传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

传感器原理及其有效应用第12章传感器标定12.1传感器静态特性的标定

传感器的标定，就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。

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。

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、固有频率和阻尼比等。

工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行。为获得高的标定精度，(尤其像电容式、压电式传感器等)应将传感器及其配用的电缆、放大器等测试系统一起标定。有时，根据需要也要对温度响应、环境影响等进行标定。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定1.静态标准条件传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。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℃±5℃)、相对湿度不大于85%，大气压力为(101±7)

kPa的情况。2.静态特性标定系统对传感器进行静态特性标定，首先要建立标定系统。传感器的静态标定系统一般由以下几部分组成：

(1)被测物理量标准发生器。如测力机、活塞式压力计、恒温源等。

(2)被测物理量标准测试系统。如标准力传感器、压力传感器、标准长度——量规等。

(3)被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等配接仪器精度应是己知的，也作为标准测试设备。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。绝对法标定系统：标定精度高，但较复杂

标定装置能产生量值确定的高精度标准输入量，将之传递给被标定的传感器，同时标定装置能测量并显示出被标定传感器的输出量。比较法标定系统标定装置不能测量被测量，它产生的被测输入量通过标准传感器测量，被标定传感器的输出由高精度测量装置测量并显示。但如果被标定传感器包括后续测量电路和显示部分，高精度输出测量装置就可去掉。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

注意！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高一个等级。3.静态特性标定的步骤标定过程步骤如下：(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；(3)将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；(4)按(2)、(3)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-输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)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特性指标。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定12.2传感器动态特性的标定

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，一阶传感器只有时间常数一个参数，二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数。传感器动态特性标定方法：1.阶跃响应法由于获取阶跃信号比较方便，使用阶跃响应法测量传感器动态性能是一种较好的方法。对于一阶传感器，简单的方法就是测得阶跃响应之后，传感器输出值达到最终稳定值的63.2%所经历的时间，即时间常数。但上述方法测量结果的可靠性仅仅取决于某些个别的瞬时值。为获得较可靠的结果，应记录下整个响应期间传感器的输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定已知一阶传感器的阶跃响应函数为：整理得：令：则表明z和时间t成线性关系，且，如图所示。因此，可以根据测得的值，作出z-t曲线，再根据值算出时间常数。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

对于二阶传感器，实际设计时都设计成欠阻尼系统，即阻尼比小于1，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图。它是以的角频率作衰减振荡的，称为传感器的阻尼振荡频率。按照求极值的通用方法，可以求得各振荡峰值所对应的时间为、、…。已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：传感器原理及其有效应用第12章传感器标定按求极值的通用方法，求得第一个峰值输出为则对应的最大超调量为测出最大超调量，则可算出阻尼比：传感器原理及其有效应用第12章传感器标定测出振荡周期Td值，根据Td=以及与的关系，代入下式计算固有频率：2.频率响应法该方法利用正弦周期输入信号，通过测定不同正弦激励频率下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。根据一阶传感器幅频特性曲线的伯得图，其对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率，可求得一阶传感器的时间常数。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

对欠阻尼二阶传感器，可从其幅频特性曲线上测得3个特征量：零频增益Ar(0)、共振频率增益和共振角频率。根据第1章分析得出的欠阻尼二阶传感器幅频特性表达式通过对其求极值可推导出传感器原理及其有效应用第12章传感器标定3.冲击响应法冲击响应法具有所需设备少、操作简便、调整控制方便的特点。如用于力传感器动态标定的落锤式冲击台就是根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力作为标准动态力的。用冲击信号作为传感器输入时，传感器系统传递函数为其输出信号的拉氏变换，由此可确定传感器的传递函数。12.3常用的标定设备12.3.1静态标定设备

1.力标定设备测力传感器的标定主要是静态标定，采用比较法。1)测力砝码最简单的力标定设备是各种测力砝码。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

我国基准测力装置是固定式基准测力机，它实际上是由一组在重力场中体现基准力值的直接加荷砝码(静重砝码)组成。图(a)所示为一种杠杆式测力机，这是一种直接加测力法码的标定装置。图(b)所示为一种液压式测力机原理图，其中砝码经油路产生的力作为标准力，作用在被标定传感器上，量程可高达5MN。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定2)拉压式测力计图示为一种用环形测力计作为标准的推力标定装置。它由液压缸产生测力，测力计的弹性敏感元件为椭圆形钢环，环体受力后的变形量与作用力成线性关系，测出测力环变形量作为标准输入。如果用杠杆放大机构和百分表结构来读取测力环变形量，或用光学显微镜读取，甚至采用光学干涉法读取，则可大大提高测量精度。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定2.压力标定设备活塞压力计是目前最常用的压力传感器静态标定装置。图示为活塞压力计结构原理图。1—测量活塞；2—砝码；3—活塞柱；4—手摇泵；5—工作液；6—被校压力表；7—手轮；8—丝杆；9—手摇泵活塞；10—油杯；11—进油阀手轮；12—托盘；13—标准压力表；a、b、c—切断阀；d—进油阀传感器原理及其有效应用第12章传感器标定活塞压力计实物图传感器原理及其有效应用第12章传感器标定在压力表(压力传感器)标定时，通过手轮对加压泵内的油液加压，根据流体静力学中液体压力传递平衡原理，该外加压力均匀传递到活塞缸内顶起活塞。由于活塞上部是承重盘和砝码，当油液中的压力p产生的活塞上顶力与承重盘和砝码的重力相等时，活塞被稳定在某一平衡位置上，这时力平衡关系为式中：A为活塞的截面积；G为承重盘和砝码(包括活塞)的总重力；p为被测压力。1—测量活塞；2—砝码；6—被校压力表；9—手摇泵活塞；13—标准压力表；传感器原理及其有效应用第12章传感器标定一般取A=1cm2或2，因而可以方便准确地由平衡时所加砝码和承重盘本身的重力知道被测压力p的数值。通过被标定压力表(传感器)上的压力指示值与这一标准压力值p相比较，就可知道被标定压力表(传感器)误差大小。在现场标定时，为了操作方便，可以不用砝码加载，而直接用标准压力表读取所加压力。作为压力标准的活塞压力计精度为0.002%，作为国家基准器的活塞压力计最高精度为0.005%，一等标准精度为0.01%，二等标准精度为0.05%，三等标准精度为0.2%，一般工业用压力表用三等精度活塞压力计校准。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定3.位移(长度)标定设备位移(长度)测量系统的标定主要采用比较法。标定设备主要是各种长度计量器具，如各种直尺、千分尺、块规、塞规、专门制造的标准样柱等均可作为位移传感器的静态标定设备。当精度为2.5～10时可直接用度盘指示器和千分尺作标准器；如测量精度高于2.5，则应用块规来标定传感器。

块规精度高，使用方便，标定范围广，是工业中常用的长度标准器。块规由轴承钢制成，具有两个相对经抛光的基准平面，它们的平面度和平行度都限制在规定的公差范围内。作为标准用的块规的准确度为±0.03/cm。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定块规实物图块规的使用传感器原理及其有效应用第12章传感器标定用块规来进行标定时可以采用直接比较法和光干涉法。直接比较法光干涉法传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

块规只能进行静态的和小尺寸的标定。对大量程长度测量装置的标定可用双频激光干涉仪。双频激光干涉仪的基本工作原理是光干涉原理，它的特点是利用两个频率相差很小的光的干涉，亦即用时间频率代替了一般干涉仪的空间频率，因此对于环境震动、空气湍流等的影响不敏感，仪器的分辨力可达到纳米级。当用双频激光仪和被标定的测量装置同时对运动物体进行测量时，就可以得到测量装置的动态误差。4.温度标定设备标定温度测量系统的方法可以分为两类：一是同一次标准比较，即按照国际计量委员会1990年通过的国际温标(ITS-1990)相比较,见表12-1；二是与某个已经标定的标准装置进行比较，这是常用的标定方法。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

复现表12-1中这些基准点的方法是用一个内装有参考材料的密封容器，将待标定的温度传感器的敏感元件放在伸入容器中心位置的套管中。然后加热，使温度超过参考物质的熔点，待物质全部熔化。随后冷却，达到三相点(或凝固点)后，只要同时存在固、液、气三态或(固、液态)约几分钟，温度就稳定下来，并能保持规定值不变。

对于定义固定点之间的温度，ITS-1990国际温标把温度分为4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：(1)

～

K间为3He或4He蒸气压温度计；(2)

～

K间为3He或4He定容气体温度计；(3)

K～961.78℃间为铂电阻温度计；(4)

961.78℃以上为光学或光电高温计。以上有关标准测温仪器的分度方法以及固定点之间的内插公式，ITS-1990国际温标都有明确的规定，可参考ITS-1990标准文本。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

热电偶的标定(校准):目的是核对标准热电偶的热电动势-温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电动势——温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。标定方法有定点法和比较法。

定点法是以纯元素的沸点或凝固点作为温度标准。如基准铂铑

10-铂热电偶在～1064.43℃的温度间隔内，以金的凝固点1064.43℃、银的凝固点961.93℃、锑的凝固点630.775℃作为标准温度进行标定。比较法是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较，比较法又可分为双极法、同名极法(单极法)和微差法。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定双极比较法检定系统原理原理图。检定时将标准热电偶与被标定热电偶的工作端捆扎在一起，插入炉膛内的均匀温度场中，冷端分别插在0℃的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温到达所需的标定温度点±10℃内，且炉温变化每分钟不超过0.2℃时，读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于4次。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

12.3.2动态标定设备

1.振动传感器动态标定设备采用振动台(激振器)产生正弦激励信号。振动台有机械的、电磁的、液压的等多种。常用的是电磁振动台，能产生5～

kHz范围激振频率。高频激振器多用压电式，频率范围为几千赫到几百万赫。机械振动台种类较多，其中偏心惯性质量式最常用。液压振动台是用高压液体通过电液伺服阀驱动作功进而推动台面产生振动的激振设备，它的低频响应好，推力大，常用来作为大吨位激振设备。振动的标定方法有绝对校准法、比较法和互易法。绝对法标定是由标准仪器直接准确决定出振动台的振幅和频率，它有精度高、可靠性大的优点。但该方法对设备精度要求高，标定时间长，一般用在计量部门。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

比较法的原理简单、操作方便，对设备精度要求较低，所以应用很广。上图为一个用比较法标定振动传感器的示意图，将相同的运动加在两个传感器上，比较它们的输出。在比较法中，标准传感器是关键部件，因此它必须满足如下要求：灵敏度精度优于0.5%，并具有长期稳定性，线性好；横向灵敏度比小于2.5%；对环境的响应小，自振频率尽量高。传感器原理及其有效应用第12章传感器标定

振动标定的内容主要有灵敏度、频率响应、固有振动频率、横向灵敏度等。

灵敏度的标定是在传感器规定的频率响应范围内，进行单频标定。亦即在频率保持恒定的条件下，改变振动台的振幅，读出传感器的输出电压值(或其他量值)，就可以得到它的振幅—电压曲线。与标准传感器相比较，就可以从下式求得它的灵敏度：式中：U1、U2分别为待测传感器和标准传感器的输出电压；S1、S2分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。

频率响应的标定是在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频率，所得到的输出电压与频率的对应关系即传感器的幅频响应；比较待测传感器与标准传感器输出信号间的相位差，就可以得到传感