传感器与检测技术10 绪论-3

1、l1.1 自动检测技术概述自动检测技术概述l1.2 传感器概述传感器概述l1.3 测量误差与数据处理测量误差与数据处理l1.4 传感器的一般特性传感器的一般特性l1.5 传感器的标定和校准传感器的标定和校准上一页返 回下一页l传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与传感器的标定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。件下的误差关系。 传感器的标定工作传感器的标定工作可分为如下几个方面，可分为如下几个方面， 1. 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量

2、值传递，同时检定数据也是改进传感器定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据；设计的重要依据； 2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。 上一页下一页返 回l静态标定静态标定: 目的是确定传感器的静态特性指标，如线性目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。度、灵敏度、滞后和重复性等。l动态标定动态标定:目的是确定传感器的动态特性参数，如频率响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。应、时间常数、固有频率和阻尼比等。 上一页下一页返 回1.5.1 传感器的静态标

3、定传感器的静态标定1.5.2 传感器的动态标定传感器的动态标定1. 静态标准条件静态标准条件2. 标定仪器设备精度等级的确定标定仪器设备精度等级的确定3. 静态特性标定的方法静态特性标定的方法4. 压力传感器的静态标定压力传感器的静态标定上一页下一页返 回l没有加速度、振动、冲击（除非这些参没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量）及环境温度一数本身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（般为室温（205）、相对湿度不大于）、相对湿度不大于85% ，大气压力为，大气压力为1017kPa的情况。的情况。上一页下一页返 回l对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感对传感器进行标定，是根

4、据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的器的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。测量精度。l标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，比被标定的传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。靠的，所确定的精度才是可信的。上一页下一页返 回： 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；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的输入标准量值，根据传感

5、器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；并记录下与各输入值相对应的输出值； 将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应的输出值；的输出值； 按、所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，按、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；将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线； 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

6、复性等静态特性指标。性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。上一页下一页返 回l常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹簧测力计式压力标定机。簧测力计式压力标定机。 1.5.5 活塞压力计标定压力传感器的示意图1-标准压力表 2砝码 3活塞 4进油阀 5油杯 6被标传感器 7针形阀 8手轮 9手摇压力泵上一页下一页返 回 图 1.5.6 压力标定曲线 上述标定方法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，严重影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。为了保证压力

7、传感器的测量准确度，需定期检定，检定周期最长不超过一年。上一页下一页返 回上一页下一页返 回1. 动态标定的一般方法动态标定的一般方法2. 压力传感器的动态标定压力传感器的动态标定l主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一个时间常数关的参数，一阶传感器只有一个时间常数，二阶传感器则有固有频率二阶传感器则有固有频率n和阻尼比和阻尼比两个参两个参数。数。l标准激励信号标准激励信号: 阶跃变化和正弦变化的输入信号阶跃变化和正弦变化的输入信号一阶传感器的单位阶跃响应函数为tety1)()(1lntyz则上式可变为tzz和时间t成线性关系

8、，并且有=t /z 可以根据测得的y ( t ) 值作出z t曲线，并根据t /z的值获得时间常数 一阶传感器时间常数的求法 上一页下一页返 回二阶传感器（1）的单位阶跃响应为 )1arcsin1(sin1/1)(222tetyntn21eM1ln12M上一页下一页返 回如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比，其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。 2224nnnniinMM ln当0.1时，以1代替 ，此时不会产生过大的误差（不大于0.6%）, 则可用式(1.5.8)计算，即nMMnii2ln上一页下一页返 回（1.5.6）式中21

9、若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数所得的值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的值，则表明该传感器不是线性二阶系统。 根据响应曲线测出振动周期Td ， 有阻尼的固有频率d为ddT12则无阻尼固有频率n为21dn上一页下一页返 回利用正弦输入，测定输出和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，然后根据幅频特性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。 由幅频特性求时间常数 欠阻尼二阶传感器的n和上一页下一页返 回l给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器的输出信号，经计算激

10、励源，从而得到传感器的输出信号，经计算分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。分析、数据处理，即可确定传感器的频率特性。压力传感器在标定时广泛采用压力传感器在标定时广泛采用激波管激波管法。法。激波管法三大特点激波管法三大特点： 压力幅度范围宽，便于改变压力值；压力幅度范围宽，便于改变压力值； 频率范围宽频率范围宽 (2kHz 2.5MHz) ； 便于分析研究和数据处理。便于分析研究和数据处理。上一页下一页返 回图 1.5.7 激波管标定装置系统原理框图1-高压室 2-低压室 3-膜片 4-侧面被标定的传感器 5-底面被标定的传感器 6、7-测速压力传感器8-测速前置级 9-数字频率计 10-

11、测压前置级 11-记录装置 12-气源 13-气压表 14-泄气门 上一页下一页返 回l激波管激波管l入射激波测速系统入射激波测速系统l标定测量系统标定测量系统l气源气源上一页下一页返 回l激波管激波管 激波管是产生激波的核心部件，由高压激波管是产生激波的核心部件，由高压室室1和低压室和低压室2组成。组成。1和和2之间由铝和塑料膜之间由铝和塑料膜片片3隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决定。当高、低压室的压力差达到一定程度时定。当高、低压室的压力差达到一定程度时膜片破裂，高压气体迅速膨胀进入低压室，膜片破裂，高压气体迅速膨胀进入低压室，从而形成激波。这个激波的波

12、阵面压力保持从而形成激波。这个激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波。并以超音速冲向恒定，接近理想的阶跃波。并以超音速冲向被标定的传感器。传感器在激波的激励下按被标定的传感器。传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡，如下图：固有频率产生一个衰减振荡，如下图：传感器在激波的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。图 1.5.8 被标定传感器的输出波形 上一页下一页返 回激波管中压力与波动情况激波管中压力与波动情况 膜片爆破前的情况 (b) 膜片爆破后稀疏波反射前的情况 稀疏波反射后的情况 (d) 反射激波的波动情况 上一页下一页返 回l入射

13、激波的测速系统入射激波的测速系统 由压电式压力传感器由压电式压力传感器6和和7，前置放，前置放大以及频率计大以及频率计9组成，入射激波的速度组成，入射激波的速度为：为： lvtL为两个测速传感器之间的距离，t为激波通过两个传感器之间的时间，t=t ntn t为计数器时标，n为频率计显示的脉冲数。l标定测量系统标定测量系统 标定测量系统由被标定的传感器标定测量系统由被标定的传感器4和和5、电荷放大器、电荷放大器10以及记忆示波器以及记忆示波器11组组成。成。l气源系统气源系统 气源系统由气源（包括控制台）气源系统由气源（包括控制台）12、气压表及泄气门气压表及泄气门14等组成。等组成。l传感器对阶跃压力的响应曲线是输出压力与时间的关系曲线，所传感器对阶跃压力的响应曲线是输出压力与时间的关系曲线，所以又称为以又称为时域曲线时域曲线。l若传感器振荡周期若传感器振荡周期Td是稳定的，而且振荡幅