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传感器标定与校准

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  • 卖家[上传人]:suns****4568
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  • 上传时间:2018-11-17
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    • 1、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

      2、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

      3、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

      4、: 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

      5、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

      6、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

      7、.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

      8、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

      9、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

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