传感器的标定
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第12章 传感器的标定
振动标定的内容主要有灵敏度、频率响应、固有振动频率、横 向灵敏度等。 灵敏度的标定是在传感器规定的频率响应范围内，进行单频 标定。亦即在频率保持恒定的条件下，改变振动台的振幅，读 出传感器的输出电压值(或其他量值)，就可以得到它的振幅 — 电压曲线。与标准传感器相比较，就可以从下式求得它的灵敏 度：
2
y e
1 1 ln m
2
则对应的最大超调量为
yt d m y
1 2
测出最大超调量，则可算出阻尼比：
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第12章 传感器的标定 测出振荡周期Td值，根据Td= / d 以及 d与n的关系，代入下 式计算固有频率： 2 n Td 1 2
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第12章 传感器的标定
12.3
12.3.1
常用的标定设备
静态标定设备
1. 力标定设备
测力传感器的标定主要是静态标定，采用比较法。
1) 测力砝码 最简单的力标定设备是各种测力砝码。
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第12章 传感器的标定
我国基准测力装置是固定式基准测力机，它实际上是由一组 在重力场中体现基准力值的直接加荷砝码 ( 静重砝码 ) 组成。图 (a)所示为一种杠杆式测力机，这是一种直接加测力法码的标定 装置。图(b)所示为一种液压式测力机原理图，其中砝码经油路 产生的力作为标准力，作用在被标定传感器上，量程可高达5MN。
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第12章 传感器的标定
双极比较法检定系统原理原理图。检定时将标准热电偶与被标 定热电偶的工作端捆扎在一起，插入炉膛内的均匀温度场中， 冷端分别插在0℃的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温 到达所需的标定温度点±10℃内，且炉温变化每分钟不超过 0.2℃时，读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于4次。
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第12章 传感器的标定 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。
绝对法标定系统：标定精度高，但较复杂
被测物 理量标 准发生 器 xi 待标 定传 感器 yi 高精 度测 量装 置 被测物 理量发 生器
x
比较法标定系统
被测物 理量发 生器 高精 度测 量装 置
标准
标
yi
高精 度测 量装 置
2
已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：
e t sin y (t ) AK 1 2 1
n
1 nt
2
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第12章 传感器的标定 按求极值的通用方法，求得第一 个峰值输出为
yt AK 1 e d 1
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第12章 传感器的标定 比较法的原理简单、操作方便，对设备精度要求较低， 所以应用很广。
上图为一个用比较法标定振动传感器的示意图，将相同的运动 加在两个传感器上，比较它们的输出。在比较法中，标准传感 器是关键部件，因此它必须满足如下要求：灵敏度精度优于 0.5%，并具有长期稳定性，线性好；横向灵敏度比小于2.5%； 对环境的响应小，自振频率尽量高。
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第12章 传感器的标定
热电偶的标定(校准):目的是核对标准热电偶的热电动势 -温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电动势— —温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。 标定方法有定点法和比较法。 定点法是以纯元素的沸点或凝固点作为温度标准。如基准铂 铑 10-铂热电偶在630.755～1064.43℃的温度间隔内，以金的 凝固点1064.43℃、银的凝固点961.93℃、锑的凝固点 630.775℃作为标准温度进行标定。 比较法是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较， 比较法又可分为双极法、同名极法(单极法)和微差法。
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第12章 传感器的标定
活塞压力计实物图
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第12章 传感器的标定
在压力表 ( 压力传感器 ) 标定时， 通过手轮对加压泵内的油液加 压，根据流体静力学中液体压 力传递平衡原理，该外加压力 均匀传递到活塞缸内顶起活塞。 由于活塞上部是承重盘和砝码， 当油液中的压力p产生的活塞上 顶力与承重盘和砝码的重力相 等时，活塞被稳定在某一平衡 位置上，这时力平衡关系为
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2. 频率响应法 该方法利用正弦周期输入信号，通过测定不同正弦激励频率下 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。 根据一阶传感器幅频特性曲线的 伯得图，其对数幅频曲线下降 3dB 处所测取的角频率 1 ， 可求得一阶传感器的时间常数。
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第12章 传感器的标定 12.3.2 动态标定设备
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第12章 传感器的标定
一阶传感器只有时间常数 一个参数， 二阶传感器则有固有频率 n 和阻尼比 两个参数。 传感器动态特性标定方法： 1. 阶跃响应法 对于一阶传感器，简单的方法就是测得阶跃响应之后，传感器 输出值达到最终稳定值的63.2%所经历的时间，即时间常数。 备注：为获得较可靠的结果，应记录下整个响应期间传感器的 输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。
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第12章 传感器的标定
复现表 12-1 中这些基准点的方法是用一个内装有参考材料的 密封容器，将待标定的温度传感器的敏感元件放在伸入容器中 心位置的套管中。然后加热，使温度超过参考物质的熔点，待 物质全部熔化。随后冷却，达到三相点 ( 或凝固点 ) 后，只要同 时存在固、液、气三态或 ( 固、液态 ) 约几分钟，温度就稳定下 来，并能保持规定值不变。 对于定义固定点之间的温度，ITS-1990国际温标把温度分为4 个温区，各个温区的范围、 (1) 0.65～5.0 K间为3He或4He (2) 3.0～24.5561 K间为3He或4He (3) 13.8033 K～961.78℃ (4) 961.78℃以上为光学或光电高温计。 以上有关标准测温仪器的分度方法以及固定点之间的内插公式， ITS-1990国际温标都有明确的规定，可参考ITS-1990标准文本。
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第12章 传感器的标定
3. 静态特性标定的步骤 (1) 将传感器全量程分成若干等间距点； (2) 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点输入标 准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值； (3) 将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记录下与各 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、反行程往复循环 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，根据处理结果就可以确定传 感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。
1. 振动传感器动态标定设备 采用振动台(激振器)产生正弦激励信号。 振动台有机械的、电磁的、液压的等多种。 常用电磁振动台，能产生5～7.5 kHz范围激振频率。 高频激振器多用压电式，频率范围为几千赫到几百万赫。 机械振动台种类较多，其中偏心惯性质量式最常用。 液压振动台是用高压液体通过电液伺服阀驱动作功进而推动 台面产生振动的激振设备，它的低频响应好，推力大，常用来 作为大吨位激振设备。 振动的标定方法有绝对校准法、比较法和互易法。 绝对法标定是由标准仪器直接准确决定出振动台的振幅和频 率，它有精度高、可靠性大的优点。但该方法对设备精度要 求高，标定时间长，一般用在计量部门。
12.2 传感器动态特性的标定
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第12章 传感器的标定 已知一阶传感器的阶跃响应函数为：
整理得：
y (t ) 1 e
t
1 y (t ) e
则
t
令：
z ln[1 y (t )]
z
t
表明z和时间t成线性关系，且 t z，如图所示。
U1 S1 S2 U2
式中： U1 、U 2 分别为待测传感器和标准传感器的输出电压； S 1 、 S2分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。
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第12章 传感器的标定
频率响应的标定是在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频率， 所得到的输出电压与频率的对应关系即传感器的幅频响应；比 较待测传感器与标准传感器输出信号间的相位差，就可以得到 传感器的相频特性。相位差可以用相位计读出，也可以用示波 器观察它们的李沙育图形求得。 频率响应的标定至少要做七点以上，并应注意有无局部谐振 现象的存在。这可以用频率扫描方法来检查。 固有振动频率的测定是用高频振动台作激励源，振动台的运动 质量应大于传感器质量十倍以上。 横向灵敏度是在单一频率下进行的。要求振动台的轴向运动速 度比横向速度大100倍以上。小于1%的横向灵敏度则要求更加严 格。
第12章 传感器的标定
传感器的标定
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第12章 传感器的标定
传感器的标定，就是利用精度高一级的标准器具对传感器进 行定度的过程，通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对 应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。 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的动态特性参数，如频率响应、 时间常数、固有频率和阻尼比等。
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第12章 传感器的标定
2. 压力标定设备 活塞压力计是目前 最常用的压力传感器 静态标定装置。图示 为活塞压力计结构原 理图。
1 — 测量活塞； 2 — 砝码； 3 — 活塞柱； 4 — 手摇泵； 5 — 工作液； 6 — 被校压力 表；7—手轮；8—丝杆； 9 — 手摇泵活塞； 10 — 油 杯；11—进油阀手轮； 12 —托盘； 13 —标准压力 表； a 、 b 、 c — 切断阀； d—进油阀
1—测量活塞；2—砝码； 6—被校压力表； 9—手摇泵活塞； 13—标准压力表；
p AG
式中：A 为活塞的截面积； G为承重盘和砝码 (包括活塞)的总重 力；p为被测压力。
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第12章 传感器的标定
4. 温度标定设备
标定温度测量系统的方法可以分为两类：一是同一次标准比 较，即按照国际计量委员会1990年通过的国际温标(ITS-1990) 相比较,见表12-1 ；二是与某个已经标定的标准装置进行比较， 这是常用的标定方法。
因此，可以根据测得的 y (t ) 值，作出z-t曲线，再根据 t z 值 算出时间常数。
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第12章 传感器的标定
对于二阶传感器，实际设计时都设计成欠阻尼系统，即阻尼 比 小于1，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图。 它是以 d n 1 的角频 率作衰减振荡的，d 称为传 感器的阻尼振荡频率。按照 求极值的通用方法，可以求 得各振荡峰值所对应的时间 为d 、 2d 、…。
xi
待标 定传 感器
yi
传
器
标准传感器
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第12章 传感器的标定
12.1 传感器静态特性的标定
1. 静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静 态标准是指没有加速度、振动、冲击 ( 除非这些参数本身就是 被测物理量)及环境温度一般为室温(20℃±5℃)、相对湿度不 大于85%，大气压力为(101±7) kPa的情况。
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第12章 传感器的标定
2. 静态特性标定系统 对传感器进行静态特性标定，首先要建立标定系统。一般组成： (1) 被测物理量标准发生器。如测力机、活塞式压力计、恒温 源等。 (2) 被测物理量标准源自文库试系统。如标准力传感器、压力传感器、 标准长度——量规等。 (3) 被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等配接 仪器精度应是己知的，也作为标准测试设备。
第12章 传感器的标定
振动标定的内容主要有灵敏度、频率响应、固有振动频率、横 向灵敏度等。 灵敏度的标定是在传感器规定的频率响应范围内，进行单频 标定。亦即在频率保持恒定的条件下，改变振动台的振幅，读 出传感器的输出电压值(或其他量值)，就可以得到它的振幅 — 电压曲线。与标准传感器相比较，就可以从下式求得它的灵敏 度：
2
y e
1 1 ln m
2
则对应的最大超调量为
yt d m y
1 2
测出最大超调量，则可算出阻尼比：
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第12章 传感器的标定 测出振荡周期Td值，根据Td= / d 以及 d与n的关系，代入下 式计算固有频率： 2 n Td 1 2
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第12章 传感器的标定
12.3
12.3.1
常用的标定设备
静态标定设备
1. 力标定设备
测力传感器的标定主要是静态标定，采用比较法。
1) 测力砝码 最简单的力标定设备是各种测力砝码。
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第12章 传感器的标定
我国基准测力装置是固定式基准测力机，它实际上是由一组 在重力场中体现基准力值的直接加荷砝码 ( 静重砝码 ) 组成。图 (a)所示为一种杠杆式测力机，这是一种直接加测力法码的标定 装置。图(b)所示为一种液压式测力机原理图，其中砝码经油路 产生的力作为标准力，作用在被标定传感器上，量程可高达5MN。
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第12章 传感器的标定
双极比较法检定系统原理原理图。检定时将标准热电偶与被标 定热电偶的工作端捆扎在一起，插入炉膛内的均匀温度场中， 冷端分别插在0℃的恒温器中。用调压变压器调节炉温，当炉温 到达所需的标定温度点±10℃内，且炉温变化每分钟不超过 0.2℃时，读取数据。每一个标定点温度的读数不得少于4次。
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第12章 传感器的标定 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。
绝对法标定系统：标定精度高，但较复杂
被测物 理量标 准发生 器 xi 待标 定传 感器 yi 高精 度测 量装 置 被测物 理量发 生器
x
比较法标定系统
被测物 理量发 生器 高精 度测 量装 置
标准
标
yi
高精 度测 量装 置
2
已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：
e t sin y (t ) AK 1 2 1
n
1 nt
2
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第12章 传感器的标定 按求极值的通用方法，求得第一 个峰值输出为
yt AK 1 e d 1
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第12章 传感器的标定 比较法的原理简单、操作方便，对设备精度要求较低， 所以应用很广。
上图为一个用比较法标定振动传感器的示意图，将相同的运动 加在两个传感器上，比较它们的输出。在比较法中，标准传感 器是关键部件，因此它必须满足如下要求：灵敏度精度优于 0.5%，并具有长期稳定性，线性好；横向灵敏度比小于2.5%； 对环境的响应小，自振频率尽量高。
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第12章 传感器的标定
热电偶的标定(校准):目的是核对标准热电偶的热电动势 -温度关系是否符合标准，或确定非标准热电偶的热电动势— —温度标定曲线，也可以通过标定消除测量系统的系统误差。 标定方法有定点法和比较法。 定点法是以纯元素的沸点或凝固点作为温度标准。如基准铂 铑 10-铂热电偶在630.755～1064.43℃的温度间隔内，以金的 凝固点1064.43℃、银的凝固点961.93℃、锑的凝固点 630.775℃作为标准温度进行标定。 比较法是将标准热电偶与被标定热电偶之间直接进行比较， 比较法又可分为双极法、同名极法(单极法)和微差法。
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第12章 传感器的标定
活塞压力计实物图
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第12章 传感器的标定
在压力表 ( 压力传感器 ) 标定时， 通过手轮对加压泵内的油液加 压，根据流体静力学中液体压 力传递平衡原理，该外加压力 均匀传递到活塞缸内顶起活塞。 由于活塞上部是承重盘和砝码， 当油液中的压力p产生的活塞上 顶力与承重盘和砝码的重力相 等时，活塞被稳定在某一平衡 位置上，这时力平衡关系为
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2. 频率响应法 该方法利用正弦周期输入信号，通过测定不同正弦激励频率下 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。 根据一阶传感器幅频特性曲线的 伯得图，其对数幅频曲线下降 3dB 处所测取的角频率 1 ， 可求得一阶传感器的时间常数。
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第12章 传感器的标定 12.3.2 动态标定设备
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第12章 传感器的标定
一阶传感器只有时间常数 一个参数， 二阶传感器则有固有频率 n 和阻尼比 两个参数。 传感器动态特性标定方法： 1. 阶跃响应法 对于一阶传感器，简单的方法就是测得阶跃响应之后，传感器 输出值达到最终稳定值的63.2%所经历的时间，即时间常数。 备注：为获得较可靠的结果，应记录下整个响应期间传感器的 输出值，然后利用下述方法来确定时间常数。
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第12章 传感器的标定
复现表 12-1 中这些基准点的方法是用一个内装有参考材料的 密封容器，将待标定的温度传感器的敏感元件放在伸入容器中 心位置的套管中。然后加热，使温度超过参考物质的熔点，待 物质全部熔化。随后冷却，达到三相点 ( 或凝固点 ) 后，只要同 时存在固、液、气三态或 ( 固、液态 ) 约几分钟，温度就稳定下 来，并能保持规定值不变。 对于定义固定点之间的温度，ITS-1990国际温标把温度分为4 个温区，各个温区的范围、 (1) 0.65～5.0 K间为3He或4He (2) 3.0～24.5561 K间为3He或4He (3) 13.8033 K～961.78℃ (4) 961.78℃以上为光学或光电高温计。 以上有关标准测温仪器的分度方法以及固定点之间的内插公式， ITS-1990国际温标都有明确的规定，可参考ITS-1990标准文本。
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第12章 传感器的标定
3. 静态特性标定的步骤 (1) 将传感器全量程分成若干等间距点； (2) 根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点输入标 准量值，并记录下与各输入值相对应的输出值； (3) 将输入值由大到小一点一点的减少下来，同时记录下与各 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、反行程往复循环 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，根据处理结果就可以确定传 感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。
1. 振动传感器动态标定设备 采用振动台(激振器)产生正弦激励信号。 振动台有机械的、电磁的、液压的等多种。 常用电磁振动台，能产生5～7.5 kHz范围激振频率。 高频激振器多用压电式，频率范围为几千赫到几百万赫。 机械振动台种类较多，其中偏心惯性质量式最常用。 液压振动台是用高压液体通过电液伺服阀驱动作功进而推动 台面产生振动的激振设备，它的低频响应好，推力大，常用来 作为大吨位激振设备。 振动的标定方法有绝对校准法、比较法和互易法。 绝对法标定是由标准仪器直接准确决定出振动台的振幅和频 率，它有精度高、可靠性大的优点。但该方法对设备精度要 求高，标定时间长，一般用在计量部门。
12.2 传感器动态特性的标定
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第12章 传感器的标定 已知一阶传感器的阶跃响应函数为：
整理得：
y (t ) 1 e
t
1 y (t ) e
则
t
令：
z ln[1 y (t )]
z
t
表明z和时间t成线性关系，且 t z，如图所示。
U1 S1 S2 U2
式中： U1 、U 2 分别为待测传感器和标准传感器的输出电压； S 1 、 S2分别为待测传感器和标准传感器的灵敏度。
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第12章 传感器的标定
频率响应的标定是在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频率， 所得到的输出电压与频率的对应关系即传感器的幅频响应；比 较待测传感器与标准传感器输出信号间的相位差，就可以得到 传感器的相频特性。相位差可以用相位计读出，也可以用示波 器观察它们的李沙育图形求得。 频率响应的标定至少要做七点以上，并应注意有无局部谐振 现象的存在。这可以用频率扫描方法来检查。 固有振动频率的测定是用高频振动台作激励源，振动台的运动 质量应大于传感器质量十倍以上。 横向灵敏度是在单一频率下进行的。要求振动台的轴向运动速 度比横向速度大100倍以上。小于1%的横向灵敏度则要求更加严 格。
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传感器的标定，就是利用精度高一级的标准器具对传感器进 行定度的过程，通过实验建立传感器输出量和输入量之间的对 应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。 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的动态特性参数，如频率响应、 时间常数、固有频率和阻尼比等。
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2. 压力标定设备 活塞压力计是目前 最常用的压力传感器 静态标定装置。图示 为活塞压力计结构原 理图。
1 — 测量活塞； 2 — 砝码； 3 — 活塞柱； 4 — 手摇泵； 5 — 工作液； 6 — 被校压力 表；7—手轮；8—丝杆； 9 — 手摇泵活塞； 10 — 油 杯；11—进油阀手轮； 12 —托盘； 13 —标准压力 表； a 、 b 、 c — 切断阀； d—进油阀
1—测量活塞；2—砝码； 6—被校压力表； 9—手摇泵活塞； 13—标准压力表；
p AG
式中：A 为活塞的截面积； G为承重盘和砝码 (包括活塞)的总重 力；p为被测压力。
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4. 温度标定设备
标定温度测量系统的方法可以分为两类：一是同一次标准比 较，即按照国际计量委员会1990年通过的国际温标(ITS-1990) 相比较,见表12-1 ；二是与某个已经标定的标准装置进行比较， 这是常用的标定方法。
因此，可以根据测得的 y (t ) 值，作出z-t曲线，再根据 t z 值 算出时间常数。
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第12章 传感器的标定
对于二阶传感器，实际设计时都设计成欠阻尼系统，即阻尼 比 小于1，这样过冲量不会太大，稳定时间也不会过长，如图。 它是以 d n 1 的角频 率作衰减振荡的，d 称为传 感器的阻尼振荡频率。按照 求极值的通用方法，可以求 得各振荡峰值所对应的时间 为d 、 2d 、…。
xi
待标 定传 感器
yi
传
器
标准传感器
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12.1 传感器静态特性的标定
1. 静态标准条件 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行标定的。所谓静 态标准是指没有加速度、振动、冲击 ( 除非这些参数本身就是 被测物理量)及环境温度一般为室温(20℃±5℃)、相对湿度不 大于85%，大气压力为(101±7) kPa的情况。
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2. 静态特性标定系统 对传感器进行静态特性标定，首先要建立标定系统。一般组成： (1) 被测物理量标准发生器。如测力机、活塞式压力计、恒温 源等。 (2) 被测物理量标准源自文库试系统。如标准力传感器、压力传感器、 标准长度——量规等。 (3) 被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等配接 仪器精度应是己知的，也作为标准测试设备。