温度传感器动态校准的研究.docx

温度传感器动态校准的研究王紫君1406014201 摘要：本文综述了传感器动态校准的现状,包括它的概念特点数据处理方法等。特别是针对温度传感器 动态校准的方法进行了研究,给出了校准装置的选择和评定结果的一些方法。关键词:温度传感器 动态校准 数据处理1 引 言随着科学技术的不断发展,非电量的测试与控制技术已经越来越广泛地应用,尤其是在航天、航海、冶金、能源、生物医学、交通运输、自动检测与计量和称重等技术领域。而且随着社会的发展,这种技术也逐步渗透到人们的日常生活中。可以毫不夸张地说,测试技术与自动控制技术 水平的高低是衡量科学技术现代化程度的重要标志之一 1 。传感器是实现测试与自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获和转换,计算机发展的水平再高,依旧无法进行测试和自动控制。任何一种传感器在制造、使用时都需要对其设计指标进行一系列实验,以确定传感器的基本 性能。2 传感器动态校准的研究现状2. 1 国内外研究现状传感器的动态校准一直是学术领域一个比较活跃的课题。近十几年来,它从原来主要应用 于军事国防领域,逐渐向民用领域转变,使得在这方面研究的人越来越多。对传感器的动态校准,国外相对而言研究的时间较长,涉及的领域也更宽一些。像美国、俄罗斯、德国、印度等,都取得了较高的水平。在国内,特别是近5 、6 年,一些研究院所和部分大学 在该领域都进行了深入的研究,取得了比较令人满意的成果。2. 2 动态校准的概念动态测量与静态测量相比,不仅要使用响应足够快的传感器和二次仪器,而且还要进行从原始测量结果到最终测量结果的复杂解算,即信号恢复。为了使信号恢复成为可能,必须事先知道所使用的传感器的动态响应特性。动态校准就是在这样的客观需求的情况下,产生并发展起来 的。静态校准以量值(或标量)表示,而动态校准是确定一个函数(或矢量) ,可以将其理解为在规定条件下,为确定传感器动态响应特性的一组操作。2. 3 传感器动态校准的内容传感器进行动态校准,主要由两方面因素决定:1. 动态标定由于传感器广泛应用于生产过程的自动检测,新型传感器不断被研制出来。为了准确把握 传感器的动态性能,需要对其进行动态标定。2. 动态校核传感器由于长期使用,或者对于自制的传感器,在使用中都会存在时漂、温漂,或者某些参数 发生变化的现象。这将导致传感器灵敏度、零位发生较显著的变化 2 。2. 4 改善动态特性的方法改善传感器的动态特性,也就是进行动态校准的根本目的。这可以从生产角度和使用角度两方面进行考虑:1. 生产角度动态补偿模拟滤波器对生产厂家而言,可以将调整好的模拟滤波器制成的专用芯片、传感器及其放大电路方便地封装起来,形成一体。这将从硬件上使得传感器的动态特性得到根本改善。它的优势在于使传 感器的整体性能得以提高,而且运算速度快、体积小,可以达到快速响应和取得高分辨率。2. 使用角度动态补偿数字滤波器如果用户使用的传感器动态性能变坏,再采取动态补偿模拟滤波器的方法就不太可能了。在这种情况下,只能通过使用计算机,用软件的方法改善测试系统的动态性能。通过编写简单的 补偿数字滤波器程序,就可以在没有增加硬件的条件下,使整个通道的动态性能大为改善。对一般用户而言,常采用第二种方法,改善传感器的动态特性。2. 5 动态校准实验数据处理方法对传感器进行动态校准,既可以在时域,又可以在频域。由于多数传感器的动态校准是在时间域里进行的,例如用激光对温度传感器进行动态校准,用激光管做压力传感器的动态校准,用 落锤装置做加速度传感器的动态校准等,所以下面介绍的数据处理方法是基于时域的情况。1. 发展历史早期的数据处理方法多用Bowersox和Carlson 方法。后来,又出现了由过渡过程求频率特性的阶梯线性方法。快速付氏变换技术也是目前常用的一种方法。2. 目前常用方法这里给出的动态校准实验数据处理方法是较常用的一种。该方法简单明了有效,共分为四个步骤: ( 1)得到传感器的瞬态响应以后,使用最小二乘法,求出差分方程模型。( 2)使用Z变换,将差分方程变换为离散传递函数。( 3)采用输出响应不变法或双线性变换将离散传递函数变为连续传递函数。因为离散传递函数必须注明t和激励信号的类型,而连续传递函数不存在这个问题,可以避免局限性。( 4)令传递函数中s = j,由传递函数计算频率特性。( 5)由传递函数求瞬态响应。根据动态校准时所采用的激励信号和已求得的传递函数,便可求出模型计算的瞬态响应。将计算值与实验值绘在同一坐标中,便可以判断模型的好坏。在建立数学模型时,可以多种方法并用,不必拘泥于一种处理方法。3 温度传感器的动态校准前面谈到的传感器动态校准的各方面对所有类型的传感器都适用。下面对温度传感器的一 些特殊情况进行讨论。在温度测量中,现在最常见的情况是进行瞬态温度测量,尤其表现在工业和军用上。它的特点是温度高、变化快,根据不同的场合可能存在高压或高速流动等情况。因此,要保证测量精度是非常困难的。目前常用的方法都存在一定的系统误差,因而需要用动态校准的方法探明各种传感器由于热惯性和非平衡状态导致的系统误差,以便在不同使用条件下,通过修正使其更接近真实值 6 。对温度传感器动态校准的研究主要是将其视为一阶系统,通过动态校准实验测取其 时间常数 7 。3. 1 温度传感器校准的试验装置温度传感器是最常用的一种传感器,根据原理不同,可以分为热敏传感器、热电偶传感器、热 电阻传感器等。对温度传感器动态校准,一方面可以采取前面介绍的动态校准数据处理方法,另一方面也可 以参照下图,使用红外探测器进行辅助校准。对温度传感器进行校准,信号源多采用阶跃信号。根据传感器的动态特性和动态校准的要求,信号源可以分为两大类:1. 恒温水槽、油槽(水浴、油浴) 阶跃温度发生器适用于 一般温度传感器的动态校准该发生器用于量程 0 至100 之间的测温系统,温度值可以通过标准水银温度计测出。如果采用冰水共存的状态,就可 以形成负阶跃。对于时间常数较大的温度传感器,可直接用手快速将其插入水槽中。如果是时间常数较小的温度传感器,为了加大阶跃温度上升前沿的斜率,需要采用其它方法,如借助橡皮筋将其弹入水槽中。但这会带来额外的干扰,如摩擦生热等。也可以通过流动的或者沸腾的液 体形成阶跃信号。如果测量高温传感器的动态特性,可将水槽换成恒温油槽,或者各种高温电炉和保温箱。为 了使传感器进入水槽、油槽后,不会影响周围介质,容器的容积与传感器相比要适当大些。使用该类型的温度发生器简单实用,但由于现场实用性差,而且采用介入式,因此不适用于 快速响应的温度传感器。2. 激光阶跃温度发生器适用于快速温度传感器的现场动态校准当激光束照射温度传感器时,温度传感器被辐射加热,并以热传导的形式向内部传递。当温度达到所需,关掉激光电源,温度传感器受到负阶跃温度的激励,它按照实际应用时的冷却过程 冷却。在冷却期间就可以精确测定温度传感器在工作现场的动态特性。目前市场上激光器的种类非常多,可以根据实际情况进行挑选。一般来说,多使用CO2 激光器、红宝石激光器和掺钕激光材料激光器,它们的特点参见下表。表 1 几种激光器的比较类 型组 成特 点CO2 激光器波长为 911m 的 CO2 激光器效率高、光束质量好、功率范围大,能连续输出又能脉冲输出,运行费用低等。红 宝 石激 光器蓝宝石 Al2O3 中掺入少量的 氧化铬 Cr3O2荧光谱线窄,易获得大功率单模输出,低温时性能良好,输出为可见光。主要缺点为阈值高,且性能随温度变化明显。在室温下,不能作连续和高重复率器件。掺 钕 激光 材料激光器掺入适量的 Nd2O3具有优良的物理、化学性能、激光性能和热学性能,荧光谱线宽, 在大能量大功率激光器中有广泛的应用前景。主要缺点时导热率太低,热膨胀系数太大,不适于作连续和高重复率器件。3. 2 温度传感器动态校准的评定对传感器进行动态校准,现在还没有统一的评定标准,可以从以下几方面进行考查:1. 动态性能指标:时间常数 通频带工作频带建立时间等因为温度传感器一般为一阶系统,可以很方便地检测到它的时间常数,而且非常直观。但是不论输入信号进行如何处理,都不能完全视为阶跃信号 11 ,所以最终得到的动态特性还是有一定的误差。2. 建立动态数学模型按照前面介绍的方法,建立传感器的动态数学模型。根据模型进行频谱分析。3. 检测温度传感器的动态重复性和线性度重复性和线性度的引入,是考虑到所使用的传感器不可能处于理想状态。其中,动态重复性指多次动态校准结果的精密程度;动态线性度指传感器在全量程范围内动态激励信号的大小对动态校准结果影响的程度。4. 不确定度分析任何测量都应给出测量结果,有了测量结果就应有不确定度的分析,这已成为现代测量技术的基本要求。如果动态校准最终给出的是时间常数,那么可以参照 ISO 1993( E)测量不确定度导则进行分析。但很多情况下,最终给出的是反映被校准对象动态响应特性的函数,而对这方面的处理现在还没有可寻依据。对传感器动态校准结果的评定可以参照上述的方法,根据具体情况进行分析。3. 3 温度传感器动态校准的展望在温度传感器动态校准领域的研究中,很多内容没有得到统一的结论,这还需要在以后的研究中进一步探讨。例如:1. 校准仪器的精度与动态校准传感器所要达到的精度的关系。2. 激励信号(如阶跃信号)的评定标准。因为实验中不论采用何种措施,都不可能达到理想激励信号,这势必会带来误差。那么激励信号的要求,以及与所校传感器的关系就值得探讨了。3. 动态校准的评定方法。本文给出了目前国际上常用的一些评定方法。但这