传感器的标定.ppt

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1、武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 传感器的标定武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 传传感感器器的的标标定定，就就是是利利用用精精度度高高一一级级的的标标准准器器具具对对传传感感器器进进行行定定度度的的过过程程，通通过过实实验验建建立立传传感感器器输输出出量量和和输输入入量量之之间间的的对对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。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。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静静态态标标定定的的目目

2、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，如如线线性性度度、灵灵敏敏度、滞后和重复性等。度、滞后和重复性等。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、时间常数、固有频率和阻尼比等。时间常数、固有频率和阻尼比等。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。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：绝对法标定系统：标定精度高，但较复杂标定精度高，但较复杂 比较法标定系统比较法标定系统 武汉理工大学机电工程学院武汉理工

3、大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 1.1.静态标准条件静态标准条件 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。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(20(205)5)、相相对对湿湿度度不不大大于于85%85%，大气压力为，大气压力为(101(1017)7)kPakPa的情况。的情况。12.1 12.1 传感器静态特性的标定传感器静态特性的标定武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电

4、工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 2.2.静态特性标定系统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。一般组成：对传感器进行静态特性标定，首先要建立标定系统。一般组成：(1)(1)被被测测物物理理量量标标准准发发生生器器。如如测测力力机机、活活塞塞式式压压力力计计、恒恒温温源等。源等。(2)(2)被被测测物物理理量量标标准准测测试试系系统统。如如标标准准力力传传感感器器、压压力力传传感感器器、标准长度标准长度量规等。量规等。(3)(3)被被标标定定传传感感器器所所配配接接的的信信号号调调节节器器和和显显示示、记记录录器器等等配配接接仪器精度应是己知的，也作

5、为标准测试设备仪器精度应是己知的，也作为标准测试设备。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 3.3.静态特性标定的步骤静态特性标定的步骤(1)(1)将传感器全量程分成若干等间距点；将传感器全量程分成若干等间距点；(2)(2)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渐渐一一点点一一点点输输入入标标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；(3)(3)将将输输入入值值由由大大到到小小一一点点一一点点的的减减少少下下来来，同同时时记记录录下下与与各各输入值相对应的输出值；输入值

6、相对应的输出值；(4)(4)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次测试，将得到的输出多次测试，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线；输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)(5)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器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定12.3 12.3 常用的标定设备常用的标定设备

7、12.3.1 12.3.1 静态标定设备静态标定设备 1.1.力标定设备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。测力传感器的标定主要是静态标定，采用比较法。1)1)测力砝码测力砝码最简单的力标定设备是各种测力砝码。最简单的力标定设备是各种测力砝码。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 我我国国基基准准测测力力装装置置是是固固定定式式基基准准测测力力机机，它它实实际际上上是是由由一一组组在在重重力力场场中中体体现现基基准准力力值值的的直直接接加加荷荷砝砝码码(静静重重砝砝码码)组组成成。图图(a)(a)所所示示为为一一种种杠杠

8、杆杆式式测测力力机机，这这是是一一种种直直接接加加测测力力法法码码的的标标定定装装置置。图图(b)(b)所所示示为为一一种种液液压压式式测测力力机机原原理理图图，其其中中砝砝码码经经油油路路产生的力作为标准力，作用在被标定传感器上，量程可高达产生的力作为标准力，作用在被标定传感器上，量程可高达5MN5MN。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 2.2.压力标定设备压力标定设备 活活塞塞压压力力计计是是目目前前最最常常用用的的压压力力传传感感器器静静态态标标定定装装置置。图图示示为为活活塞塞压压力力计计结结构构原原理图。理图。1 1测测量量

9、活活塞塞；2 2砝砝码码；3 3活活塞塞柱柱；4 4手手摇摇泵泵；5 5工工作作液液；6 6被被校校压压力力表；表；7 7手轮；手轮；8 8丝杆；丝杆；9 9手手摇摇泵泵活活塞塞；1010油油杯杯；1111进进油油阀阀手手轮轮；1212托托盘盘；1313标标准准压压力力表表；a a、b b、c c切切断断阀阀；d d进油阀进油阀武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定活塞压力计实物图活塞压力计实物图武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定在在压压力力表表(压压力力传传感感器器)标标定定时时，

10、通通过过手手轮轮对对加加压压泵泵内内的的油油液液加加压压，根根据据流流体体静静力力学学中中液液体体压压力力传传递递平平衡衡原原理理，该该外外加加压压力力均均匀匀传传递递到到活活塞塞缸缸内内顶顶起起活活塞塞。由由于于活活塞塞上上部部是是承承重重盘盘和和砝砝码码，当当油油液液中中的的压压力力p p产产生生的的活活塞塞上上顶顶力力与与承承重重盘盘和和砝砝码码的的重重力力相相等等时时，活活塞塞被被稳稳定定在在某某一一平平衡衡位置上，这时力平衡关系为位置上，这时力平衡关系为式式中中：A A为为活活塞塞的的截截面面积积；G G为为承承重重盘盘和和砝砝码码(包包括括活活塞塞)的的总总重重力；力；p p为被测

11、压力。为被测压力。1 1测测量量活活塞塞；2 2砝砝码码；6 6被校压力表；被校压力表；9 9手摇泵活塞；手摇泵活塞；1313标准压力表；标准压力表；武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 4.4.温度标定设备温度标定设备 标标定定温温度度测测量量系系统统的的方方法法可可以以分分为为两两类类：一一是是同同一一次次标标准准比比较较，即即按按照照国国际际计计量量委委员员会会19901990年年通通过过的的国国际际温温标标(ITS-1990)(ITS-1990)相相比比较较,见见表表12-112-1 ；二二是是与与某某个个已已经经标标定定的的标标

12、准准装装置置进进行行比比较较，这是常用的标定方法。这是常用的标定方法。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 复复现现表表12-112-1中中这这些些基基准准点点的的方方法法是是用用一一个个内内装装有有参参考考材材料料的的密密封封容容器器，将将待待标标定定的的温温度度传传感感器器的的敏敏感感元元件件放放在在伸伸入入容容器器中中心心位位置置的的套套管管中中。然然后后加加热热，使使温温度度超超过过参参考考物物质质的的熔熔点点，待待物物质质全全部部熔熔化化。随随后后冷冷却却，达达到到三三相相点点(或或凝凝固固点点)后后，只只要要同同时时存存在在固

13、固、液液、气气三三态态或或(固固、液液态态)约约几几分分钟钟，温温度度就就稳稳定定下下来，并能保持规定值不变。来，并能保持规定值不变。对对于于定定义义固固定定点点之之间间的的温温度度，ITS-1990ITS-1990国国际际温温标标把把温温度度分分为为4 4个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：个温区，各个温区的范围、使用的标准测温仪器分别为：(1)(1)0.650.655.05.0K K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe蒸气压温度计；蒸气压温度计；(2)(2)3.03.024.556124.5561K K间为间为3 3HeHe或或4 4HeHe定容气体温度计；定容气体温度计

14、；(3)(3)13.803313.8033K K961.78961.78间为铂电阻温度计；间为铂电阻温度计；(4)(4)961.78961.78以上为光学或光电高温计。以上为光学或光电高温计。以以上上有有关关标标准准测测温温仪仪器器的的分分度度方方法法以以及及固固定定点点之之间间的的内内插插公公式式，ITS-1990ITS-1990国际温标都有明确的规定，可参考国际温标都有明确的规定，可参考ITS-1990ITS-1990标准文本。标准文本。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 热电偶的标定热电偶的标定(校准校准):):目的是核对标准热电

15、偶的热电动势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。标定方法有定方法有定点法定点法和和比较法比较法。定定点点法法是是以以纯纯元元素素的的沸沸点点或或凝凝固固点点作作为为温温度度标标准准。如如基基准准铂铂铑铑10-10-铂铂热热电电偶偶在在630.755630.7551064.431064.43的的温温度度间间隔隔内内，以以金金的的凝凝 固固 点点 1064.431064.43、银银 的的 凝凝 固固

16、 点点 961.93961.93、锑锑 的的 凝凝 固固 点点630.775630.775作为标准温度进行标定。作为标准温度进行标定。比比较较法法是是将将标标准准热热电电偶偶与与被被标标定定热热电电偶偶之之间间直直接接进进行行比比较较，比较法又可分为双极法、同名极法比较法又可分为双极法、同名极法(单极法单极法)和微差法。和微差法。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定双极比较法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，冷端热电偶的

17、工作端捆扎在一起，插入炉膛内的均匀温度场中，冷端分别插在分别插在00的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温到达的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温到达所需的标定温度点所需的标定温度点1010内，且炉温变化每分钟不超过内，且炉温变化每分钟不超过0.20.2时，时，读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于4 4次。次。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定12.2 12.2 传感器动态特性的标定传感器动态特性的标定 一阶传感器只有时间常数一阶传感器只有时间常数 一个参数，一个参数，二阶传感器则有固有

18、频率二阶传感器则有固有频率 和阻尼比和阻尼比 两个参数。两个参数。传感器动态特性标定方法：传感器动态特性标定方法：1.1.阶跃响应法阶跃响应法对对于于一一阶阶传传感感器器，简简单单的的方方法法就就是是测测得得阶阶跃跃响响应应之之后后，传传感感器器输出值达到最终稳定值的输出值达到最终稳定值的63.2%63.2%所经历的时间，即时间常数。所经历的时间，即时间常数。备备注注：为为获获得得较较可可靠靠的的结结果果，应应记记录录下下整整个个响响应应期期间间传传感感器器的的输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第1

19、2 12章章 传感器的标定传感器的标定已知一阶传感器的阶跃响应函数为：已知一阶传感器的阶跃响应函数为：整理得：整理得：令：令：则则表明表明z z和时间和时间t t成线性关系，且成线性关系，且 ，如图所示。，如图所示。因因此此，可可以以根根据据测测得得的的 值值，作作出出z z-t t曲曲线线，再再根根据据 值值算出时间常数。算出时间常数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 对对于于二二阶阶传传感感器器，实实际际设设计计时时都都设设计计成成欠欠阻阻尼尼系系统统，即即阻阻尼尼比比 小于小于1 1，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图

20、。，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图。它它是是以以 的的角角频频率率作作衰衰减减振振荡荡的的，称称为为传传感感器器的的阻阻尼尼振振荡荡频频率率。按按照照求求极极值值的的通通用用方方法法，可可以以求求得得各各振振荡荡峰峰值值所所对对应应的的时时间间为为 、。已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定按求极值的通用方法，求得第一按求极值的通用方法，求得第一个峰值输出为个峰值输出为则对应的最大超调量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：测出最大超调

21、量，则可算出阻尼比：武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定测测出出振振荡荡周周期期T Td d值值，根根据据T Td d=以以及及 与与 的的关关系系，代代入入下下式计算固有频率：式计算固有频率：2.2.频率响应法频率响应法 该该方方法法利利用用正正弦弦周周期期输输入入信信号号，通通过过测测定定不不同同正正弦弦激激励励频频率率下下输输出出与与输输入入的的幅幅值值比比和和相相位位差差来来确确定定传传感感器器的的幅幅频频特特性性和和相相频频特性。特性。根根据据一一阶阶传传感感器器幅幅频频特特性性曲曲线线的的伯伯得得图图，其其对对数数幅幅频频曲曲

22、线线下下降降3dB3dB处处所所测测取取的的角角频频率率 ，可求得一阶传感器的时间常数。可求得一阶传感器的时间常数。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 12.3.2 12.3.2 动态标定设备动态标定设备 1.1.振动传感器动态标定设备振动传感器动态标定设备 采用振动台采用振动台(激振器激振器)产生正弦激励信号。产生正弦激励信号。振动台有机械的、电磁的、液压的等多种。振动台有机械的、电磁的、液压的等多种。常用常用电磁振动台电磁振动台，能产生，能产生5 57.57.5kHzkHz范围激振频率。范围激振频率。高频激振器高频激振器多用压电式，

23、频率范围为几千赫到几百万赫。多用压电式，频率范围为几千赫到几百万赫。机械振动台机械振动台种类较多，其中偏心惯性质量式最常用。种类较多，其中偏心惯性质量式最常用。液液压压振振动动台台是是用用高高压压液液体体通通过过电电液液伺伺服服阀阀驱驱动动作作功功进进而而推推动动台台面面产产生生振振动动的的激激振振设设备备，它它的的低低频频响响应应好好，推推力力大大，常常用用来来作为大吨位激振设备。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。振动的标定方法有绝对校准法、比较法和互易法。绝绝对对法法标标定定是是由由标标准准仪仪器器直直接接准准确确决决定定出出振振动动台台的的振振幅幅和和频频率

24、率，它它有有精精度度高高、可可靠靠性性大大的的优优点点。但但该该方方法法对对设设备备精精度度要要求求高高，标定时间长，一般用在计量部门。标定时间长，一般用在计量部门。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定 比比较较法法的的原原理理简简单单、操操作作方方便便，对对设设备备精精度度要要求求较较低低，所以应用很广。所以应用很广。上上图图为为一一个个用用比比较较法法标标定定振振动动传传感感器器的的示示意意图图，将将相相同同的的运运动动加加在在两两个个传传感感器器上上，比比较较它它们们的的输输出出。在在比比较较法法中中，标标准准传传感感器器是是关关键

25、键部部件件，因因此此它它必必须须满满足足如如下下要要求求：灵灵敏敏度度精精度度优优于于0.5%0.5%，并并具具有有长长期期稳稳定定性性，线线性性好好；横横向向灵灵敏敏度度比比小小于于2.5%2.5%；对环境的响应小，自振频率尽量高。对环境的响应小，自振频率尽量高。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传感器的标定振振动动标标定定的的内内容容主主要要有有灵灵敏敏度度、频频率率响响应应、固固有有振振动动频频率率、横横向灵敏度等。向灵敏度等。灵灵敏敏度度的的标标定定是是在在传传感感器器规规定定的的频频率率响响应应范范围围内内，进进行行单单频频标标定定。亦亦

26、即即在在频频率率保保持持恒恒定定的的条条件件下下，改改变变振振动动台台的的振振幅幅，读读出出传传感感器器的的输输出出电电压压值值(或或其其他他量量值值)，就就可可以以得得到到它它的的振振幅幅电电压压曲曲线线。与与标标准准传传感感器器相相比比较较，就就可可以以从从下下式式求求得得它它的的灵灵敏敏度：度：式式中中：U U1 1、U U2 2分分别别为为待待测测传传感感器器和和标标准准传传感感器器的的输输出出电电压压；S S1 1、S S2 2分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。武汉理工大学机电工程学院武汉理工大学机电工程学院第第12 12章章 传感器的标定传

27、感器的标定 频频率率响响应应的的标标定定至至少少要要做做七七点点以以上上，并并应应注注意意有有无无局局部部谐谐振振现象的存在。这可以用频率扫描方法来检查。现象的存在。这可以用频率扫描方法来检查。固固有有振振动动频频率率的的测测定定是是用用高高频频振振动动台台作作激激励励源源，振振动动台台的的运运动动质量应大于传感器质量十倍以上。质量应大于传感器质量十倍以上。横横向向灵灵敏敏度度是是在在单单一一频频率率下下进进行行的的。要要求求振振动动台台的的轴轴向向运运动动速速度度比比横横向向速速度度大大100100倍倍以以上上。小小于于1%1%的的横横向向灵灵敏敏度度则则要要求求更更加加严严格。格。频频率率响响应应的的标标定定是是在在振振幅幅恒恒定定条条件件下下，改改变变振振动动台台的的振振动动频频率率，所所得得到到的的输输出出电电压压与与频频率率的的对对应应关关系系即即传传感感器器的的幅幅频频响响应应；比比较较待待测测传传感感器器与与标标准准传传感感器器输输出出信信号号间间的的相相位位差差，就就可可以以得得到到传传感感器器的的相相频频特特性性。相相位位差差可可以以用用相相位位计计读读出出，也也可可以以用用示示波波器观察它们的李沙育图形求得。器观察它们的李沙育图形求得。