传感器标定及校准-测量技术基础-11

1、北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制第十一章第十一章 传感器标定与校准传感器标定与校准概述概述传感器静态标定传感器静态标定传感器动态标定传感器动态标定本章内容：本章内容：测试技术基础测试技术基础北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制传感器的标定和校准传感器的标定和校准 传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与输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，确定出不同使用条件下的误出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差关系。差关系。 传感器的标定工作可分为如下几个方面：传感器的标定工

2、作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，新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传用检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；感器设计的重要依据； 2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。工作。11.1 概述概述北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制传感器的标定传感器的标定静态标定：静态标定： 目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、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。灵敏度

3、、滞后和重复性等。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。 11.1 概述概述北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制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11.2 传感器静态标定传感器静态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制1) 静态标定条件静态标定条件 l 无加速度、振动、冲击无加速度

4、、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测物理量除非这些参数本身就是被测物理量)l 环境温度为室温环境温度为室温(205)l 相对湿度不大于相对湿度不大于85% l 大气压力为大气压力为1017kPa11.2 传感器静态标定传感器静态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制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 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的对传感器进行标定，是根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测量精度。各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。 标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被

5、标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定传感器的精度高一个等级。这样，通过标定确定的标定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靠的，所确定的精度才是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。可信的。11.2 传感器静态标定传感器静态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3) 3) 静态特性标定的方法静态特性标定的方法 对传感器对传感器(或传感系统或传感系统)进行静态特性标定，首先就进行静态特性标定，首先就是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传

6、感器的精度要求相适应的一定精度等级的标定用仪器设备，的精度要求相适应的一定精度等级的标定用仪器设备，然后按以下步骤进行标定：然后按以下步骤进行标定： (1) 将传感器将传感器(或传感系统或传感系统)全量程全量程(测量范围测量范围)分成若分成若干等间距点；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根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出点地输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值值; 11.2 传感器静态标定传感器静态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制3) 3) 静态特

7、性标定的方法静态特性标定的方法 (3) 将输入值由大到小一点一点的减少，同时记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；录下与各输入值相对应的输出值； (4) 按按(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行所述过程，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程往复循环多次测试，将得到的输出输入测试数据列成用表格或绘成曲线；列成用表格或绘成曲线； (5) 对测试数据进行必要的数据处理，根据处理对测试数据进行必要的数据处理，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。复性等

8、静态特性指标。该标定方法是一种常见的比较法。该标定方法是一种常见的比较法。11.2 传感器静态标定传感器静态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 传感器的动态标定主要是确定传感器的动态响传感器的动态标定主要是确定传感器的动态响应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器为时间应，而与动态响应有关的参数，一阶传感器为时间常数常数，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两个参数。参数。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。11.3 传感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电

9、学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制一阶传感器的单位阶跃响应函数为一阶传感器的单位阶跃响应函数为: ttye1 tyz1ln/tz z和时间和时间t成线性关系，并且成线性关系，并且有有=t/z ，可以根据测得的，可以根据测得的y (t)值作出值作出z-t曲线，并根据曲线，并根据t/z的值获得时间常数的值获得时间常数。 一阶传感器时间一阶传感器时间常数的求法常数的求法 zttyee1式中式中则上式可变为则上式可变为11.3 传感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制二阶传感器二阶传感器(1)(1)的单位

10、阶跃响应为的单位阶跃响应为: : /t/etyt2n221arcsin1sin11n21eM1ln12M11.3 传感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 如果测得阶跃响应的较长瞬变过程，则可利用任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意两个过冲量Mi和和Mi+n按下式求得阻尼比按下式求得阻尼比，其中，其中n是是该两峰值相隔的周期数该两峰值相隔的周期数(整数整数)。 2224nnnniinMM ln当当0.1时，以时，以1代替，此时不会产生过大的误差代替，此时不会产生过大的误差(不大于不大于0.6%)，则可用下

11、式计算，则可用下式计算，即，即nMMnii2ln式中式中11.3 传感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 若传感器是精确的二阶传感器，则若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正值采用任意正整数所得的整数所得的值不会有差别。反之，若值不会有差别。反之，若n取不同值获得取不同值获得不同的不同的值，则表明该传感器不是线性二阶系统。根据值，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响应曲线测出振动周期Td，有阻尼的固有频率，有阻尼的固有频率d 为为ddT12则无阻尼固有频率则无阻尼固有频率n为为21dn11.3 传

12、感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 利用正弦输入，测定输出和输入的幅值比和相位差利用正弦输入，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性，分别按下图求得一阶传感器的时间常数和欠阻尼和欠阻尼二阶传感器的固有频率和阻尼比。二阶传感器的固有频率和阻尼比。 由幅频特性求欠阻尼二阶由幅频特性求欠阻尼二阶传感器的传感器的n和和由幅频特性求一阶传由幅频特性求一阶传感器时间常数感器时间常数12.2 传感器动态标定传感器动态标定北京工业大学机电学院北京工业大学机电学院胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制 传感器对阶跃压力的响应曲线是输出压力与时间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，所以又称为时域曲线。的关系曲线，所以又称为时域曲线。 若传感器振荡周期若传感器振荡周期Td 是稳定的，而且振荡幅度有是稳定的，而且振荡幅度有规律地单调减