傳感器的標(biāo)定

傳感器的標(biāo)定第一頁(yè)，共40頁(yè)。12傳感器的標(biāo)定12.1傳感器標(biāo)定的意義12.2傳感器的靜態(tài)標(biāo)定12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定第二頁(yè)，共40頁(yè)。12.1傳感器標(biāo)定的意義1.傳感器標(biāo)定的意義

（1）是設(shè)計(jì)、制造和使用傳感器的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。任何傳感器在制造、裝配完畢后都須對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，以保證量值的準(zhǔn)確傳遞。

（2）對(duì)新研制的傳感器，須進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，才能用標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞，而標(biāo)定數(shù)據(jù)又可作為改進(jìn)傳感器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。第三頁(yè)，共40頁(yè)。12.1傳感器標(biāo)定的意義

（3）傳感器使用、存儲(chǔ)一段時(shí)間后，也須對(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，稱為校準(zhǔn)（校準(zhǔn)和標(biāo)定本質(zhì)上是一樣的），以確保其性能指標(biāo)達(dá)到要求。

（4）對(duì)出現(xiàn)故障的傳感器，若經(jīng)修理還可繼續(xù)使用，修理后也必須再次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，因?yàn)樗哪承┲笜?biāo)可能發(fā)生了變化。

第四頁(yè)，共40頁(yè)。12.1傳感器標(biāo)定的意義

2.傳感器標(biāo)定的基本方法

將已知的被測(cè)量作為待標(biāo)定傳感器的輸入，同時(shí)用輸出量測(cè)量環(huán)節(jié)將待標(biāo)定傳感器的輸出信號(hào)測(cè)量并顯示出來(lái)（待標(biāo)定傳感器本身包括后續(xù)測(cè)量電路和顯示部分時(shí)，標(biāo)定系統(tǒng)也可不要輸出量測(cè)量環(huán)節(jié)）；對(duì)所獲得的傳感器輸入量和輸出量進(jìn)行處理和比較，從而得到一系列表征兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，進(jìn)而得到傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)結(jié)果。第五頁(yè)，共40頁(yè)。12.11傳感器標(biāo)定的意義3.傳感器標(biāo)定的分類（1）根據(jù)被測(cè)量進(jìn)行分類

①絕對(duì)標(biāo)定法

被測(cè)量是由高精度的設(shè)備產(chǎn)生并測(cè)量其大小的。特點(diǎn)：精度較高，但較復(fù)雜。

②相對(duì)標(biāo)定法或比較標(biāo)定法

被測(cè)量是用根據(jù)絕對(duì)標(biāo)定法標(biāo)定好的標(biāo)準(zhǔn)傳感器來(lái)測(cè)量的。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行，但標(biāo)定精度較低。

如圖所示。第六頁(yè)，共40頁(yè)。12.1.1傳感器標(biāo)定的意義

（2）根據(jù)標(biāo)定的內(nèi)容分類

①靜態(tài)標(biāo)定

確定傳感器的靜態(tài)指標(biāo)，主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。

②動(dòng)態(tài)標(biāo)定

確定傳感器的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，主要有時(shí)間常數(shù)、自然振蕩頻率和阻尼比等。

有時(shí)根據(jù)需要也對(duì)非測(cè)量方向（因素）的靈敏度、溫度響應(yīng)、環(huán)境影響等進(jìn)行標(biāo)定。第七頁(yè)，共40頁(yè)。12.1.1傳感器標(biāo)定的意義

對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，目的是依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)際上也就是確定傳感器的測(cè)量精度。傳感器制造出來(lái)之后，自身的測(cè)量精度就客觀確定了。但標(biāo)定結(jié)果可能因所用的標(biāo)定裝置或標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法不同而出現(xiàn)差異。一個(gè)高精度的傳感器，如果標(biāo)定方法不當(dāng)，則很可能在實(shí)測(cè)中產(chǎn)生較大的誤差；反之，一個(gè)精度不太高的傳感器，如果標(biāo)定方法得當(dāng)，反而可能在實(shí)測(cè)中產(chǎn)生較小的誤差。第八頁(yè)，共40頁(yè)。12.1傳感器標(biāo)定的意義

顯然，提高標(biāo)定設(shè)備、指示儀器的精度有助于提高標(biāo)定精度。按有關(guān)規(guī)定，標(biāo)定設(shè)備、指示儀器的精度都有一最低要求。在此規(guī)定上，標(biāo)定設(shè)備和指示儀器的精度越高，標(biāo)定的精度也越高。數(shù)據(jù)處理的方法很多，不同的方法有不同的精度，因此，提高對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)處理的精度也很重要。

第九頁(yè)，共40頁(yè)。12.1傳感器標(biāo)定的意義

還應(yīng)注意減小環(huán)境變化引起的誤差。傳感器一般由制造廠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按規(guī)定條件進(jìn)行標(biāo)定。通常希望傳感器的標(biāo)定狀態(tài)盡可能模擬實(shí)際測(cè)量狀態(tài)，但在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)不可能模擬各種使用狀態(tài)。使用狀態(tài)改變引起測(cè)試數(shù)據(jù)變化時(shí)，將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)明顯的誤差。為此，設(shè)計(jì)傳感器時(shí)就應(yīng)考慮這一因素的影響。某些環(huán)境條件對(duì)傳感器輸出的影響不可消除時(shí)，可在特定條件下標(biāo)定，并給出在不同條件下標(biāo)定值的修正系數(shù)或修正公式。若能在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，則效果更好。第十頁(yè)，共40頁(yè)。標(biāo)定分類標(biāo)定裝置標(biāo)準(zhǔn)傳感器待標(biāo)定傳感器輸出量顯示輸出量測(cè)量第十一頁(yè)，共40頁(yè)。12.2傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1靜態(tài)標(biāo)定的條件與儀器精度

2靜態(tài)標(biāo)定的過(guò)程步驟第十二頁(yè)，共40頁(yè)。1.靜態(tài)標(biāo)定的條件與儀器精度

(1)傳感器靜態(tài)標(biāo)定的條件

傳感器的靜態(tài)標(biāo)定是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行的。靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件是指無(wú)加速度、振動(dòng)與沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量），環(huán)境溫度一般為室溫（205C），相對(duì)濕度不大于85%，大氣壓力為101.327.999kPa。12.2

傳感器的靜態(tài)標(biāo)定第十三頁(yè)，共40頁(yè)。12.2傳感器的靜態(tài)標(biāo)定(2)標(biāo)準(zhǔn)器具精度的選擇為保證標(biāo)定精度，須選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的一定等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具（一般所用的測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的精度至少要比被標(biāo)定傳感器的精度高一個(gè)量級(jí)），它應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量量值傳遞的規(guī)定，或經(jīng)計(jì)量部門檢定合格。這樣，通過(guò)標(biāo)定所確定的傳感器精度才是可靠的。第十四頁(yè)，共40頁(yè)。12.2傳感器的靜態(tài)標(biāo)定2.靜態(tài)標(biāo)定的過(guò)程步驟靜態(tài)標(biāo)定須遵循一定的程序，其過(guò)程步驟為：

①將傳感器全量程（測(cè)量范圍）分成若干等間距點(diǎn)。

②根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄與各輸入值對(duì)應(yīng)的輸出值。

③將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)地減下來(lái)，同時(shí)記錄與各輸入值對(duì)應(yīng)的輸出值。第十五頁(yè)，共40頁(yè)。12.2傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

④按②、③所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試（一般為3~10次），將得到的輸出輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或繪成曲線。

⑤對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果確定傳感器的線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。第十六頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要用于確定傳感器的動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)。動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ，二階傳感器則有自然振蕩頻率wn和阻尼比ζ兩個(gè)參數(shù)。

確定這些參數(shù)的方法很多，一般是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，如測(cè)量傳感器的階躍響應(yīng)、正弦響應(yīng)、線性輸入響應(yīng)、白噪聲，及用機(jī)械振動(dòng)法等。其中最常用的是測(cè)量傳感器的階躍響應(yīng)。第十七頁(yè)，共40頁(yè)。12.3

傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定1實(shí)驗(yàn)確定一階傳感器時(shí)間常數(shù)的方法2實(shí)驗(yàn)確定二階傳感器自然振蕩頻率與阻尼比的方法3確定傳感器動(dòng)態(tài)參數(shù)的其他方法第十八頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3

傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

測(cè)量一階傳感器的階躍響應(yīng)，當(dāng)輸出值達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間即為它的時(shí)間常數(shù)。但這樣確定時(shí)間常數(shù)實(shí)際上沒(méi)有涉及響應(yīng)的全過(guò)程，測(cè)量結(jié)果的可靠性僅取決于某些個(gè)別的瞬時(shí)值。為獲得更可靠的結(jié)果常采用下面的方法。1.實(shí)驗(yàn)確定一階傳感器時(shí)間常數(shù)的方法第十九頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

一階傳感器的階躍響應(yīng)為令z=-t/t，上式可改寫為

由上式依據(jù)測(cè)得的y(t)可求出對(duì)應(yīng)的z，作出z-t曲線，則應(yīng)得到線性關(guān)系，根據(jù)t=-Dt/Dz可確定時(shí)間常數(shù)，如圖所示。

這種方法考慮了瞬態(tài)響應(yīng)的全過(guò)程，具有較高的可靠性。另外，還可根據(jù)z-t曲線與直線的符合程度判斷傳感器與一階傳感器的符合度。第二十頁(yè)，共40頁(yè)。圖2.1求一階傳感器時(shí)間常數(shù)的方法第二十一頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

二階傳感器一般都設(shè)計(jì)成阻尼比x=0.6~0.8的欠阻尼系統(tǒng)。階躍輸入時(shí)，典型的欠阻尼二階傳感器的瞬態(tài)響應(yīng)是以阻尼角頻率wd作衰減振蕩的，如圖所示。阻尼角頻率wd為于是可將式(2.3)改寫為2.實(shí)驗(yàn)確定二階傳感器自然振蕩頻率與阻尼比的方法第二十二頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3

傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定得過(guò)調(diào)量M與阻尼比x的關(guān)系為：所以，測(cè)出過(guò)調(diào)量M，即可得阻尼比x為根據(jù)第二十三頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3

傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定由tp=p/wd可得

如果測(cè)得階躍響應(yīng)的較長(zhǎng)變化過(guò)程，則可獲得可靠性更高的自然振蕩頻率和阻尼比。方法是，測(cè)出第i個(gè)極大值與第i+n個(gè)極大值時(shí)的過(guò)沖量Mi與Mi+n，如圖所示。設(shè)第i個(gè)極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為ti，第i+n個(gè)極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為ti+n，則根據(jù)tk=(2k-1)p/wd知ti和ti+n滿足第二十四頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定代入式(2.4)求出Mi,Mi+n，整理后得式中，dn=ln(Mi/Mi+n)。甚至可取不同的i和n，求出多個(gè)阻尼比后取平均值。第二十五頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

對(duì)自然振蕩頻率來(lái)說(shuō)，可測(cè)出第i個(gè)極大值與第i+n個(gè)極大值之間的時(shí)間間隔tn，如圖所示，則也可取不同的i和n，求出多個(gè)自然振蕩頻率后取平均值。

若傳感器是精確的二階傳感器，n取任意正整數(shù)求得的x或wn都不會(huì)有多大差別。若有明顯差別，超出測(cè)量誤差較多，則說(shuō)明傳感器不是嚴(yán)格的二階傳感器。第二十六頁(yè)，共40頁(yè)。圖2.2第二十七頁(yè)，共40頁(yè)。式(2.1)第二十八頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

測(cè)量傳感器正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的幅值和相角，然后得到穩(wěn)態(tài)正弦輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比和相位差。逐漸改變輸入正弦信號(hào)的頻率，重復(fù)前述過(guò)程，即可得到幅頻和相頻特性曲線。由幅頻和相頻特性曲線可確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。

3.確定傳感器動(dòng)態(tài)參數(shù)的其他方法—正弦信號(hào)響應(yīng)法第二十九頁(yè)，共40頁(yè)。

12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

這是因?yàn)橐浑A傳感器的幅頻特性為當(dāng)w=1/t時(shí)，A(w)下降3dB。（1）一階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定

將一階傳感器的頻率特性曲線繪成伯德圖，則其對(duì)數(shù)幅頻特性曲線下降3dB處所對(duì)應(yīng)的角頻率為w=1/τ，由此可確定一階傳感器的時(shí)間常數(shù)t。第三十頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定（2）二階傳感器時(shí)間常數(shù)的確定

在欠阻尼情況下，從曲線上可以測(cè)得三個(gè)特征量，即零頻增益A(0)、諧振頻率增益A(wr)和諧振頻率wr。根據(jù)令得第三十一頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定將wr代入A(w)的表達(dá)式得即可確定x和wn。

雖然從理論上來(lái)講，也可通過(guò)傳感器相頻特性曲線確定x和wn，但是一般來(lái)說(shuō)準(zhǔn)確的相角測(cè)試比較困難，所以很少這樣做。第三十二頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

以壓電式加速度傳感器為例，說(shuō)明傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法。

YD-5壓電式加速度傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

YD-5壓電式加速度傳感器是一種以具有壓電特性的材料為敏感元件的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置，當(dāng)它感受振動(dòng)加速度時(shí)，將產(chǎn)生一正比于振動(dòng)加速度的電荷量輸出。依據(jù)《JJG223—81壓電加速度傳感器檢定規(guī)程》指定的檢定項(xiàng)目有參考靈敏度、靈敏度的穩(wěn)定度、橫向靈敏度比，頻率響應(yīng)、安裝諧振頻率、幅值線性度及電參數(shù)等。這里僅簡(jiǎn)單介紹參考靈敏度、頻率響應(yīng)及安裝諧振頻率的標(biāo)定。第三十三頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

（1）參考靈敏度的標(biāo)定

一般用途的壓電式加速度傳感器，參考靈敏度Sx的標(biāo)定均采用相對(duì)標(biāo)定法。將被標(biāo)定的YD-5加速度傳感器與丹麥的標(biāo)準(zhǔn)壓電式加速度傳感器8305“背靠背”地剛性聯(lián)結(jié)在一起，如圖所示。然后將它們安裝在標(biāo)定用的中頻振動(dòng)臺(tái)上，并按圖示原理框圖連接好測(cè)量電路。第三十四頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

設(shè)被標(biāo)定的YD-5壓電加速度傳感器輸出的電荷量為Qx，振動(dòng)臺(tái)傳輸給YD-5的加速度為ax，則其參考靈敏度Sx由下式求出此式中的加速度ax由標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸出的電荷量Q0及其靈敏度S0求出，為將式(2.13)代入式(2.12)得第三十五頁(yè)，共40頁(yè)。12.3傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定

此即相對(duì)法標(biāo)定壓電式加速度傳