传感器原理及其应用 第12章 传感器的标定

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1、传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第12章传感器的标定12.1传感器静态特性的标定传感器的标定，就是利用精度高一级的标准器具对传感器进行定度的过程，通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对应关系，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。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。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。工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进行。为获得高

2、的标定精度，(尤其像电容式、压电式传感器等)应将传感器及其配用的电缆、放大器等测试系统一起标定。有时，根据需要也要对温度响应、环境影响等进行标定。1.静态标准条件传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。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(101±7)kPa的情况。2.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。传感器的静态标定系统一般由以下几部分组成：(1)被测物理量标准发生器。如测力机、活塞式压力计、恒温

3、源等。(2)被测物理量标准测试系统。如标准力传感器、压力传感器、标准长度——量规等。(3)被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等配接仪器精度应是己知的，也作为标准测试设备。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：标定精度高，但较复杂标定装置能产生量值确定的高精度标准输入量，将之传递给被标定的传感器，同时标定装置能测量并显示出被标定传感器的输出量。比较法标定系统标定装置不能测量被测量，它产生的被测输入量通过标准传感器测量，被标定传感器的输出由高精度测量装置测量并显示。但如果被标定传感器包括后续测量电路和显示部分

4、，高精度输出测量装置就可去掉。注意！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高一个等级。3.静态特性标定的步骤标定过程步骤如下：(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输入标准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值；(3)将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记录下与各输入值相对应的输出值；(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，将得到的输出-输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果

5、就可以确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。12.2传感器动态特性的标定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，一阶传感器只有时间常数一个参数，二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数。传感器动态特性标定方法：1.阶跃响应法由于获取阶跃信号比较方便，使用阶跃响应法测量传感器动态性能是一种较好的方法。对于一阶传感器，简单的方法就是测得阶跃响应之后，传感器输出值达到最终稳定值的63.2%所经历的时间，即时间常数。但上述方法测量结果的可靠性仅仅取决于某些个别的瞬时值。为获得较可靠的结果，应记录下整个

6、响应期间传感器的输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。已知一阶传感器的阶跃响应函数为：整理得：令：则表明z和时间t成线性关系，且，如图所示。因此，可以根据测得的值，作出z-t曲线，再根据值算出时间常数。对于二阶传感器，实际设计时都设计成欠阻尼系统，即阻尼比小于1，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图。它是以的角频率作衰减振荡的，称为传感器的阻尼振荡频率。按照求极值的通用方法，可以求得各振荡峰值所对应的时间为、、…。已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：按求极值的通用方法，求得第一个峰值输出为则对应的最大超调量为测出最大超调量，

7、则可算出阻尼比：测出振荡周期Td值，根据Td=以及与的关系，代入下式计算固有频率：2.频率响应法该方法利用正弦周期输入信号，通过测定不同正弦激励频率下输出与输入的幅值比和相位差来确定传感器的幅频特性和相频特性。根据一阶传感器幅频特性曲线的伯得图，其对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率，可求得一阶传感器的时间常数。对欠阻尼二阶传感器，可从其幅频特性曲线上测得3个特征量：零频增益Ar(0)、共振频率增益和共振角频率。根据第1章分析得出的欠阻尼二阶传感器幅频特性表达式通过对其求极值可推导出3.冲击响应法冲击响应法具有所需设备少、操作简便、调

8、整控制方便的特点。如用于力传感器动态标定的落锤式冲击台就是根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力作为标准动态力的。用冲击信号作为传感器输入时，传感器系统传递函数为其输出信号的拉氏变换，由此可确定传感器的传