第14章 传感器的标定

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干湿球法的测湿原理


结构：一根 U 型管连接的两个玻璃球组成，一个球 染成蓝色，另一个球不上色，并用湿纱布包裹。 U 型管内装带色的硫酸，玻璃球起气体温度计的作用。 原理：由于蒸发，湿球的温度下降，其中的气体收 缩，因此引起 U 型管内着色液体的位移，其高度的 变化反应了湿球的蒸发率，而我们知道，蒸发率与 湿度是相关的，因此液体的位移可以作为空气的湿 度。
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14. 3.1 绝对标定法
我国目前的振动计量最高基准是采用激光光波 长度作为振幅量值的绝对基准。 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。

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14.3.2 比较标定法
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14.2 传感器的动态特性标定
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 有一个时间常数τ 、二阶传感器则有固有频 率ω n和阻尼比ζ两个参数;

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一阶传感器
一阶传感器的阶跃响应函数为：

Sk=E· Sk0/E0
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14.4 压力传感器的标定
简介 14.4.1 动态标定压力源 14.4.2 激波管标定法
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用来作为动态测量的压力传感器除了按前述 方法进行静态标定外，还要进行某种形式的 动态标定。 动态标定要解决两个问题：
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饱如盐溶液的相对湿度

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）？
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双压法



高压(Ps)干燥空气经过二级串联水饱合器，在恒定温度下达到充 分饱合，经充分热交换后，等温（或非等温）膨胀到较低压力 (Pt)下的器件标定室内。 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： P relative hum idity t 100% Ps 等温条件下： P P 非等温条件下： relative hum idity ws t 100%

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稳态周期性压力源 活塞与缸筒 声谐振器

峰值压力可达70kg／cm2 频率可达到100Hz 活塞缸筒静态压力源
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14.4.2 激波管标定法 激波管标定装置系统
核心部件： 激波管

1一激波管的高压室 2一激波管的低压室 3一激波管的高低压室间的膜版 4一侧面被标定的传感器 5—底面被标定的传感器 6、7一各为测速压力传感器 8—测速前置级 9一数字式频率计 10-测压的前置级 11—记压记忆装置 12一气源 13—气压表 14一泄气门
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二阶传感器则有固有频率ω n 和阻尼比ζ 两个参数
输入信号为阶跃信号：
M e
(

1 2
)

(

1 )2 1
ln M
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14.3 测振传感器的标定 14.3.1 绝对标定法 14.3.2 比较标定法
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测振传感器的标定
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14.1 传感器的静态特性标定
14.1.1 静态标准条件
14.1.2 标定仪器设备的精度等级的确定 14.1.3 静态特性标定的方法
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14.1.1 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1.01×105 Pa的情况。
①要获得一个令人满意的周期或阶跃的压力源； ②要可靠地确定上述压力源所产生的真实的压
力一时间关系。
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14.4.1 动态标定压力源 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，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： 1．稳态周期性压力源 2．非稳态压力源

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14.1.2 标定仪器设备的精度等级的确定

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。

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。这样，通
过标定确定的传感器的静态性能指标才是可靠的， 所确定的精度才是可信的。
干湿球法 饱和盐溶液法 双压法 分流法

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干湿球法



1750年，Richman发现，当温度计的温泡上有水 时，它所指示的温度低于周围空气的温度，这一偶 然的发现引起了人们的注意。经研究，查明这种致 冷现象产生的原因是由于水蒸发的结果。 早期的研究者发现，干球和湿球的温度差，即干湿 差，不仅取决于温度和空气中的水份含量，而且还 和湿球表面空气的疏速有关，因而被命名为通风干 湿表。 1799 年 Lesslie 利用干湿球法的测湿原理制造了一 种湿度计，1836年Manson使这种湿度计商品化。
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基本原理
比例阀V 将来自干气源 ( 一般是干空气 ) 的气体按一定的比例 分成两部分。一路进入饱和器s，被混合的气流在混合室中同另 一股干气混合，而后进入试验腔，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。
试验腔中的相对湿度是下列因素的函数： （1）通过饱和器的空气的份数。
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分流法湿度发生器

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。 E.Gluckauf在研究吸收湿度计性能时首先使用了这种 方法。 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。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必然的。
目录
简介 14.1 传感器的静态特性标定
14.2 传感器的动态特性标定
14.3 测振传感器的标定
14.4 压力传感器的标定
14.5 湿度传感器的标定及其设备 本章小结
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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。 有时，根据需要也要对横向灵敏度、温度响应、 环境影响等进行标定。
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饱和盐溶液法



它可提供工作标准湿度，在 0 ℃以上对湿度敏感元件进行 定量标定。 根据拉乌尔定律，溶质的溶解 降低了该温度下溶液的气压， 当溶解盐达列饱和时，在给定 温度下整个溶液的平衡蒸气压 最小并保持恒定。 利用在封闭容器中饱和盐溶液 的平衡蒸气压作为标准湿度。 该湿度的高低，由饱如盐溶液 的种类和平衡温度所决定。
t
yu (t ) 1 e 1 yu (t ) e z t

tBaidu Nhomakorabea
t
1 yu (t ) e z t

z ln[1 yu (t )]
z ln[1 yu (t )]


前提：输入信号为阶跃信号
结论：τ 为z-t直线的斜率
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14.1.3 静态特性标定的方法 对传感器进行静态特性标定， 首先 是创造一 个静态标准条件。 其次 是选择与被标定传感 器的精度要求相适应一定等级的标定用的仪 器设备。 然后 才能开始对传感器进行静态特 性标定。

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标定过程步骤如下：

湿敏元件定量标定的实质在于建立标准湿度发生器， 提供准确的湿度源。
由于气相湿度的高低受温度、压力、介质的性质、
容孔的材质和系统的状况等众多因素的影响，所 以建立标准湿度发生器和恒湿源决非易事，其困 难和复杂的程度甚至大大超过了湿度敏感元件本 身的制作。
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相对湿度的标定方法及设备
测振仪性能的全面标定只是在制造单位或研 究部门进行．在一般使用单位和使用场合， 主要是标定其灵敏度、频率特性和动态线性 范围。 标定和校准测振仪的方法很多

从计算标准和传递的角度来看，可以分成两类：
一类是复现振动量值最高基准的绝对法，另一类 是以绝对法标定的标准测振仪作为二等标准用比 较法标定工作测振仪。 按照标定时所用输入量种类又可分为正弦振动法、 重力加速度法、冲击法和随机振动法等。



这是一种最常使用的标定方法，即将被标 的测振传感器和标准测振传感器相比较。 标定时，将被标测振传感器与标准传感器 一起安装在标准振动台上。为了使它们尽 可能地靠近安装以保证感受的振动量相同， 常采用“背靠背”法安装。 设标准测振传感器和被标测振传感器在受 到同一振动量时输出分别为 E0和E．已知 标准测振传感器的加速度灵敏度为 S k0 ， 则被标测振传感器的加速度灵敏皮Sk为:
Pwt Ps
Pws、Pwt分别为水饱 和器和标定室所处温 度下的饱和水汽压
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实际情况下的修正
由于水不是理想气体，所以需要修正； K为修正系数(k=0.00017)

Pt (1 kPt ) relative humidity 100% Ps (1 kPs )
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，由小到大逐点输入标准值，
并记录下相对应的输出值； 将输入值由大到小逐点减少下来，同时记录下与各输入 值相对应的输出值； 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，将得到的输出一输入测试数据用表格列出 或画成曲线; 对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可以确定 传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态持性指 标。
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被标定的传感器输出波形
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14.5 湿度传感器的标定及其设备
引言 相对湿度的标定方法及设备 绝对湿度的标定方法及设备

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引 言

湿度敏感元件的感湿特征量与环境气相湿度之间并 不存在固定的定量关系，感湿特征量的测量值也不 可能直接表征环境气相湿度的确切数值。因此 湿敏 元件必须经过定量标定，方可实用。
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激波管

当高、低压室的压力差达到一定程度时膜片 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v并以超音速冲向被标定 的传感器。传感器在激波的激励下按固有频 率产生一个衰减振荡。
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（ 2）饱和室中的总压力。
（3）饱和水汽压力。 （4）试验腔内的水汽分压力。
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发生器主要 由下列各部分 组成：气源和 干燥系统、比 例配气系统、 增湿系统、混 合室、试验腔、 制冷系统和温 度控制和调节 系统。
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