传感器选用与标定

1、课题12传感器选用与标定务1传感器选用原则 务2传感器的标定与校准口口!=!选择传感器所应考虑的项目各种各样，但未必要满足所有项目要求。 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。1 测量方式选择传感器在实际条件下的工作方式，是选择传感器时应考虑的重要因素。 例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量 等，条件不同，对测量方式的要求亦不同。返回在机械系统中，对运动部件的被测参数（例如回转轴的误塞 振动、 扭力矩），往

2、往采用非接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量 时，有许多实际困难，诸如测量头的磨损、接触状态的变动、信号的 采集等问题，都不易妥善解决，容易造成测量误差。这种情况下采用 电容式、涡流式、光电式等非接触式传感器很方便，若选用电阻应变 片，则需配以遥测应变仪。在某些条件下，可以运用试件进行模拟实验，这时可进行破坏性检验。 然而有时无法用试件模拟，因被测对象本身就是产品或构件，这时宜 采用非破坏性检验方法。在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。特别是对自动化过程的 控制与检测系统，往往要求信号真实与可靠，必须在现场条件下才能 达到检测要求。实现在线检测比较困难，对传感器与测试系统都有一 定的特

3、殊要亲。 2 传感器性能指标选择在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传 感器的具体性能指标。主要性能指标包括传感器灵敏度、响应特性、 线性范围、稳定性和精确度等。灵敏度般说来，传感器灵敏度越高越好，因为灵敏度越高，就意味着传感器所能感知的变化量小，即只要被测量有一微小变化，传感器就有较 大的输出。但是，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。当传感器的灵敏度很高时，那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到，并通过传感器输出，从而干扰被测信号。因此，为了既 能使传感器检测到有用的微小信号，又能使噪声干扰小，就要求传感 器的信噪比愈大愈好。也就是说，要求传感器本身的噪声小，而

4、且不 易从外界引进干扰噪声。口与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感器的线性工作范围一定时, 传感器的灵敏度越高，干扰噪声越大，则难以保证传感器的输入在线 性区域内工作。简而言之，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。ift当被测量是一个向量，并且是一个单向量时，就要求传感器单向灵 敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好;如果被测量是二维或三维的 向量，那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。口响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。此外，实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，只是希望延迟 的时间越短越好。一般物性型传感器（如利用光电效应、压电效应等 传感器）响应时间短

5、，工作频率宽;而结构型传感器，如电感、电容、磁电等传感器，由于受到结构特性的影响和机械系统惯性质量的限制, 其固有频率低，工作频率范围窄。线性范围in任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比 例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作 在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。例如，机械式传感器中 的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当 超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差。然而，对任何传感器，保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。在 某些情况下，在许可限度内，也可以取其近似线性区域。例如，变间隙型的电容、电感式传感器，其工作

6、区均选在初始间隙附近，而且必须考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。 (4)稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性 能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。rr"为了保证稳定性，在选择传感器时，一般应注意两个问题。其一，根 据环境条件选择传感器。例如，选择电阻应变式传感器时，应考虑到 湿度会影响其绝缘性，湿度会产生零漂，长期使用会产生蠕动现象等。 又如，对变极距型电容式传感器，因环境湿度的影响或油剂浸入间隙 时，会改变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时， 会改变感光性质。其二，要创造或保持一个良好的环境，在要求传感 器长期地工作而

7、不需经常地更换或校准的情况下，应对传感器的稳定 性有严格的要求。 (5)精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。如前所述, 传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量, 对整个测试系统具有直接的影响。然而，在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好，这还需要考虑 到测量目的，同时还需要考虑到经济性。因为传感器的精度越高，其 价格就越昂贵，所以应从实际岀发来选择传感器。在选择时，首先应了解测试目的，判断是定性分析还是定量分析。如 果是相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么应要求 传感器的重复精度高，而不要求测试的绝对量值准确。如果是定量分析，那么必须

8、获得精确量值。但在某些情况下，要求传 感器的精确度愈高愈好。例如，对现代超精密切削机床，测量其运动部件的定位精度，主轴的回转运动误差、振动及热形变等时，往往要求它们的测量精确度在0.10.0 1 m范围内，欲测得这样的精确量值,必须有高精确度的传感器。 (6)互换性互换性是指传感器性能的一致性。值得指出的是，大多数传感器的性 能一致性不理想，在修理或调换时要特别注意。传感器使用一段时间后，会出现所谓老化现象，性能有所变化;或者即便无输入信号或输入信号不变，传感器的输出也会有某些变化，这 都影响传感器的可靠性，故要定期对其进行检验。除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外，还应尽可能兼顾结构简

9、单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。 "I 标定与校准的概念标定是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。而校准是指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。传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。静态标定的目的是确定 传感器静态特性指标，如线性度、灵敏度、滞后和重复性等;动态标定的目的是确定传感器动态特性参数，如频率响应、时间常数、固有 频率和阻尼比等。有时根据需要还要对横向灵敏度、温度响应、环境 影响等进行标定。产顶 返叵 2 传感器标定方法利

10、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进行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，但在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

11、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。 3 传感器的静态标定传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。 (1)静态标定的目的静态标定的目的是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。标定的关键是由试验找到传感器输入一输出实际特性 曲线。 (2)静态标准条件IIIIII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(2(rc 土 15 °C).相对湿度不大于85 %,大气压力(101 308 ±7 998)Pao口口口口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

12、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。 (3)标定步骤将传感器全量程(测量范围)分成若干等间距点;根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点地输入标准量值, 并记录各输入值相对应的输出值；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;按，所述过程，对传感器进行正、反行程往复多次测试，将得 到的输出一输入测试数据用表格列出或画成曲线；口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。 4 传感器的动态标定 (1)动态标定的目的动态标定的目的是确定传感器的动态性能指标，即通过线性工作

13、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。(2)动态标定的方法传感器种类繁多，动态标定方法各异。下面介绍几种常用的动态标定 方法。冲击响应法。具有所需设备少、操作简便、力值调整及波形控制方便的特点，因此被广泛采用。例如对力传感器的动态标定，如图121所示。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，其冲击加速度由固定在重锤上的标准加速

14、度计 测出。121(b)中,0J为冲击力作用时间，虚线为冲击力波因此，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。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。形，附在其上的高频分量和t广t的自由振荡信号即为测力仪(或传感器) 的固有频率信号。为提高校准精度,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。 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。例如测力仪的标定。 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