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1、第1章 传感检测技术基础 1.1 传感与检测的概念传感与检测的概念1.2 传感与检测技术概述传感与检测技术概述1.3 传感器的基本特性传感器的基本特性1.4 测量方法测量方法1.5 测量误差测量误差1.6 传感器标定传感器标定11.6 传感器标定 利用标准设备产生已知的非电量(标准量),或用基准量来确定传感器电输出量与非电输入量之间关系的过程,称为传感器标定。 1.6.1传感器标定 1传感器标定、校准与检定概念 传感器或仪器在制造、装配完毕后必须对设计指标进行一系列试验,进行全面检测,确定其实际性能,这个称之为标定过程。 2 经使用一段时间 (中国计量法规定一般为一年)或修理后,必须对其主要技
2、术指标再次进行检测试验,即校准试验,以确保其性能指标达到要求。 检定必须严格按照检定规程运作,对所检仪器给出具有法律效应合格或不合格的结论。 2传感器标定的方法与特点 标定的基本方法是将已知的被测量(亦即标准量)输入给待标定的传感器,同时得到传感器的输出量;对所获得的传感器输入量和输出量进行处理和比较,从而得到一系列表征两者对应关系的标定曲线,进而得到传感器性能指标的实测结果。 标定系统分为绝对法标定系统和比较法标定系统。传感器的标定有静态标定和动态标定两种。 3 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
3、、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205)、相对湿度不大于85、气压为(1017)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。 4 (2)根据传感器量程分点情况,由小到大、逐点递增输入标准量值,并记录与各点输入值相对应的输出值。 (3)将输入量值由大到小、逐点递减,同时记录下与各点输入值相对应的输出值。 (4)按上述步骤(2)、(3)所述过程,对传感器进行正、反行程往复循环多次(一般为310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
4、必要处理。输入已知标准非电量,测出传感器的输出,给出标定曲线、标定方程和标定常数,计算灵敏度、线性度、滞差、重复性等静态特性指标。 5 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: y(t) kA1- 6变形整理得:Zlnly(t)(kA) 其中Z= -t 根据测得的输出信号y(t)作出Z-t曲线, 则=-
5、tZ。 2)二阶传感器阻尼比和固有频率0的确定 二阶传感器一般设计成 0.70.8的欠阻尼系统。 7也可以利用任意两个超调量来确定,表达式为: pi第i个超调量 p(i+n)第i+n个超调量 pi和p(i+n)之间相隔n个周期(2)正弦信号响应法 1)一阶传感器时间常数的确定。 将一阶传感器的频率特性曲线绘成伯得图,则其对数幅频曲线下降3dB处所测取的角频率0=1,由此可确定一阶传感器的时间常数。 8 2)二阶传感器阻尼比和固有频率0的确定A0-欠阻尼时零频增益 Ar-共振频率(最大)增益r-共振角频率(3)其他方法 如果用功率谱密度为常数C的随机白噪声作为待标定传感器的标准输入量。 91.6
6、.2 常用传感器标定设备 1静态标定设备 传感器静态标定设备分类:力标定设备(如测力砝码、拉压式测力计)、压力标定设备(如活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计)、位移标定设备(如量块、直尺等)、温度标定设备(如铂电阻温度计、铂铑铂热电偶、基准光电高温比较仪)等。(1)力标定设备 1)测力砝码 我国基准测力装置是固定式装基准测力机,图1.15采用杠杆式砝码标定装置。 1012341-支架 2-传感器 3-杠杆 4-砝码 图1.15杠杆式砝码标定装置11图1.16为另一种液压式测力机工作原理。 21341传感器 2工作活塞,3液压缸 4液体5砝码 6加力活塞 7测力液压缸 8导管图1.16 液压式
7、测力机工作原理567812 2)拉压式(环形)测力计 环形测力计是一种标准推力标定装置,它由液压缸产生测力,测出测力环变形量作为标准输入。可以用杠杆放大机构和百分表结构来读测力环变形量,也可用光学显微镜读取。若用光学干涉法读取,则精度更高(2)压力标定设备 1)活塞式压力计 利用图1.16的液压式测力机原理和不同的结构形式,再将传感器受力由点改成面接触结构,就形成了活塞式压力计,如图1.17所示。其中,砝码1经油路产生的压力作为标准压力作用在待标定的传感器6上。 131234567891-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-手摇压力阀图
8、1.17 活塞压力计示意图14 2)水银压力计 水银压力计是一种最普通的液体压力计,采用U形管水银压力计的原理,靠水银的重力产生压力,根据两端位置差和一端的压力,即可求出另一端的压力。(3)位移标定设备 位移的标定设备主要是各种长度计量器具,如各种直尺、深度尺、深度千分尺、量块、塞规、专门制造的标准样柱等均可用作位移传感器的静态标定设备。 (4)温度标定设备 低温至630.74以内主要用铂电阻温度计,630.741064用铂铑-铂热电偶,1064以上则采用光学高温计。 15(5)应变标定设备 一般采用加载后能产生已知均匀准确的一维应力装置,多采用泊松系数为0.285的合金钢的等弯矩梁或等强度悬
9、臂梁实现,梁的应变通常用挠度计转换后测得。 2、动态标定设备 标定中常用的动态激励设备有激振器(如电磁振动台、低频回转台、机械振动台等)、激波管、周期与非周期函数压力发生器等。其中激振器可用于加速度、速度、位移、力、压力传感器的动态标定。16 (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57.5kHz,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
10、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。 172)压电式高频激振器 1.被标传感器,2.内装传感器3.压电片,4.底座图1.19 压电式高频振动台18 3)其他激振器 机械振动台种类很多,其中最常用的是偏心惯性质量式。其原理是电机带动-偏心质量旋转,产生振动。(2)压力标定设备 1)周期函数压力发生器 振动空腔校验器为封闭空腔,用适当方法产生空气谐振,安装在空腔壁上的传感器能感受到周期变化的力。 非谐振空腔校验器的原理是用一定方式调制通过容器的气流,使容器内的气体产生周期变化的压力。 转动阀门式方波压力发生器结构原理如图1.20所示:19P1P2传感器图1.20 方波压力发生
11、器 喇叭式压力发生器的工作原理类似于动圈式扬声器,音圈受正弦信号激励,带动音膜振动,使空气耦合腔内的压力变化。202)非周期函数压力(力)发生器 激波管 1-壳体 2-破膜针 3-高压腔 4-管接头5-膜片 6-低压腔 7-传感器21落球装置 451标准传动杆 2本体3活塞杆 4锤体5液压油 6待标定传感器 22快速阀门装置 1传感器 2泄放阀 3小容腔4阀芯 5阀杆 6活塞 7供油管道231.6.3传感器标定实例 1、应变式力传感器的静态标定 先超负荷加载20次以上,超载量为传感器额定负荷的120150。然后将传感器输入量以额定负荷的10为间隔分成若干个点,按前面所述一般步骤标定,得到灵敏度
12、、线性度、迟滞、重复性。 在无负荷情况下对传感器缓慢加温或降温到一定的温度,可测得传感器的零点温漂;对传感器或整个标定设备加恒温罩,则可测得零点漂移;如加额定负荷而温度缓慢变化时,可测得灵敏度的温度系数。需要时也可测出分辨力和阈值。 242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25 电位差计示值Ut,即可按下式求得被测电阻的阻值Rt Rt=(Ut/Us)Rs 一般取额定温度的90、50、10为标定点。4压力传感器的动态标定26