传感器标定

③快速阀门装置
1－传感器 2－泄放阀 3－小容腔 4－阀芯 5－阀杆 6－活塞 7－供油管道
1.6.3传感器标定实例
1、应变式力传感器的静态标定
先超负荷加载20次以上，超载量为传感器额定 负荷的120％～150％。然后将传感器输入量以额定 负荷的10％为间隔分成若干个点，按前面所述一般 步骤标定，得到灵敏度、线性度、迟滞、重复性。 在无负荷情况下对传感器缓慢加温或降温到一 定的温度，可测得传感器的零点温漂；对传感器或 整个标定设备加恒温罩，则可测得零点漂移；如加 额定负荷而温度缓慢变化时，可测得灵敏度的温度 系数。需要时也可测出分辨力和阈值。
传感器静态标定设备分类：力标定设备（如测力 砝码、拉压式测力计）、压力标定设备（如活塞式压 力计、水银压力计、麦氏真空计）、位移标定设备 （如量块、直尺等）、温度标定设备（如铂电阻温度 计、铂铑－铂热电偶、基准光电高温比较仪）等。 （1）力标定设备 1）测力砝码 我国基准测力装置是固定式装基准测力机，图 1.15采用杠杆式砝码标定装置。
（5）应变标定设备 一般采用加载后能产生已知均匀准确的一维应力装 置，多采用泊松系数为0.285的合金钢的等弯矩梁或等 强度悬臂梁实现，梁的应变通常用挠度计转换后测得。
2、动态标定设备
标定中常用的动态激励设备有激振器（如电磁振动 台、低频回转台、机械振动台等）、激波管、周期与非 周期函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速 度、位移、力、压力传感器的动态标定。
1
2
3
4
1-支架 2-传感器 3-杠杆 4-砝码
图1.15杠杆式砝码标定装置
图1.16为另一种液压式测力机工作原理。
4 3 2 1 5 6 7 8
1－传感器 2－工作活塞，3－液压缸 4－液体 5－砝码 6－加力活塞 7－测力液压缸 8－导管
图1.16 液压ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测力机工作原理
2）拉压式（环形）测力计 环形测力计是一种标准推力标定装置，它由液压缸 产生测力，测出测力环变形量作为标准输入。可以用杠 杆放大机构和百分表结构来读测力环变形量，也可用光 学显微镜读取。若用光学干涉法读取，则精度更高 （2）压力标定设备 1）活塞式压力计 利用图1.16的液压式测力机原理和不同的结构形式， 再将传感器受力由点改成面接触结构，就形成了活塞式 压力计，如图1.17所示。其中，砝码1经油路产生的压 力作为标准压力作用在待标定的传感器6上。
（2）根据传感器量程分点情况，由小到大、逐点递增 输入标准量值，并记录与各点输入值相对应的输出值。 （3）将输入量值由大到小、逐点递减，同时记录下与 各点输入值相对应的输出值。 （4）按上述步骤（2）、（3）所述过程，对传感器进 行正、反行程往复循环多次（一般为3～10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处理。输入已知标准非电量， 测出传感器的输出，给出标定曲线、标定方程和标定常 数，计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指 标。
4. 动态标定
传感器的动态标定就是通过实验得到传感器动态性 能指标，确定方法常常因传感器的形式（如电的、机械 的、气动的等）不同而不完全一样，但从原理上一般可 分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应 法和脉冲信号响应法等。 （1）阶跃信号响应法 1）一阶传感器时间常数τ的确定 输入x是幅值为A的阶跃函数时，由一阶传感器的微 分方程可得： t − e y（t） ＝ kA[1- τ ]
3. 静态标定
确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、 迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条 件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性 指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、 冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为 室温20℃±5℃）、相对湿度不大于85％、气压为 （101±7）kPa等条件。 一般的静态标定包括如下步骤： （1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间 距点。
1．传感器标定、校准与检定概念
传感器或仪器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行 一系列试验，进行全面检测，确定其实际性能，这个称之为标 定过程。
经使用一段时间 （中国计量法规定一般为一年）或修理后， 必须对其主要技术指标再次进行检测试验，即校准试验，以确保 其性能指标达到要求。 检定必须严格按照检定规程运作，对所检仪器给出具有法律 效应合格或不合格的结论。
（1）振动标定设备 1）电动式中、低频激振器
中频激振器工作的频率范围 为5～7.5kHz，一般采用电动式 激振器作为中频标定用振动台。 图1.18所示为电动式激振器 结构示意图，驱动线圈7固装在 顶杆4上，并由支承弹簧1支承 在壳体2中，线圈7正好位于磁 极5与铁心6的气隙中。磁钢3、磁极5、铁心6和气隙构成磁回路， 当线圈7通以经功率放大的交变电流时，它在气隙的磁场中受力， 该力通过顶杆4传到试件8上便是激振力。
也可以利用任意两个超调量来确定ξ，表达式为：
1 ξ= 1 + 4π 2 n 2 /[ln(σ Pi / σ P (i + n ) ]2
σpi－第i个超调量 σp（i+n）－第i+n个超调量 σpi和σp（i+n）之间相隔n个周期 （2）正弦信号响应法 1）一阶传感器时间常数τ的确定。 将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯得图，则其 对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率ω0=1／τ，由 此可确定一阶传感器的时间常数τ。
2．传感器标定的方法与特点
标定的基本方法是将已知的被测量（亦即标准量）输入给 待标定的传感器，同时得到传感器的输出量；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。 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。传感器的 标定有静态标定和动态标定两种。
P1
P2
传感器
图1.20 方波压力发生器 ④喇叭式压力发生器的工作原理类似于动圈式扬 声器，音圈受正弦信号激励，带动音膜振动，使空气 耦合腔内的压力变化。
2）非周期函数压力（力）发生器 ①激波管
1-壳体 2-破膜针 3-高压腔 4-管接头 5-膜片 6-低压腔 7-传感器
②落球装置
4 5
1－标准传动杆 2－本体 3－活塞杆 4－锤体 5－液压油 6－待标定传感器
变形整理得:Z＝ln[l－y（t）／（kA）] 其中Z= -t／τ 根据测得的输出信号y（t）作出Z-t曲线， 则τ=-△t／△Z。 2）二阶传感器阻尼比ξ和固有频率ω0的确定
ξ=
ω0 =
1 1 + [π / ln(σ p / y (∞))]2
ωd
1−ξ
2
= tP
π
1−ξ
2
二阶传感器一般设计成 ξ＝ 0.7～0.8的欠阻尼系统。
2．压电式压力传感器的静态标定
压电式压力传感器的静态标定可在活塞式压力计上进行。 传感器安装在静重式标准活塞压力计的接头上，传感器配接由静 态标准电荷放大器和显示记录设备（可选用数字式峰值电压表、 光线示波器、笔录仪、磁带记录仪等）组成的标准测量系统。
3．热电阻的静态标定
标定步骤：用标准温度计测出恒温箱温度，将被测热电阻置 于恒温箱中，被测热电阻串联标准电阻Rs、可调电位器电压表和 毫安表，调节可调电位器使被测系统回路电流控制在4mA。先将 切换开关置标准电阻Rs一侧，读取电位差计示值Us，再转置被测 电阻端读出电位
2）二阶传感器阻尼比ξ和固有频率ω0的确定
Ar 1 = A0 2ξ 1 − ξ
2
ω0 =
ωr
1 − 2ξ
2
A0--欠阻尼时零频增益 Ar--共振频率(最大)增益 Ωr--共振角频率
（3）其他方法 如果用功率谱密度为常数C的随机白噪声作为待标定传 感器的标准输入量。
1.6.2 常用传感器标定设备
1．静态标定设备
第1章 传感检测技术基础
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 传感与检测的概念 传感与检测技术概述 传感器的基本特性 测量方法 测量误差 传感器标定
1.6 传感器标定
利用标准设备产生已知的非电量（标准量），或用基准 量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程，称为 传感器标定。
1.6.1传感器标定
电位差计示值Ut，即可按下式求得被测电阻的阻值Rt Rt=（Ut/Us）Rs 一般取额定温度的90％、50％、10％为标定点。
4．压力传感器的动态标定
2）压电式高频激振器
1.被标传感器，2.内装传感器 3.压电片，4.底座 图1.19 压电式高频振动台
3）其他激振器 机械振动台种类很多，其中最常用的是偏心惯性质 量式。其原理是电机带动-偏心质量旋转，产生振动。 （2）压力标定设备 1）周期函数压力发生器 ①振动空腔校验器为封闭空腔，用适当方法产生空气谐 振，安装在空腔壁上的传感器能感受到周期变化的力。 ②非谐振空腔校验器的原理是用一定方式调制通过容器 的气流，使容器内的气体产生周期变化的压力。 ③转动阀门式方波压力发生器结构原理如图1.20所示：
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2
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9 1-标准压力表 2-砝码 3-活塞 4-进油阀 5-油杯 6-被标传感器 7-针形阀 8-手轮 9-手摇压力阀
图1.17 活塞压力计示意图
2）水银压力计 水银压力计是一种最普通的液体压力计，采用U形 管水银压力计的原理，靠水银的重力产生压力，根据两 端位置差和一端的压力，即可求出另一端的压力。 （3）位移标定设备 位移的标定设备主要是各种长度计量器具，如各种 直尺、深度尺、深度千分尺、量块、塞规、专门制造的 标准样柱等均可用作位移传感器的静态标定设备。 （4）温度标定设备 低温至630.74℃以内主要用铂电阻温度 计,630.74～1064℃用铂铑-铂热电偶，1064℃以上则 采用光学高温计。