传感器的标定
传感器的标定
武汉理工大学机电工程学院
第12章 传感器的标定
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。一般组成： (1) 被测物理量标准发生器。如测力机、活塞式压力计、恒温 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。
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第12章 传感器的标定 比较法的原理简单、操作方便，对设备精度要求较低， 所以应用很广。
上图为一个用比较法标定振动传感器的示意图，将相同的运动 加在两个传感器上，比较它们的输出。在比较法中，标准传感 器是关键部件，因此它必须满足如下要求：灵敏度精度优于 0.5%，并具有长期稳定性，线性好；横向灵敏度比小于2.5%； 对环境的响应小，自振频率尽量高。
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第12章 传感器的标定
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 n 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 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。 备注：为获得较可靠的结果，应记录下整个响应期间传感器的 输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。
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第12章 传感器的标定
复现表 12-1 中这些基准点的方法是用一个内装有参考材料的 密封容器，将待标定的温度传感器的敏感元件放在伸入容器中 心位置的套管中。然后加热，使温度超过参考物质的熔点，待 物质全部熔化。随后冷却，达到三相点 ( 或凝固点 ) 后，只要同 时存在固、液、气三态或 ( 固、液态 ) 约几分钟，温度就稳定下 来，并能保持规定值不变。 对于定义固定点之间的温度，ITS-1990国际温标把温度分为4 个温区，各个温区的范围、 (1) 0.65～5.0 K间为3He或4He (2) 3.0～24.5561 K间为3He或4He (3) 13.8033 K～961.78℃ (4) 961.78℃以上为光学或光电高温计。 以上有关标准测温仪器的分度方法以及固定点之间的内插公式， ITS-1990国际温标都有明确的规定，可参考ITS-1990标准文本。
传感器的标定方法
传感器的标定方法传感器标定是指通过一系列实验和技术手段，对传感器进行参数的测量和调整，以确保传感器输出与被测量的物理量之间的准确关系。
传感器标定方法多种多样，根据不同的传感器类型和应用领域有所差异。
下面将介绍一些常见的传感器标定方法。
1. 建模法标定：建模法是一种常用的传感器标定方法，它通过将传感器的输入和输出建立数学模型，通过实验测量和数据拟合得到模型的参数，从而实现传感器的标定。
常用的建模方法有线性回归、多项式拟合、神经网络等。
例如，在温度传感器中，可以通过将温度传感器输入的电压信号与温度之间建立线性或非线性关系的模型进行标定。
2. 标准物质法标定：标准物质法是一种传感器标定的重要方法，它通过使用已知浓度的标准物质来对传感器进行标定。
例如，气体传感器可以使用标准气体品，电导传感器可以使用标准电解液，光学传感器可以使用标准光源等。
通过将传感器输出与标准物质的浓度进行比较，可以计算传感器的灵敏度、零点漂移等参数。
3. 对比法标定：对比法是一种通过将待标定传感器与已标定的传感器进行比较来进行标定的方法。
例如，压力传感器可以使用静水压力来进行对比标定，通过将待标定传感器与已标定传感器同时暴露在相同的静水压力下，比较两者的输出信号差异，可以得到待标定传感器的准确度。
4. 自标定法标定：自标定法是一种能够实时对传感器进行标定的方法，它利用传感器本身的特性和内部结构来实现标定。
例如，加速度传感器可以通过自标定法来校准，它通过检测传感器在不同加速度条件下的输出信号，得到传感器的灵敏度和零点偏移，并进行自动校正。
5. 外部参考法标定：外部参考法是一种使用外部参考量对传感器进行标定的方法。
例如，使用GPS 定位系统对地磁传感器进行标定，通过将传感器所在位置的真实地磁场与传感器输出信号进行比较，可以得到传感器的准确度和校准系数。
总之，传感器标定是确保传感器输出与被测量物理量之间准确关系的重要步骤。
在进行传感器标定时，需要选择合适的标定方法，并根据具体需求和应用场景进行操作。
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11.4.2 激波管标定法
一、激波管标定装置工作原理：
激波管标定装置系统组成：
➢ 激波管：产生激波的核心部分
➢ 入射激波测速系统
➢ 标定测量系统：由被标定传感器4，5，电荷放大器10及记忆
示波器11等组成。被标定传感器既可以放在侧面位置上，也可以放 在底端面位置上。从被标定传感器来的信号通过电荷放大器加到记 忆示波器上记录下来，以备分析计算，或通过计算机进行数据处理， 直接求得幅频特性及动态灵敏度等。
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11.4.2 激波管标定法
三、误差分析
➢ 测速系统的误差 ➢ 激波速度在传播过程中的衰减误差 ➢ 破膜和激波在端部的反射引起振动造成的
误差
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第11章 本章要点
传感器的静态特性标定
➢ 静态标准条件
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℃）， 相对温度不大于85%，大气压力为7kPa的情况。
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11.1 传感器的静态特性标定
静态特性标定的方法
➢ 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点；
➢ 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的 输入标准量值，并记录下与各输入值相对的输出值；
➢ 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；
➢ 按前两步所述过程，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；
11.1 传感器的静态特性标定
静态标准条件
传感器的标定与校准
标定与校准的概念新研制或生产的传感器需要对其技术性能进行全面的检定,以确定其基本的静、动态特性,包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。
例如，对于一个压电式压力传感器，在受力后将输出电荷信号，即压力信号经传感器转换为电荷信号。
但是，究竟多大压力能使传感器产生多少电荷呢？换句话说，我们测出了一定大小的电荷信号,但它所表示的加在传感器上的压力是多大呢？这个问题只靠传感器本身是无法确定的，必须依靠专用的标准设备来确定传感器的输入――输出转换关系，这个过程就称为标定。
简单地说，利用标准器具对传感器进行标度的过程称为标定.具体到压电式压力传感器来说,我们用专用的标定设备，如活塞式压力计，产生一个大小已知的标准力，作用在传感器上，传感器将输出一个相应的电荷信号，这时，再用精度已知的标准检测设备测量这个电荷信号，得到电荷信号的大小，由此得到一组输入――输出关系，这样的一系列过程就是对压电式压力传感器的标定过程，如图1-19所示。
图1—19 压电式压力传感器输入――输出关系校准在某种程度上说也是一种标定，它是指传感器在经过一段时间储存或使用后，需要对其进行复测，以检测传感器的基本性能是否发生变化，判断它是否可以继续使用。
因此,校准是指传感器在使用中或存储后进行的性能复测。
在校准过程中，传感器的某些指标发生了变化,应对其进行修正.标定与校准在本质上是相同的，校准实际上就是再次的标定，因此，下面都以标定为例作介绍。
1．7．2 标定的基本方法标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、位移、压力等)，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线.例如，上述的压电式压力传感器,利用标准设备产生已知大小的标准压力，输入传感器后，得到相应的输出信号，这样就可以得到其标定曲线,根据标定曲线确定拟合直线,可作为测量的依据，如图1-20所示.有时,输入的标准量是由标准传感器检测而得到的，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较，如图1-21所示。
传感器的标定..课件
智能化标定
自动化标定
通过智能化技术实现传感 器自动标定，减少人工干 预和操作成本。
数据驱动标定
利用大量传感器数据通过 机器学习算法进行自动标 定和校准。
在线标定
在传感器工作过程中进行 实时标定，提高传感器性 能和稳定性。
标准化发展
制定统一标准
推动制定全球统一的传感器标定标准和规范，促 进传感器产业的发展。
多参数标定能够更全面地描述传感器特性的多参数性，提高标定 的精度和可靠性，但计算复杂度更高，需要更多的计算资源和时 间。
03
传感器标定实验
实验设备与环境
传感器标定设备
包括传感器标定架、数据采集系 统、计算机等。
环境要求
实验室应保持恒温、恒湿，避免 外界干扰，确保实验结果的准确 性。
实验步骤
准备工作
动调整传感器的性能参数，以适应环境变化。
06
传感器标定未来发展与展望
新技术应用
01
02
03
人工智能技术
利用人工智能算法对传感 器数据进行处理和分析， 提高标定精度和效率。
物联网技术
通过物联网技术实现传感 器远程标定和数据传输， 降低成本和提高灵活性。
虚拟现实技术
利用虚拟现实技术模拟传 感器工作环境，进行传感 器性能测试和标定。
温度补偿
通过测量传感器在不同温度下 的性能参数，对其进行温度补 偿，以提高测量精度。
噪声抑制
采用滤波器等方法抑制传感器 输出信号中的噪声，提高测量
信号的信噪比。
02
传感器标定原理
线性标定原理
线性标定是指通过已知的标准量对传感器的输出进行标定，以确定其输入与输出之 间的线性关系。
线性标定通常使用最小二乘法或多项式拟合等方法，通过一系列已知的标准量对传 感器的输出进行线性回归分析，得到输入与输出之间的线性方程。
第二章 传感器的特性及标定
不重复误差是属于随机误差性质的，校准数据的离散程度是与 随机误差的精度相关的，应根据标准偏差来计算重复性指标。重复性 误差eR又可按下式来表示：
式中
——标准偏差。 服从正态分布误差，可以根据贝赛尔公式来计算：
(2 ~ 3) eR 1000 0 yFS
式中
2 ( y y ) i i 1
X
2.1.3
迟滞
迟滞表示传感器在输入值增长的过程中（正行程）和减少的过程
中（反行程），同一输入量输入时，输出值的差别，如图所示，它是
传感器的一个性能指标。该指标反映了传感器的机械部件和结构材料 等存在的问题，如轴承摩擦、灰尘积塞、间隙不适当、螺钉松动、元 件磨损（或碎裂）以及材料的内部摩擦等。迟滞的大小通常由整个检
式中
y f x a0 a1x a2 x2 an xn
x ——输入信号； y ——输出信号； a0——零位输出； a1——传感器线性灵敏度； a2，a3，…，an——非线性系数。对于已知的输出——输
入特性曲线，非线性系数可由待定系数法求得。
X
多项式代数方程的四种情况:
an s nY s an1 s n1Y s a1 sY s a0Y s
m m 1
bm s X s bm1 s X s b1 sX s b0 X s
m m1
Y (s) bm s bm1s b1 s b0 H ( s) n n 1 X (s) an s an1s a1 s a0
初始值均为零时输出的拉氏变换和输入的拉氏变换之比dtdxdtdywwwnuceducn223频率响应函数初始值均为零时输出的傅立叶变换和输入的傅立叶变换之比是在频域中对系统传递信息特性的描述傅立叶变换a表示输出量幅值与输入量幅值之比相对于信号频率的关系称为幅频特性
传感器标定技术
传感器标定技术
对于车辆上⾯安装的各个传感器，需要统⼀到车体坐标系，为了测量⽅便，我们先以车头为原点，建⽴笛卡尔坐标系。
标定步骤如下：
1，以其中⼀个传感器为基础，最好选择⼀条有车道线的地⽅，车辆以车道线平齐。
2，以车道线为基础，在车辆正前⽅放置标定物，在单个传感器的可视化图中，此标定物体应该为中⼼位置。
如果不在中⼼，可以调整⼀下，保证在中⼼位置。
3，以此传感器为基础，将其他传感器的数据也合并到该传感器的可视化图中。
4，最后⼀步，将gps和传感器坐标标定到统⼀坐标。
⼀般，我们会选取⼀条长直道，然后在此直道上，采集轨迹，然后将标定物放置在车道正中间，调整障碍物的标定参数，使得物体在轨迹的正中间。
前向传感器：
对于⼀般的传感器，⽐如四线激光雷达：
最后的⼀条线，根据⾼度，⼀般保证 20-30m左右即可，或者⽔平安装。
0.45m : tan89.2 * 0.45 = 32m.
雷神16线：
⼤概是 5m左右。
第11章 传感器的标定讲解
第11章 传感器的标定
传感器的静态特性标定
1.静态标定条件
（205）℃；≤85%RH；（76060）mm汞柱
2.标定仪器设备（标准量具）精度等级的确定
●标准量具的精度等级比被标定传感器至少高一个等级； ●附加设备又必须比标准量具至少高一个等级。
3.静态特性标定方法——比较法
●创造一个静态标准条件； ●选择标准量具； ●标定步骤： 全量程等间隔分点标定； 正、反行程往复循环一定次数逐点标定（输入标准量，测试 传感器相应的输出量）； 列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特性曲线； 数据处理获取相应的静态特指标。
F P S
定
§11-2 压力传感器的动态标定
传感器的动态特性取决于什么？
传感器的动态模型，即阶数以及τ，ξ,ω等
幅频特性、相频特性
阶跃响应
各种已知频率的正 弦信号激励试验
阶跃信号激励试验
19
这种方法的缺点是标定频率低(低于500 Hz)， 标定装置制作困难，应用受到限制。
气压表 泄气门 膜片 侧面被标定的传感器 底面被标定的传感器 高压室 低压室 测速压力传感器 测速 前置级 数字 频率计 测压 前置级 记录 装置
§11-2 压力传感器的动态标定
气源
25
第11章 传感器的标定
激波管法
原理：标定时根据要求对高、低 压室充以不同的压缩空气，低压 室一般为一个大气压力，对高压 室则充以高压气体。当高、低压 室的压力差达到一定值时膜片破 裂，高压气体迅速膨胀冲入低压 室,从而形成激波。 这个激波的波阵面压力保持恒定， 接近理想的阶跃波，并以超音速 冲向被标定的传感器。
第11章 传感器的标定
1. 实验确定一阶传感器时间常数的方法
传感器的标定
2 )3 0.015396 3
迟滞误差为：
eH
(yH )max 2 yFS
100%
0.015396 100% 0.1925% 24
输出量 测量
2.4.2 传感器的静态标定
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（205C），相对湿度不大于 85%，大气压力为101.327.999kPa。
2.4.2 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。
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。
标定分类
标定 装置
标准传 待标定 输出量 感器 传感器 显示
2.4 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。
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，
传感器的标定
气源
图11-10 激波管 图11-11 激波管中压力波动
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图11-10 激波管
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图11-11 激波管中压力波动
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11.4.2 激波管标定法
二、激波管阶跃压力波的性质
激波管法是不可能得到如此理想的阶跃压 力波，通常它的典型波形如图11.13所示。可 所示。 力波，通常它的典型波形如图 所示 个参量来描述， 用4个参量来描述，即初始压力 1、阶跃压力 个参量来描述 即初始压力P △P、上升时间 R及持续时间 、上升时间t 及持续时间τ
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11.2 传感器的动态特性标定
传感器的动态标定主要研究传感器的动态响 而与动态响应有关的参数， 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， 二阶传感器则有固有频率ω 一个时间常数 ， 二阶传感器则有固有频率 n 和 阻尼比ξ两个参数 两个参数。 阻尼比 两个参数。
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11.4 压力传感器的标定
动态标定压力源 激波管标定法
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图库
11.4.1 动态标定压力源
1、稳态周期性压力源 、 2、非稳态压力源 、
活塞与缸筒 凸轮控制喷嘴 声谐振器 验音盘
采用稳态周期性压力源来确定压力传感器的动态特性时， 采用稳态周期性压力源来确定压力传感器的动态特性时，往往受到 所能产生的振幅和频率的限制。高的振幅和稳态频率很难同时获得。 所能产生的振幅和频率的限制。高的振幅和稳态频率很难同时获得。 为此，在较高振幅范围内，为了确定压力传感器的高频响应特性， 为此，在较高振幅范围内，为了确定压力传感器的高频响应特性， 必须借助于阶跃活数理论。所谓激波管， 必须借助于阶跃活数理论。所谓激波管，无疑它能产生非常接近的 瞬态"标准 压力。激波管的结构十分简单， 标准"压力 瞬态 标准 压力。激波管的结构十分简单，它是一根两端封闭的长 用膜片分成两个独立空腔。 管，用膜片分成两个独立空腔。 快速卸荷阀 脉冲膜片 闭式爆炸器 激波管
传感器的标定与校准讲义
绝对误差在理论上是指测量值x与被测量的真值xi之间的 差值，即
=xxi=xx0 (真值xi一般用相对真值x0代替） 绝对误差是可正可负的，而不是误差的绝对值；绝对误 差还有量纲，它的单位与被测量的单位相同。
12.1 测量误差基本概念
测量误差的分类：
●标准活塞压力计标定装置，如图14-7所示；压力标定 曲线如图14-8所示。
图14-7 活塞压力计标定压力示意图
图4-8 压力标定曲线
12.4 压力传感器的标定和校准
●杠杆式测力计标定装置，如图14-9所示，砝码重量与 压力的关系
W=pSb/a p=Wa/Sb
图14-9 杠杆式压力标定机示意图
12.4 压力传感器的标定和校准
静态标定—标定静态特性：灵敏度，线性度，
传感器的标定
精度…；
动态标定—动态特性参数（；n，）测试； 动态标定信号：阶跃信号或正弦信号。
传感器的标定与校准的目的:保正测量的准确、统一和法
制性。
12.1 测量误差基本概念
12.1.1 测量与测量误差
1.测量 “测量是以确定量值为目的的一种操作”。这种“操作” 就是测量中的比较过程——将被测参数与其相应的测量单 位进行比较的过程。实现比较的工具就是测量仪器仪表 （简称仪表）。 检测是意义更为广泛的测量，它包含测量和检验的双 重含义。工程参数检测就是用专门的技术工具（仪表）， 依靠能量的变换、实验和计算找到被测量的值。一个完整 检测过程应包括：
12.3 传感器的动态特性标定
二、二阶传感器的动态标定
确定传感器的阻尼比和固有频率 n 。 欠阻尼二阶传感器的阶跃响应（如图14-3）
y(t) k 1
传感器的标定与校准讲义课件
要点二
位移传感器的校准
校准的目的是确保位移传感器在长时间内保持其准确性。 这包括检查传感器的线性度、重复性和可靠性等性能指标 。如果传感器读数与标准位移存在偏差，需要进行调整或 更换。
其他类型传感器的标定与校准
• 其他类型的传感器，如加速度传感器、陀螺仪和磁力计等，也 需要进行类似的标定和校准过程。这些传感器通常用于测量运 动和方向，并在许多应用中发挥着关键作用，如导航、运动检 测和游戏开发等。在进行标定和校准时，需要使用已知的标准 源来检查传感器的性能，并确保其在各种工作条件下都能提供 准确和可靠的数据。
读数，可以确定传感器的误差和精度。
温度传感器的校准
校准温度传感器是为了确保其在各种环境和工作条件下都能提供准确的温度读数。这包 括检查传感器的线性度、重复性和迟滞性等性能指标。如果传感器读数与标准温度源存
在偏差，需要进行调整或更换。
位移传感器的标定与校准
要点一
位移传感器的标定
位移传感器的标定涉及到使用已知位移的参考物来检查传 感器的输出。这个过程通常在多个位移点上进行，以覆盖 传感器的工作范围。通过比较标准位移和传感器的实际读 数，可以确定传感器的误差和精度。
延长传感器寿命
通过定期的标定与校准， 可以及时发现并解决传感 器潜伏的问题，从而延长 其使用寿命。
标定与校准的流程
性能测试
对传感器的各项性能指标进行 测试，如线性度、重复性、灵 敏度等。
结果评估
根据测试结果评估传感器的性 能，判断是否符合要求。
准备工作
选择合适的标准设备、搭建标 定与校准环境、准备相关资料 等。
其他误差来源包括电源噪声、电磁干扰等。
详细描述
除了上述常见的误差来源外，电源噪声和电 磁干扰也可能对传感器输出造成影响。为了 减小这些误差，可以采取相应的措施来抑制 电源噪声和电磁干扰，例如使用滤波器、屏 蔽电缆等。同时，在传感器设计和制造过程 中也应充分考虑这些因素的影响，以提高传 感器的性能和稳定性。
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传感器标定实验
本实验所采用的硅光电池安装了带有狭缝的遮光筒以后作为小球垂直位移的测量装置，实现将小球的位移信号转化为光信号再转化为电压信号输出。
为此，必须通过实验精确的标定遮光筒的狭缝的透光长度与硅光电池输出电压之间的关系。
因此，在实验台搭建完毕后，设计了传感器性能标定实验。
实验器材：搭建好的磁悬浮实验台（不包含励磁系统），示波器，数字显示式游标卡尺（0.01mm）。
实验条件：
1.遮光筒狭缝1.5*20（mm）；
2.光源：12V，20W直流铯灯；
3.狭缝距离光源距离25cm；
4.狭缝与遮蔽物之间距离2cm。
实验结果：
狭缝开度（mm）输出电压（mV）
全闭36.0
0 40.0
1.34 48.5
1.83 60.0
2.41 76.0
2.96 87.6
3.51 98.6
3.99 118
4.55 149
5.13 175
5.80 193
6.46 225
6.98 240
7.47 252
8.08 271
8.64 278
全开349
根据以上的实验结果，在matlab中绘制输出电压与狭缝开度之间的函数关系图如下：
点（6.98,240），并对其线性拟合，结果如下：
可以看出，其拟合方程为：y=41x-42.17。