第16章传感器的标定.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,传感器原理与应用,第,16,章,传感器的标定,第,16,章,传感器的标定,所谓,传感器的,标定,，是指通过试验建立传感器输出与输入之间的关系并确定不同使用条件下的误差这样一个过程。,一般来说，对传感器进行标定时，必须以国家和地方计量部门的有关检定规程为依据，选择正确的标定条件和适当的仪器设备，并按照一定的程序进行。,第,16,章,传感器的标定,16.1,传感器标定的意义,16.2,传感器的静态标定,16.3,用实验确定传感器的动态参数,16.4,传感器的动态标定,16.1,传感器标定的意义,1,.,传感器标定的意义,(,1,),是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器制造、装配完毕，都必须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。,(,2,),对新研制的传感器，须进行标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改进传感器设计的重要依据。,16.1,传感器标定的意义,(,3,),传感器使用、存储一段时间后，也必须对其主要技术指标进行复测，称为,校准,(,校准和标定本质上是一样的,),，以确保其性能指标达到要求。,(,4,),对出现故障的传感器，若经修理还可继续使用，修理后也必须再次进行标定试验，因为它的某些指标可能发生了变化。,16.1,传感器标定的意义,万能拉力试验机,如图所示,。,16.1,传感器标定的意义,2,.,传感器标定的基本方法,将已知的被测量作为待标定传感器的输入，同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来,(,待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时，标定系统也可不要输出量测量环节,),；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器的性能指标。,16.1,传感器标定的意义,3,.,传感器标定的分类,(,1,),根据标定时所用的设备进行分类,绝对标定法,。,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，但较复杂。,相对标定法,或,比对标定法,。,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。特点：简单易行，但标定精度较低。,标定,装置,标准传,感器,待,标定,传感器,输出量,显示,输出量,测量,16.1,传感器标定的意义,(,2,),根据标定的内容分类,静态标定,。,确定传感器的静态指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。,动态标定,。,确定传感器的动态指标，主要有时间常数、谐振频率和阻尼比等。,有时根据需要也对非测量方向,(,因素,),的灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。,16.1,传感器标定的意义,以压电加速度传感器为例,工作特性标定项目包括：参考灵敏度、幅频响应、相频响应、安装谐振频率、幅值线性度、年稳定性、横向灵敏度比、电阻抗等。,环境特性标定项目包括：温度响应、瞬变温度灵敏度、气密性、基座主应变灵敏度、声灵敏度、磁灵敏度、安装力矩灵敏度、极限加速度等。,16.1,传感器标定的意义,物理、几何参数的测试包括：重量、极性、电缆特性、接插件型号、安装螺纹、外形尺寸、结构形式等。,16.1,传感器标定的意义,对传感器进行标定的目的是，依据试验数据确定传感器的各项性能指标，亦即确定传感器的测量精度。传感器制造出来之后，自身的测量精度就客观确定了。但标定结果可能因所用的标定装置或标定数据处理方法不同而出现差异。一个高精度的传感器，如果标定方法不当，则很可能在实测中产生较大的误差；反之，一个精度不太高的传感器，如果标定方法得当，反而可能在实测中产生较小的误差。,16.1,传感器标定的意义,提高标定设备、指示仪器的精度有助于提高标定精度。按有关规定，标定设备、指示仪器的精度都有最低要求。在此规定上，标定设备和指示仪器的精度越高，标定的精度也越高。,数据处理的方法很多，不同方法精度不同，因此，提高对标定数据处理的精度也很重要。,16.1,传感器标定的意义,还应注意减小环境变化引起的误差。传感器一般由制造厂在实验室内按规定条件进行标定。但在实验室内不可能模拟各种使用状态。使用状态改变引起测试数据变化时，将会给测量带来明显的误差。为此，设计传感器时就应考虑这一因素的影响。某些环境条件对传感器输出的影响不可消除时，可在特定条件下标定，并给出在不同条件下标定值的修正系数或修正公式。若能在测量现场进行标定，则效果更好。,第,16,章,传感器的标定,16.1,传感器标定的意义,16.2,传感器的静态标定,16.3,用实验确定传感器的动态参数,16.4,传感器的动态标定,16.2,传感器的静态标定,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,16.2.2,静态标定的过程步骤,16.2.3,常用静态标定装置,16.2.4,传感器静态标定举例,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,1,.,传感器静态标定的条件,静态标定是在静态标准条件下进行的。,静态标准条件,是指无加速度、振动与冲击,(,除非这些参数本身就是被测物理量,),，环境温度一般为室温,(,20,5,),，相对湿度不大于,85%,，大气压力为,101.32,7.999 kPa,。,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,2,.,标准器具精度的选择,为,保证标定精度，必须选择与被标定传感器精度要求相适应的一定等级的标准器具,(,一般所用测量仪器和设备的精度至少要比被标定传感器的精度,高一个量级,),，它应符合国家计量量值传递的规定，或经计量部门检定合格。,16.2,传感器的静态标定,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,16.2.2,静态标定的过程步骤,16.2.3,常用静态标定装置,16.2.4,传感器静态标定举例,16.2.2,静态标定的过程步骤,静态标定须遵循一定的程序，其过程步骤为,将传感器全量程,(,测量范围,),分成若干等间距点。,根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录与各输入值对应的输出值。,将输入值由大到小一点一点地减下来，同时记录与各输入值对应的输出值。,16.2.2,静态标定的过程步骤,按、所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试,(,一般为,3 10,次,),，将得到的输出输入测试数据用表格列出或绘成曲线。,对测试数据进行必要的处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。,16.2,传感器的静态标定,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,16.2.2,静态标定的过程步骤,16.2.3,常用静态标定装置,16.2.4,传感器静态标定举例,16.2.3,常用静态标定装置,1,.,力标定装置,图示,是一种杠杆式测力机原理，这是一种直接加测力砝码的标定装置。,1,支架；,2,传感器；,3,杠杆；,4,砝码,16.2.3,常用静态标定装置,2,.,压力标定装置,常用压力标定装置有：活塞压力计,(,用作从,10 Pa,到几千,MPa,的压力标定设备,),；杠杆式压力标定机；弹簧测力计式压力标定机；水银压力计,(,用作从,10 Pa,到几千,MPa,的压力标定设备,),；麦式真空计,(,在,133.332,10,5,133.332,10 Pa,范围内,用来,产生标准压力,),。,16.2.3,常用静态标定装置,杠杆式压力标定机如图所示。标定时，加上所需砝码后，把凸轮放倒，使传感器突然受到力的作用。一次标定必须在短时间内完成，约数秒钟。,1,传感器；,2,支柱；,3,杠杆；,4,凸轮；,5,砝码,16.2.3,常用静态标定装置,3,.,位移标定设备,位移标定设备主要是各种长度的计量器具。包括：,各种直尺；,深度尺；,深度千分尺；,量块；,塞规；,专门制造的标准样柱等。,其中，量块的,精度最高，使用方便，标定范围广。,16.2.3,常用静态标定装置,4,.,温度标定设备,低温至,630.74,主要用铂电阻温度计，,630.74,1064,用铂铑,-,铂热电偶，,1064,以上则用光学高温计。,16.2.3,常用静态标定装置,5,.,应变标定设备,一般是用加载后能产生均匀、准确的一维应力的装置，常用泊松比为,0.285,的合金钢制作的等弯矩梁或等强度悬臂梁来实现。梁的应变常用挠度计转换后测得。,16.2,传感器的静态标定,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,16.2.2,静态标定的过程步骤,16.2.3,常用静态标定装置,16.2.4,传感器静态标定举例,16.2,传感器的静态标定,16.2.1,静态标定的条件与仪器精度,16.2.2,静态标定的过程步骤,16.2.3,常用静态标定装置,16.2.4,传感器静态标定举例,第,16,章,传感器的标定,16.1,传感器标定的意义,16.2,传感器的静态标定,16.3,用实验确定传感器的动态参数,16.4,传感器的动态标定,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数,t,，二阶传感器则有谐振频率,w,0,和阻尼比,x,两个参数。通过实验确定这些参数的方法很多，如通过测量传感器的,阶跃响应,、,正弦响应,、,线性输入响应,、,白噪声,，及,机械振动法,等。其中最常用的是测量传感器的阶跃响应。,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比,的方法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,对一阶传感器，测得阶跃响应后，输出值达到稳态值的,63.2%,所经历的时间即为它的时间常数。但这样确定时间常数没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅取决于某些个别的瞬时值。为获得更可靠的结果常采用下面的方法。,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,一阶传感器的阶跃响应为,令,z,t,/,t,，上式可改写为,依据测得的,y,(,t,),由上式可求出对应的,z,，,作出,z,-,t,曲线，则应得到线性关系，根据,t,D,t,/,D,z,可确定时间常数。,如下图所示,。,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,这种方法考虑了瞬态响应的全过程，具有较高的可靠性。另外，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程度。,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比,的方法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比的方法,二阶传感器一般都设计成阻尼比,x,0.7 0.8,的欠阻尼系统。输入阶跃信号时，典型的欠阻尼二阶传感器的瞬态响应是以角频率,w,d,作衰减振荡的，,如图所示,。角频率,w,d,为,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比的方法,于是可将,式,(,1,.,56,),改写为,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比的方法,按照求极值的通用方法，可求得各振荡峰值所对应的时间为,t,k,k,p,/,w,d,(,k,0,1,2,),。将到达第一个极大值所用的时间,t,m,p,/,w,d,代入式,(,16,.,11,),得,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比的方法,所以，测出过调量,s,，即可得阻尼比,x,为,由,t,m,p,/,w,d,可得,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比的方法,若测得阶跃响应的较长变化过程，则可获得可靠性更高的谐振频率和阻尼比。,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比,的方法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,1,.,正弦信号响应法,测量传感器正弦稳态响应的幅值和相角，然后得到稳态正弦输出信号与输入信号的幅值比和相位差。逐渐改变输入正弦信号的频率，重复前述过程，即可得到幅频和相频特性曲线。由幅频和相频特性曲线可确定传感器的动态特性参数。,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,(,1,),一阶传感器时间常数的确定,将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯德图，则其对数幅频特性曲线下降,3 dB,处所对应的角频率为,w,1,/,t,，由此可确定,t,。这是因为,当,w,1,/,t,时，,A,(,w,),下降,3,dB,。,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,(,2,),二阶传感器时间常数的确定,在欠阻尼情况下，由幅频特性曲线可测得共振时的增益,A,(,w,r,),和共振角频率,w,r,。,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,根据,令,得,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,将,w,r,代入,A,(,w,),的表达式得,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,即可确定,x,和,w,0,。,虽然理论上也可通过传感器相频特性曲线确定,x,和,w,0,，但是一般难以测得准确的相角，所以很少这样做。,2,.,随机信号法,3,.,冲击信号法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比,的方法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,如果传感器属三阶或三阶以上的系统，则需分别求出传感器输入和输出的拉氏变换，或通过其他方法确定传感器的传递函数；再进行因式分解，将传感器等效成多个一阶和二阶环节的串并联，进而分别确定它们的动态特性，最后以其中最差的作为传感器的动态特性标定结果。,16.3,用,实验确定传感器的动态参数,16.3.1,实验确定一阶传感器时间常数的方法,16.3.2,实验确定二阶传感器谐振频率与阻尼比,的方法,16.3.3,确定传感器动态参数的其他方法,16.3.4,确定高阶传感器动态参数的方法,第,16,章,传感器的标定,16.1,传感器标定的意义,16.2,传感器的静态标定,16.3,用实验确定传感器的动态参数,16.4,传感器的动态标定,16.4,传感器的动态标定,传感器的动态标定主要用于确定传感器的动态技术指标。因为传感器种类繁多，标定方法各异，仅介绍几种常用的动态标定设备，并结合例子说明动态标定的方法。,16.4,传感器的动态标定,16.4.1,常用动态标定设备,16.4.2,动态标定举例,16.4.1,常用动态标定设备,对传感器进行动态标定时，需对它输入一种标准激励信号。常用的标准激励信号分为,周期信号,和,瞬变信号,两类。周期信号有,正弦波,、,三角波,等，常用正弦波。瞬变信号有,阶跃波,、,半正弦波,等，常用阶跃波。,16.4.1,常用动态标定设备,1,.,振动标定设备,能产生振动的装置称为,激振器,或,振动台,，用来标定测量振动与冲击的各种类型的加速度传感器、速度传感器、位移传感器、力传感器和压力传感器。振动台种类繁多，有,机械式、液压式、压电式、电磁式,等多种形式，其中电磁式用得最多。从振动频率上又分为,高频、中频、低频,等。,16.4.1,常用动态标定设备,(,1,),电磁式中、低频激振器,低频激振器工作频率范围为,十分之几到几十,Hz,，中频激振器为,几到几千,Hz,，一般用电磁式激振器。电磁式激振器按磁场形成方法的不同又有,永磁式,和,励磁式,两种。前者多用于小型激振器，后者多用于大型激振台。它们的原理与磁电式传感器相同，只不过将输入与输出对换来实现电能到机械能的转换。,16.4.1,常用动态标定设备,图示为电磁式激振器的结构示意图，驱动线圈固装在顶杆上，并由支承弹簧支承在壳体中，线圈位于磁极与铁心的气隙中。当线圈通以较大功率的交变电流时，它在气隙的磁场中受力，该力通过顶杆传到试件上。,1,支承弹簧；,2,壳体；,3,磁钢；,4,顶杆；,5,铁心；,6,磁极；,7,线圈；,8,试件,16.4.1,常用动态标定设备,(,2,),压电式高频激振器,高频振动台频率范围为,几千到百万,Hz,，加速度值可达重力加速度的几百倍，负荷一般只有零点几,N,。结构多用压电式，原理是利用逆压电效应。原理如图所示。,1,被标传感器；,2,内装传感器；,3,压电片；,4,底座,16.4.1,常用动态标定设备,2,.,压力标定设备,(,1,),周期函数压力发生器,谐振空腔校验器。它通常为一封闭空腔，用适当方法产生空气谐振。,非谐振空腔校验器。原理是用一定方式调制通过容器的气流，使容器内气体产生周期变化的压力。,16.4.1,常用动态标定设备,转动阀门式方波压力发生器。其结构原理,如图所示,，压力频率受轴的转速控制，一般用于低频。,16.4.1,常用动态标定设备,喇叭式压力发生器。工作原理类似于动圈式扬声器，音圈受正弦信号激励，带动音膜振动，使空气耦合腔内压力变化。,16.4.1,常用动态标定设备,(,2,),非周期函数压力,(,力,),发生器 非周期函数压力,(,力,),发生器有激波管、快速阀门装置和落球装置等。,激波管。激波管是用来产生平面激波的一种设备。所谓,激波,是指气体在某处压力突然发生变化并高速传播的压力波。,16.4.1,常用动态标定设备,激波管的结构,如图所示,。高压室和低压室之间用膜片隔开，高压室通以压缩空气，低压室通常是一个大气压的空气。用破膜针刺破膜片后，高压段气体向低压段挤过去，即形成向低压段传播的激波。也可用自然超压法破膜。,1,高压室；,2,膜片；,3,低压室；,4,触发器；,5,传感器,16.4.1,常用动态标定设备,激波管实物,如图所示,。,16.4.1,常用动态标定设备,快速阀门装置。,图示是一个预应力杆式阀门装置的原理。大容腔体积为小容腔体积的,10,3,倍，长度为小容腔的,40,倍。将大容腔加到预定压力后，突然卸去加在活塞后面的压力实现快速开启阀门，则传感器感受到一个阶跃压力波。,1,传感器；,2,泄放阀；,3,小容腔；,4,阀芯；,5,阀杆；,6,活塞；,7,供油管道,16.4.1,常用动态标定设备,落球装置。,结构原理,如图所示,。落球,(,锤,),掉在活塞上与活塞碰撞时，使装置内液体产生一个近似半正弦的压力脉冲。,1,标准传感器；,2,缸体；,3,活塞杆；,4,锤体；,5,液压油；,6,被标传感器,16.4,传感器的动态标定,16.4.1,常用动态标定设备,16.4.2,动态标定举例,16.4,传感器的动态标定,16.4.1,常用动态标定设备,16.4.2,动态标定举例,第,16,章,传感器的标定,16.1,传感器标定的意义,16.2,传感器的静态标定,16.3,用实验确定传感器的动态参数,16.4,传感器的动态标定,一次课堂作业,1,.,电阻应变片和压阻式传感器的工作原理有什么不同？如何用它们测量液位？说明工作原理，你认为哪个更好些？,2,.,磁敏二极管和光敏二极管工作的原理有什么不同？举一个用它们测量同一个物理量的例子，说明工作原理，你认为哪个更好些？,3,.,哪些传感器可作为加速度发生器？说明原理。,4,.,说明用霍尔元件测量电功率的原理，画出电路原理图。,