传感器的标定与校准ppt课件

1、第第14章章 传感器的标定与校准传感器的标定与校准 传感器的标定与校准：通过试验，建立传感器的输出-输入特性及其误差关系。 传感器的标定与校准方法：标准设备产生已知非电量输入量，测试被标定传感器相应的输出量，并与输入量比较，作出标定图表。 传感器的标定系统：被测非电量的标准发生器与标准测试系统；待标传感器与配接的信号调理和显示、记录器等。 静态标定标定静态特性：灵敏度，线性度， 传感器的标定 精度； 动态标定动态特性参数（；n，）测试； 动态标定信号：阶跃信号或正弦信号。 传感器的标定与校准的目的:保正测量的准确、统一和法制性。14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念14.1.1 测量与测量

2、误差测量与测量误差 1.丈量丈量 “测量是以确定量值为目的的一种操作测量是以确定量值为目的的一种操作”。这。这种种“操作操作”就是测量中的比较过程就是测量中的比较过程将被测参数与其相应将被测参数与其相应的测量单的测量单位进行比较的过程。实现比较的工具就是测量仪位进行比较的过程。实现比较的工具就是测量仪器仪表器仪表（简称仪表）。（简称仪表）。 检测是意义更为广泛的测量，它包含测量和检检测是意义更为广泛的测量，它包含测量和检验的双验的双重含义。工程参数检测就是用专门的技术工具重含义。工程参数检测就是用专门的技术工具仪表），仪表），依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。依靠能量的变换、实验和计算

3、找到被测量的值。一个完整一个完整检测过程应包括：检测过程应包括： 信息的获取信息的获取传感器传感器(一次仪表一次仪表)； 信号的调理信号的调理变送器变送器(二次仪表二次仪表) ； 信号的显示与记录信号的显示与记录显示、记录仪显示、记录仪(二次仪二次仪表表) 。14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 2. 测量误差测量误差 检测仪表获得的测量值与被测变量的真实值之间存在一检测仪表获得的测量值与被测变量的真实值之间存在一定定的差异，这一差异称为测量误差。的差异，这一差异称为测量误差。 误差公理误差公理实验结果都具有误差，误差自始至终存在于实验结果都具有误差，误差自始至终存在于一切科学实验的过程

4、之中。一切科学实验的过程之中。 测量误差有绝对误差和相对误差之分。测量误差有绝对误差和相对误差之分。 （1绝对误差绝对误差 绝对误差绝对误差在理论上是指测量值在理论上是指测量值x与被测量的真值与被测量的真值xi之间之间的的差值，即差值，即=xxi=xx0 (真值真值xi一般用相对真值一般用相对真值x0代替）代替） 绝对误差是可正可负的，而不是误差的绝对值；绝对误绝对误差是可正可负的，而不是误差的绝对值；绝对误差还有量纲，它的单位与被测量的单位相同。差还有量纲，它的单位与被测量的单位相同。 14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 测量误差的分类：测量误差的分类： 根据引起误差的原因和误差的性

5、质，测根据引起误差的原因和误差的性质，测量误差可分为量误差可分为三类：三类： 系统误差，具有确定性，决定测量的系统误差，具有确定性，决定测量的准确度，可以进准确度，可以进行修正；行修正； 随机误差，具有偶然性，决定测量的随机误差，具有偶然性，决定测量的精密度，利用误精密度，利用误差理论进行处理；差理论进行处理； 粗大误差，是错误，应剔除。粗大误差，是错误，应剔除。 14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念（2相对误差相对误差 实际相对误差：实际相对误差： （14-3） 标称相对误差或示值相对误差）标称相对误差或示值相对误差） （14-4） 测量误差是对某一次具体测量好坏的评价。测量误差是对某

6、一次具体测量好坏的评价。%100ix实%1000 x标14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念14.1.2 仪表误差仪表误差 1 .仪表误差术语仪表误差术语 测量仪表的示值误差测量仪表的示值误差=仪表示值仪表示值x-真实值真实值xi =xx0(xi用约定真值用约定真值x0来来代替代替 ) 相对示值误差相对示值误差 测量仪表的最大允许误差测量仪表的最大允许误差 定义是定义是“对给定对给定的测量仪的测量仪表，规范、规程等所允许的误差极限值表，规范、规程等所允许的误差极限值”。有时。有时也称为测也称为测量仪表的允许误差限，或简称允许误差（量仪表的允许误差限，或简称允许误差（允）。允）。 %1000

7、 x相对14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 测量仪表的固有误差测量仪表的固有误差 常称为测量仪表的基本误差。常称为测量仪表的基本误差。定义是定义是“在参考条件下确定的测量仪表的误差在参考条件下确定的测量仪表的误差”。此参考。此参考条条件也称为标准条件，是指为测量仪表的性能试验或为测量件也称为标准条件，是指为测量仪表的性能试验或为测量结果的相互比较而规定的使用条件，一般包括作用于测量结果的相互比较而规定的使用条件，一般包括作用于测量仪表的各影响量的参考值或参考范围。仪表的各影响量的参考值或参考范围。 附加误差附加误差 附加误差是指测量仪表在非标准条件时所附加误差是指测量仪表在非标准条件时

8、所增加的误差，它是由于影响量存在和变化而引起的，如温增加的误差，它是由于影响量存在和变化而引起的，如温度附加误差、压力附加误差等等。度附加误差、压力附加误差等等。 14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 2.测量范围和量程测量范围和量程 测量范围测量范围: 指指“测量仪器的误差处在规定极限测量仪器的误差处在规定极限内的一组内的一组被测量的值被测量的值”。 量程量程: 指测量范围的上限值和下限值的代数差。指测量范围的上限值和下限值的代数差。 例如：测量范围为例如：测量范围为0100时，量程为时，量程为100； 测量范围为测量范围为20100时，量程为时，量程为80； 测量范围为测量范围为20

9、100时，量程为时，量程为120。14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念3.精确度简称精度）精确度简称精度） 仪表误差：仪表误差： （仪表引用误差：（仪表引用误差： 仪表的准确度用仪表的最大引用误差仪表的准确度用仪表的最大引用误差 max即仪即仪表的最大表的最大允许误差允许误差 允来表示，即允来表示，即式中，式中， max仪表在测量范围内的最大绝对误差；仪表在测量范围内的最大绝对误差； 仪表误差整体上评价仪表在其测量范围内测量的好仪表误差整体上评价仪表在其测量范围内测量的好坏。坏。%100仪表量程引%100maxmax量程14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 仪表精度等级仪表精度等级

10、a去掉仪表误差的去掉仪表误差的“”号和号和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 级标准表级标准表 级标准表级标准表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等；等 工业用表工业用表 仪表的基本误差：仪表的基本误差： max=仪表量程仪表量程a%14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 3仪表变差升降变差）仪表变差升降变差） 升降变差又称回程误差或示值变差），是指在相升降变差又称回程误差或示值变差），是指在相同条件同条件下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时，下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时，对应于对应于同一测量

11、值所得的仪表示值不等，正、反行程示值之同一测量值所得的仪表示值不等，正、反行程示值之差的绝对差的绝对值称为升降变差，即值称为升降变差，即（升降变差（升降变差正行程示值正行程示值反行程示值反行程示值仪表变差也用最大引用误差表示，即仪表变差也用最大引用误差表示，即 必须注意，仪表的变差不能超出仪必须注意，仪表的变差不能超出仪表的允许误差或基本误差）。表的允许误差或基本误差）。 %100max量程反行程测量值正行程测量值变差图图14-1 测量仪表的变差测量仪表的变差14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 例例14-1 某压力传感器的测量范围为某压力传感器的测量范围为010MPa，校验该传感，校验

12、该传感器时得到的最大绝对误差为器时得到的最大绝对误差为0.08MPa，试确，试确定该传感器的精定该传感器的精度等级。度等级。 解：该传感器的精度为：解：该传感器的精度为： 由于国家规定的精度等级中没有由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，级仪表，而该传感器的而该传感器的精度又超过了精度又超过了0.5级仪表的允许误差，所以，这级仪表的允许误差，所以，这只传感器的精只传感器的精度等级应定为度等级应定为1.0级。级。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的精度等级仪表的精度等级值应选不小于由校验结果所计算的精度值值应选不小于由校验结果所计算的精度值 %

13、8 . 0%10001008. 0100maxmax量程14.1 测量误差基本概念测量误差基本概念 例14-2 某测温传感器的测量范围为01000，根据工艺要求，温度指示值的误差不允许超过7，试问应如何选择传感器的精度等级才能满足以上要求? 解：根据工艺要求，传感器的精度应满足： 此精度介于0.5级和1.0级之间，若选择精度等级为1.0级的传感器，其允许最大绝对误差为10，这就超过了工艺要求的允许误差，故应选择0.5级的精度才能满足工艺要求。 根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应不大于工艺要求所计算的精度值 %7 . 0%100010007%100maxmax量程14.2 传感

14、器的静态特性标定传感器的静态特性标定 1.静态标定条件 （205）；85%RH；（76060mm汞柱 2.标定仪器设备标准量具精度等级的确定 标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级； 附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。 3.静态特性标定方法比较法 创造一个静态标准条件； 选择标准量具； 标定步骤： 全量程等间隔分点标定； 正、反行程往复循环一定次数逐点标定输入标准量，测试传感器相应的输出量）； 列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线； 数据处理获取相应的静态特指标。14.2 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定例14-1 02MPa压力传感器的标定输出电压15V

15、；1.5级)，K=2V/MPa 标定数据表输入压力(MPa) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 输出电压(V) 升 1.02 1.40 1.79 2.19 2.56 2.98 3.41 3.78 4.17 4.57 4.98输出电压(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 升降变差V） 0.01 0.02 0.02 0.

16、04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 绝对误差 (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, 最大升降变差0.07V，所以 max=nm= 0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%=1.75% 根据标定数据，该表只能定为2.5级。14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定动态标定 研究动态响应 确定动态响应参数动态标定信号：阶跃信号或正弦信号一、一阶传感器的动态标定 确定时间常数一阶传感器的单位阶跃响应如图1-15）y(t)=1et/14

17、.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定一阶传感器的单位阶跃响应如图一阶传感器的单位阶跃响应如图1-15）y(t)=1et/ 时间常数时间常数表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最终稳定值的出值达到最终稳定值的63.5%所经过的时间。只用到一个所经过的时间。只用到一个实验数据。实验数据。图图1-15 一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应(a)单位阶跃信号；单位阶跃信号；(b)一阶传感器阶跃响应曲线一阶传感器阶跃响应曲线14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定若改写上式为： 1y(t)= et/=ez， z=ln1y(t) （1

18、4-1）其中，z= t/，z与t线性。 作zt曲线，其斜率t/z= ，由此确定时间常数考虑了传感器瞬态响应的全过程。如图14-2所示。图14-3 而阶传感器(1)的阶跃响应图图14-2求一阶传感器时间常数方法求一阶传感器时间常数方法14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定二、二阶传感器的动态标定二、二阶传感器的动态标定确定传感器的阻尼比确定传感器的阻尼比和固有频率和固有频率n 。欠阻尼二阶传感器的阶跃响应如图欠阻尼二阶传感器的阶跃响应如图14-3）221arctansin11)(tektydtn图图14-3 二阶传感器二阶传感器(1)的阶跃响应的阶跃响应14.3 传感器的动态特性标定

19、传感器的动态特性标定y(t)以d= n12作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值对应的时间tp=0，/d，2/d，将t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M或 测得M，由上式或图14-4，可求阻尼比；由标定测得的tp ，得fd d n。 21 eM1ln12M14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定图图14-4 -M曲线曲线14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定若衰减振荡缓慢，过程较长，可测Mi和Mi+n来求，n为两峰值相隔的周期数。设Mi对应的时间为ti，则Mi+n对应的时间为将ti和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得整理后得式中212ninintt2

20、1/212lnln2neeMMninnnttnii22224nnnniinMMln14.3 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定 当 0.1时，12 1，那么 也可以利用正弦信号输入，测定传感器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，然后根据幅频特性分别按图14-5和14-6来求一阶传感器的时间常数和欠阻尼二阶传感器的阻尼比和固有频率n。 nMMnii2/ln图图14-5 由幅频特性求一阶由幅频特性求一阶 14-6 由幅频特性求欠阻尼由幅频特性求欠阻尼传感器时间常数传感器时间常数 二阶除按感情的二阶除按感情的和和014.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准1

21、4.4.1 静态标定和校准静态标定和校准静态标定装置：标准活塞压力计，杠杆式测力计和弹簧静态标定装置：标准活塞压力计，杠杆式测力计和弹簧式测力计。式测力计。标准活塞压力计标定装置，如图标准活塞压力计标定装置，如图14-7所示；压力标定所示；压力标定曲线如图曲线如图14-8所示。所示。图图14-7 活塞压力计标定压力示意图活塞压力计标定压力示意图 图图4-8 压力标定曲线压力标定曲线14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准杠杆式测力计标定装置，如图14-9所示，砝码重量与压力的关系W=pSb/a p=Wa/Sb 图图14-9 杠杆式压力标定机示意图杠杆式压力标定机示意图14.4 压

22、力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准弹簧式测力计标定装置，如图14-10所示，p=F/S式中，F测力计检定表所测得的传感器所受的力；S传感器的受力面积。图图4-10 弹簧测力计式压力标定机弹簧测力计式压力标定机14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准 14.4.2 动态标定和校准动态信号压力源：产生满意的周期或阶跃压力；并能可靠地确定其真实压力-时间关系。稳态标定需周期性稳态压源） 活塞与缸筒式稳态压力源，如图14-11所示。调节手柄可以改变压力的幅值，可获得70kg/cm2的峰值压力，频率可达100Hz。图图14-11 活塞缸筒稳态压力源示意图活塞缸筒稳态压力源示意图1-

23、接被检压力计；接被检压力计；2-接标准压力计；接标准压力计；3-飞轮；飞轮；4-调节手柄调节手柄 14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准凸轮控制喷嘴式稳态压力源，如图14-12所示，可获得0.1kg/cm2的峰值压力，频率可达300Hz。这两种周期性稳态压力源只能提供可变的稳态压力，不能提供确定的数值或时间特性，适合于将未知特性的传感器与已知特性的传感器进行比较的标定方法比较法）图图14-12 凸轮控制喷嘴稳态压力源凸轮控制喷嘴稳态压力源1-恒定压力入口；恒定压力入口；2-接被检压力计；接被检压力计；3-凸轮；凸轮；4-接标准压力计接标准压力计14.4 压力传感器的标定和校准压

24、力传感器的标定和校准 非稳态标定利用非稳态阶跃压力信号和阶跃函数理论进行标定。非稳态阶跃压力源有：快卸荷阀；脉冲膜片；闭式爆炸器；激波管等。 激波管非稳态压力标定 特点： 结构简单，可产生较理想的瞬态“规范压力； 压力幅度范围宽，便于改变压力值； 压力频率范围宽2kHz1.5MHz）； 便于分析研究和数据处理。14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准 .构造构造 主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气源等组成，如图源等组成，如图14-12所示。所示。14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准 激波管所产生的激波

25、如图14-15所示。 入射激波的阶跃压力为 反射激波的阶跃压力为式中，Ms马赫数。由测速系统决定。12122167pMppps1222155542137pMMMpppsss14.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准 2.入射激波测速系统入射激波测速系统 由压电式压力传感器由压电式压力传感器6和和7、前置电荷放大器、前置电荷放大器8和频率和频率计组成。计组成。 Ms定义定义式中，式中，v00时的声速，时的声速，v0=331.36m/s；vTT时的时的声速；声速；=1/273=0.00366。nTltlv/TvvvvMTs1014.4 压力传感器的标定和校准压力传感器的标定和校准 3.

26、标定测量系统标定测量系统 由被标定传感器由被标定传感器5和和6、前置电荷放大器、前置电荷放大器10及记忆示波器及记忆示波器11等组等组成，可测阶跃响应波形，如图成，可测阶跃响应波形，如图14-14所示。所示。 由响应波形进行数据分析处理，由响应波形进行数据分析处理，直接求得传感器的幅频特性及动直接求得传感器的幅频特性及动态灵敏度。态灵敏度。 传感器传感器5响应入射激波阶跃压力，响应入射激波阶跃压力，传感器传感器6响应反射激波阶跃压力。响应反射激波阶跃压力。 4.气源系统气源系统 由气源、气压表、泄气门等组成。由气源、气压表、泄气门等组成。常采用压缩空气或氮气。常采用压缩空气或氮气。图图14-1

27、4 被标定传感器输出波形被标定传感器输出波形14.5 振动传感器的标定和校准振动传感器的标定和校准 振动信号源：振动台产生正弦激励的标定信号。 一、绝对标定法 激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的振幅值Xm(m)； 精密数字频率计测出振动台的振动频率f (1/s)； 精密数字电压表测出传感器输出电压值Erms(mV)。 被标振动传感器的加速度灵敏度Sa为msmVXfESmrmsa222214.5 振动传感器的标定和校准振动传感器的标定和校准 二、比较标定法二、比较标定法 将被标传感器与标准测振传感器将被标传感器与标准测振传感器“背靠背安装在振动台上。标定背靠背安装在振动台上。标定

28、时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值Ua和和U，假，假设设标准测振传感器的加速度灵敏度为标准测振传感器的加速度灵敏度为Sa0，则被标传感器加速度灵敏度，则被标传感器加速度灵敏度Sa为为 Sa=Sa0U/Ua 频率响应的标定，在振幅恒定条件下，频率响应的标定，在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频率，测出传感器输改变振动台的振动频率，测出传感器输出电压与振动频率的关系，即幅频响应。出电压与振动频率的关系，即幅频响应。 比较被标传感器与标准传感器输出信比较被标传感器与标准传感器输出信号间的相位差，可得传感器的相频特性。号间的相位差，可得

29、传感器的相频特性。图图14-16 振动传感器比较标定系统振动传感器比较标定系统14.6 温度传感器的标定和校准温度传感器的标定和校准 14.6.1温标的基本概念温标的基本概念 1.温标温标 温度的基准量，规定温度的始点零度和测量温度的基准量，规定温度的始点零度和测量温度的基本单位。温度的基本单位。 温标的三要素：温度固定点，标准温度计温标的三要素：温度固定点，标准温度计(测温物质测温物质)，内，内插公式。插公式。 2.热力学温标热力学温标K） 1848年英国开尔文年英国开尔文L.Kelvin)提出以以热力学第二定律提出以以热力学第二定律为基础的热力学温标，选定水的三相点为为基础的热力学温标，选

30、定水的三相点为273.16K，定义水，定义水的三相点温度的的三相点温度的1/273.16为为1度，单位为开尔文，简称度，单位为开尔文，简称K (1954年国际计量会议年国际计量会议)。 热力学温度也称为绝对温度。热力学温度也称为绝对温度。 14.6 温度传感器的标定和校准温度传感器的标定和校准 3.国际实用温标国际实用温标IPTS-68，ITS-90） 温度的基本单位与热力学温标相同，其标度具有温度的基本单位与热力学温标相同，其标度具有11个固定点。如表个固定点。如表14-2所示。所示。 测量各固定点之间温度值得方法：测量各固定点之间温度值得方法： 13.81K630.74范围内用基准铂电阻温度计进行范围内用基准铂电阻