傳感器的標定與校準

1、第12章 傳感器的標定與校準,?傳感器的標定與校準：通過試驗，建立傳感器的輸出-輸入特性及其誤差關系。 ?傳感器的標定與校準方法：標準設備產(chǎn)生已知非電量—輸入量，測試被標定傳感器相應的輸出量，并與輸入量比較，作出標定圖表。 ?傳感器的標定系統(tǒng)：被測非電量的標準發(fā)生器與標準測試系統(tǒng)；待標傳感器與配接的信號調(diào)理和顯示、記錄器等。

2、 靜態(tài)標定—標定靜態(tài)特性：靈敏度，線性度， ?傳感器的標定 精度…； 動態(tài)標定—動態(tài)特性參數(shù)（?；?n，?）測試；

3、 動態(tài)標定信號：階躍信號或正弦信號。 ?傳感器的標定與校準的目的:保正測量的準確、統(tǒng)一和法制性。,,,,,12.1 測量誤差基本概念,12.1.1 測量與測量誤差 1.測量 “測量是以確定量值為目的的一種操作”。這種“操作”就是測量中的比較過程——將被測參數(shù)與其相應的測量單位進行比較的過程。實現(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

4、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、實驗和計算找到被測量的值。一個完整檢測過程應包括： ?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) 。,,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的真實值之間存在一定的差異，這一差異稱為測量誤差。 誤差

5、公理—實驗結(jié)果都具有誤差，誤差自始至終存在于一切科學實驗的過程之中。 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?=x?xi=x?x0 (真值xi一般用相對真值x0代替） 絕對誤差是可正可負的，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。,,12.1 測量誤差基本概念,測量誤差的分類： 根

6、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，決定測量的準確度，可以進行修正； ?隨機誤差，具有偶然性，決定測量的精密度，利用誤差理論進行處理； ?粗大誤差，是錯誤，應剔除。,,12.1 測量誤差基本概念,（2）相對誤差 實際相對誤差： （14-3） 標稱相對誤差（或示值相對誤差

7、） （14-4） 測量誤差是對某一次具體測量好壞的評價。,,,,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 ①測量儀表的示值誤差?=儀表示值x-真實值xi =x?x0(xi用約定真值x0來代替 ) 相對示值誤差 ②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

8、也稱為測量儀表的允許誤差限，或簡稱允許誤差（?允）。,,12.1 測量誤差基本概念,③測量儀表的固有誤差 常稱為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準條件，是指為測量儀表的性能試驗或為測量結(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。 ④附加誤差 附加誤差是指測量儀表在非標準條件時所增加的誤差，它是由于影響量存在和變化而引起的

9、，如溫度附加誤差、壓力附加誤差等等。,,12.1 測量誤差基本概念,2.測量范圍和量程 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0~100℃時，量程為100℃； 測量范圍為20~100℃時，量程為80℃； 測量范圍為?20~100℃時，量程為120℃。,

10、,12.1 測量誤差基本概念,3.精確度（簡稱精度） 儀表誤差： （儀表）引用誤差： 儀表的準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儀表在其測量范圍內(nèi)測量的好壞。,,12.1 測量誤差基本概念,儀表精度等級a（去掉儀表誤差的“?”號和“%”） a=0.005，0.01，0.

11、02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； Ⅰ級標準表 Ⅱ級標準表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工業(yè)用表 儀表的基本誤差： ?max=儀表量程?a%,,12.1 測量誤差基本概念,3．儀表變差（升降變差） 升降變差

12、（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)進行正、反行程測量時，對應于同一測量值所得的儀表示值不等，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

13、 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 測量儀表的變差,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0~10MPa，校驗該傳感器時得到的最大絕對誤差為?0.08MPa，試確定該傳感器的精度等級。 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

14、以，這只傳感器的精度等級應定為1.0級。 根據(jù)儀表校驗數(shù)據(jù)來確定儀表精度等級時，儀表的精度等級值應選不小于由校驗結(jié)果所計算的精度值,,,,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0~1000℃，根據(jù)工藝要求，溫度指示值的誤差不允許超過?7℃，試問應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，傳感器的精度應滿足： 此精度介于0.5級和1.0級之間，若選擇精

15、度等級為1.0級的傳感器，其允許最大絕對誤差為?10℃，這就超過了工藝要求的允許誤差，故應選擇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，儀表的精度等級值應不大于工藝要求所計算的精度值,,,,,12.2 傳感器的靜態(tài)特性標定,1.靜態(tài)標定條件 （20?5）℃；≤85%RH；（760?60）mm汞柱 2.標定儀器設備（標準量具）精度等級的確定 ●標準量具的精度等級

16、比被標定傳感器至少高一個等級； ●附加設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——比較法 ●創(chuàng)造一個靜態(tài)標準條件； ●選擇標準量具； ●標定步驟： ?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，測試傳感器相應的輸出量）； ?列出傳感器輸出-輸入數(shù)據(jù)表格或繪制輸出-輸入特性曲線； ?數(shù)據(jù)

17、處理獲取相應的靜態(tài)特指標。,,12.2 傳感器的靜態(tài)特性標定,例14-1 0~2MPa壓力傳感器的標定（輸出電壓1~5V；1.5級)，K=2V/MPa 標定數(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 3.4

18、1 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 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

19、 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%

20、=1.75% 根據(jù)標定數(shù)據(jù)，該表只能定為2.5級。,,,,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,●動態(tài)標定 研究動態(tài)響應 確定動態(tài)響應參數(shù)　●動態(tài)標定信號：階躍信號或正弦信號　一、一階傳感器的動態(tài)標定 　　確定時間常數(shù)?　　　一階傳感器的單位階躍響應（如圖1-15）,,,y(t)=1?e?t/?,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,一階傳感器的單位階躍響應（如圖1-15）y(t)=1?e

21、?t/? 時間常數(shù)?表示傳感器在階躍信號作用下，其響應的輸出值達到最終穩(wěn)定值的63.5%所經(jīng)過的時間。只用到一個實驗數(shù)據(jù)。,圖1-15 一階傳感器的階躍響應(a)單位階躍信號；(b)一階傳感器階躍響應曲線,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,若改寫上式為： 1?y(t)= e?t/?=ez， 　　　　　 z=ln?1?y(t)?

22、 （14-1）其中，z= ?t/?，z與t線性。 作z~t曲線，其斜率?t/?z= ??，由此確定時間常數(shù)?考慮了傳感器瞬態(tài)響應的全過程。如圖14-2所示。圖14-3 而階傳感器(??1)的階躍響應,圖14-2求一階傳感器時間常數(shù)方法,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,二、二階傳感器的動態(tài)標定　確定傳感器的阻尼比?和固有頻率?n ?！∏纷枘岫A傳感器的階躍響應（如圖14-3）,圖14-3 二階傳感器

23、(??1)的階躍響應,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,y(t)以?d= ?n√1–?2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=0，?/?d，2?/?d，……，將t=?/?d代入y(t)的表達式，可得最大過沖量M或 測得M，由上式或圖14-4，可求阻尼比?；由標定測得的tp ，得fd ?d ?n。,,,,,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,圖14-4 ?-M曲線,1

24、2.3 傳感器的動態(tài)特性標定,?若衰減振蕩緩慢，過程較長，可測Mi和Mi+n來求?，n為兩峰值相隔的周期數(shù)。設Mi對應的時間為ti，則Mi+n對應的時間為將ti和ti+n代入欠阻尼二階傳感器的階躍響應式，得整理后得式中,12.3 傳感器的動態(tài)特性標定,當?? 0.1時，√1–?2 ?1，則 也可以利用正弦信號輸入，測定傳感器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，然后根據(jù)幅頻特

25、性分別按圖14-5和14-6來求一階傳感器的時間常數(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間常數(shù)? 二階除按感情的?和?0,12.4 壓力傳感器的標定和校準,12.4.1 靜態(tài)標定和校準　靜態(tài)標定裝置：標準活塞壓力計，杠桿式測力計和彈簧式測力計?！?/p>

26、●標準活塞壓力計標定裝置，如圖14-7所示；壓力標定曲線如圖14-8所示。,圖14-7 活塞壓力計標定壓力示意圖 圖4-8 壓力標定曲線,12.4 壓力傳感器的標定和校準,●杠桿式測力計標定裝置，如圖14-9所示，砝碼重量與壓力的關系W=pSb/a p=Wa/Sb,圖14-9 杠桿式壓力標定機示意圖,,12.4 壓力傳感器的標定和校準,●彈簧式測力計標定裝置，如圖14-10所示

27、，p=F/S式中，F(xiàn)—測力計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 彈簧測力計式壓力標定機,12.4 壓力傳感器的標定和校準,12.4.2 動態(tài)標定和校準　●動態(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壓力-時間關系?！　穹€(wěn)態(tài)標定（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

28、率可達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；2-接標準壓力計；3-飛輪；4-調(diào)節(jié)手柄,12.4 壓力傳感器的標定和校準,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的峰值壓力，頻率可達300Hz?！∵@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行比較的標定方法（比較法）,圖14-12 凸輪控

29、制噴嘴穩(wěn)態(tài)壓力源1-恒定壓力入口；2-接被檢壓力計；3-凸輪；4-接標準壓力計,12.4 壓力傳感器的標定和校準,●非穩(wěn)態(tài)標定　　利用非穩(wěn)態(tài)（階躍）壓力信號和階躍函數(shù)理論進行標定。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)壓力標定　 特點： ●結(jié)構(gòu)簡單，可產(chǎn)生較理想的瞬態(tài)“標準”壓力； ● 壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；

30、 ● 壓力頻率范圍寬（2kHz~1.5MHz）； ● 便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。,12.4 壓力傳感器的標定和校準,１.結(jié)構(gòu) 主要由激波管、入射激波測速系統(tǒng)、標定測量系統(tǒng)、氣源等組成，如圖14-12所示。,12.4 壓力傳感器的標定和校準,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為 反射激波的階躍壓力為式中，Ms—馬赫數(shù)。由測速系

31、統(tǒng)決定。,12.4 壓力傳感器的標定和校準,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和頻率計組成。 Ms定義式中，v0—0℃時的聲速，v0=331.36m/s；vT—T℃時的聲速；?=1/273=0.00366。,12.4 壓力傳感器的標定和校準,3.標定測量系統(tǒng) 由被標定傳感器5和6、前置電荷放大器10及記憶示波器11等組成，可測階躍響應波形，如圖14-14所示。

32、 由響應波形進行數(shù)據(jù)分析處理，直接求得傳感器的幅頻特性及動態(tài)靈敏度。 傳感器5響應入射激波階躍壓力，傳感器6響應反射激波階躍壓力。 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氣。,圖14-14 被標定傳感器輸出波形,12.5 振動傳感器的標定和校準,振動信號源：振動臺產(chǎn)生正弦激勵的標定信號。 一、絕對標定法 激光光波長度作為振幅量值的絕對基準，測出振動信號的

33、振幅值Xm(m)； 精密數(shù)字頻率計測出振動臺的振動頻率f (1/s)； 精密數(shù)字電壓表測出傳感器輸出電壓值Erms(mV)。 被標振動傳感器的加速度靈敏度Sa為,12.5 振動傳感器的標定和校準,二、比較標定法 將被標傳感器與標準測振傳感器“背靠背”安裝在振動臺上。標定時，分別測出被標傳感器與標準測振傳感器的輸出電壓值Ua和U，若標準測振傳感器的加速度靈敏度為Sa0，則被標傳感器加速度靈敏度Sa為

34、 Sa=Sa0·U/Ua 頻率響應的標定，在振幅恒定條件下，改變振動臺的振動頻率，測出傳感器輸出電壓與振動頻率的關系，即幅頻響應。 比較被標傳感器與標準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 振動傳感器比較標定系統(tǒng),12.6 溫度傳感器的標定和校準,12.6.1溫標的基本概念 1.溫標 溫度的基準量，規(guī)定溫度的始點（零度）和測量

35、溫度的基本單位。 溫標的三要素：溫度固定點，標準溫度計(測溫物質(zhì))，內(nèi)插公式。 2.熱力學溫標（K） 1848年英國開爾文（L.Kelvin)提出以以熱力學第二定律為基礎的熱力學溫標，選定水的三相點為273.16K，定義水的三相點溫度的1/273.16為1度，單位為開爾文，簡稱K (1954年國際計量會議)。 熱力學溫度也稱為絕對溫度。,12.6 溫度傳感器的標定和校準,3.國際實用溫

36、標（IPTS-68，ITS-90） 溫度的基本單位與熱力學溫標相同，其標度具有11個固定點。如表14-2所示。 測量各固定點之間溫度值得方法： 13.81K~630.74℃范圍內(nèi)用基準鉑電阻溫度計進行插補，電阻-溫度關系由一個已知的插補函數(shù)確定； 630.74℃ ~1064.43℃范圍內(nèi)，采用鉑銠-鉑熱電偶作為標準儀器。表14-2 IPTS-68規(guī)定的一次溫度標準和參考點,12.6 溫度傳感器的標定和校

37、準,4.攝氏溫標和華氏溫標 攝氏溫標:標準大氣壓下冰的熔點定為零度（0℃），水的沸點定為100度（100℃）。在0℃和100℃之間劃分為100等份，每一等份為一攝氏度(1℃）（1742，瑞典攝爾薩斯，A.Celsius)。 華氏溫標：規(guī)定標準大氣壓下冰的熔點為32℉，水的沸點為212℉，其間劃分為180等份，每一等份為華氏一度(1℉）(1714,德國華林海特,G.D.Fahrenheit)。人的體溫為100℉

38、。 攝氏溫度t與熱力學溫度T、華氏溫度tF和之間的關系:T=273.16+t, t=T?273.16,12.6 溫度傳感器的標定和校準,12.6.2 溫度傳感器的標定和校準 1.與一次標準比較 即與國際實用溫標（IPTS）進行比較（表14-2）。 復現(xiàn)表14-2中溫度基準點的方法：液-固共存方法，可使溫度穩(wěn)定，并能保持規(guī)定的值不變。 2．與某一已經(jīng)標定的測溫標準裝置進行比較