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,1,*,武汉理工大学机电工程学院,第12章 传感器的标定,传感器原理及应用,_,_,传感器的标定,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。,标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。,绝对法标定系统：,标定精度高，但较复杂,比较法标定系统,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。,12.1 传感器静态特性的标定,2.静态特性标定系统,对传感器进行静态特性标定，首先要建立标定系统。一般组成：,(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,。,3.静态特性标定的步骤,(1)将传感器全量程分成若干等间距点；,(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。,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。,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，量程可高达5MN。,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,活塞压力计实物图,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,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；,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,；二是与某个已经标定的标准装置进行比较，这是常用的标定方法。,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、使用的标准测温仪器分别为：,(1),0.655.0,K间为,3,He或,4,He蒸气压温度计；,(2),3.024.5561,K间为,3,He或,4,He定容气体温度计；,(3),13.8033,K961.78间为铂电阻温度计；,(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。,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630.7551064.43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。,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。,12.2 传感器动态特性的标定,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。,传感器动态特性标定方法：,1.阶跃响应法,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定值的63.2%所经历的时间，即时间常数。,备注：,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。,已知一阶传感器的阶跃响应函数为：,整理得：,令：,则,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。,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 、,。,已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：,按求极值的通用方法，求得第一个峰值输出为,则对应的最大超调量为,测出最大超调量，则可算出阻尼比：,测出振荡周期,T,d,值，根据,T,d,=,以及 与 的关系，代入下式计算固有频率：,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。,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,电磁振动台,，能产生57.5,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，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。,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，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。,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：,式中：U,1,、U,2,分别为待测传感器和标准传感器的输出电压；S,1,、S,2,分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。,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。,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。,