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传感器的标定传感器的标定第1页，本讲稿共35页目录目录简介简介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2第2页，本讲稿共35页简简 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静静态态标标定定的的目目的的是是确确定定传传感感器器静静态态特特性性指指标标，如如线线性性度、灵敏度、滞后和重复性等。度、灵敏度、滞后和重复性等。v动动态态标标定定的的目目的的是是确确定定传传感感器器的的动动态态特特性性参参数数，如如频频率率响响应应、时时间间常常数数、固固有有频频率率和和阻阻尼尼比比等等。有有时时，根根据据需需要要也也要要对对横横向向灵灵敏敏度度、温温度度响响应应、环环境境影影响响等等进进行标定行标定。3第3页，本讲稿共35页14.1 14.1 传感器的静态特性标定传感器的静态特性标定14.1.1 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4第4页，本讲稿共35页14.1.1 14.1.1 静态标准条件静态标准条件v传传感感器器的的静静态态特特性性是是在在静静态态标标准准条条件件下下进进行行标标定定的。的。v所所谓谓静静态态标标准准是是指指没没有有加加速速度度、振振动动、冲冲击击(除除非非这这些些参参数数本本身身就就是是被被测测物物理理量量)及及环环境境温温度度一一般般为为室室温温(205)(205)、相相对对湿湿度度不不大大于于8585，大大气压力为气压力为1.01101.01105 5 PaPa的情况。的情况。5第5页，本讲稿共35页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v对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的对传感器进行标定，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精度。各项性能指标，实际上也是确定传感器的测量精度。v在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比在标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度被标定的传感器的精度高一个等级高一个等级。这样，通过标定这样，通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。度才是可信的。6第6页，本讲稿共35页14.1.3 14.1.3 静态特性标定的方法静态特性标定的方法v对对传传感感器器进进行行静静态态特特性性标标定定，首首先先是是创创造造一一个个静静态态标标准准条条件件。其其次次是是选选择择与与被被标标定定传传感感器器的的精精度度要要求求相相适适应应一一定定等等级级的的标标定定用用的的仪仪器器设设备备。然然后后才能开始对传感器进行静态特性标定。才能开始对传感器进行静态特性标定。7第7页，本讲稿共35页 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；根根据据传传感感器器量量程程分分点点情情况况，由由小小到到大大逐逐点点输输入入标标准准值值，并并记记录录下相对应的输出值；下相对应的输出值；将将输输入入值值由由大大到到小小逐逐点点减减少少下下来来，同同时时记记录录下下与与各各输输入入值值相相对对应应的输出值；的输出值；按按(2)(2)、(3)(3)所所述述过过程程，对对传传感感器器进进行行正正、反反行行程程往往复复循循环环多多次次测试，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;对对测测试试数数据据进进行行必必要要的的处处理理，根根据据处处理理结结果果就就可可以以确确定定传传感感器器的的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态持性指标。线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态持性指标。8第8页，本讲稿共35页14.2 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态响传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应；应；v而与动态响应有关的参数，而与动态响应有关的参数，一阶传感器只有一一阶传感器只有一个时间常数个时间常数、二阶传感器则有固有频率、二阶传感器则有固有频率n n和和阻尼比阻尼比两个参数两个参数;9第9页，本讲稿共35页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：10第10页，本讲稿共35页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输入信号为阶跃信号：输入信号为阶跃信号：11第11页，本讲稿共35页14.3 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 12第12页，本讲稿共35页测振传感器的标定测振传感器的标定v测测振振仪仪性性能能的的全全面面标标定定只只是是在在制制造造单单位位或或研研究究部部门门进进行行在在一一般般使使用用单单位位和和使使用用场场合合，主主要要是标定其灵敏度、频率特性和动态线性范围。是标定其灵敏度、频率特性和动态线性范围。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从计计算算标标准准和和传传递递的的角角度度来来看看，可可以以分分成成两两类类：一一类类是是复复现现振振动动量量值值最最高高基基准准的的绝绝对对法法，另另一一类类是是以以绝绝对对法法标标定定的的标标准准测测振振仪仪作作为为二二等等标标准准用用比比较较法法标定工作测振仪。标定工作测振仪。按按照照标标定定时时所所用用输输入入量量种种类类又又可可分分为为正正弦弦振振动动法法、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。13第13页，本讲稿共35页 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长度采用激光光波长度作为振幅量值的绝对基准。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准之用。14第14页，本讲稿共35页 14.3.2 14.3.2 比较标定法比较标定法v这这是是一一种种最最常常使使用用的的标标定定方方法法，即即将将被被标标的的测振传感器和标准测振传感器相比较。测振传感器和标准测振传感器相比较。v标标定定时时，将将被被标标测测振振传传感感器器与与标标准准传传感感器器一一起起安安装装在在标标准准振振动动台台上上。为为了了使使它它们们尽尽可可能能地地靠靠近近安安装装以以保保证证感感受受的的振振动动量量相相同同，常常采采用用“背背靠靠背背”法安装。法安装。v设设标标准准测测振振传传感感器器和和被被标标测测振振传传感感器器在在受受到到同同一一振振动动量量时时输输出出分分别别为为E0E0和和E E已已知知标标准准测测振振传传感感器器的的加加速速度度灵灵敏敏度度为为S Sk0k0，则则被被标标测测振振传传感器的加速度灵敏皮感器的加速度灵敏皮SkSk为为:vS Sk k=E=ES Sk0k0/E/E0 015第15页，本讲稿共35页14.4 压力传感器的标定压力传感器的标定简介简介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16第16页，本讲稿共35页简简 介介v用用来来作作为为动动态态测测量量的的压压力力传传感感器器除除了了按按前前述述方方法法进进行行静静态态标标定定外外，还还要要进进行行某某种种形形式式的的动动态态标定。标定。v 动态标定要解决两个问题：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；要要可可靠靠地地确确定定上上述述压压力力源源所所产产生生的的真真实实的的压压力力一一时时间间关系。关系。17第17页，本讲稿共35页14.4.1 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，必须注意，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力标准，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，必须正确地知道因为，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，动态压力源的分类如下：有关压力一时间关系，动态压力源的分类如下：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18第18页，本讲稿共35页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19第19页，本讲稿共35页14.4.2 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底面被标定的传感器底面被标定的传感器 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 11 11记压记忆装置记压记忆装置 12 12一气源一气源 13 13气压表气压表 14 14一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20第20页，本讲稿共35页激波管激波管v当当高高、低低压压室室的的压压力力差差达达到到一一定定程程度度时时膜膜片片破破裂裂，高高压压气气体体迅迅速速膨膨胀胀冲冲入入低低压压室室，从从而而形形成成激激波波。这这个个激激波波的的波波阵阵面面压压力力保保持持恒恒定定，接接近近理理想想的的阶阶跃跃波波v v并并以以超超音音速速冲冲向向被被标标定定的的传传感感器器。传传感感器器在在激激波波的的激激励励下下按按固固有有频频率率产生一个衰减振荡。产生一个衰减振荡。21第21页，本讲稿共35页被标定的传感器输出波形被标定的传感器输出波形22第22页，本讲稿共35页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23第23页，本讲稿共35页引引 言言v 湿湿度度敏敏感感元元件件的的感感湿湿特特征征量量与与环环境境气气相相湿湿度度之之间间并并不不存存在在固固定定的的定定量量关关系系，感感湿湿特特征征量量的的测测量量值值也也不不可可能能直直接接表表征征环环境境气气相相湿湿度度的的确确切切数数值值。因因此此湿湿敏敏元元件件必必须须经经过过定量标定定量标定，方可实用。，方可实用。v湿湿敏敏元元件件定定量量标标定定的的实实质质在在于于建建立立标标准准湿湿度度发发生生器器，提提供准确的湿度源。供准确的湿度源。由由于于气气相相湿湿度度的的高高低低受受温温度度、压压力力、介介质质的的性性质质、容容孔孔的的材材质质和和系系统统的的状状况况等等众众多多因因素素的的影影响响，所所以以建建立立标标准准湿湿度度发发生生器器和和恒恒湿湿源源决决非非易易事事，其其困困难难和和复复杂杂的的程程度度甚甚至至大大大大超超过过了了湿湿度度敏敏感感元元件件本本身的制作。身的制作。24第24页，本讲稿共35页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25第25页，本讲稿共35页干湿球法干湿球法v 17501750年年，RichmanRichman发发现现，当当温温度度计计的的温温泡泡上上有有水水时时，它它所所指指示示的的温温度度低低于于周周围围空空气气的的温温度度，这这一一偶偶然然的的发发现现引引起起了了人人们们的的注注意意。经经研研究究，查查明明这这种种致致冷冷现现象象产产生生的的原原因因是是由由于于水蒸发的结果水蒸发的结果。v早早期期的的研研究究者者发发现现，干干球球和和湿湿球球的的温温度度差差，即即干干湿湿差差，不不仅仅取取决决于于温温度度和和空空气气中中的的水水份份含含量量，而而且且还还和和湿湿球球表表面面空空气气的的疏速有关，因而被命名为通风干湿表。疏速有关，因而被命名为通风干湿表。v17991799年年LesslieLesslie利利用用干干湿湿球球法法的的测测湿湿原原理理制制造造了了一一种种湿湿度度计，计，18361836年年MansonManson使这种湿度计商品化。使这种湿度计商品化。26第26页，本讲稿共35页干湿球法的测湿原理干湿球法的测湿原理v结结构构：一一根根U U型型管管连连接接的的两两个个玻玻璃璃球球组组成成，一一个个球球染染成成蓝蓝色色，另另一一个个球球不不上上色色，并并用用湿湿纱纱布布包包裹裹。U U型型管管内内装装带带色色的硫酸，玻璃球起气体温度计的作用。的硫酸，玻璃球起气体温度计的作用。v原原理理：由由于于蒸蒸发发，湿湿球球的的温温度度下下降降，其其中中的的气气体体收收缩缩，因因此此引引起起U U型型管管内内着着色色液液体体的的位位移移，其其高高度度的的变变化化反反应应了了湿湿球球的的蒸蒸发发率率，而而我我们们知知道道，蒸蒸发发率率与与湿湿度度是是相相关关的的，因此液体的位移可以作为空气的湿度。因此液体的位移可以作为空气的湿度。27第27页，本讲稿共35页饱和盐溶液法饱和盐溶液法v它它可可提提供供工工作作标标准准湿湿度度，在在00以以上对湿度敏感元件进行定量标定。上对湿度敏感元件进行定量标定。v根根据据拉拉乌乌尔尔定定律律，溶溶质质的的溶溶解解降降低低了了该该温温度度下下溶溶液液的的气气压压，当当溶溶解解盐盐达达列列饱饱和和时时，在在给给定定温温度度下下整整个个溶溶液的平衡蒸气压最小并保持恒定。液的平衡蒸气压最小并保持恒定。v利利用用在在封封闭闭容容器器中中饱饱和和盐盐溶溶液液的的平平衡衡蒸蒸气气压压作作为为标标准准湿湿度度。该该湿湿度度的的高高低低，由由饱饱如如盐盐溶溶液液的的种种类类和平衡温度所决定和平衡温度所决定。28第28页，本讲稿共35页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（对同一种饱如盐溶为什么温度上升，相对湿度都变小（对同一种饱如盐溶液而言）？液而言）？29第29页，本讲稿共35页双压法双压法v高高压压(P(Ps s)干干燥燥空空气气经经过过二二级级串串联联水水饱饱合合器器，在在恒恒定定温温度度下下达达到到充充分分饱饱合合，经经充充分分热热交交换换后后，等等温温（或或非非等等温温）膨膨胀胀到到较较低低压压力力(P(Pt t)下下的器件标定室内。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比：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：v等温条件下：等温条件下：v非等温条件下：非等温条件下：P Pwsws、P Pwtwt分分别别为为水水饱饱和和器器和和标标定定室室所所处处温温度度下下的的饱和水汽压饱和水汽压30第30页，本讲稿共35页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)31第31页，本讲稿共35页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获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。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方在研究吸收湿度计性能时首先使用了这种方法。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泛使用这是一种较早发展起来的同时又是当前湿度计量中广泛使用的工作标准之一，其主要的优点是量程宽、量值变换快。的工作标准之一，其主要的优点是量程宽、量值变换快。这在湿敏元件的研制和生产迅速发展、对其动态性能要求这在湿敏元件的研制和生产迅速发展、对其动态性能要求日高、检定量日益繁重的今天，人们对它越来越感兴趣是日高、检定量日益繁重的今天，人们对它越来越感兴趣是必然的。必然的。32第32页，本讲稿共35页基本原理基本原理 比比例例阀阀V V将将来来自自干干气气源源(一一般般是是干干空空气气)的的气气体体按按一一定定的的比比例例分分成成两两部部分分。一一路路进进入入饱饱和和器器s s，被被混混合合的的气气流流在在混混合合室室中中同同另另一一股股干干气气混混合合，而而后后进进入入试验腔，最后排入大气。试验腔，最后排入大气。饱和器、混合室和试验腔浸在同一个恒温槽中。饱和器、混合室和试验腔浸在同一个恒温槽中。试验腔中的相对湿度是下列因素的函数：试验腔中的相对湿度是下列因素的函数：（1 1）通过饱和器的空气的份数。）通过饱和器的空气的份数。（2 2）饱和室中的总压力。）饱和室中的总压力。（3 3）饱和水汽压力。）饱和水汽压力。（4 4）试验腔内的水汽分压力。）试验腔内的水汽分压力。33第33页，本讲稿共35页v 发发生生器器主主要要由由下下列列各各部部分分组组成成：气气源源和和干干燥燥系系统统、比比例例配配气气系系统统、增增湿湿系系统统、混混合合室室、试试验验腔腔、制制冷冷系系统统和和温温度度控控制制和和调调节节系统。系统。34第34页，本讲稿共35页绝对湿度的标定方法及设备绝对湿度的标定方法及设备v干燥剂法干燥剂法v低冰点发生器法低冰点发生器法v干湿气体稀释法干湿气体稀释法v综合标定法综合标定法35第35页，本讲稿共35页