.78℃間為鉑電阻溫度計；(4)

961.78℃以上為光學(xué)或光電高溫計。以上有關(guān)標準測溫儀器的分度方法以及固定點之間的內(nèi)插公式，ITS-1990國際溫標都有明確的規(guī)定，可參考ITS-1990標準文本。第9章傳感器的標定

熱電偶的標定(校準):目的是核對標準熱電偶的熱電動勢-溫度關(guān)系是否符合標準，或確定非標準熱電偶的熱電動勢——溫度標定曲線，也可以通過標定消除測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。標定方法有定點法和比較法。定點法是以純元素的沸點或凝固點作為溫度標準。如基準鉑銠

10-鉑熱電偶在630.755～1064.43℃的溫度間隔內(nèi)，以金的凝固點1064.43℃、銀的凝固點961.93℃、銻的凝固點630.775℃作為標準溫度進行標定。比較法是將標準熱電偶與被標定熱電偶之間直接進行比較，比較法又可分為雙極法、同名極法(單極法)和微差法。第9章傳感器的標定雙極比較法檢定系統(tǒng)原理原理圖。檢定時將標準熱電偶與被標定熱電偶的工作端捆扎在一起，插入爐膛內(nèi)的均勻溫度場中，冷端分別插在0℃的恒溫器中。用調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)爐溫，當(dāng)爐溫到達所需的標定溫度點±10℃內(nèi)，且爐溫變化每分鐘不超過0.2℃時，讀取數(shù)據(jù)。每一個標定點溫度的讀數(shù)不得少于4次。第9章傳感器的標定

9.3.2動態(tài)標定設(shè)備

1.振動傳感器動態(tài)標定設(shè)備采用振動臺(激振器)產(chǎn)生正弦激勵信號。振動臺有機械的、電磁的、液壓的等多種。常用的是電磁振動臺，能產(chǎn)生5～7.5

kHz范圍激振頻率。高頻激振器多用壓電式，頻率范圍為幾千赫到幾百萬赫。機械振動臺種類較多，其中偏心慣性質(zhì)量式最常用。液壓振動臺是用高壓液體通過電液伺服閥驅(qū)動作功進而推動臺面產(chǎn)生振動的激振設(shè)備，它的低頻響應(yīng)好，推力大，常用來作為大噸位激振設(shè)備。振動的標定方法有絕對校準法、比較法和互易法。絕對法標定是由標準儀器直接準確決定出振動臺的振幅和頻率，它有精度高、可靠性大的優(yōu)點。但該方法對設(shè)備精度要求高，標定時間長，一般用在計量部門。第9章傳感器的標定

比較法的原理簡單、操作方便，對設(shè)備精度要求較低，所以應(yīng)用很廣。上圖為一個用比較法標定振動傳感器的示意圖，將相同的運動加在兩個傳感器上，比較它們的輸出。在比較法中，標準傳感器是關(guān)鍵部件，因此它必須滿足如下要求：靈敏度精度優(yōu)于0.5%，并具有長期穩(wěn)定性，線性好；橫向靈敏度比小于2.5%；對環(huán)境的響應(yīng)小，自振頻率盡量高。第9章傳感器的標定振動標定的內(nèi)容主要有靈敏度、頻率響應(yīng)、固有振動頻率、橫向靈敏度等。

靈敏度的標定是在傳感器規(guī)定的頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，進行單頻標定。亦即在頻率保持恒定的條件下，改變振動臺的振幅，讀出傳感器的輸出電壓值(或其他量值)，就可以得到它的振幅—電壓曲線。與標準傳感器相比較，就可以從下式求得它的靈敏度：式中：U1、U2分別為待測傳感器和標準傳感器的輸出電壓；S1、S2分別為待測傳感器和標準傳感器的靈敏度。

頻率響應(yīng)的標定是在振幅恒定條件下，改變振動臺的振動頻率，所得到的輸出電壓與頻率的對應(yīng)關(guān)系即傳感器的幅頻響應(yīng)；比較待測傳感器與標準傳感器輸出信號間的相位差，就可以得到傳感器的相頻特性。相位差可以用相位計讀出，也可以用示波器觀察它們的李沙育圖形求得。第9章傳感器的標定頻率響應(yīng)的標定至少要做七點以上，并應(yīng)注意有無局部諧振現(xiàn)象的存在。這可以用頻率掃描方法來檢查。固有振動頻率的測定是用高頻振動臺作激勵源，振動臺的運動質(zhì)量應(yīng)大于傳感器質(zhì)量十倍以上。橫向靈敏度是在單一頻率下進行的。要求振動臺的軸向運動速度比橫向速度大100倍以上。小于1%的橫向靈敏度則要求更加嚴格。

2.壓力傳感器的動態(tài)標定設(shè)備壓力傳感器動態(tài)標定時常用激波管產(chǎn)生階躍壓力信號。激波管結(jié)構(gòu)簡單，使用方便可靠，標定精度可達4%～5%。所謂激波，