第14章__传感器的标定

1、 1第第1414章章 传感器的标定传感器的标定 2目录目录简介简介14.1 14.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定14.2 14.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定14.3 14.3 测振传感器的标定测振传感器的标定14.4 14.4 压力传感器的标定压力传感器的标定14.5 14.5 湿度传感器的标定及其设备湿度传感器的标定及其设备本章小结本章小结 3简简 介介 传感器的标定分为传感器的标定分为静态标定静态标定和和动态标定动态标定两种。两种。v静态标定的目的静态标定的目的是确定传感器静态特性指标，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。如线性度、灵敏

2、度、滞后和重复性等。v动态标定的目的动态标定的目的是确定传感器的动态特性参数，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。如频率响应、时间常数、固有频率和阻尼比等。有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、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环境影响等进行标定。 414.1 14.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定14.1.1 14.1.1 静态标准条件静态标准条件14.1.2 14.1.2 标定仪器设备的精度等级的确定标定仪器设备的精度等级的确定14.1.3 14.1.3 静态特性标定的方法静态特性标定的方法 514.1.1 14.

3、1.1 静态标准条件静态标准条件v传感器的静态特性是在静态标准条件下进行传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。标定的。v所谓所谓静态标准静态标准是指没有加速度、振动、冲击是指没有加速度、振动、冲击( (除非这些参数本身就是被测物理量除非这些参数本身就是被测物理量) )及环境及环境温度一般为室温温度一般为室温(20(205)5)、相对湿度不大、相对湿度不大于于8585，大气压力为，大气压力为1.011.0110105 5 PaPa的情况。的情况。 614.1.2 14.1.2 标定仪器设备的精度等级的确定标定仪器设备的精度等级的确定v对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器对传感器进行

4、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的各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。精度。v在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度比被标定的传感器的精度高一个等级高一个等级。这样，通这样，通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的，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。所确定的精度才是可信的。 714.1.3 14.1.3 静态特性标定的方法静态特性标定的方法v对传感器进行静态特性标定，对传感器进行静态特性标定，首先首先是创造一是创造一个静态标准条件。个静态标

5、准条件。其次其次是选择与被标定传感是选择与被标定传感器的精度要求相适应一定等级的标定用的仪器的精度要求相适应一定等级的标定用的仪器设备。器设备。然后然后才能开始对传感器进行静态特才能开始对传感器进行静态特性标定。性标定。 8 标定过程步骤如下：标定过程步骤如下：将传感器全量程将传感器全量程( (测量范围测量范围) )分成若干等间距点；分成若干等间距点；根据传感器量程分点情况，由小到大逐点输入根据传感器量程分点情况，由小到大逐点输入标准值标准值，并记录下相对应的输出值；并记录下相对应的输出值；将输入值由大到小逐点减少下来，同时记录下与各输将输入值由大到小逐点减少下来，同时记录下与各输入值相对应的

6、输出值；入值相对应的输出值；按按(2)(2)、(3)(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复所述过程，对传感器进行正、反行程往复循环多次测试，将得到的输出一输入测试数据用表格循环多次测试，将得到的输出一输入测试数据用表格列出或画成曲线列出或画成曲线; ;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、滞后和重复性等静态持定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态持性指标。性指标。 914.2 传感器的动态特性标定传感器的动态特性标定v传感器的动态标定主要是研究传感器的动传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应；态响应；

7、v而与动态响应有关的参数，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只一阶传感器只有一个时间常数有一个时间常数、二阶传感器则有固有、二阶传感器则有固有频率频率n n和阻尼比和阻尼比两个参数两个参数; ; 10一阶传感器一阶传感器前提：输入信号为阶跃信号前提：输入信号为阶跃信号结论：结论：为为z-tz-t直线的斜率直线的斜率tztyzetyutu)(1ln)(1一阶传感器的阶跃响应函数为：一阶传感器的阶跃响应函数为：tztyzetyetyututu)(1ln)(11)( 11二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数两个参数1)ln(12M输入信号为阶跃信号：输入信号为阶跃信

8、号：)1(2 eM 1214.3 测振传感器的标定测振传感器的标定14.3.1 14.3.1 绝对标定法绝对标定法14.3.2 14.3.2 比较标定法比较标定法 13测振传感器的标定测振传感器的标定v测振仪性能的全面标定只是在制造单位或研测振仪性能的全面标定只是在制造单位或研究部门进行在一般使用单位和使用场合，究部门进行在一般使用单位和使用场合，主要是标定其灵敏度、频率特性和动态线性主要是标定其灵敏度、频率特性和动态线性范围。范围。v 标定和校准测振仪的方法很多标定和校准测振仪的方法很多从计算标准和传递的角度来看，可以分成两类：从计算标准和传递的角度来看，可以分成两类：一类是复现振动量值最高

9、基准的一类是复现振动量值最高基准的绝对法绝对法，另一类，另一类是以绝对法标定的标准测振仪作为二等标准用是以绝对法标定的标准测振仪作为二等标准用比比较法较法标定工作测振仪。标定工作测振仪。按照标定时所用输入量种类又可分为正弦振动法、按照标定时所用输入量种类又可分为正弦振动法、重力加速度法、冲击法和随机振动法等。重力加速度法、冲击法和随机振动法等。 14 14. 3.1 绝对标定法绝对标定法v我国目前的振动计量最高基准是采用激光光波采用激光光波长度作为振幅量值的绝对基准。长度作为振幅量值的绝对基准。v由于激光干涉基准系统复杂昂贵，而且一经安装调试后就不能移动，因此需要作为二等标准的测振仪作为传递基

10、准之用。 15 14.3.2 14.3.2 比较标定法比较标定法v这是一种最常使用的标定方法，即将被标这是一种最常使用的标定方法，即将被标的测振传感器和标准测振传感器相比较。的测振传感器和标准测振传感器相比较。v标定时，将被标测振传感器与标准传感器标定时，将被标测振传感器与标准传感器一起安装在标准振动台上。为了使它们尽一起安装在标准振动台上。为了使它们尽可能地靠近安装以保证感受的振动量相同，可能地靠近安装以保证感受的振动量相同，常采用常采用“背靠背背靠背”法安装。法安装。v设标准测振传感器和被标测振传感器在受设标准测振传感器和被标测振传感器在受到同一振动量时输出分别为到同一振动量时输出分别为E

11、0E0和和E E已知已知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S Sk0k0，则，则被标测振传感器的加速度灵敏皮被标测振传感器的加速度灵敏皮SkSk为为: :vS Sk k=E=ES Sk0k0/E/E0 0 1614.4 压力传感器的标压力传感器的标定定简介简介14.4.1 14.4.1 动态标定压力源动态标定压力源14.4.2 14.4.2 激波管标定法激波管标定法 17简简 介介v用来作为动态测量的压力传感器除了按前述用来作为动态测量的压力传感器除了按前述方法进行静态标定外，还要进行某种形式的方法进行静态标定外，还要进行某种形式的动态标定。动态标定。v 动态标定要解

12、决两个问题：动态标定要解决两个问题：要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源；要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源；要可靠地确定上述压力源所产生的真实的压要可靠地确定上述压力源所产生的真实的压力一时间关系。力一时间关系。 1814.4.1 动态标定压力源动态标定压力源v获得动态标定压力的方法很多，然而，必须注获得动态标定压力的方法很多，然而，必须注意，提供了动态压力，并不等于提供了动态压意，提供了动态压力，并不等于提供了动态压力标准，因为，为了获得动态压力标准，必须力标准，因为，为了获得动态压力标准，必须正确地知道有关压力一时间关系，动态压力源正确地知道有关压力一时间关系，动态压力源的分类如下

13、：的分类如下：v1 1稳态周期性压力源稳态周期性压力源v2 2非稳态压力源非稳态压力源 19稳态周期性压力源稳态周期性压力源v峰值压力可达峰值压力可达70kgcm2v频率可达到频率可达到100Hz活塞缸筒静态压力源活塞缸筒静态压力源 活塞与缸筒活塞与缸筒声谐振器声谐振器 2014.4.2 激波管标定法激波管标定法v1 1一激波管的高压室一激波管的高压室 2 2一激波管的低压室一激波管的低压室v3 3一激波管的高低压室间的膜版一激波管的高低压室间的膜版 4 4一侧面被标定的传感器一侧面被标定的传感器v5 5底底面被标定的传感器面被标定的传感器 6 6、7 7一各为测速压力传感器一各为测速压力传感

14、器v8 8测速前置级测速前置级 9 9一数字式频率计一数字式频率计 10-10-测压的前置级测压的前置级 1111记压记忆装置记压记忆装置 1212一气源一气源 1313气压表气压表 1414一泄气门一泄气门核心部件：核心部件：激波管激波管激波管标定装置系统激波管标定装置系统 21激波管激波管v当高、低压室的压力差达到一定程度时膜当高、低压室的压力差达到一定程度时膜片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室，片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室，从而形成激波。这个激波的波阵面压力保从而形成激波。这个激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波持恒定，接近理想的阶跃波v v并以超音速冲并以超音速冲向被标定的

15、传感器。传感器在激波的激励向被标定的传感器。传感器在激波的激励下按固有频率产生一个衰减振荡。下按固有频率产生一个衰减振荡。 22被标定的传感器输出波形被标定的传感器输出波形 2314.5 14.5 湿度传感器的标定及其设备湿度传感器的标定及其设备v引言引言v相对湿度的标定方法及设备相对湿度的标定方法及设备v绝对湿度的标定方法及设备绝对湿度的标定方法及设备 24引引 言言v 湿度敏感元件的感湿特征量与环境气相湿度之间并湿度敏感元件的感湿特征量与环境气相湿度之间并不存在固定的定量关系，感湿特征量的测量值也不不存在固定的定量关系，感湿特征量的测量值也不可能直接表征环境气相湿度的确切数值。因此可能直接

16、表征环境气相湿度的确切数值。因此湿敏湿敏元件必须经过定量标定元件必须经过定量标定，方可实用。，方可实用。v湿敏元件定量标定的实质在于建立湿敏元件定量标定的实质在于建立标准湿度发生器标准湿度发生器，提供准确的湿度源。提供准确的湿度源。由于气相湿度的高低受温度、压力、介质的性质、由于气相湿度的高低受温度、压力、介质的性质、容孔的材质和系统的状况等众多因素的影响，所容孔的材质和系统的状况等众多因素的影响，所以建立标准湿度发生器和恒湿源决非易事，其困以建立标准湿度发生器和恒湿源决非易事，其困难和复杂的程度甚至大大超过了湿度敏感元件本难和复杂的程度甚至大大超过了湿度敏感元件本身的制作。身的制作。 25相

17、对湿度的标定方法及设备相对湿度的标定方法及设备v干湿球法干湿球法v饱和盐溶液法饱和盐溶液法v双压法双压法v分流法分流法 26干湿球法干湿球法v 17501750年，年，RichmanRichman发现，当温度计的温泡上有水时，发现，当温度计的温泡上有水时，它所指示的温度低于周围空气的温度，这一偶然的它所指示的温度低于周围空气的温度，这一偶然的发现引起了人们的注意。经研究，查明这种致冷现发现引起了人们的注意。经研究，查明这种致冷现象产生的原因是由于象产生的原因是由于水蒸发的结果水蒸发的结果。v早期的研究者发现，干球和湿球的温度差，即干湿早期的研究者发现，干球和湿球的温度差，即干湿差，不仅取决于温

18、度和空气中的水份含量，而且还差，不仅取决于温度和空气中的水份含量，而且还和湿球表面空气的疏速有关，因而被命名为通风干和湿球表面空气的疏速有关，因而被命名为通风干湿表。湿表。v17991799年年LesslieLesslie利用干湿球法的测湿原理制造了一利用干湿球法的测湿原理制造了一种湿度计，种湿度计，18361836年年MansonManson使这种湿度计商品化。使这种湿度计商品化。 27干湿球法的测湿原理干湿球法的测湿原理v结构：一根结构：一根U U型管连接的两个玻璃球组成，一个球型管连接的两个玻璃球组成，一个球染成蓝色，另一个球不上色，并用湿纱布包裹。染成蓝色，另一个球不上色，并用湿纱布包

19、裹。U U型管内装带色的硫酸，玻璃球起气体温度计的作用。型管内装带色的硫酸，玻璃球起气体温度计的作用。v原理：由于蒸发，湿球的温度下降，其中的气体收原理：由于蒸发，湿球的温度下降，其中的气体收缩，因此引起缩，因此引起U U型管内着色液体的位移，其高度的型管内着色液体的位移，其高度的变化反应了湿球的蒸发率，而我们知道，变化反应了湿球的蒸发率，而我们知道，蒸发率与蒸发率与湿度是相关的湿度是相关的，因此液体的位移可以作为空气的湿，因此液体的位移可以作为空气的湿度。度。 28饱和盐溶液法饱和盐溶液法v它可提供工作标准湿度，在它可提供工作标准湿度，在00以上对湿度敏感元件进行以上对湿度敏感元件进行定量标

20、定。定量标定。v根据拉乌尔定律，溶质的溶解根据拉乌尔定律，溶质的溶解降低了该温度下溶液的气压，降低了该温度下溶液的气压，当溶解盐达列饱和时，在给定当溶解盐达列饱和时，在给定温度下整个溶液的平衡蒸气压温度下整个溶液的平衡蒸气压最小并保持恒定。最小并保持恒定。v利用在封闭容器中饱和盐溶液利用在封闭容器中饱和盐溶液的平衡蒸气压作为标准湿度。的平衡蒸气压作为标准湿度。该湿度的高低，由饱如盐溶液该湿度的高低，由饱如盐溶液的种类和平衡温度所决定的种类和平衡温度所决定。 29饱如盐溶液的相对湿度饱如盐溶液的相对湿度v为什么温度上升，相对湿度都变小（对同一种饱为什么温度上升，相对湿度都变小（对同一种饱如盐溶液

21、而言）？如盐溶液而言）？ 30双压法双压法v高压高压(P(Ps s) )干燥空气经过二级串联水饱合器，在恒定温度下达到充干燥空气经过二级串联水饱合器，在恒定温度下达到充分饱合，经充分热交换后，等温（或非等温）膨胀到较低压力分饱合，经充分热交换后，等温（或非等温）膨胀到较低压力(P(Pt t) )下的器件标定室内。下的器件标定室内。v此时标定室内的相对湿度，可表示为膨胀前后的二种绝对压力之此时标定室内的相对湿度，可表示为膨胀前后的二种绝对压力之比：比： v等温条件下：等温条件下：v非等温条件下：非等温条件下：%100%100stwtwsstPPPPhumidityrelativePPhumidi

22、tyrelativeP Pwsws、P Pwtwt分别为水饱分别为水饱和器和标定室所处温和器和标定室所处温度下的饱和水汽压度下的饱和水汽压 31实际情况下的修正实际情况下的修正v由于水不是理想气体，所以需要修正；vK为修正系数(k=0.00017)%100)1 ()1 (ststkPkPPPhumidityrelative 32分流法湿度发生器分流法湿度发生器v通过采用纯水汽或饱和湿空气同干气混合的方法可以通过采用纯水汽或饱和湿空气同干气混合的方法可以获得已知湿度的气体。获得已知湿度的气体。vE.GluckaufE.Gluckauf在研究吸收湿度计性能时首先使用了这种在研究吸收湿度计性能时首先使用了这种方法。方法。v这是一种较早发展起来的同时又是当前湿度计量中广这是一种较早发展起来