1.5 传感器的标定和校准.
传感器与检测技术第三版徐科军课后答案
传感器与检测技术第三版徐科军课后答案【篇一：传感器及检测技术教案全】>信息学院教案1课时分配表23第1课一．章节名称绪论1.1，1.2，1.4，1.5二．教学目的1、掌握内容：传感器的静态特性，动态特性；2、了解内容：传感器的定义，组成，自动检测技术的发展和应用；三．安排课时： 2学时四．教学内容（知识点）1．自动检测系统的组成；2．传感器的定义，组成，传感器的分类； 3. 传感器的静态特性；4. 传感器的动态特性； 5. 传感器的标定和校准五．教学重点、难点1．传感器的静态特性和动态特性； 2．传感器的标定和校准；六．选讲例题1．活塞压力计标定； 2．压力传感器的动态标定；七．作业要求7什么是传感的静态特性？有那些指标？如何用公式表示？ 8什么是传感器的动态特性？有那些分析方法？八．环境及教具要求多媒体教室、powerpoint九．教学参考资料1．《传感器与检测技术》，徐科军；2．《传感器原理与应用》，程德福；4第2课一．章节名称1.3 测量误差和数据处理；二．教学目的1、掌握内容：测量误差的表示方法，数据处理的基本方法；2、了解内容：误差的概念和分类，精度；三．安排课时：2学时四．教学内容（知识点）1．测量误差的概念和分类； 2. 精度3. 误差的表示方法；4. 随机误差的处理方法；5. 系统误差的处理； 6，粗大误差的处理； 7．数据处理的基本方法五．教学重点、难点1．误差的处理方法； 2．数据处理的基本方法；六．选讲例题1．补偿法测量高频小电容； 2．对照法消除系统误差；七．作业要求2正态分布的随机误差有什么特点？3、什么是系统的引用相对误差？它有什么意义？八．环境及教具要求多媒体教室、powerpoint九．教学参考资料1．《传感器与检测技术》，徐科军5【篇二：自动检测技术】............................................................................................................ ... - 2 -2、关键词........................................................................................................ ............................ - 2 -3、引言 ....................................................................................................... ................................ - 2 -4、电阻式传感器概述........................................................................................................ ........ - 2 -4、1电阻应变式传感器 ..................................................................................................... - 3 -4、1、1 基本原理 ...................................................................................................... - 3 - 4、2 电阻应变式传感器的应用 ........................................................................................ - 5 - 4、3 电阻应变式传感器的应用行业： ............................................................................ - 7 - 4、4 电阻应变式传感器的在具体工程中的应用 ............................................................ - 7 -4、4、1、电阻触摸屏 ................................................................................................ - 7 - 4、4、2地磅 ....................................................................................................... ........ - 8 - 4、5电阻应变式传感器的发展趋势 ................................................................................. - 8 -5、参考文献........................................................................................................ ........................ - 9 -1、前言传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器概述
dy(t ) y(t ) x(t ) dt
1.2 传感器的一般特性
(1)一阶传感器的单位阶跃响应
一阶传感器单位阶跃响应的通式：
dy(t ) y(t ) x(t ) dt
式中 x(t ) 、 (t ) 分别为传感器的输入量和输出 y 量，均是时间的函数，表征传感器的时间常数， 具有时间“秒”的量纲。 一阶传感器的传递函数：
1.1 基本概念
附：传感器组成示意图
敏感元件的输出作 为转换元件的输入
被测量
敏感 元件
转换 元件
转换 电路
电量
直接感受被测量
转化为电量参数
传感器组成示意图
1.1 基本概念
1.1.3 传感器的分类
物质定律如虎克定律 F = k x主要由物 质的性质决定
按工作机理分类 可分为物理型、化学型、生物型 按构成原理又分为：结构型、物性型和复合型三大类 无源传感器 按能量的转换分类 场的定律，如电场、磁场、物质场主 要由其结构参数决定 可分为能量控制型和能量转换型 按输入量分类 有源传感器 常用的有机、光、电和化学等传感器 按输出信号的性质分类 可分为模拟式传感器和数字式传感器
1.2 传感器的一般特性
以动态测温的问题为例说明传感器动态特性。 在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测 介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的 温度分布等情况下，都存在动态测温问题，如 图所示:
动态测温
1.2 传感器的一般特性
传感器的种类和形式很多，但它们一般可以 简化为一阶或二阶系统。 高阶可以分解成若干个低阶环节。 对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率 响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称 为传感器的阶跃响应或瞬态响应。
传感器的标定
武汉理工大学机电工程学院
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) 被测物理量标准测试系统。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。
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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
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。
传感器标定实验方案
传感器标定实验方案
传感器标定实验方案主要包括以下步骤：
1. 实验准备：准备好需要标定的传感器设备，以及标定所需的辅助设备和工具，如计算机、数据采集卡、标定板等。
2. 确定标定参数：根据传感器的工作原理和应用需求，确定需要标定的参数，如灵敏度、非线性误差、温度漂移等。
3. 搭建标定系统：将传感器与数据采集卡连接，将标定板放置在传感器的测量范围内，确保传感器与标定板之间的距离和角度等条件满足标定要求。
4. 数据采集：通过数据采集卡采集传感器输出的原始数据，同时记录标定板的真实值，可以使用不同的标定板数据，以覆盖不同工作范围和条件。
5. 数据处理：对采集到的数据进行处理，包括滤波处理、数据对齐、数据校正等，得到传感器的标定数据。
6. 标定方法选择：根据传感器的特性和标定参数的要求，选择合适的标定方法，如线性回归、多项式拟合、曲线拟合等。
7. 标定曲线拟合：对处理后的数据进行曲线拟合，得到传感器的标定曲线，可以使用数学工具或专业的标定软件进行拟合。
8. 标定结果评估：对标定曲线进行评估，包括拟合误差、残差分析等，判断标定结果的精度和可靠性。
9. 标定参数提取：从标定曲线中提取所需的标定参数，如灵敏度、偏移量、非线性误差等。
10. 标定结果验证：使用独立的测试数据对标定结果进行验证，评估标定结果的准确性和稳定性。
11. 标定报告撰写：根据实验结果撰写标定报告，包括实验目的、实验过程、数据处理方法、标定结果和分析等内容。
12. 标定结果应用：将标定结果应用到实际工程中，对传感器的测量数据进行修正和校准，提高传感器的测量精度和可靠性。
传感器的标定
图11-7 稳态周期性校准压力源 图11-8 表示获得稳态周期性压力源
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图11-7 稳态周期性校准压力源
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图11-8 表示获得稳态周期性压力源
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11.4.2 激波管标定法
激波管标定压力（或力）传感器特点： 激波管标定压力（或力）传感器特点：
压力幅度范围宽，便于改变压力值； 压力幅度范围宽，便于改变压力值； 频率范围广（ 频率范围广（2khz~2.5MHz）； ）； 便于分析研究和数据处理。 便于分析研究和数据处理。 此外，激波管结构简单，使用方法可靠。 此外，激波管结构简单，使用方法可靠。
11.3.1 绝对标定法
被标测振传感器的加速度灵敏度S 被标测振传感器的加速度灵敏度 0为
2 Eems mV ⋅ s 2 Sa = 2 m (2πf ) X m
11.3.2 比较标定法
被标测振传感器的中速度灵敏度Sa为 被标测振传感器的中速度灵敏度 为
E Sa = Eo
11.1传感器的静态特性标定 传感器的静态特性标定 11.2传感器的动态特性标定 传感器的动态特性标定 11.3测振传感器的标定 测振传感器的标定 11.4压力传感器的标定 压力传感器的标定 本章要点
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11.1 传感器的静态特性标定
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。 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（ 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（ ± ℃ 身就是被测物理量）及环境温度一般为室温（20±5℃）， 相对温度不大于85%，大气压力为 的情况。 相对温度不大于 ，大气压力为7kPa的情况。 的情况
加速度传感器标定方法
加速度传感器标定方法
加速度传感器的标定是为了确定传感器的灵敏度、偏移量和线性度等参数，以确保其测量结果的准确性。
以下是一些常见的加速度传感器标定方法：
1. 零点标定：将传感器置于无加速度状态下，记录传感器的输出值作为零点偏移量。
这可以通过将传感器放置在水平表面上或使用特殊的标定设备来实现。
2. 灵敏度标定：通过施加已知的加速度值，并测量传感器的输出，来确定传感器的灵敏度。
可以使用振动台、旋转平台或其他产生已知加速度的设备来进行标定。
3. 线性度标定：通过在不同加速度范围内进行标定，来确定传感器的线性度。
可以使用多个已知加速度值进行测量，并检查传感器输出与加速度之间的线性关系。
4. 温度补偿：加速度传感器的性能可能会受到温度的影响。
因此，在标定过程中，可以考虑在不同温度下进行测量，并使用数学模型或查表法对温度进行补偿。
5. 交叉灵敏度标定：某些加速度传感器可能对不同方向的加速
度敏感。
为了修正这种交叉灵敏度，可以在不同方向上施加加速度，并记录传感器的输出。
煤矿传感器的设置与调校
机电硐室
报警：0.5% 断电：0.5% 复电：0.5%
3~5m
图 在回风流中的机电硐室甲烷传感的设置
7.使用架线电机车的主要运输巷道内，装煤点处 必须设置甲烷传感器
报警：0.5% 断电：0.5% 复电：0.5%
架空线
装煤点 3~5m
图 装煤点甲烷传感器的设置
8.高瓦斯矿井进风的主要运输巷道使用架线电机车时 ，在瓦斯涌出巷道的下风流中必须设置甲烷传感器
若煤与瓦斯突出矿井的甲烷传感器T1不能控制 采煤工作面进风巷内全部非本质安全型电气设备， 则在进风巷设置甲烷传感器T3；
10～15m 上隅角
T2
T1
≤10m
T0
10～15m
≤10m
T4
T3
图
U型通风方式采煤工作面甲烷传感器的设置
低瓦斯和高瓦斯矿井采煤工作面采用串联通风
时，被串工作面的进风巷设置甲烷传感器T4。
5.7.5开关量传感器的设置
1. 主要通风机、局部通风机必须设置设备 开停传感器。 2. 矿井和采区主要进回风巷道中的主要风 门必须设置风门开关传感器。当两道风门同时 打开时，发出声光报警信号。 3. 掘进工作面局部通风机的风筒末端宜设 置风筒传感器。 4. 为监测被控设备瓦斯超限是否断电，被 控开关的负荷侧必须设置馈电传感器。
报警：0.5% 断电：0.5% 复电：0.5%
瓦斯传感器的报警、断电、复电瓦斯浓度设置
Z型、Y型、H型和W型通风方式的采煤工作面甲 烷传感器的设置参照上述规定执行。
10～15m
≤10m
T1
T2
图
Z型通风方式采煤工作面甲烷传感器的设置
10～15m ≤10m
T1
传感器标定
4. 动态标定
传感器的动态标定就是通过实验得到传感器动态性 能指标，确定方法常常因传感器的形式（如电的、机械 的、气动的等）不同而不完全一样，但从原理上一般可 分为阶跃信号响应法、正弦信号响应法、随机信号响应 法和脉冲信号响应法等。 （1）阶跃信号响应法 1）一阶传感器时间常数τ的确定 输入x是幅值为A的阶跃函数时，由一阶传感器的微 分方程可得： t − e y（t） ＝ kA[1- τ ]
2．压电式压力传感器的静态标定
压电式压力传感器的静态标定可在活塞式压力计上进行。 传感器安装在静重式标准活塞压力计的接头上，传感器配接由静 态标准电荷放大器和显示记录设备（可选用数字式峰值电压表、 光线示波器、笔录仪、磁带记录仪等）组成的标准测量系统。
3．热电阻的静态标定
标定步骤：用标准温度计测出恒温箱温度，将被测热电阻置 于恒温箱中，被测热电阻串联标准电阻Rs、可调电位器电压表和 毫安表，调节可调电位器使被测系统回路电流控制在4mA。先将 切换开关置标准电阻Rs一侧，读取电位差计示值Us，再转置被测 电阻端读出电位
（1）振动标定设备 1）电动式中、低频激振器
中频激振器工作的频率范围 为5～7.5kHz，一般采用电动式 激振器作为中频标定用振动台。 图1.18所示为电动式激振器 结构示意图，驱动线圈7固装在 顶杆4上，并由支承弹簧1支承 在壳体2中，线圈7正好位于磁 极5与铁心6的气隙中。磁钢3、磁极5、铁心6和气隙构成磁回路， 当线圈7通以经功率放大的交变电流时，它在气隙的磁场中受力， 该力通过顶杆4传到试件8上便是激振力。
3. 静态标定
确定传感器静态指标，主要是线性度、灵敏度、 迟滞和重复性。传感器的静态特性是在静态标准条 件下进行标定的，主要用于检验、测试其静态特性 指标。静态标准条件主要包括没有加速度、振动、 冲击（除参数本身是被测量）及环境温度（一般为 室温20℃±5℃）、相对湿度不大于85％、气压为 （101±7）kPa等条件。 一般的静态标定包括如下步骤： （1）将传感器全量程（测量范围）分成若干等间 距点。
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1.5 传感器的标定和校准
传感器的标定是通过试验建立传感器输入量与 输出量之间的关系。同时，确定出不同使用条 件下的误差关系。
传感器的标定工作可分为如下几个方面， 1. 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检 定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器 设计的重要依据； 2. 经过一段时间的储存或使用后对传感器的复测工作。
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8
4.压力传感器的静态标定
常用的标定装置有：活塞压力计、杠杆式和弹 簧测力计式压力标定机。
1--标准压力表 2—砝码 3—活塞 4—进油阀 5—油杯 6—被标传感器 7—针形阀 8—手轮 9—手摇压力泵
1.5.5 活塞压力计标定压力传感器的示意图
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9
图 1.5.6 压力标定曲线 上述标定方法不适合压电式压力测量系统，因为活塞压力计 的加载过程时间太长，致使传感器产生的电荷有泄漏，严重 影响其标定精度。所以，对压电式测压系统一般采用杠杆式 压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。 为了保证压力传感器的测量准确度，需定期检定， 检定周期最长不超过一年。
⊙大气压与海拔高度的关系是:高度增加，大气压减小；在3000M范围 内，每升高12M，大气压减小1mmHg,大约133Pa! （一个美国中学生状告老师的故事：用气压表测楼高度）
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6
2. 标定仪器设备精度等级的确定
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，实际上也是确定传感器的 测量精度。 标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要 比被标定的传感器的精度高一个等级。这样， 通过标定确定的传感器的静态性能指标才是可 靠的，所确定的精度才是可信的。
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14
如果测得阶跃响应的较长瞬变过程， 则可利用任意两个过冲量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比ζ， 其中n是该两峰值相隔的周期数（整数）。
n n2 4 2 n 2
（1.5.6）
式中
Mi n ln M i n
1 2，此时不会产生过大的误差（不大
一阶传感器的单位阶跃响应函数为
12
y(t ) 1 e t
z ln1 y(t )
则上式可变为
z
t
z和时间t成线性关系， 并且有τ=Δt /Δz 可以根据测得的y ( t ) 值作出z— t曲线， 并根据Δt /Δz的值获得时间常数τ
一阶传感器时间常数的求法
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当ζ<0.1时，以1代替 于0.6%）, 则可用式(1.5.8)计算ζ，即
Mi ln M in 2 n
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15
若传感器是精确的二阶传感器，则n值采用任意正整数 所得的ζ值不会有差别。反之，若n取不同值获得不同的ζ值 ，则表明该传感器不是线性二阶系统。 根据响应曲线测出振动周期Td ， 有阻尼的固有频率ωd为
13
二阶传感器（ζ<1）的单位阶跃响应为
y (t ) 1 [e n t / 1 2 ] sin ( 1 2 n t arcsin 1 2 )
2 1
1 1 ln M
2
M e
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7
3. 静态特性标定的方法
标定过程步骤：
⑴ 将传感器全量程（测量范围）分成若干等间距点； ⑵ 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， 并记录下与各输入值相对应的输出值； ⑶ 将输入值由大到小一点一点的减少，同时记录下与各输入值相对应 的输出值； ⑷ 按⑵、⑶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； ⑸ 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。
4
1.5.1 传感器的静态标定
1. 静态标准条件 2. 标定仪器设备精度等级的确定 3. 静态特性标定的方法 4. 压力传感器的静态标定
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5
1. 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±7kPa的情况。
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2
传感器的标定
静态标定:
目的是确定传感器的静态特性指标，如线性度、
灵敏度、滞后和重复性等。
动态标定:
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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传感器的标定和校准
1.5.1 传感器的静态标定 1.5.2 传感器的动态标定
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10
1.5.2 传感器的动态标定
1. 动态标定的一般方法 2. 压力传感器的动态标定
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11
1.动态标定的一般方法
主要研究传感器的动态响应，而与动态响应有 关的参数，一阶传感器只有一个时间常数 τ ，
二阶传感器则有固有频率 ωn 和阻尼比 ζ 两个参
数。
标准激励信号: 阶跃变化和正弦变化的输入信号
1 d 2 Td
则无阻尼固有频率ωn为
n
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d
1 2
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16
利用正弦输入，测定输出和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，分别按下 图求得一阶传感器的时间常数τ和欠阻尼二阶传感器的固有 频率和阻尼比。
由幅频特性求时间常数τ
欠阻尼二阶传感器的ωn和ζ
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17
按敏感元件与被测对象之间的能量关系， 传感器可分为（ ）传感器。
A．温度型和速度型 B．能量转换型 和能量控制型
C．物性型和结构型
D．机械型和电 子型
18
作业
业精于勤 荒于嬉， 行成于思 毁于随。
3，6, 11，12
1、认真阅读思考题，加深对基本概念的理解 2、补充习题 用数字电压表测的一组电压值，数 据如下 20.42 20.43 20.39 20.41 20.43 20.30 20.35 20.40 20.41 20.38 20.42 20.37 20.39 20.36 20.38 判断有无坏值，写出测量报告值。