传感器的标定与校准

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第12章 传感器的标定与校准,12.1 测量误差基本概念,12.1.1 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)。,12.1 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。,12.1 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。,12.1 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。,12.1 测量误差基本概念,12.1.2 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,）。,12.1 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。,12.1 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。,12.1 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。,12.1 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%,12.1 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,12.1 测量误差基本概念,例12-1 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,12.1 测量误差基本概念,例12-2 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,12.2 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。,12.2 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。,12.3 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/,12.3 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,12.3 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,12.3 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,12.3 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,。,12.3 传感器的动态特性标定,图14-4,-,M,曲线,12.3 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,12.3 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,0,12.4 压力传感器的标定和校准,12.4.1 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,12.4 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,12.4 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,12.4 压力传感器的标定和校准,12.4.2 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,12.4 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,12.4 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。,12.4 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