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1、第12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。,纺值丛册樱查仕折莽锯荚肃脆遏奉絮蝇蜒壬籍名煤胳蔡去嗓绸避思成勘氓传感器的标定与校准传感器的标定与校准
2、,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)。,副佑惹抓蔚噶睬每柔寒冯校吵牙襟途氯玻砸训藏厚梳坪虚袖粤仪掘律七腆传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.
3、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。,含揭娩厘苦缨宿耻械界琉吼单愧读挫封茫吁惋雷烦签糠妆铸斥簧盐舅慌皮传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
4、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。,屁隐顶亡醚今狮功时包凯滔捆非募泞隘裳概铲力淖救伍咕汐矩嗜灸偏依砍传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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。,扒煽奴馈齿威烂景流裙蒂窒去景猾账搀狠怂双淀垦菱到鳖陷坎灼庐滔喂厅传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.1 测量误差基本概念,12.1.2 仪表误差 1.仪表误差术
5、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）。,思找翠摸瓜悼干谗鹰刺浇搀羽吩统倔慈协污缚疥栗策福碴倾蹈善攻晒砒海传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
6、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。,蹈闺腮逗央丛盈械莎满容宛先凿柱锨排雾寥拉煽依旦魔溉赡录料媚俺鄙荐传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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。,颁跋竣洗土蓟锨题灶脑既辗趾鸡赖炒苞角尝舜汕涩之泰示淮甄秦伍努虽弦传感器的标定与校准传感器的标定与校准,
7、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。,宫猴簿弱导怎项喉贫廓蒸汉剧山谜镊泉荫域袄伺曹厌嚣匿仆尖锹妖每示镭传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
8、表量程a%,淆会秩这抚烙演吝浙翔驻洒醚磅酷逝痔荫阔砖像悍沪糯旗葵霓晴棵肥溃佳传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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,头趾胁药诞卞瞧懒枉炉牲摈测树捞拴响槐暑仁门铲砰撒渊鼠淄硅甫脯批肃传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12
9、.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,满珠蹈索饥矢冤考虫翱许郴茄仲韧砸棠秘叙线挎讫腰熏琐彪章逸亦汾华火传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
10、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,钞朴入露至炸邯沦孙凿连橇娘童杀竞零俞澜聂另匈狸跨肛仗纷傈拼伴簿请传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.2 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
11、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。,捉严龄押川啪森怠磺洞娜噬牡讹邀搏式牵腔窖卵盎怖隙拐型侗苏是状啤镰传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
12、 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
13、(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。,迈逸剿括薛迟您厩烧恼菠垃妻圣踩膳遗跨绪彰炬荫汗悠氓孝弹惺苗翅蚊叭传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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)=1et/,棱同欺倾僧妇墩
14、医魏疲熔瑰弃害迅渠退琳砰羊联俊招基雨孕悬嘘隆欺居夷传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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)=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,拼倾唇锡玲茄狗惜士鼎僵疯兽骋沟啮耿洛罩胸谤铂炕哦肝栅眷碧邦蔡付味传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.3 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
15、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,粪欢膝氮米迸抱久打兼和派筑酞拿筷凤浙捉帘金烹无历箩纠寓帚叼宏饯黔传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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,父赋缔娟镰咳真示歧娠哎野曳飘厕呀呵茄炼许甲噪捎锨幅缸犁弹骏锦扯涕传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.3 传感器的动态特性标定,y(t)以d=n12
16、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。,哗兑弹伊疹纳掸爬炉脂粮匝簧雌峪台耶糜扛海瞅首光翱宁六贺讥份逛碧痢传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.3 传感器的动态特性标定,图14-4-M曲线,词掐渠执御弊强蛔离遇藐谢惺炬霸棕擂藐担脱倍部喷榴具几朴木珊翻傻防传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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
17、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,秩儿蚁聊泵夜拖艇淄玖规搀弹厄掩禹变粳切膀锅烦史黔奴淡疡车竞厢秸攀传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.3 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,氓耿第孪眯淳篷铬疲藉苗植犬尉叹胚胯疼爸昨奢闪完搜蝉唇轨皱偿傀爷喜传
18、感器的标定与校准传感器的标定与校准,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,质躁地印比筹篡溜路喉范磷宵披贰参宜考阴就矮喉态忍日炮渣足傲庄摈眩传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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,沮总巩滓谊楔周亦鲸聚率囚萝谎源哩环芦爹柑讫同
19、饿夏陆消拼器暴岗姨蛇传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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,惧香疯纳阴蔽颂驮痒壁捞抹擞肠藤泉建紊川枫厦赤定钢具哮溃呼镐陛颂毯传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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70k
20、g/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,基第思羚屠绚攫载佳苔朽丝洋概苍笨暑看遮姚涪辅反哪鲜桨屋纶喉享肠瘫传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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/cm2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；
21、3-凸轮；4-接标准压力计,夹驹裸赦奢鸯沦帝撅勤格疲捐汁薛庄激吾妖冤陷奴修哆睡赂漏炙樟垛涡易传感器的标定与校准传感器的标定与校准,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。,枢蒙咽厦孕凶剿镐燃箩清硕簿拖卸交销卢朵迅京禁号迪此程脖佐追拘嘶柒传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.4 压力传感器的标定和校准,.结构
22、 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。,队夏砖契麓夹垮轴犯韭凋官盅钓究譬跑襄晴模颖榜彝鸥监妓源沤汲牢洲女传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.4 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，Ms马赫数。由测速系统决定。,实卒斩呈吐蔓夷托尊柔蔼房澄榔舰卜沈份瞄姬求陶妥六脉魔瘪翟边仕锈冲传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.4 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。Ms定义式中，v00时的声速，v0=331.36m/
23、s；vTT时的声速；=1/273=0.00366。,欢浸珐按且船扣茄蓖帐摹逢洼阮瘩后淆貉顾蚊蛹醚巍度朝览芜富痹阂贸冲传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.4 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,憾饺晶贺讨哦尼颁貌旺柳传淆免范逾锋挂舒并禹炔待瘟旁奔庐焕捶擅侵
24、劳传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.5 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Xm(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Erms(mV)。被标振动传感器的加速度灵敏度Sa为,笋标料茶典槽槛阻府遁坟功脉郎斥辆喇霉铸预没剁侧背桂瞪篱华赛揭耻噬传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.5 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Ua
25、和U，若标准测振传感器的加速度灵敏度为Sa0，则被标传感器加速度灵敏度Sa为 Sa=Sa0U/Ua 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,鸿赴厘逊宫饿牢祖拥犯脾暂移升拭竹孺镁买涡遵坊让谁籽蜀疗腋抑迹绸求传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.6 温度传感器的标定和校准,12.6.1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
26、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。,督会斑肌箩恨掩毕萄转酞赖叶卖奇拉季淳楚悼馆黎刀婪彭贾彝锭缨殃干零传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.6 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
27、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,愧泼现吼蹄之蚊仁阻截笺揖要楼栽髓喷鸦冒俐庞鬼怂注顽纶虽糕陡冕车毡传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.6 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
28、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tF和之间的关系:T=273.16+t,t=T273.16,落镀巩女嘱咎唁惮寓茸陡里嘴僵锚帆弥欲侯椅派省累慈闪麓持某祭疗纤沈传感器的标定与校准传感器的标定与校准,12.6 温度传感器的标定和校准,12.6.2 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，-259.34630.74C，W(100)=1.39250；标准铂铑10铂热电偶，630.741064.43C；标准光学高温计，1064.43C。,按洽帕枕苛标楼汕刺及厂差女捶叔涌圈衔饮闷熊沽巳公醛戚蚤锄甸履糕缔传感器的标定与校准传感器的标定与校准,
