传感器的压力测量

传感器的标定标定(率定)：通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。标定曲线：试验求得的传感器输入量与输出量之间的关系曲线（输出特性曲线）。标定方法：利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线。按传感器的种类和使用情况不同，其标定方法也不同。荷重、应力、压力传感器等的静标定方法是利用压力试验机进行标定；它们更精确的标定则是在压力试验机上用专门的荷载标定器标定；位移传感器的标定则是采用标准量块或位移标定器。标定要求：●标定应该在与其使用条件相似的状态下进行；●增加重复标定的次数，以提高测试精度；●传感器需定期标定，一般以一年为期；●对重要的试验，需在试验前后的标定误差，在允许的范围内。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。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％，大气压力为标准大气压的情况。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。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，一阶传感器只有一个时间常数τ、二阶传感器则有固有频率ωn和阻尼比ζ两个参数;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。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。选用传感器的基本原则：1）根据实际需要，保证主要的参数。2）不必盲目追求单项指标的全面优异，主要关心其稳定性和变化规律性。与传感器特性有关的是传感器系统性能的综合评价与标定。传感器的标定就是通过试验确立传感器的输入与输出量之间的关系和不同使用条件下的误差关系。它的标定有静态标定和动态标定两种，静态标定就是确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、滞迟和重复性。压力测量系统静态标定及动态压力测量测量系统静态标定及动态压力的测量二、实验内容掌握压电式压力传感器、电荷放大器、数据采集系统的使用方法，组建压电式压力测量系统，分别对该系统进行静态特性标定和动态压力测量。三、实验仪器设备静标：活塞式压力计、标准压力表（精度：0.4级，量程：0~10MPa）、被标定的压力传感器（型号：AF1800，量程：0~10MPa）、数字万用表、标准砝码、工作液体（蓖麻油）。动态测试：国营江西传感器厂制造的SYC-1000型石英压力传感器（两支）、YE5850A型电荷放大器（两个）、落锤液压动标装置（四套）、NationlInstruments数据采集系统（一台）、显示器（一台）、蓖麻油（三瓶）、信号线（两条）。四、实验原理及方法理想状态下准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）：输入（压力）和输出（电荷）近似成线性关系(石英压力传感器的线性度较好)；动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有频率）：二阶线性系统模型。但真实情况和理想的数学模型之间的通常存在一定的偏差，原因有：1）电荷泄漏理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体：1013Ω；压电陶瓷：1010Ω），必将导致一定程度的电荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。所以通常的电荷放大器的输入级都具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。但是，由于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的影响，该影响不可忽略。2）电荷放大器的频率响应对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波，信号将会失真,因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。3）噪声由于本实验采用的传感器量程很大（100bar～300bar），而实际载荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明，以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。压力传感器的标定，就是通过实验建立传感器输入量和输出量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下的误差关系。压力传感器的静态标定，主要指通过一系列的标定曲线得到其静态特性指标：非线性、迟滞、重复性和精度等。静态标定系统组成如图4-1所示。图4-1压力校准系统结构原理A,b,c—切断阀，d—进油阀1被校传感器；2进油阀；3传感器安装位；4压力发生器；5工作液；6压力表；7手轮；8丝杠；9工作活塞；10被校油杯压力发生器施加压力作用于密闭系统内的工作液体，根据系统内工作液体的压力相平衡原则时，被标定传感器所测量的压力值与与压力表所测量的压力值相等。由压力发生器推动工作活塞，处于不同的行程，工作液体就可处于不同的平衡压力下，因此可以方便而准确地由平衡时压力表的读数得到压力p的数值。由此，就可以通过比较压力传感器测量的压力值和标准表上的示值进行校准，对压力传感器进行静态标定。2动态压力测量实验系统的工作组成框图如图4-2，测量系统由落锤式压力发生器作为半正弦压力源，选用压电式压力传感器、电荷放大器及基于PXI总线系统的数据采集系统组成。系统工作原理：利用落锤液压装置在油缸中产生一个半正旋压力脉冲，该脉冲通过传感器的压电效应实现非电量到电信号的转换，传感器把输出的电荷信号经过电荷放大器放大输入数据采集系统。在数据采集系统中把输入的电荷信号转换成电压信号进行测量。传感器选取国营江西传感器厂制造的SYC-1000型石英压力传感器。SYC-1000型石英压力传感是利用石英晶体固有的压电效应将压力信号转换成电信号的能量转换器，采用膜片式焊接密封结构，选用特种钢制造而成，具有精度高、频带宽、体积小、重量轻、强度高、耐腐蚀、抗振动、寿命长，并能在恶劣环境条件下工作等优点。图4-2测压系统组装图在进行实验过程中，安装传感器及注入蓖麻油的过程很关键，直接关系到实验的成败。在旋入传感器前应先对油缸进行清洗，防止铁屑等残留物划伤传感器。拧入传感器时要用力适中，太紧有可能损坏传感器，太松又有可能导致漏油，使油缸中的压力达不到预期值。注入蓖麻油前应先对精密活塞缸套件进行测试，使精密活塞可以在活塞缸中自由移动，测试方法是用手堵住活塞缸下端，向上提起活塞一段高度后松开，看看活塞是否能自由缓慢落回。实验时应先注入蓖麻油再进行传感器安装，这样做的目的是可以排除测压本体中传感器通道中的空气。同时应注意油注高度应略大于油缸上表面，目的也在于防止空气进入。在完成上述工作之后可以旋入精密活塞缸套件，完成造压本体组装工作。同时应注意活塞的外露高度尽可能保持在10mm左右，这样测量结果才具有可比性。其组装图如图4-3所示。图4-3造压本体组装图安装完成本体后可进行电荷放大器的连接及参数设置。两个传感器引出的信号线分别接到两个电荷放大器输入端（注意连接的是电荷输入端，并且在连接之前应对其进行接地放电，以免烧毁电荷放大器或是造成测量误差）。由于实验中的传感器没有进行标定，灵敏度直接按照说明书中灵敏度进行参数设置，电荷放大器的上限频率选“3KHz”档，下限频率选“M”（Measure）档，放大倍数选“10”档。安装并且设置完成电荷放大器后对NationalInstruments数采系统的2号槽（根据信号线所插的槽号进行选取）的1、2通道（根据信号线所插的通道号进行选取）进行参数设置，选取触发电压为0.5V，触发方式为内触发，由于此次实验的传感器的量程是0MPa-100MPa，因此量程设置为10V。完成上述准备工作后便可以进行落锤液压动标装置的数据采集工作。五、实验注意事项1、每次施加压力时注意一定要平稳；2、实验数据应记录清楚、准确；3、加减压操作时，注意正反行程的含义，不能反复进行调节；4、注意传感器与造压本体连接处密封情况；5、动态压力测量时，释放落锤时注意安全，不得将任何杂物或身体某部放在造压本体附件。六、实验方法及实验结果记录1静态标定：1）根据实验设备设计实验电路连线图，装配、检查各种仪器、传感器及压力表。2）检查实验电路及油路。3）加载、卸载，注意数据变化，并记录。压力传感器加载、卸载实验记录压力表压力（KPa）0123456789压力传感器输出电压（V）压力表压力（KPa）9876543210压力传感器输出电压（V）4）分析、计算、处理实验数据，作出压力传感器的静态特性图，非线性、迟滞、重复性。5）用方和根法计算系统误差。2动态压力测试活塞组件有三组，其活塞面积分别为2cm2、1cm2、0.5cm2。体积调节塞选取直径为。记录数据采集系统测量的半正弦波形。压力传感器的动态标定一、测试仪器设备：1、记忆示波器1台（TDS210）；2、CY-YD-2051只，标定对象；3、电荷放大器YE5850一台，连接石英压力传感器；4、压电陶瓷传感器CY-YD-203T1只；5、电荷放大器KD5002一台，连接压电陶瓷传感器，用于激波速度测量。二、实验步骤：(1)把石英传感器安装在激波管端壁上，并将石英传感器电缆接到电荷放大器YE5820的输入端，将YE5820的输出端电缆接到示波器ch2的输入端，并且将其上限频率置于100kHZ.灵敏度设在10pc/unit。打开YE5820电荷放大器(开关在背面)，“工作/复位”开关置于“复位”位置。(2)把侧壁的压电陶瓷传感器接到电荷放大器KD5002的输入端，并将放大器KD5002的输出接到示波器1通道。将放大器的上限截至频率设在100kHZ，示波器ch1垂直标尺置于500mv/div，ch2的垂直标尺置于20mv/div。采样频率的设定：考虑到传感器的固有频率约为120kHz，由Shannon采样定律，Fs≥2Fi，取Fs＝500kS/s，即0.5ms/cm。也就是说水平标尺调节到500微妙/div为宜。触发信源选ch1,上升沿单次触发，触发电平可调大一些,几十mv不成问题.(3)激波管安装膜片，给气压机充气在4bar左右后,打开压气机阀门，将放大器置于“工作”，示波器”Ready”后,打开激波管充气阀门，破膜，记录下曲线。(5)按下“CURSOR”，类型选择”时间”，用光标先读出1和2通道压力跃起的时间差t；测量激波管端部石英传感器与侧壁压电陶瓷传感器之间的距离L，记录下室内温度,由此计算出激波速度和激波马赫数Ms。由下式计算出5区压力51p和传感器输入阶跃理论值p。122215222511)5()28(6)17()5()28(6)17(pMsMsMspppMsMsMsP(5)读出ch2波形的电压增量，按下列公式计算试验得到传感输入阶跃实验值p。)/10(bar)/pc()unit/pc10()mv()(unitmvbarp实验输出传感器的灵敏度放大器的灵敏度电压增量此处传感器的灵敏度选用静标时传感器的电荷灵敏度。(6)将示波器2通道数据输入计算机，打开计算机桌面上的TDS-210数据处理程序，点击acquire图标，计算机读取数据，用文件中的export命令保存数据，待处理。示波器数据为电压值（mv），需按下式转换为压力值。）实际输出（）实际电压值（），压力（unitmvmvbarunit/10三、数据处理(1).计算的压力突跃值激波管端壁传感器与侧壁传感器之间的距离是L=30cm；激波传过此段距离经历的时间是t=ms；激波传播的速度是Vs=L/t根据室温,算出声速a所以，激波马赫数为Ms=Vs/a求出p5–p1，即激波管1区和5区的压力突跃值(2).测量压力突跃值由示波器曲线读出激波管端壁的传感器的波形突跃值mv和静标的传感器电荷灵敏度pc/bar，求出测量的激波管1区和5区的压力突跃值为bar。(3).理论实验值比较，求出误差为(4)求幅频特性和相频特性（1）对输入的阶跃信号做FFT；（2）对测量信号做FFT；（3）得到传感器的幅频特性和相频特性曲线。（4）也可以用阶梯线法求解。由频率特性曲线读出传感器的固有频率是：f=kHz。270大气压/中压力测量传感器◆大