传感器的标定..

12传感器的标定所谓传感器的标定，是指通过试验建立传感器输出与输入之间的关系并确定不同使用条件下的误差这样一个过程。一般来说，对传感器进行标定时，必须以国家和地方计量部门的有关检定规程为依据，选择正确的标定条件和适当的仪器设备，按照一定的程序进行。12传感器的标定12.1传感器标定的意义12.2传感器的静态标定12.3传感器的动态标定12.1传感器标定的意义1.传感器标定的意义（1）是设计、制造和使用传感器的一个重要环节。任何传感器在制造、装配完毕后都须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确传递。（2）对新研制的传感器，须进行标定试验，才能用标定数据进行量值传递，而标定数据又可作为改进传感器设计的重要依据。12.1传感器标定的意义（3）传感器使用、存储一段时间后，也须对其主要技术指标进行复测，称为校准（校准和标定本质上是一样的），以确保其性能指标达到要求。（4）对出现故障的传感器，若经修理还可继续使用，修理后也必须再次进行标定试验，因为它的某些指标可能发生了变化。12.1传感器标定的意义2.传感器标定的基本方法将已知的被测量作为待标定传感器的输入，同时用输出量测量环节将待标定传感器的输出信号测量并显示出来（待标定传感器本身包括后续测量电路和显示部分时，标定系统也可不要输出量测量环节）；对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较，从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线，进而得到传感器性能指标的实测结果。12.11传感器标定的意义3.传感器标定的分类（1）根据被测量进行分类①绝对标定法被测量是由高精度的设备产生并测量其大小的。特点：精度较高，但较复杂。②相对标定法或比较标定法被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的。特点：简单易行，但标定精度较低。如图所示。12.1.1传感器标定的意义（2）根据标定的内容分类①静态标定确定传感器的静态指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。②动态标定确定传感器的动态指标，主要有时间常数、自然振荡频率和阻尼比等。有时根据需要也对非测量方向（因素）的灵敏度、温度响应、环境影响等进行标定。12.1.1传感器标定的意义对传感器进行标定，目的是依据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上也就是确定传感器的测量精度。传感器制造出来之后，自身的测量精度就客观确定了。但标定结果可能因所用的标定装置或标定数据处理方法不同而出现差异。一个高精度的传感器，如果标定方法不当，则很可能在实测中产生较大的误差；反之，一个精度不太高的传感器，如果标定方法得当，反而可能在实测中产生较小的误差。12.1传感器标定的意义显然，提高标定设备、指示仪器的精度有助于提高标定精度。按有关规定，标定设备、指示仪器的精度都有一最低要求。在此规定上，标定设备和指示仪器的精度越高，标定的精度也越高。数据处理的方法很多，不同的方法有不同的精度，因此，提高对标定数据处理的精度也很重要。12.1传感器标定的意义还应注意减小环境变化引起的误差。传感器一般由制造厂在实验室内按规定条件进行标定。通常希望传感器的标定状态尽可能模拟实际测量状态，但在实验室内不可能模拟各种使用状态。使用状态改变引起测试数据变化时，将会给测量带来明显的误差。为此，设计传感器时就应考虑这一因素的影响。某些环境条件对传感器输出的影响不可消除时，可在特定条件下标定，并给出在不同条件下标定值的修正系数或修正公式。若能在测量现场进行标定，则效果更好。标定分类标定装置标准传感器待标定传感器输出量显示输出量测量12.2传感器的静态标定1静态标定的条件与仪器精度2静态标定的过程步骤1.静态标定的条件与仪器精度(1)传感器静态标定的条件传感器的静态标定是在静态标准条件下进行的。静态标准条件是指无加速度、振动与冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度一般为室温（205C），相对湿度不大于85%，大气压力为101.327.999kPa。12.2传感器的静态标定12.2传感器的静态标定(2)标准器具精度的选择为保证标定精度，须选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标准器具（一般所用的测量仪器和设备的精度至少要比被标定传感器的精度高一个量级），它应符合国家计量量值传递的规定，或经计量部门检定合格。这样，通过标定所确定的传感器精度才是可靠的。12.2传感器的静态标定2.静态标定的过程步骤静态标定须遵循一定的程序，其过程步骤为：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地输入标准量值，并记录与各输入值对应的输出值。③将输入值由大到小一点一点地减下来，同时记录与各输入值对应的输出值。12.2传感器的静态标定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（一般为3~10次），将得到的输出输入测试数据用表格列出或绘成曲线。⑤对测试数据进行必要的处理，根据处理结果确定传感器的线性度、灵敏度、迟滞和重复性等静态特性指标。12.3传感器的动态标定传感器的动态标定主要用于确定传感器的动态技术指标。动态技术指标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，二阶传感器则有自然振荡频率wn和阻尼比ζ两个参数。确定这些参数的方法很多，一般是通过实验确定，如测量传感器的阶跃响应、正弦响应、线性输入响应、白噪声，及用机械振动法等。其中最常用的是测量传感器的阶跃响应。12.3传感器的动态标定1实验确定一阶传感器时间常数的方法2实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法3确定传感器动态参数的其他方法12.3传感器的动态标定测量一阶传感器的阶跃响应，当输出值达到稳态值的63.2%所经历的时间即为它的时间常数。但这样确定时间常数实际上没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅取决于某些个别的瞬时值。为获得更可靠的结果常采用下面的方法。yt()t010.632xt()t011.实验确定一阶传感器时间常数的方法12.3传感器的动态标定一阶传感器的阶跃响应为).(12e1)(t/ty令z=t/，上式可改写为).()]([221lntyz由上式依据测得的y(t)可求出对应的z，作出z-t曲线，则应得到线性关系，根据=-Dt/Dz可确定时间常数，如图所示。这种方法考虑了瞬态响应的全过程，具有较高的可靠性。另外，还可根据z-t曲线与直线的符合程度判断传感器与一阶传感器的符合度。图2.1求一阶传感器时间常数的方法ztDtDz12.3传感器的动态标定二阶传感器一般都设计成阻尼比x=0.6~0.8的欠阻尼系统。阶跃输入时，典型的欠阻尼二阶传感器的瞬态响应是以阻尼角频率wd作衰减振荡的，如图所示。阻尼角频率wd为n2d1wxw于是可将式(2.3)改写为).()()(421arctansin1e12d2nxxwxxwttyt2.实验确定二阶传感器自然振荡频率与阻尼比的方法12.3传感器的动态标定得过调量M与阻尼比x的关系为：)5.2(e21/πxxM所以，测出过调量M，即可得阻尼比x为%100)()()(%hhthp根据).()/(/62lnπ112Mx12.3传感器的动态标定由tp=p/wd可得)7.2(1π2pn)/(xwt如果测得阶跃响应的较长变化过程，则可获得可靠性更高的自然振荡频率和阻尼比。方法是，测出第i个极大值与第i+n个极大值时的过冲量Mi与Mi+n，如图所示。设第i个极大值对应的时刻为ti，第i+n个极大值对应的时刻为ti+n，则根据tk=(2k-1)p/wd知ti和ti+n满足12.3传感器的动态标定代入式(2.4)求出Mi,Mi+n，整理后得).()/(]-)([).()/()(921π12821π122n2nξωnitξωitnii).()/(/102π2112nnx式中，nln(Mi/Mi+n)。甚至可取不同的i和n，求出多个阻尼比后取平均值。12.3传感器的动态标定对自然振荡频率来说，可测出第i个极大值与第i+n个极大值之间的时间间隔tn，如图所示，则也可取不同的i和n，求出多个自然振荡频率后取平均值。若传感器是精确的二阶传感器，n取任意正整数求得的x或wn都不会有多大差别。若有明显差别，超出测量误差较多，则说明传感器不是严格的二阶传感器。).()/(1121π22nxwntn图2.2tO1234yt()tn1tm式(2.1))()(321arctan1sin1e1)(222.ttyntnxxwxxxw12.3传感器的动态标定测量传感器正弦稳态响应的幅值和相角，然后得到稳态正弦输出信号与输入信号的幅值比和相位差。逐渐改变输入正弦信号的频率，重复前述过程，即可得到幅频和相频特性曲线。由幅频和相频特性曲线可确定传感器的动态特性参数。3.确定传感器动态参数的其他方法—正弦信号响应法12.3传感器的动态标定这是因为一阶传感器的幅频特性为211)(/)(wwA当w=1/时，A(w)下降3dB。（1）一阶传感器时间常数的确定将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯德图，则其对数幅频特性曲线下降3dB处所对应的角频率为w=1/τ，由此可确定一阶传感器的时间常数t。12.3传感器的动态标定（2）二阶传感器时间常数的确定在欠阻尼情况下，从曲线上可以测得三个特征量，即零频增益A(0)、谐振频率增益A(wr)和谐振频率wr。根据2n211)/(])/([/)(22nAwx令0d)(dwwA得2nr21xww12.3传感器的动态标定将wr代入A(w)的表达式得2r121)(xxwA即可确定x和wn。虽然从理论上来讲，也可通过传感器相频特性曲线确定x和wn，但是一般来说准确的相角测试比较困难，所以很少这样做。12.3传感器的动态标定以压电式加速度传感器为例，说明传感器动态标定的方法。YD-5压电式加速度传感器的动态标定YD-5压电式加速度传感器是一种以具有压电特性的材料为敏感元件的机电转换装置，当它感受振动加速度时，将产生一正比于振动加速度的电荷量输出。依据《JJG223—81压电加速度传感器检定规程》指定的检定项目有参考灵敏度、灵敏度的稳定度、横向灵敏度比，频率响应、安装谐振频率、幅值线性度及电参数等。这里仅简单介绍参考灵敏度、频率响应及安装谐振频率的标定。12.3传感器的动态标定（1）参考灵敏度的标定一般用途的压电式加速度传感器，参考灵敏度Sx的标定均采用相对标定法。将被标定的YD-5加速度传感器与丹麦的标准压电式加速度传感器8305“背靠背”地刚性联结在一起，如图所示。然后将它们安装在标定用的中频振动台上，并按图示原理框图连接好测量电路。12.3传感器的动态标定设被标定的YD-5压电加速度传感器输出的电荷量为Qx，振动台传输给YD-5的加速度为ax，则其参考灵敏度Sx由下式求出)(12.2xxxaQS此式中的加速度ax由标准加速度传感器输出的电荷量Q0及其灵敏度S0求出，为(2.13)00SQax将式(2.13)代入式(2.12)得12.3传感器的动态标定此即相对法标定压电式加速度传感器参考灵敏度Sx的计算公式。检定规程的要求是选定200Hz以下的某一频率和100m/s2以下的某一加速度值进行标定。由数字电压表和标准精密数字万用表分别测出电荷值Qx和Q0，代入式(2.14)，即能标定出YD-5加速度传感器的参考灵敏度。4).(1200SQQSxx12.3传感器的动态标定（2）频率响应和安装谐振频率的标定此标定项目可用逐点比较法、连续扫描法或冲击法来确定。逐点比较法的原理框图与图示原理框图基本一样，只要把图中的振动台换成高频振动台即可。标定时，在选定的频率范围内，按对数刻度均匀地选7个以上频率点，与标准加速度传感器比较，从而得出幅频特性曲线。12.3传感器的动态标定在幅频特性的标定中，常用连续扫描法。由标准振动台及被标定的加速度传感器组成一个闭环自动扫描系统，使被标定的加速度传感器在自动扫频过程中受到一个幅度恒定的交变加速度，并用记录仪自动记录被标定加速度传感器随频率