传感器性能改善标定-r.ppt

传感器的性能改善、标定和选用原则,改善传感器性能的主要技术途径传感器的标定与校准*传感器的选用原则与方法,1.改善性能的技术途径,传感器的性能指标包含很广。使某一传感器各项指标均优，难实现，无必要。应根据实际需要与可能，确保主要指标，放宽次要指标，实现高性价比。1)结构、材料与参数的合理选择合理选择结构、材料与参数是提高性价比的一种有效途径。原则：对于传感器的研究和生产，逐步形成系列产品满足不同使用要求；对于用户，按实际需要恰如其分地选用(或设计)能满足使用要求的产品，避免盲目追求高指标。例如选称重传感器，应根据要求选择测量范围、线性度、回差、重复性等指标，根据使用条件考虑种类、结构形式，材质等。选测振传感器，则应根据频率范围、动态范围和精度要求选择传感器种类、固有频率、阻尼比及结构形式等。具体选择原则和方法与具体传感器及其性能要求相关。,2）差动技术通常要求传感器输出输入关系成线性，实际难于做到。当输入量变化范围不大，且非线性项的阶次不高时，可用切线或割线代替实际曲线的某一段，这种方法称为静态特性的线性化。如图取ab段为测量范围，但这时原点不在O点，而在c点，故局限性很大。在传感器静态特性的四种情况中，对于其非线性项中只存在奇次项，且对称于坐标原点，在原点附近的一定范围内存在近似线性段。分析多项式可知，差动技术是一种切实可行的减小非线性的方法。这是广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差(如温度误差)的技术。,静态特性的线性化,差动技术原理：设一传感器输出为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4+用另一相同传感器，但使其输入量符号相反(例如位移传感器使之后向移动)，则其输出为y2=a0-a1x+a2x2-a3x3+a4x4-使二者输出相减，即y=y1-y2=2(a1x+a3x3+)总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，且使灵敏度提高一倍，抵消了共模误差。差动技术在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛应用，是结构型传感器改善性能的常用和有效途径。,3）平均技术常用技术：误差平均效应和数据平均处理误差平均效应原理：用n个传感器单元同时感受被测量，因而其输出是n个单元输出的总和。设每一单元可能带来的误差0可视为随机误差，根据误差理论，总误差将减小为例如，n=10时，误差减小为31.6；n=500时，误差减小为4.5误差平均效应在容栅、光栅、编码器等栅状传感器中效果明显，在其他传感器中，对某些工艺性缺陷造成的误差起弥补作用。同理，将相同条件下的测量重复n次或进行n次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也减小倍。因此，凡被测对象允许进行多次重复测量(或采样)的，都可采用此方法。需指出，上述方法在设计传感器时可采用，在应用传感器时亦可效法，不过这时应将整个测量系统视作对象。例如常用的多点测量方案与多次采样。,4）稳定性处理因为是长期测量或反复使用的元件，传感器的稳定性特别重要，其重要性甚至胜过精度指标。知道误差的规律就可进行误差修正或补偿，稳定性则不然。造成传感器性能不稳定的原因：随时间推移或环境条件变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为提高稳定性，需要对材料、元器件或传感器整体作必要的稳定性处理。例如结构材料的时效处理、冰冷处理，永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化与筛选等。在使用传感器时，如果测量要求高，必要时也应对附加的调整元件、后接电路的关键元器件进行老化处理。,5）屏蔽、隔离与干扰抑制传感器是一个复杂的输入系统。如图，x(t)为被测量，xi(t)为外界影响因素。为减小测量误差，应设法削弱或消除外界影响因素的作用。三种方法：一）减小传感器对影响因素的灵敏度；二）降低外界因素对传感器实际作用的功率；三）在后续信号处理环节中加以消除或抑制。具体实施方法：对于电磁干扰，可采取屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。由于传感器常常是感受非电量的器件，还应考虑与被测量有关的其他影响因素，如温度、湿度、机械振动、气压、电压、辐射、甚至气流等。为此，需采取相应的隔离措施(如隔热、密封、隔振等)，或在变换为电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小其影响。,影响因素对传感器的作用,6）零示法、微差法与闭环技术作用：消除或削弱系统误差零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。方法：被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。例如机械天平，零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。微差法源于零示法。零示法要求标准量与被测量完全相等，这要求标准量连续可变，不易做到。如果标准量与被测量的差别减小到一定程度，则由于它们相互抵消的作用能使指示仪表的误差影响大大削弱。设被测量为x，与它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A，A的数值可由指示仪表读出。由于AB，则：x=B+A,在微差法测量中，测量误差由标准量的相对误差BB和指示仪表的相对误差AA与相对微量Ax之积两部分组成。由于Ax远小于1，指示仪表误差的影响大大削弱，而BB一般很小，测量的相对误差大为减小。微差法的优点：不需标准量连续可调，有可能在指示仪表上直接读出被测量的数值。几何量测量中广泛采用微差法，例如用电感测微仪检测工件尺寸的方法，利用电感式位移传感器进行微差法测量的实例。采用该法时，标准量可由量块或标准工件提供。随着科技和生产的发展，要求测试系统具有宽频响，大动态范围，高灵敏度、分辨力与精度，以及高稳定性、重复性和可靠性。开环测试系统往往不能满足求，于是出现了在零示法基础上发展而成的闭环测试系统。将电子技术和控制理论中的反馈技术应用于传感器，即构成了带有“反向传感器”的闭环式传感器。,7）补偿与校正有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取一定的技术措施后仍难满足要求；或可满足要求，但价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。这时，若能找出误差的方向和数值，采用修正法(包括修正曲线或公式)加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性，先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。上述方法在传感器或测试系统中已被采用。补偿与校正，可以利用电子技术通过线路(硬件)来解决；也可采用微型计算机(通常采用单片微机)通过软件来实现。8）集成化、智能化与信息融合由绪论知，集成化、智能化与信息融合的结果，将大大扩大传感器的功能，提高性能价格比。,传感器的标定与校准,标定：在明确传感器的输入与输出变换关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。新研制或生产的传感器都需要进行全面的技术检定。校准：将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。一般标定与校准的本质相同。标定的基本方法：利用标准仪器产生已知非电量(如标准力、压力、位移)作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入标准量作比较，获得一系列标准数据或曲线。有时输入的标准量是利用标准传感器检测得到，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较。标定在传感器制造时当然已进行了，但使用中还要定期进行，传感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。,传感器标定系统的一般组成：(1)被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等；(2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等；(3)待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。为保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程和管理办法进行。(一)传感器标定原则标定的基准为了标定必须要有长期稳定而高精度的基准。有的传感器内装有标定用的基准器，特别对内装微处理器的传感器更容易实现自动标定的机能。但是如果这些传感器的基准是稳压电源和标准电阻器等，一般只能进行普通传感器输出的后段信号标定。当测定量是长度、角度或质量时，这些量的基准量与被测量形态是稳定的；当被测量是温度、流速或湿度等参量时，因基准量保持困难，自动标定实际上不可能。,精度传递对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上是确定传感器的测量精度。所以标定传感器时，必须有比被标定的传感器精度高的基准器，该基准的精度还必须由比它更高精度的基准器进行定期的标定，而这个基准器则需要更高一级的基准器来标定，如此这样标的基准链可一直追溯到国家标准，并以此来保证末端传感器的精度。这称为国家精度传递或标准传递，这种自上而下的标定连锁称为精度传递系统。如图所示，如果从国家标准的立场上来看上述便是标准供给系统。标准供给系统依靠国家标定机关对一次或二次基准器进行标定。,传感器标定的精度传递系统,互换性*有时传感器的标定并不容易进行，作为经常使用的替换方法是对经过一定时间工作的传感器进行更换。更换传感器时，机械尺寸和电器等规格当然是相同的，即使在不加标定的情况下也能进行正确调换，称之为互换性。具有互换性的传感器，由于传感器的更换所产生的误差要保证不超过一定范围，如家用电器或小汽车，如果手边没有基准器或有基准器而标定又很困难时，互换性则是非常重要的。这时，借助于互换性，可对换下来的传感器或测量系统进行标定。,(二)传感器的静态标定静态标定的目的：确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。标定的关键：由试验找到传感器输入输出实际特性曲线。静态标准条件传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。静态标准条件：没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测量)及环境温度影响，一般为室温(205)、相对湿度不大于85，大气压力1013087998（Pa）。静态标定方法标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态特性标定。,标定步骤(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值；(3)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对应的输出值；(4)按(2)，(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,(三)传感器的动态标定动态标定的概念确定传感器的动态性能指标，即通过线性工作范围(用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出)、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、固有频率等。动态标定的目的1）了解其动态响应特性，确其性能指标，当发现其动态误差过大或者某项指标达不到要求时，改进或更换传感器。若无理想的传感器，或测试不可能重新进行，必须对传感器进行动态补偿或采用动态误差修正技术对测试结果进行处理。2）当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或传感器无静态响应(如压电传感器)，应对传感器进行灵敏度标定。与静态标定相比，传感器的动态标定较为困难。原因：产生标准非电量动态信号需专门设备，这些设备大多数昂贵。,动态标定的方法传感器种类繁多，动态标定方法各异。冲击响应法具有所需设备少、操作又简便、力值调整及波形控制方便的特点，因此被广泛采用。力传感器的动态标定方法-一种绝对法校准（其原理见图）：落锤式冲击台根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力为标准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤提升到一定高度后释放，重锤落下，撞击安装在砧子上的被校传感器，其冲击加度由固定在重锤上的标准加速度计测出。因此，被标定传感器所受的冲击力为ma，改变重锤下落高度，可得到不同冲击加速度，即不同冲击力。为提高校准精度，一般采用测速精度很高的多普勒测速系统，测定落锤的速度，并经微分电路变换成加速度信号输出，由此测定力传感器的输入信号。,冲击法测量原理图,冲击波形图,通过一个测试系统测量传感器的输出信号，与输入传感器的标准信号进行比较，可得传感器的各项动态性能指标。图中，0t1为冲击力作用时间，虚线为冲击力波形，附在其上的高频分量和t1t的自由振荡信号即为测力仪(或传感器)的固有频率信号。,频率响应法频响法较直观、精度较高，但需要性能优良的参考传感器，非电量正弦发生器的工作频率有限，实验时间长。例：测力仪的标定激振法：通过激振器或振动台对测力仪的刀尖部位施加不同频率(不同幅值)的激振力，求得输出与输入对应关系。动态切削测力仪的一个简单典型构成：在测力刀杆(或工作合)下方紧压一压电传感器。力作用在刀尖上时，传感器也相应地感受到一定大小的力并将力信号转化成电荷信号输出，经电荷放大器将电荷信号转换成电压信号并放大，通过仪器显并记录。,阶跃响应法原理：当传感器受到阶跃压力信号作用，测得其响应，用基于机理分析的估计方法或实验建模方法求出传感器的频率特性、特征参数和性能指标。,采用激波管的压力传感器阶跃响应标定原理图,传感器的合理选用,现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体测量目的、测量对象以及测量环境合理选用传感器，是在进行具体测量时首要解决的问题。确定传感器之后，与之相配套的测量方法和测量设备就可确定。测量的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。选择传感器所应考虑的项目各种各样，但要满足所有项目要求却未必。应根据传感器实际使用目的、指标、环境条件和成本，从不同的侧重点，优先考虑几个重要的条件即可。选择的标准主要考虑以下因素：传感器的性能、传感器的可用性、能量消耗、成本、环境条件以及与购置有关的项目等。,合理选择的基本原则与方法,（1）依据测量对象和适用条件确定传感器类型了解被测量的特点，如状态、性质、待测范围、测量速度和精度要求等；了解使用条件，如现场环境条件、现有基础条件（人、财、物）。（2）线性范围与量程考虑最佳工作区段、过载量、非线性度。（3）灵敏度信噪比、方向性（交叉干扰）。（4）精度性价比、重复性等。（5）频率响应特性响应时间、不失真条件（6）稳定性环境影响、环境条件或补偿措施。,传感器的正确使用除了遵循通常仪器和器件使用的规则，需特别注意以下事项（1）认真阅读使用说明书（2）正确选择测试点和正确安装传感器（3）保证电源和传输电缆符合规定，且连接正确、可靠（4）良好的接地、屏蔽及抗干扰措施（5）对于非接触式传感器，必须在使用前作现场标定（6）定期检验、校准,无合适传感器可供选用时的对策举例（1）采用间接测量法（2）理论计算法（3）设置预转换环节，构成新传感器（4）信息融合法软测量?,2.5传感器的标定与校准,标定：在明确传感器的输入与输出变换关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。新研制或生产的传感器都需要进行全面的技术检定。校准：将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。一般标定与校准的本质相同。标定的基本方法：利用标准仪器产生已知非电量(如标准力、压力、位移)作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输出量与输入标准量作比较，获得一系列标准数据或曲线。有时输入的标准量是利用标准传感器检测得到，这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较。标定在传感器制造时当然已进行了，但使用中还要定期进行，传感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。,传感器标定系统的一般组成：(1)被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等；(2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等；(3)待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是已知的。为保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程和管理办法进行。(一)传感器标定原则标定的基准为了标定必须要有长期稳定而高精度的基准。有的传感器内装有标定用的基准器，特别对内装微处理器的传感器更容易实现自动标定的机能。但是如果这些传感器的基准是稳压电源和标准电阻器等，一般只能进行普通传感器输出的后段信号标定。当测定量是长度、角度或质量时，这些量的基准量与被测量形态是稳定的；当被测量是温度、流速或湿度等参量时，因基准量保持困难，自动标定实际上不可能。,精度传递对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标，实际上是确定传感器的测量精度。所以标定传感器时，必须有比被标定的传感器精度高的基准器，该基准的精度还必须由比它更高精度的基准器进行定期的标定，而这个基准器则需要更高一级的基准器来标定，如此这样标的基准链可一直追溯到国家标准，并以此来保证末端传感器的精度。这称为国家精度传递或标准传递，这种自上而下的标定连锁称为精度传递系统。如图所示，如果从国家标准的立场上来看上述便是标准供给系统。标准供给系统依靠国家标定机关对一次或二次基准器进行标定。,传感器标定的精度传递系统,互换性*有时传感器的标定并不容易进行，作为经常使用的替换方法是对经过一定时间工作的传感器进行更换。更换传感器时，机械尺寸和电器等规格当然是相同的，即使在不加标定的情况下也能进行正确调换，称之为互换性。具有互换性的传感器，由于传感器的更换所产生的误差要保证不超过一定范围，如家用电器或小汽车，如果手边没有基准器或有基准器而标定又很困难时，互换性则是非常重要的。这时，借助于互换性，可对换下来的传感器或测量系统进行标定。,(二)传感器的静态标定静态标定的目的：确定传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。标定的关键：由试验找到传感器输入输出实际特性曲线。静态标准条件传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。静态标准条件：没有加速度、振动、冲击(除非这些参数本身就是被测量)及环境温度影响，一般为室温(205)、相对湿度不大于85，大气压力1013087998（Pa）。静态标定方法标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态特性标定。,标定步骤(1)将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点；(2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值；(3)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对应的输出值；(4)按(2)，(3)所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成曲线；(5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。,(三)传感器的动态标定动态标定的概念确定传感器的动态性能指标，即通过线性工作范围(用同一频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出)、频率响应函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位误差、时间常数、固有频率等。动态标定的目的1）了解其动态响应特性，确其性能指标，当发现其动态误差过大或者某项指标达不到要求时，改进或更换传感器。若无理想的传感器，或测试不可能重新进行，必须对传感器进行动态补偿或采用动态误差修正技术对测试结果进行处理。2）当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或传感器无静态响应(如压电传感器)，应对传感器进行灵敏度标定。与静态标定相比，传感器的动态标定较为困难。原因：产生标准非电量动态信号需专门设备，这些设备大多数昂贵。,动态标定的方法传感器种类繁多，动态标定方法各异。冲击响应法具有所需设备少、操作又简便、力值调整及波形控制方便的特点，因此被广泛采用。力传感器的动态标定方法-一种绝对法校准（其原理见图）：落锤式冲击台根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力为标准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤提升到一定高度后释放，重锤落下，撞击安装在砧子上的被校传感器，其冲击加度由固定在重锤上的标准加速度计测出。因此，被标定传感器所受的冲击力为ma，改变重锤下落高度，可得到不同冲击加速度，即不同冲击力。为提高校准精度，一般采用测速精度很高的多普勒测速系统，测定落锤的速度，并经微分电路变换成加速度信号输出，由此测定力传感器的输入信号。,冲击法测量原理图,冲击波形图,通过一个测试系统测量传感器的输出信号，与输入传感器的标准信号进行比较，可得传感器的各项动态性能指标。图中，0t1为冲击力作用时间，虚线为冲击力波形，附在其上的高频分量和t1t的自由振荡信号即为测力仪(或传感器)的固有频率信号。,频率响应法频响法较直观、精度较高，但需要性能优良的参考传感器，非电