传感器选用与标定.ppt
第9章 传感器选用与标定,知识目标通过本课题的学习，要求熟悉传感器标定与校准的概念，了解传感器标定的意义。技能目标通过本课题的学习，能够根据现场条件确定传感器测量方式，能根据具体性能指标选用传感器类型，熟悉传感器标定步骤。,9.1 传感器选用原则,9.1.1 测量方式选择 传感器在实际条件下的工作方式，也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。在机械系统中，对运动部件的被测参数(例如回转轴的误差、振动、扭力矩)，往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。例如，涡流探伤、超声波探伤检测等。非破坏性检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏性检测方法。,9.1.2.感器性能指标选择,1.灵敏度一般说来，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，而且不易从外界引进干扰噪声。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。不言而喻，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。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。,2.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，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。,3.线性范围,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。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。,9.2传感器的标定与校准,9.2.1 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。而校准是将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。,传感器标定方法,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。,传感器的静态标定,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输出实际特性曲线。2.静态标准条件静态标准条件是没有加速度、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）。,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(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；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。,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,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。,图9-1 力传感器的动态标定,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。,阶跃响应法 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。,本章小结,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。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单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。,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。,休 息 一 下,
