传感器原理及应用(第三版)第10章

传感器原理及应用第十章传感器的标准第十章传感器的标准10-1压力传感器的静态标定10-2压力传感器的动态标定一、激波管标定装置的工作原理二、传感器动态参数的确定方法10-3压力传感器的安装及引压管道的影响一、传感器的安装二、引压管道的动态响应分析下一页上一页第十章传感器的标准任何一种传感器在制造、装配完毕后都必须对原设计指标进行一系列试验，以确定传感器的实际性能。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。同时确定出不使用条件下的误差关系。标定的基本方法是利用一种标准设备产生的已知非电量作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量；然后将传感器的输出量与输入的标准量比较，从而得到一系列的标定曲线。传感器的标定分静态标定和动态标定两种。静态标定主要于检验、测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏度、线性度、迟滞、重复性等；动态标定主要用于检验、测试传感器的动态特性指标，如动态灵敏度、频率响应等。本章仅以压力传感器为例来说明传感器的标定方法。上一页下一页返回10-1压力传感器的静态标定目前常用的静态标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹簧测力计式压力标定机。如下图式活塞压力计对压力传感器进行标定的示意图。活塞压力计由校验泵和活塞部分组成。上一页下一页返回标定时，把传感器装在连接螺冒上，然后，按照活塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升到规定的刻线位置；按所亚求得压力间隔，逐渐增加砝码重量，使压力计产生所需的压力；同时用数字电压表记下传感器在相应压力下的输出值。这样就可以得到被标定传感器或测压系统的输出特性曲线。根据这条曲线可去定出所需要的各个静态特性指标。在实际测试中，为了去定整个测压系统的输出特性，往往需要进行现场标定。为了操作方便直接用标准压力表读取所加的压力，测出整个测试系统在各压力下的输出电压值或示波器的港表位移量h，就可得到下面所示的压力标定曲线。上一页下一页返回左图是杠杆压力表定机的示意图。标定时，按要求的压力间距，选定待表的压力点数，按下式计算所需加的砝码重量W式中P——要标定的压力；S——压电晶体片的面积；a、b——杠杆臂长。aPSbW上一页下一页返回把待标定的压力传感器放置于上下支柱之间，调整上部螺杆到合适位置，然后转动凸轮手柄，使压力计上移，给传感器加力，由千分表读出变形量，按压力计的标定表便可查得传感器所受到的力F。按下式计算式中P——所需标定之压力；S——传感器的受力面积；SFPSFP上一页下一页返回10-2压力传感器的动态标定对压力传感器进行动态标定，必须给传感器加一个特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器的输出信号，经计算分析、速举出里，即可确定传感器的频率特性。动态标定的实质是用试验的方法决定传感器的动参量。这种方法有两种：第一种，以一个已知的阶跃压力信号激励传感器，使传感器按自身的固有频率振动，并记录下运动状态，从而决定其动态参量。第二种，以一个振幅和频率已知、可调的正弦压力信号激励传感器，根据记录的运动状态，决定传感器的动态特性。激波管法是比较常用的方法，它有三大特点：①压力幅度范围宽，便于改变压力值②频率范围宽（2KHz～2.5MHz)③便于分析研究和数据处理此外激波管结构简单，使用方便可靠，标定精度可达4％～5％。上一页下一页返回一、激波管标定装置的工作原理激波管标定装置系统图如下，它由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四部分组成上一页下一页返回（一）激波管激波管是产生激波的核心部分，由高压室1和高压室2组成。1、2之间由铝或者塑料膜片3隔开，激波压力的大小由膜片的厚度决定。标定时根据要求对高、低压室充以不同的压缩空气，低压室一般为一个大气压力，对高压室则充以高压气体。这个激波的波阵面压力保持恒定，接近理想的阶跃波，并以超音速冲向被标定传感器。传感器在激励下按固有频率产生一个衰弱振荡，如图所示，用以确定其动态特性。上一页下一页返回上一页下一页返回（二）入射激波的测速系统入射激波的测速系统由压电式压力传感器6、7，测速前置级8及数字式频率计9组成。若测得激波的前进速度，便可确定马赫数。测速前置极通常采用电荷放大器和限幅器给出幅值基本恒定的脉冲信号。数字频率计若给出的时标即可满足要求，由两个脉冲信号去控制频率计开、关门的时间，其入射激波的速度为式中激波通常以马赫数表示，其定义为式中式中aMs1.0smtl/距的时间。激波通过两个传感器间—距离；两个测速传感器之间的—tlTM＝aT1CT0T时的音素，用低压室在—T实验时低压室的温度。—；常数，—时的音速；—T273/1C00上一页下一页返回（三）标定测量系统标定系统由被标定的传感器4、5，电荷放大器10及记忆示波器11等组成。被标定传感器可以放在侧面位置上，也可以放在低段面上。由被标定传感器的信号，通过电荷放大器加到记忆示波器上记录下来，以备分析计算，或通过计算机进行数据处理，直接求得幅频特性及动态灵敏度。（四）气源系统气源系统由气源12、气压表13及泄气门14等组成。它是高压气体的产生源，通常采用压缩空气，压力大小可由控制台控制，由气压表监视。完成测量后开启泄气门14便可泄掉管内气体。然后对管内进行清理，更换膜片，以备下次使用。上一页下一页返回二、传感器动态参数的确定方法下图是传感器对阶跃压力响应曲线。由于它是输出压力与时间的关系曲线，所以称为时域曲线。若传感器振荡周期是稳定的，而且振荡幅度有规律地单调减小，则传感器可以近似地看成是单自由度地二阶系统。上一页下一页返回上一页下一页返回10-3压力传感器的安装及引压管道的影响一、传感器的安装由于引压管道本身的频率特性响应特性比较低，所以在测量快速变化的压力时，应该尽可能使传感器直接与被测介质接触即采取齐平安装。有时齐平安装有困难，可能要采取附加管道安装。除安装以外，再有些标定中还要主意温度和震动对传感器的影响。上一页下一页返回二、引压管道的动态响应分析用于估计动态压力测量中管道响应特性，比较常用的有两种模型：一种是不可压缩流体管道的二阶系统模型；另一种模型是可压缩流体管道的模型。以下以第一种模型为例说明引压管道的动态响应。上一页下一页返回上一页下一页返回上一页下一页返回上一页返回