传感器的压力测量

1、传感器的标定标定 （率定 ）：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线 ：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线 （输出 特性曲线）。标定方法 ：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中， 传感器得到相应的 输出量， 将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。 按传感 器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。荷重、应力、压力传 感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定； 它们更精确的标定 则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定； 位移传感器的标定则 是采用标准量块或位移标定器。标定要求： 标定应该在与其使用条件相似的状态下进行； 增加重复标定的次数，以提高测试精度；

2、传感器需定期标定，一般以一年为期； 对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内。 传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。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士 5C）、相对湿度不大于 85，大气压力为标准大气压的情况。 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。传感器的动态标定主要是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T、二阶传感器则有固有 频率3 n和阻尼比Z两个参数；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

3、阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、 温度响应、环境影响等进行标定。选用传感器的基本原则 ：1）根据实际需要，保证主要的参数。2）不必盲目追求单项指标的全面优异，主要关心其稳定性和变 化规律性。与传感器特性有关的是传感器系统性能的综合评价与标定。传感器的标定就是通过试验确立传感器的输入与输出量之间的关系和不同使 用条件下的误差关系。它的标定有静态标定和动态标定两种， 静态标 定就是确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、滞迟和重复性。 压力测量系统静态标定及动态压力测量测量系统静态标定及动态压力的测量二、实验内容掌握压电式压力传感器、电荷放大器、数据采集系统的使用方法，组 建压电式压力

4、测量系统，分别对该系统进行静态特性标定和动态压力 测量。三、实验仪器设备静标：活塞式压力计、标准压力表（精度：0.4级，量程：010MPa、 被标定的压力传感器（型号：AF1800,量程：010MPa、数字万用 表、标准砝码、工作液体（蓖麻油）。动态测试：国营江西传感器厂制造的SYC-1000型石英压力传感器（两 支）、YE5850A型电荷放大器（两个）、落锤液压动标装置（四套）、 Nationl Instruments数据采集系统（一台）、显示器（一台）、蓖 麻油（三瓶）、信号线（两条）。四、实验原理及方法理想状态下准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）： 输入（压力）和输出（电

5、荷）近似成线性关系 （石英压力传感器的线 性度较好）；动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有 频率）：二阶线性系统模型。但真实情况和理想的数学模型之间的通 常存在一定的偏差，原因有：1）电荷泄漏理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大， 而真实传感器的绝缘电阻并 非无穷大（石英晶体：1013Q ;压电陶瓷：1010Q ），必将导致一定 程度的电荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进 行放大，必然要从传感器中取一定电流， 从而增加了传感器电荷的泄 漏。所以通常的电荷放大器的输入级都具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。但是，由于外加压力而 产生的电荷

6、量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的 影响，该影响不可忽略。2）电荷放大器的频率响应对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大 器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波，信号将会失真，因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数 值。3）噪声由于本实验采用的传感器量程很大（100 bar300 bar），而实际 载荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明， 以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。 压力传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的 关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。压力

7、传感器的静态标定，主要指通过一系列的标定曲线得到其静态特性指标：非线性、 迟滞、重复性和精度等。静态标定系统组成如图 4-1所示。放犬器卜数字显示图4-1压力校准系统结构原理A,b,c 切断阀，d进油阀1被校传感器；2进油阀；3传感器安装位；4压力发生器；5工作 液；6压力表；7手轮；8丝杠；9工作活塞；10被校油杯压力发生器施加压力作用于密闭系统内的工作液体，根据系统内工作液体的压力相平衡原则时，被标定传感器所测量的压力值与与压力表 所测量的压力值相等。由压力发生器推动工作活塞，处于不同的行程， 工作液体就可处于不同的平衡压力下， 因此可以方便而准确地由平衡 时压力表的读数得到压力p的数值。

8、由此，就可以通过比较压力传感 器测量的压力值和标准表上的示值进行校准， 对压力传感器进行静态2动态压力测量实验系统的工作组成框图如图4-2，测量系统由落锤式压力发生器作 为半正弦压力源，选用压电式压力传感器、电荷放大器及基于PXI总 线系统的数据采集系统组成。系统工作原理：利用落锤液压装置在油 缸中产生一个半正旋压力脉冲，该脉冲通过传感器的压电效应实现非 电量到电信号的转换，传感器把输出的电荷信号经过电荷放大器放大 输入数据采集系统。在数据采集系统中把输入的电荷信号转换成电压 信号进行测量。传感器选取国营江西传感器厂制造的 SY C-1000型石英压力传感器。 SY C-1000型石英压力传感

9、是利用石英晶体固有的压电效应将压力信 号转换成电信号的能量转换器，采用膜片式焊接密封结构，选用特种 钢制造而成，具有精度高、频带宽、体积小、重量轻、强度高、耐腐 蚀、抗振动、寿命长，并能在恶劣环境条件下工作等优点。图4-2测压系统组装图在进行实验过程中，安装传感器及注入蓖麻油的过程很关键， 直接关 系到实验的成败。在旋入传感器前应先对油缸进行清洗， 防止铁屑等 残留物划伤传感器。拧入传感器时要用力适中，太紧有可能损坏传感 器，太松又有可能导致漏油，使油缸中的压力达不到预期值。注入蓖 麻油前应先对精密活塞缸套件进行测试，使精密活塞可以在活塞缸中 自由移动，测试方法是用手堵住活塞缸下端，向上提起活

10、塞一段高度 后松开，看看活塞是否能自由缓慢落回。 实验时应先注入蓖麻油再进 行传感器安装，这样做的目的是可以排除测压本体中传感器通道中的 空气。同时应注意油注高度应略大于油缸上表面，目的也在于防止空 气进入。在完成上述工作之后可以旋入精密活塞缸套件，完成造压本体组装工作。同时应注意活塞的外露高度尽可能保持在10mm左右，这样测量结果才具有可比性。其组装图如图 4-3所示。图4-3造压本体组装图安装完成本体后可进行电荷放大器的连接及参数设置。两个传感器引出的信号线分别接到两个电荷放大器输入端（注意连接的是电荷输入端，并且在连接之前应对其进行接地放电，以免烧毁电荷放大器或是造成测量误差）。由于实验

11、中的传感器没有进行标定，灵敏度直接按 照说明书中灵敏度进行参数设置，电荷放大器的上限频率选“3KHZ档，下限频率选“ M （Measure）档，放大倍数选“10”档。安装并且设置完成电荷放大器后对 Natio nal I nstrume nts 数采系统 的2号槽（根据信号线所插的槽号进行选取）的 1、2通道（根据信 号线所插的通道号进行选取）进行参数设置，选取触发电压为 0.5V， 触发方式为内触发，由于此次实验的传感器的量程是 0MPa-100MP， 因此量程设置为10V。完成上述准备工作后便可以进行落锤液压动标装置的数据采集工作。五、实验注意事项1、每次施加压力时注意一定要平稳；2、实验

12、数据应记录清楚、准确；3、加减压操作时，注意正反行程的含义，不能反复进行调节；4、注意传感器与造压本体连接处密封情况；5、动态压力测量时，释放落锤时注意安全，不得将任何杂物或身体 某部放在造压本体附件。六、实验方法及实验结果记录1静态标定：1）根据实验设备设计实验电路连线图，装配、检查各种仪器、传感 器及压力表。2）检查实验电路及油路。3）加载、卸载，注意数据变化，并记录。压力传感器加载、卸载实验记录压力表压力（KPa）0123456789压力传感器输出电压（V）压力表压力（KPa）9876543210压力传感器输出电压（V）4）分析、计算、处理实验数据，作出压力传感器的静态特性图，非 线性、

13、迟滞、重复性。5）用方和根法计算系统误差2动态压力测试 活塞组件有三组，其活塞面积分别为 2cm2 1cm2 0.5cm2。体积调 节塞选取直径为二上工。记录数据采集系统测量的半正弦波形。压力传感器的动态标定一、测试仪器设备：1、记忆示波器1台(TDS210)；2、CY-YD-205 1只，标定对象；3、电荷放大器YE5850 一台，连接石英压力传感器；4、压电陶瓷传感器 CY-Y D-203T 1只；5、电荷放大器KD5002 一台，连接压电陶瓷传感器，用于激波 速度测量。二、实验步骤：(1 )把石英传感器安装在激波管端壁上，并将石英传感器电 缆接到电荷放大器YE5820的输入端，将YE58

14、20的输出端电缆接到 示波器ch2的输入端，并且将其上限频率置于100kHZ.灵敏度设在10pc/unit。打开YE5820电荷放大器(开关在背面)，“工作復位”开关 置于“复位”位置。(2 )把侧壁的压电陶瓷传感器接到电荷放大器 KD5002的输 入端，并将放大器KD5002的输出接到示波器1通道。将放大器的上 限截至频率设在100kHZ，示波器ch1垂直标尺置于500mv/div, ch2 的垂直标尺置于20mv/div。采样频率的设定：考虑到传感器的固有频率约为120kHz,由 Shannon采样定律，Fs >2Fi ,取 Fs = 500kS/s,即 0.5ms/cm。也就是说水

15、平标尺调节到500微妙/div为宜触发信源选chi,上升沿单次触发，触发电平可调大一些，几十mv不成问题.(3 )激波管安装膜片，给气压机充气在4bar左右后，打开压气 机阀门，将放大器置于“工作”，示波器” Ready”后，打开激波管充气 阀门，破膜，记录下曲线。(5 )按下“ CURSOR”，类型选择”时间”，用光标先读出1和2通道压力跃起的时间差 t ；测量激波管端部石英传感器与侧壁 压电陶瓷传感器之间的距离-：l，记录下室内温度，由此计算出激波速 度和激波马赫数Ms。由下式计算出5区压力pm和传感器输入阶跃理 论值八:p。2 2(7Ms -1) (8Ms -2)P5126 (Ms +5

16、)A(7Ms2 1) (8Ms 2 2)p = P5 _ P1 = I2-1 P16 (Ms +5)(5 )读出ch2波形的电压增量，按下列公式计算试验得到传感输入阶跃实验值 p叩(bar)二电压增量(mv)放大器的灵敏度(10pc/unit)传感器的灵敏度(pc / bar)汉实验输出(10 mv / unit )此处传感器的灵敏度选用静标时传感器的电荷灵敏度。(6 )将示波器2通道数据输入计算机，打开计算机桌面上的TDS-210数据处理程序，点击acquire图标，计算机读取数据，用文 件中的export命令保存数据，待处理。示波器数据为电压值(mv)，需按下式转换为压力值实际电压值(mv

17、)压力(unit , bar)实际输出(10mv/unit )三、数据处理(1) .计算的压力突跃值激波管端壁传感器与侧壁传感器之间的距离是L = 30cm;激波传过此段距离经历的时间是t = ms;激波传播的速度是Vs = L / t根据室温，算出声速 a所以，激波马赫数为 Ms = Vs / a求出p5 -pl,即激波管1区和5区的压力突跃值(2) .测量压力突跃值由示波器曲线读出激波管端壁的传感器的波形突跃值mv和静标的传感器电荷灵敏度pc/bar,求出测量的激波管1区和5区的压力突跃值为 bar。(3) .理论实验值比较，求出误差为(4) 求幅频特性和相频特性(1) 对输入的阶跃信号做

18、FFT;(2) 对测量信号做FFT;(3) 得到传感器的幅频特性和相频特性曲线。(4) 也可以用阶梯线法求解由频率特性曲线读出传感器的固有频率是：kHz270大气压 /中压力测量传感器大气压:600 1100hpa/mb,80CH 1100hpa/mb绝对压力：010, 20, 50, 100psia表压: 0 5，10，20， 50， 1 00 psig适用于非凝结的空气或气体Setra Ceram敏感元件与西特（setra）独特的检测电路的完美结合赋予 了 270 很高的性能, 高质量的输出信号、 优良的稳定性和精度及快速 的动态响应,使得 Model270 成为气象、环境检测、航空航天、

19、军事 及科学研究等众多领域高精度大气压 /中压力测量的理想产品。特点： Setra Ceram敏感元件高精度： ±0.05%FS重复性： 0.01%FS优良的长时间稳定性低功耗预热快快速响应应用：高精度大气压测量激光波长的气压补偿 自动气象站及气象观测系统海洋数据浮标和边远气象站 高精度压力传递基准270性能规范压力类型压力范围最大压力大气压600 1100hpa/mb,80CH1100hpa/mb20psia绝对压力0 10, 20, 50, 100psia1.5 额定压力表压05, 10, 20, 50, 100psig1.5 额定压力注：西特（setra）坚持严格的质量标准，执

20、行ANSI-Z540-1和IS09001标准。本产品的标定源于 NIST.美国专利号：4093915, 4168518精度参数精度*v ±).05%FS非线性±）.05%FS （终点法）±）.03%FS （最佳拟合直线法）迟滞0.01%FS非重复性0.01%FS分辨率无限，仅受输出噪声的限制（0.005%FS）温度影响补偿范围149C（ 30120?）零点温度漂移大气压范围v ±).36%FS/100°C 0.2%FS/100?其他范围v ±).18%FS/100C 0.1%FS/100?导热系数灵敏度v ±).18%FS/100C 0.1%FS/100°F长期稳定性0.1%FS/6 个月，21C静态加速度影响v ±).01%FS/g预热漂移在恒温恒压下，开机20分钟后漂移v ±0.04%FS时间常数v 10mS （输入阶段压力达到90%稳态输出所需的时间）兴精度为非线性、迟滞合非重复性的 RSS （方和根）值，