传感器标定与校准

第14章 传感器的标定与校准,传感器的标定与校准：通过试验，建立传感器的输出-输 入特性及其误差关系。 传感器的标定与校准方法：标准设备产生已知非电量 输入量，测试被标定传感器相应的输出量，并与输入量比较， 作出标定图表。 传感器的标定系统：被测非电量的标准发生器与标准测 试系统；待标传感器与配接的信号调理和显示、记录器等。 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。,14.1 测量误差基本概念,14.1.1 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： 信息的获取传感器(一次仪表)； 信号的调理变送器(二次仪表) ； 信号的显示与记录显示、记录仪(二次仪表) 。,14.1 测量误差基本概念,2. 测量误差 检测仪表获得的测量值与被测变量的真实值之间存在一定 的差异，这一差异称为测量误差。 误差公理实验结果都具有误差，误差自始至终存在于 一切科学实验的过程之中。 测量误差有绝对误差和相对误差之分。 （1）绝对误差 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。,14.1 测量误差基本概念,测量误差的分类： 根据引起误差的原因和误差的性质，测量误差可分为 三类： 系统误差，具有确定性，决定测量的准确度，可以进 行修正； 随机误差，具有偶然性，决定测量的精密度，利用误 差理论进行处理； 粗大误差，是错误，应剔除。,14.1 测量误差基本概念,（2）相对误差 实际相对误差： （14-3） 标称相对误差（或示值相对误差） （14-4） 测量误差是对某一次具体测量好坏的评价。,14.1 测量误差基本概念,14.1.2 仪表误差 1 .仪表误差术语 测量仪表的示值误差 =仪表示值x-真实值xi =xx0(xi用约定真值x0来代替 ) 相对示值误差 测量仪表的最大允许误差 定义是“对给定的测量仪 表，规范、规程等所允许的误差极限值”。有时也称为测 量仪表的允许误差限，或简称允许误差（允）。,14.1 测量误差基本概念,测量仪表的固有误差 常称为测量仪表的基本误差。 定义是“在参考条件下确定的测量仪表的误差”。此参考条 件也称为标准条件，是指为测量仪表的性能试验或为测量 结果的相互比较而规定的使用条件，一般包括作用于测量 仪表的各影响量的参考值或参考范围。 附加误差 附加误差是指测量仪表在非标准条件时所 增加的误差，它是由于影响量存在和变化而引起的，如温 度附加误差、压力附加误差等等。,14.1 测量误差基本概念,2.测量范围和量程 测量范围: 指“测量仪器的误差处在规定极限内的一组 被测量的值”。 量程: 指测量范围的上限值和下限值的代数差。 例如：测量范围为0100时，量程为100； 测量范围为20100时，量程为80； 测量范围为20100时，量程为120。,14.1 测量误差基本概念,3.精确度（简称精度） 仪表误差： （仪表）引用误差： 仪表的准确度用仪表的最大引用误差max（即仪表的最大 允许误差允）来表示，即 式中，max仪表在测量范围内的最大绝对误差； 仪表误差整体上评价仪表在其测量范围内测量的好坏。,14.1 测量误差基本概念,仪表精度等级a（去掉仪表误差的“”号和“%”） a=0.005，0.01，0.02，0.05；0.1， 0.2， ( 0.4)，0.5； 级标准表 级标准表 1.0，1.5， 2.5，(4.0)；等 工业用表 仪表的基本误差： max=仪表量程a%,14.1 测量误差基本概念,3仪表变差（升降变差） 升降变差（又称回程误差或示值变差），是指在相同条件 下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程测量时，对应于 同一测量值所得的仪表示值不等，正、反行程示值之差的绝对 值称为升降变差，即 （升降）变差正行程示值反行程示值 仪表变差也用最大引用误差表示，即 必须注意，仪表的变差不能超出仪 表的允许误差（或基本误差）。,图14-1 测量仪表的变差,14.1 测量误差基本概念,例14-1 某压力传感器的测量范围为010MPa，校验该传感 器时得到的最大绝对误差为0.08MPa，试确定该传感器的精 度等级。 解：该传感器的精度为： 由于国家规定的精度等级中没有0.8级仪表，而该传感器的 精度又超过了0.5级仪表的允许误差，所以，这只传感器的精 度等级应定为1.0级。 根据仪表校验数据来确定仪表精度等级时，仪表的精度等级 值应选不小于由校验结果所计算的精度值,14.1 测量误差基本概念,例14-2 某测温传感器的测量范围为01000，根据工艺要 求，温度指示值的误差不允许超过7，试问应如何选择传感 器的精度等级才能满足以上要求? 解：根据工艺要求，传感器的精度应满足： 此精度介于0.5级和1.0级之间，若选择精度等级为1.0级的传 感器，其允许最大绝对误差为10，这就超过了工艺要求的 允许误差，故应选择0.5级的精度才能满足工艺要求。 根据工艺要求来选择仪表精度等级时，仪表的精度等级值应 不大于工艺要求所计算的精度值,14.2 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。,14.2 传感器的静态特性标定,例14-1 02MPa压力传感器的标定（输出电压15V；1.5 级)，K=2V/MPa 标定数据表 输入压力(MPa) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 输出电压(V) 升 1.02 1.40 1.79 2.19 2.56 2.98 3.41 3.78 4.17 4.57 4.98 输出电压(V) 降 1.01 1.42 1.81 2.23 2.58 3.05 3.43 3.82 4.20 4.59 5.01 平 均（V） 1.02 1.41 1.80 2.21 2.57 3.02 3.42 3.80 4.19 4.58 4.99 升降变差（V） 0.01 0.02 0.02 0.04 0.02 0.07 0.02 0.04 0.03 0.02 0.03 绝对误差 (V) 0.02 0.01 0.00 0.01 -0.03 0.02 0.02 0.00 -0.01 -0.02 -0.01 m=0.03 V, 最大升降变差0.07V，所以 max=nm= 0.07/(5-1)100%=0.07/4 100%=1.75% 根据标定数据，该表只能定为2.5级。,14.3 传感器的动态特性标定,动态标定 研究动态响应 确定动态响应参数 动态标定信号：阶跃信号或正弦信号 一、一阶传感器的动态标定 确定时间常数 一阶传感器的单位阶跃响应（如图1-15）,y(t)=1et/,14.3 传感器的动态特性标定,一阶传感器的单位阶跃响应（如图1-15） y(t)=1et/ 时间常数表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最终稳定值的63.5%所经过的时间。只用到一个实验数据。,图1-15 一阶传感器的阶跃响应 (a)单位阶跃信号；(b)一阶传感器阶跃响应曲线,14.3 传感器的动态特性标定,若改写上式为： 1y(t)= et/=ez， z=ln1y(t) （14-1） 其中，z= t/，z与t线性。 作zt曲线，其斜率t/z= ，由此确定时间常数考虑了传感器 瞬态响应的全过程。如图14-2所示。图14-3 而阶传感器(1)的阶 跃响应,图14-2求一阶传感器时间常数方法,14.3 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）,图14-3 二阶传感器(1)的阶跃响应,14.3 传感器的动态特性标定,y(t)以d= n12作衰减振荡，按求极值的方法可得 各振荡峰值对应的时间tp=0，/d，2/d，将 t=/d代入y(t)的表达式，可得最大过冲量M 或 测得M，由上式或图14-4，可求阻尼比；由标定测得的tp ，得fd d n。,14.3 传感器的动态特性标定,图14-4 -M曲线,14.3 传感器的动态特性标定,若衰减振荡缓慢，过程较长，可测Mi和Mi+n来求，n为两峰值相隔的周期数。设Mi对应的时间为ti，则Mi+n对应的时间为 将ti和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得 整理后得 式中,14.3 传感器的动态特性标定,当 0.1时，12 1，则 也可以利用正弦信号输入，测定传感器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，然后根据幅频特性分别按图14-5和14-6来 求一阶传感器的时间常数和欠阻尼二阶传感器的阻尼比和固有频率n。,图14-5 由幅频特性求一阶 14-6 由幅频特性求欠阻尼 传感器时间常数 二阶除按感情的和0,14.4 压力传感器的标定和校准,14.4.1 静态标定和校准 静态标定装置：标准活塞压力计，杠杆式测力计和弹簧 式测力计。 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,14.4 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,14.4 压力传感器的标定和校准,弹簧式测力计标定装置，如 图14-10所示， p=F/S 式中，F测力计检定表所测得的 传感器所受的力；S传感器的受 力面积。,图4-10 弹簧测力计式压力标定机,14.4 压力传感器的标定和校准,14.4.2 动态标定和校准 动态信号压力源：产生满意的 周期或阶跃压力；并能可靠地确定 其真实压力-时间关系。 稳态标定（需周期性稳态压源） 活塞与缸筒式稳态压力源，如图 14-11所示。调节手柄可以改变压力 的幅值，可获得70kg/cm2的峰值压 力，频率可达100Hz。,图14-11 活塞缸筒稳态压力源示意图 1-接被检压力计；2-接标准压力计； 3-飞轮；4-调节手柄,14.4 压力传感器的标定和校准,凸轮控制喷嘴式稳态压力源，如图14-12所示，可获得 0.1kg/cm2的峰值压力，频率可达30