传感器的标定与校准

1、第14章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： 标准设备产生非电量一输入量,测试被标定传感器相应的输出量,弁与输入量比拟,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.静态标定一一标定静态特性：灵敏度,线性度,精度,； 传感器的标定一静态标定一一动态特性参数(；n；2测t盛；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：保证测量的准确、统一和法制性.§14.1 测量误差根本概念14.1.1 测量与测量误差1 .测量“测量是以确

2、定量值为目的的一种操作o这种“操作就是测量中的比拟过程一一将被测参数与其相应的测量单位进行比拟的过程.实现比拟的工具 就是测量仪器仪表(简称仪表).检测是意义更为广泛的测量,它包含 测量和检验 的双重含义.检测过程应包括：信息的获取一一用传感器完成；信号的调理一一用变送器完成； 信号的显示与记录一一用显示器、指示器或记录仪完成.传感器、变送器和显示装置可统称为检测仪表,或者将传感器称为一次仪表,将 变送器和显示装置称为二次仪表.2 .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总会存在一定的差异,这一差异 称为测量误差.这就是误差公理一一实验结果都具有误差,误差自始至终存在于一切 科学实

3、验的过程之中.(1)绝对误差绝对误差 后在理论上是指测量值x与被测量的真值xi之间的差值,即=x Xi (14-1)真值Xi是一理想的概念,在实际测量的条件下一般无法得到真值.通常用计量学 约定真值、标准器具相对真值、屡次测量平均值等作为真值,用X0表示.将式(14-1 )中的真实值 Xi用X0来代替,那么绝对误差可以表示成叁一=x X0 (14-2)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.测量误差可能由多个误差分量组成.引起测量误差的原因,通常包括：测量装置 的根本误差；非标准工作条件下所增加的附加误差；所采用的测量原理以及根据该原理在实施测

4、量中运用和操作的不完善引起的方法误差；标准工作条件下,被测量随时 间的变化；影响量(不是被测量,但对测量结果有影响的量)引起的误差；与观测人 员有关的误差因素等.根据引起误差的原因和误差的性质,测量误差可分为三类：系统误差,具有确定 性,决定测量的准确度,可以进行修正；随机误差,具有偶然性,决定测量的精密度, 利用误差理论进行处理；粗大误差,是错误,应剔除.(2 )相对误差 实际相对误差：6 实=-X 100%( 14-3)Xi标称相对误差(或示值相对误差)6 标=皇 X 100%( 14-4)X0测量误差 是对某一次具体测量好坏的评价.14.1.2 仪表误差1 .测量仪表误差的根本术语(1)

5、测量仪表的示值误差测量仪表的示值就是测量仪表所给出的量值,测量仪表的示值误差定义为“测量仪表的示值与对应输入量的真值之差,它实际是仪表某一 次测量的误差.由于真值不能确定,实际上用的是相对真值.此概念主要应用于与参 考标准相比拟的仪器,就实物量具而言,示值就是赋予它的值.在不易与其他称呼混 淆时也简称为测量仪表的误差.(2)测量仪表的最大允许误差定义是“对给定的测量仪表,标准、规程等所允许的误差极限值 o有时也称为测量仪表的允许误差限,或简称允许误差(B允).(3)测量仪表的固有误差常称为测量仪表的根本误差.定义是“在参考条件下确定的测量仪表的误差.此参考条件也称标准条件,是指为测量仪表的性能

6、试验或为测量结果的相互比拟而规定的使用条件,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.(4)附加误差附加误差是指测量仪表在非标准条件时所增加的误差,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.(5)测量范围和量程测量范围是指“测量仪器的误差处在规定极限内的一组被测量的值,也就是被测量可按规定的准确度进行测量的范围.量程 是指测量范围的上限值和下限值的代数差.例如：测量范围为 0100 c时,量程为100 C;测量范围为20100 C时,量程为 80 C;测量范围为 一20100 c时,量程为 120 Co2 .仪表误差(1)引用误差测量仪表的示值误差可以用来表

7、示某次测量结果的准确度,但假设用来表示测量仪表的准确度那么不太适宜.由于测量仪表是用来测量某一规定范围(测量范围)内的被测量,而不是只测量某一固定大小的被测量的.而且,同一个仪表的根本误差,在整个 测量范围内变化不大,但测量示值的变化可能很大,这样示值的相对误差变化也很大. 所以,用测量仪表的示值相对误差来衡量仪表测量的准确性是不方便的.为了方便起见,通常用 引用误差 来衡量仪表的准确性能.引用误差引用溅量仪表的示值的绝对误差 与仪表的量程之比的百分数来表示,即引用误差或相对百分误差：国 二- X 10%0 14-5仪表量程"2仪表误差仪表的准确度或精度是用仪表误差的大小来说明其指示

8、值与被测量真值之间 的符合程度,误差越小,准确度越高.仪表的准确度用仪表的最大引用误差fimax 即仪表的最大允许误差5允来表示,即max七 max 一100% 14-6 量程式中,max 一仪表在测量范围内的最大绝对误差；量程=仪表测量上限仪表一仪表测量下限.误差 是对仪表 在其 测量范围内 测量好坏的 整体 评价.3仪表精度等级 a仪表精度等级是按国家统一规定的允许误差大小去掉仪表误差的v 号和 “来划分成假设干等级的.仪表的精度等级数越小,仪表的测量准确度越高.目前中国生 产的仪表的精度等级有：a=0.005 、 0.01 、 0.02, 0.05, 0.1 ,0.2, ( 0.4) ,

9、 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, ( 4.0),等.I级标准表n级标准表工业用表括号内等级必要时采用.仪表的根本误差：4ax=仪表量程 /a%,称为仪表在测量范围内的根本误差3 .仪表变差升降变差升降变差又称回程误差或示值变差,是指在相同条件下,使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时,对应于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值称为 差,即升降变差=I正行程示值 -反行程示值(14-7)仪表变差也用最大引用误差表示,即正行程测量值-反行程测量值| max变差;X 100% 14-8 单柱必须注意,仪表的变差不能超出仪表的允许误差或根本误差.图14-1测量仪表的变差

10、例14-1某压力传感器的测量范围为 010MPa ,校验该传感器时得到的最大绝对误差 为0.08MPa ,试确定该传感器的精度等级.解：该传感器的精度为：段 max0.08°max 量程 100%10_0100% 0.8%由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表, 而该传感器的精度又超过了0.5级仪表的允许误差,所以,这只传感器的精度等级应定为1.0级.例14-2某测温传感器的测量范围为01000 C,根据工艺要求,温度指示值的误差不允许超过 二7C,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：max -max 100% 一7100% 二 0.

11、7%量程1000- 0此精度介于0.5级和1.0级之间,假设选择精度等级为1.0级的传感器,其允许最大绝对误差为 ± 10C,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.由以上两个例子可以看出,根据仪表校验数据来确定仪表精度等级和根据工艺要求来 选择 仪表精度等级,要求是不同的.根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时, 仪表的精度等级值应选不小于由校验结果所计算的精度值；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.仪表的精度等级是衡量仪表质量优劣的重要指标之一,它反映了仪表的准确度和精密度.仪表的精度等级一般用圈内数字等

12、形式标注在仪外表板或铭牌上.§14. 2传感器的静态特性标定14.2.1 静态标定条件20 堂C； < 85%RH ; 760 60 mm 汞柱14.2.2 标定仪器设备标准量具精度等级确实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.14.2.3静态特性标定方法比拟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. 3传感器的动态特性标定动态

13、标定一一研究动态响应一一确定动态响应参数动态标定信号：阶跃信号或正弦信号14.3.1 一阶传感器的动态标定确定时间常数一阶传感器的阶跃响应如图1-15(a)(b>图L15阶传感器的阶跃响应(G单位阶跋盾号乂 b)一阶传感器阶跃响座曲线_t/y(t)=1 -e时间常数液示传感器在阶跃信号作用下,其响应的输出值到达最终稳定值的63.5%所经过的时间.只用到一个实验数据.假设改写上式为:t/ z1 -y(t)= e =e ,z=ln 1 -y(t) *其中,T,由此确定时间常数T考虑了传感器瞬态响应的全过z= T/ ； z与t线性.作zt曲线,其斜率 心z=程14.3.2二阶传感器的动态标定确

14、定传感器的阻尼比一和固有频率 °n°欠阻尼二阶传感器的阶跃响应(如图14-3)y(t) k 1JI、J / 12Q +sin d t arctan : nA' .Iy(t)以0= 8n,1 N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,能皆 2凯/ % ?,将t=巧 <'4弋入y(t)的表达式,可得最大过冲量MM测得M ,由上式或图114-4,可求阻尼比二；由标定测得的tp,得 fd , OJd, ®n.图14-4 -M曲线假设衰减振荡缓慢,过程较长,可测 M i和M i+n来求,n观两峰值相隔的周期数.设 i对应的时间为ti

15、,那么M i+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 , t , nM ie2nln M Tn L也 t i - 2 n- -/ n 1 22i ' nJ -e 整理后得2n2、n42n 2式中当Qq.1时,1监1至1,那么ln M i / M i -n an;2n &n - lnMi n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13-5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耳口固有频率 3n.14-6由幅频特性求欠阻尼二阶除按感情的七和仙0图14-5

16、由幅频特性求一阶传感器时间常数.1.1.1 14. 4 压力传感器的标定和校准1.1.2 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式测力计.标准活塞压力计标定装置,如图14-7所示；压力标定曲线如图14-8所示图14-7活塞压力计结构示意图图14-8 压力标定曲线杠杆式测力计标定装置,如图14-9所示,祛码重量与压力的关系W=pSb/a图14-9杠杆式压力标定机示意图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一传感器的受力面积fl图4-10弹簧测力计式压力标定机-时14-10所示.调节手柄可以改变压力的幅值,可100

17、Hz .1.1.3 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；弁能可靠地确定其真实压力 间关系.稳态标定需周期性稳态压力源 活塞与缸筒式稳态压力源,如图获得70kg/cm 2的峰值压力,频率可达14-11 活塞缸筒稳态压力源示意图1-接被检压力计；2-接标准压力计；3-飞轮；4-调节手柄凸轮限制喷嘴式稳态压力源,如图 14-11所示,可获得 0.1kg/cm 2的峰值压力,频 率可达300Hz.图14-12凸轮限制喷嘴稳态压力源1-恒定压力入口； 2-接被检压力表；3-凸轮；4-接标准压力表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

18、特性的传感器与特性的传感器进行比拟的标定方法比拟法非稳态标定 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“标准压力；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.1 .结构主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气源等组成,如图14-13所示.激波彳二标定装置原理框图I 一激波管的高压室走一微波管的低压室;A激波',上下压空间的膜片；4TM面被标定的传感器;5底面帔标定的传盛器浦A格为侧速压力传感器;8测速前置级;

19、9数字式频率计Imr前置级山一泊录记忆装室比一气源表遥l泄气门激波管所产生的激波如图14-15所示.入射激波的阶跃压力为与2 二 P2 - P 1 M 1M s2 _1 p16反射激波的阶跃压力为7-22p5 p5 _ p 1 M s _ 1 2 4M s2 p135 M s式中,M s马赫数.由测速系统决定.2 .入射激波测速系统由压电式压力传感器6和7、前置电荷放大器 8和频率计组成.v 1 t 1/nTM s定义M s - v VT " v vo - 1 ' T式中,vo 0时的声速,vo=331.36m/s ; vtT'C 时的声速；0=1/273=0.003

20、66一高斫安一 一低IR空一r反射稀疏就一*图14-15激波管中压力与波动情况(旧膜片爆破前情漏发而瞋H爆破后稀疏波反射前情况即废放反射后情况i (由反射激波波动情况3 .标定测量系统由被标定传感器5和6、前置电荷放大器10及记忆示波器 11等组成,可测阶跃进响应波形,如图14-14所示.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态灵敏度.传感器5响应入射激波阶跃压力,传感器响应反射激波阶跃压力.图14-14被标定传感器输出波形4 .气源系统由气源、气压表、泄气门等组成.常采用压缩空气或氮气.§14.5振动传感器的标定和校准振动信号源：振动台产生正弦鼓励的标定信号.14

21、.5.1 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X m(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) o那么被标振动传感器的加速度灵敏度S a为2ErmsmV S2.LSa-2 f 2 X m幅 m m14.5.2比拟标定法将被标传感器与标准测振传感器“背靠背安装在振动台上.标定时,分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值度为Sa0 ,那么被标传感器加速度灵敏度Ua和U ,假设标准测振传感器的加速度灵敏Sa为频率响应的标定,在振幅恒定条件下,Sa=Sa0 U/U a改变振动台的振动频率,测出传感器输

22、出电压与振动频率的关系,即幅频响应.比拟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.被标传感器支架图14-16振动传感器比拟标定系统§ 14.6 度传感器的标定和校准14.6.1 温标的根本概念为了保证温度量值的统一和准确,应该建立一个衡量温度的标准尺度,简称温标.温标是温度的基准量,它规定温度的始点零度和测量温度的根本单位.各种温度传 感器和温度计的标度数值均由温标确定.目前国际上采用较多的温标有摄氏温标、国际 温标,我国法定计量单位也已采用了这两种温标.止匕外,在一些国家还采用华氏温标.温标的三要素：温度固定点,标准温度计测温物质,内插公式.14.6.1.1 国际温标1 .热力学温标K 1848年英国开尔文 L.Kelvin提出以热力学第二定律为根底的热力学温标,选定水的三相点为 273.16K ,定义水的三相点温度的1/273.16为1度,单位为开尔文,简称K 1954年国际计量会议.热力学温度也称为绝对温度2 .国际实用温标( IPTS-68 , ITS-90 )温度的根本单位与热力学温度相同,其标度具有11个固定点,如表14-2所示.测量各固定点之间温度值的方法：13.81K630.74 C范围内用基准钳电阻温度计进行插补,电阻-温度关系由一个的插补函数确定；630.74 C-1064.43 C范围内,采用钳链10-钳热电偶作为标