压电式传感器的准静态校准

(1) 归一化旋钮按传感器公称电荷灵敏度设置 。 ( 2) 衰减挡 一般电荷放大器最大输出电压 为 10V , 输出电压在 ( 1 ～10 ) V 范围内工作状态较好 , 既不会在传 感器满载时使电荷放大器过载 , 又可以保证在小载荷时 有足够的信噪比 ,为此 , 以下式估算衰减挡设定值 : 估算值 = 位 : mV 。
Fm — 为传感器的 机械量额定 负荷值 , 其单位应与
10 × 10 3 (
Fm
mv/ unit)
式中 :10 × 10 3 — 为电荷放大器的最大输出电压 , 单
传感器公称灵敏度分母的单位一致 , 对于力传感器为 N 或 kN , 对于压力传感器为 Pa 或 105 Pa (kgf/ cm2) 。 以不大于估算值的一个挡位为衰减挡的设定值 。在 传感器公称灵敏度未知 , 或其他原因不能按公称灵敏度 设置归一化挡时 ,可以将衰减挡先置于灵敏度较低挡位 , 通过试测确定合适的归一化及衰减挡数值 , 以输出电压 在 ( 1～ 10) V 范围内为宜 . 注意在计算校准结果时 , 一定 要将归一化及衰减挡的实际设定值代入公式计算。 ( 3) 高通滤波旋钮置于 “L ” 位置。 ( 4) 低通滤波旋钮置于 3kHz 以下任一位置即可 。 ( 5) 复位开关在预 热和非测量时 , 均 应置于复位状 态 ,以确保电荷放大器输入端场效应管的安全 。 313 连接系统 、 预热 将传感器、 电荷放大器、 数字电压表正 确连接后 ,接通电源预热 30 分钟。 另外 ,为防止传感器和电 荷放大器不同电位产生过载现象 ,应将地线插好 。 4 测量 411 将电荷放大器复位开关置于 “工作” 状态 ,数字电压 表清零 ,对传感器予加载至 100 %最大载荷 , 完全卸载后 再加载 ,重复进行 2～ 3 次 ,使传感器和测量系统处于稳 定状态 。在予加载过程中注意观察系统工作是否正常 、 安全 。 412 对数字电压表重新清零后开始正式测量 。在传感 器额定负荷的 20 %～ 100 %范围内均匀分布 5 ～ 1 0 点 , 对各点进行 3～ 5 次循环测量 ,测量过程中应平稳匀速加
34 载、 读数 。测量方式可以采用 “复零校准法” ,即加载至第 一测量点读取电压表示值后 , 马上卸载重新加载至第二 测量点读数 , 如此重复至最后一点 , 完成一个测量循环 ; 也可以采用 “连续校准法” , 即加载至第一测量点读取电 压表示值后 , 继续加载至第二测量点读数 , 如此重复至最 后一点 , 完成一个测量循环 。两种方法均应在每个测量 循环完成卸载后 , 立即从电压表读取 “零漂” 示值 ,并记为 “ V0 ” 。 “零漂” 是因传感器绝缘电阻和电荷放大器输入 阻抗不可能无限高 ,在非动态工作时必然存在的现象 , 在 计算校准结果时应加以考虑。两种测量方法相比 “复零 , 校准法” 较为繁琐 , 但 对用于动态量测试的 压电式传感 器 , 更接近于其实际工作情况 。 5 计算校准结果 51 1 灵敏度 Si 设有 m 个校准点 , 并进行 n 次循环测量 , 则各校准 点的灵敏度为 :
压电式传感器是利用石英晶体的压电效应设计制造 的 , 石英晶体产生的电荷量与外加机械量的大小成正比 。 由于压电式传感器有较大的刚度 , 因而很适合于测量各 种瞬时动态力 。生产厂建议对使用中的传感器应定期进 行静态校准灵敏度 ,如在接近满量程或较长时间连续工 作应随时静校 。实际上 , 因为绝缘电阻和放大器的输入 阻抗不可能无限高 ,压电测量系统是不可能对任意长时 间的纯静态量进行测量的 。进行短期静态测量所能持续 的时间取决于传感 器、 低噪音连接 电缆的绝缘电阻 、 电 容 , 以及所使用电荷放大器的特性 。如果选用合适的测 量系统 、 合理的校准方法 , 测量时间可以持续十几分钟 , 在此条件下对压电式传感器进行准静态校准 , 其结果还 是令人满意的。 本文介绍了一种压电式传感器的准静态校准方法 , 简便实用 ,可供读者参考 。对不同准确度等级的传感器 , 需选用相应准确度等级的标准装置及测量仪器 , 并进行 校准结果的不确定度评定 , 这些不在本文介绍范围 。 1 校准项目 对压电式传感器进行校准 ,主要是标定传感器的电荷 灵敏度。如有需要 ,也可以给出重复性 ,线性等性能指标。 2 测量仪器 21 1 标准装置 对于力传感器 ,是指标准测力机或力试验机 ;对于压 力传感器 ,是指压力计或压力校验装置等 。 21 2 电荷放大器 要求具有准静态测量功能 ,如 5850 、 5860 型电荷放 大器。 21 3 数字电压表或满足校准精度要求的繁用表 。 3 准备工作 31 1 擦洗传感器 、 低噪音连接电缆及电荷放大器所有插 头、 插孔 , 用绸布或脱脂棉蘸 少量无水乙醇或乙 醚擦两 遍 , 再用干净的脱脂棉擦一遍 ,置于通风干燥处晾 ( 2～4 ) h 即可 。 31 2 设置电荷放大器各旋钮位置
以所有校准点中非线性误差最大者的相对形式为传 感器的线性误差 :
L = L max × 100 % Vm
位 :mv 。
Fi 机械量 , 对力传感器单位为 N , 对压力传感器单
6 结束语 因作者对压电式传感器校准工作的经验不足 , 本文 所介绍的校准方法不尽完善 , 校准结果的计算方法不尽 合理 , 殷切期望读者提出宝贵意见 ,共同探讨。
张玉山等 : 压电式传感器的准静态校准
33
压电式传感器的准静态校准
Q uasi —st atic Ca li br ation Met hod of Piezoelect ric Tra nsducers
张玉山 亓虎堂
(郑州飞机装备公司理化计量中心 ,河南 郑州 450005 ) 摘 要 : 本文介绍在没有动态校准条件的情况下 ,对压电式传感器进行准静态校准的方法 。 关键词 : 石英压电式传感器 ; 准静态校准 ; 方法
Li = Vi Vm × Fi Fm
式中 : V i =
1
n
∑V ij ( i = 112Λm) 即第 i 个校准点 n j=1
n
次读数的平均值 , 单位 :mv 。 1 n Vo = ∑Voj ,即 n 次 “零漂” 示值的平均值 ,单位 : j=1
n
mv 。
Vo i ,表示第 i 个校准点因 “零漂” 引入的补偿值 , 单 n
Vo ( Vi i) × Sin n Si = Fi ×Sout
《计量与测试技术》 2009 年第 36 卷第 1 期
512 重复性 (1) 以极差的形式给出 , 即在各校准点中 , 校准示值 最大值与最小值之差最大者为传感器的重复性误差 , 并 以相对形式表示 : Vi max - V i min R= × 100 %
S =
1
n
n
∑Si i=1
(上接第 32 页 )
参考文献
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作者简介 :张玉山 ,男 ,工程师 。工作 单位 : 郑州 飞机装备公 司理化计量 中 心。 通讯地址 :450005 河南郑州 1084 信箱理化计量中心 。 亓虎堂 ,郑州飞机装备公司理化计量中心 ( 郑州 450005) 。 收稿时间 :2008 - 09 - 26
位为 Pa 。 Sin 电荷放大器归一化挡实际设定值 ,单位 :pC/ unit 。 Sout 电荷放大器衰减挡实际设定值 ,单位 : mv/ unit 。 按以上计算结果 , 在校准报告中给出各校准点的灵 敏度 Si 。根据传感器的使用要求 , 也可以同时给出全量 程范围的平均灵敏度 :
Vm
式中 : V m 额定载荷时电压表读数的平均值 。 (2) 以标准偏差的形式给出 , 各点的标准偏差为 :
n 1 ∑ ( V ij - V i) 2 n - 1j = 1 取各校准点中标准偏差最大者 , 并以极限偏差的相
Ri =
பைடு நூலகம்
对形式表示 :
Rm =
3 R max
Vm
× 100 %
513 直线度 非线性误差以校准曲线与工作直线的最大偏差的相 对形式给出。校准曲线即由 V i ( i = 11 2Λm) 各点所连接 的曲线 ,工作直线可以是端点连线 、 端点平移线或最小二 乘直线。若以端点连线作为工作直线 , 因为在校准过程 中对电压表作了 “清零” 处理 , 即未加载时电压表读数为 零 ,工作直线一定经过坐标原点 , 则各校准点的非线性误 差为 :
仪器学报增刊. 2005. 7.
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作者简介 :原晋杰 , 男 ,在读研究生 。工作单位 : 中北 大学仪器科 学与动态 测试教育部重点实验室 。通讯地址 : 030051 山西省 太原市 中北大学 仪器 科学与动态测试教育部重点实验室 (智能一实验室) 。 祖静 ,杨志刚 ,李新娥 ,中北大学 ( 太原 0 300 51 ) 。 收稿时间 :2008 - 09 - 17