传感器的标定与校准课件

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传感器的标定与校准1,14.1,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,),。,2,14.1 测量误差基本概念14.1.1 测量与测量误差2,14.1,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,x,i,之间的,差值，即,=,x,x,i,=,x,x,0,(,真值,x,i,一般用相对真值,x,0,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。,3,14.1 测量误差基本概念 2. 测量误差3,14.1,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。,4,14.1 测量误差基本概念 测量误差的分类：4,14.1,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。,5,14.1 测量误差基本概念（2）相对误差5,14.1,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,x,i,=,x,x,0,(,x,i,用约定真值,x,0,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,）。,6,14.1 测量误差基本概念14.1.2 仪表误差6,14.1,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。,7,14.1 测量误差基本概念 测量仪表的固有误差,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,。,8,14.1 测量误差基本概念 2.测量范围和量程8,14.1,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。,9,14.1 测量误差基本概念3.精确度（简称精度）9,14.1,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%,10,14.1 测量误差基本概念 仪表精度等级a（去掉仪表,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,11,14.1 测量误差基本概念 3仪表变差（升降变差）,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,12,14.1 测量误差基本概念 例14-1 某压力传,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,13,14.1 测量误差基本概念 例14-2 某测温传,14.2,传感器的静态特性标定,1.,静态标定条件,（,20,5,）；,85%RH,；（,760,60,）,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。,14,14.2 传感器的静态特性标定 1.静态标定条件1,14.2,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。,15,14.2 传感器的静态特性标定例14-1 02M,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)=1,e,t/,16,14.3 传感器的动态特性标定动态标定,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)=1,e,t/,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,17,14.3 传感器的动态特性标定一阶传感器的单位阶跃响应（如,14.3,传感器的动态特性标定,若改写上式为：,1,y(t)=,e,t/,=e,z,，,z=ln,1,y(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,18,14.3 传感器的动态特性标定若改写上式为： 1,14.3,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,19,14.3 传感器的动态特性标定二、二阶传感器的动态标定图,14.3,传感器的动态特性标定,y(t),以,d,=,n,1,2,作衰减振荡，按求极值的方法可得,各振荡峰值对应的时间,t,p,=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,t,p,，得,f,d,d,n,。,20,14.3 传感器的动态特性标定y(t)以d= n,14.3,传感器的动态特性标定,图,14-4,-,M,曲线,21,14.3 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,M,i,和,M,i+n,来求,，,n,为两峰值相隔的周期数。设,M,i,对应的时间为,t,i,，则,M,i+n,对应的时间为,将,t,i,和,t,i+n,代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得,整理后得,式中,22,14.3 传感器的动态特性标定若衰减振荡缓慢，过程较长，,14.3,传感器的动态特性标定,当,0.1,时，,1,2,1,，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,0,23,14.3 传感器的动态特性标定 当 0.1时,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,24,14.4 压力传感器的标定和校准14.4.1 静态标定,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,图,14-9,杠杆式压力标定机示意图,25,14.4 压力传感器的标定和校准杠杆式测力计标定装置,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,26,14.4 压力传感器的标定和校准弹簧式测力计标定装置,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/cm,2,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,27,14.4 压力传感器的标定和校准 14.4.2 动态标定,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/cm,2,的峰值压力，频率可达,300Hz,。,这两种周期性稳态压力源只能提供可变的稳态压力，不,能提供确定的数值或时间特性，适合于将未知特性的传感,器与已知特性的传感器进行比较的标定方法（比较法）,图,14-12,凸轮控制喷嘴稳态压力源,1-,恒定压力入口；,2-,接被检压力计；,3-,凸轮；,4-,接标准压力计,28,14.4 压力传感器的标定和校准凸轮控制喷嘴式稳态压力,14.4,压力传感器的标定和校准,非稳态标定,利用非稳态（阶跃）压力信号和阶跃函数理论进,行标定。非稳态（阶跃）压力源有：快卸荷阀；脉冲,膜片；闭式爆炸器；激波管等。,激波管,非稳态压力标定,特点：,结构简单，可产生较理想的瞬态“标准”压力；,压力幅度范围宽，便于改变压力值；,压力频率范围宽（,2kHz1.5MHz,）；,便于分析研究和数据处理。,29,14.4 压力传感器的标定和校准 非稳态标定29,14.4,压力传感器的标定和校准,.,结构,主要由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统、气,源等组成，如图,14-12,所示。,30,14.4 压力传感器的标定和校准 .结构30,14.4,压力传感器的标定和校准,激波管所产生的激波如图,14-15,所示。,入射激波,的阶跃压力为,反射激波,的阶跃压力为,式中，,M,s,马赫数。由测,速系统决定。,31,14.4 压力传感器的标定和校准 激波管所产生,14.4,压力传感器的标定和校准,2.,入射激波测速系统,由压电式压力传感器,6,和,7,、前置电荷放大器,8,和频率,计组成。,M,s,定义,式中，,v,0,0,时的声速，,v,0,=331.36m/s,；,v,T,T,时的,声速；,=1/273=0.00366,。,32,14.4 压力传感器的标定和校准 2.入射激波测速,14.4,压力传感器的标定和校准,3.,标定测量系统,由被标定传感器,5,和,6,、前置电荷放大器,10,及记忆示波器,11,等组,成，可测阶跃响应波形，如图,14-14,所示。,由响应波形进行数据分析处理，,直接求得传感器的幅频特性及动,态灵敏度。,传感器,5,响应入射激波阶跃压力，,传感器,6,响应反射激波阶跃压力。,4.,气源系统,由气源、气压表、泄气门等组成。,常采用压缩空气或氮气。,图,14-14,被标定传感器输出波形,33,14.4 压力传感器的标定和校准 3.标定测量系统,14.5,振动传感器的标定和校准,振动信号源：,振动台产生正弦激励的标定信号。,一、绝对标定法,激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的,振幅值,X,m,(m),；,精密数字频率计测出振动台的振动频率,f,(1/s),；,精密数字电压表测出传感器输出电压值,E,rms,(mV),。,被标振动传感器的加速度灵敏度,S,a,为,34,14.5 振动传感器的标定和校准 振动信号源：振动台,14.5,振动传感器的标定和校准,二、比较标定法,将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。标定,时，分别测出被标传感器与标准测振传感器的输出电压值,U,a,和,U,，若,标准测振传感器的加速度灵敏度为,S,a0,，则被标传感器加速度灵敏度,S,a,为,S,a,=,S,a0,U,/,U,a,频率响应的标定，在振幅恒定条件下，,改变振动台的振动频率，测出传感器输,出电压与振动频率的关系，即幅频响应。,比较被标传感器与标准传感器输出信,号间的相位差，可得传感器的相频特性。,图,14-16,振动传感器比较标定系统,35,14.5 振动传感器的标定和校准 二、比较标定法图1,14.6,温度传感器的标定和校准,14.6.1,温标的基本概念,1.,温标,温度的基准量，规定温度的始点（零度）和测量,温度的基本单位。,温标的三要素：,温度固定点，标准温度计,(,测温物质,),，内,插公式。,2.,热力学温标（,K,）,1848,年英国开尔文（,L.Kelvin),提出以以热力学第二定律,为基础的热力学温标，选定水的三相点为,273.16K,，定义水,的三相点温度的,1/273.16,为,1,度，单位为开尔文，简称,K,(1954,年国际计量会议,),。,热力学温度也称为绝对温度。,36,14.6 温度传感器的标定和校准 14.6.1温标的,14.6,温度传感器的标定和校准,3.,国际实用温标（,IPTS-68,，,ITS-90,）,温度的基本单位与热力学温标相同，其标度具有,11,个固定点。如表,14-,2,所示。 测量各固定点之间温度值得方法：,13.81K630.74,范围内用基准铂电阻温度计进行插补，电阻,-,温度关,系由一个已知的插补函数确定；,630.74 1064.43,范围内，采用铂铑,-,铂热电偶作为标准仪器。,表,14-2 IPTS-68,规定的一次温度标准和参考点,37,14.6 温度传感器的标定和校准 3.国际实用温标（,14.6,温度传感器的标定和校准,4.,摄氏温标和华氏温标,摄氏温标,:,标准大气压下冰的熔点定为零度（,0,），水,的沸点定为,100,度（,100,）。在,0,和,100,之间划分为,100,等份，每一等份为一摄氏度,(1,）（,1742,，瑞典摄尔萨斯，,A.Celsius),。,华氏温标：,规定标准大气压下冰的熔点为,32,，水的沸,点为,212,，其间划分为,180,等份，每一等份为华氏一度,(1,）,(1714,德国华林海特,G.D.Fahrenheit),。人的体温为,100,。,摄氏温度,t,与热力学温度,T,、华氏温度,t,F,和之间的关系,:,T,=273.16+,t,t,=,T,273.16,38,14.6 温度传感器的标定和校准 4.摄氏温标和华氏,14.6,温度传感器的标定和校准,14.6.2,温度传感器的标定和校准,1.,与一次标准比较,即与国际实用温标（,IPTS,）进行比较（表,14-2,）。,复现表,14-2,中温度基准点的方法：液,-,固共存方法，可使温,度稳定，并能保持规定的值不变。,2,与某一已经标定的测温标准装置进行比较,对于温度定义点之间的温度标定：,标准铂电阻，,-259.34630.74,C,，,W(100)=1.39250,；,标准铂铑,10,铂热电偶，,630.741064.43,C,；,标准光学高温计，,1064.43,C,。,39,14.6 温度传感器的标定和校准 14.6.2 温度,14.6,温度传感器的标定和校准,作业：,14-1,，,14-2,，,14-4,，,14-5,40,14.6 温度传感器的标定和校准 40,