传感器的标定与选用

传感器的标定与选用传感器的标定与选用 一、传感器的标定 新研制或生产的传感器需要对其技术性能进行全面的检定，以确定其基本的静、 动态特性，包括灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率等。 例如，对于一个压电式压力传感器，在受力后将输出电荷信号，即压力信号 经传感器转换为电荷信号。但是， 究竟多大压力能使传感器产生多少电荷呢？换 句话说， 我们测出了一定大小的电荷信号，但它所表示的加在传感器上的压力是 多大呢？ 这个问题只靠传感器本身是无法确定的，必须依靠专用的标准设备来确定传 感器的输入――输出转换关系，这个过程就称为标定。简单地说，利用标准器具 对传感器进行标度的过程称为标定。具体到压电式压力传感器来说，我们用专用 的标定设备，如活塞式压力计，产生一个大小已知的标准力，作用在传感器上， 传感器将输出一个相应的电荷信号，这时， 再用精度已知的标准检测设备测量这 个电荷信号，得到电荷信号的大小，由此得到一组输入――输出关系，这样的一 系列过程就是对压电式压力传感器的标定过程，如图 1 所示。 图 1 压电式压力传感器输入――输出关系 校准在某种程度上说也是一种标定， 它是指传感器在经过一段时间储存或使 用后，需要对其进行复测，以检测传感器的基本性能是否发生变化，判断它是否 可以继续使用。因此，校准是指传感器在使用中或存储后进行的性能复测。在校 准过程中，传感器的某些指标发生了变化，应对其进行修正。 标定与校准在本质上是相同的，校准实际上就是再次的标定，因此，下面都 以标定为例作介绍。 1、 标定的基本方法 标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量(如标准力、位移、压 力等)，作为输入量输入到待标定的传感器，然后将得到的传感器的输出量与输 入的标准量作比较，从而得到一系列的标定数据或曲线。例如，上述的压电式压 力传感器，利用标准设备产生已知大小的标准压力，输入传感器后，得到相应的 输出信号，这样就可以得到其标定曲线，根据标定曲线确定拟合直线，可作为测 量的依据，如图 2 所示。 有时，输入的标准量是由标准传感器检测而得到的，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，如图 3 所示。 输入量发生器产生的输入信 号同时作用在标准传感器和待标定传感器上， 根据标准传感器的输出信号可确定 输入信号的大小，再测出待标定传感器的输出信号，就可得到其标定曲线。 图 2 压电式压力传感器的标定曲线与拟合直线 图 3 标准传感器进行标定的方法 2、标定系统的组成 传感器的标定系统一般由以下几个部分组成： （1）被测非电量的标准发生器； （2）被测非电量的标准测试系统。 测量产生标准压力传感器，测力机例如，活塞式压力计 标准压力 测量测量产生产生标准力传感器，标准温度恒温源 标准力 标准温度 计。 （3）待标定传感器所配接的信号检测设备，如信号调节器和显示器、记录器等。 因为所配接的检测仪器也作为标准测试设备使用，因此，其精度应是已知的。 为保证标定的精度和可靠性，在标定过程中应注意这样几个问题： （1） 为保证量值的准确一致，标定应按计量部门规定的规程和管理办法进行， 只能用上一级精度的标准装置来标定下一级精度的传感器。 （2）工程测试中所用的传感器，应在与其使用条件相似的环境下进行标定，以 获得较可靠的标定精度。 （2）为提高标定精度，可将传感器与其配用的电缆、滤波器、放大器等测试系 统一起标定。 （4）有些传感器标定时，应按传感器规定的安装条件进行安装。 3、传感器的静态标定及设备 传感器的静态标定主要用于检验、 测试传感器的静态特性指标，如静态灵敏 度、非线性、滞后、重复性等。 对不同功能的传感器需要不同的标定设备， 即使同一种传感器，由于精度等 级要求不同，标定设备也不同。例如，力标定设备有测力砝码、拉 (压)式测力计 等；压力标定设备有活塞式压力计、水银压力计、麦氏真空计等；位移标定设备 有深度尺、千分尺、块规等；温度标定设备有铂电阻温度计、热电偶、基准光电 高温比色仪等。 传感器的动态标定及设备 传感器的动态标定主要用于检验、测试传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率 响应和固有频率等。对传感器进行动态标定，需要对它输入一个标准激励信号， 常用的是周期函数中的正弦波以及瞬变函数中的阶跃波。 传感器动态标定设备主要是指动态激振设备， 低频下常使用激振器，如电磁 振动台、低频回转台、机械振动台、液压振动台等，一般采用振动台产生简谐振 动来作为传感器的输入量。对某些高频传感器的动态标定，采用正弦激励法标定 时，很难产生高频激励信号，一般采用瞬变函数激励信号，这时就要用激波管来 产生激波。 二、传感器的选用 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及 测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传 感器确定之后， 与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的 成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行—个具体的测量工作， 首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多 方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感 器可供选用， 哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器 的使用条件考虑以下一些具体问题： 量程的大小； 被测位置对传感器体积的要求； 测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感 器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。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。 2.灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度 高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意 的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系 统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少 从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而 且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多 维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3.频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围， 必须在允许频率范围内保持不 失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响， 机械系统的惯性较大， 因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中， 应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4.线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵 敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量 精度。 在选择传感器时， 当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求 测量精度比较低时，在一定的范围内， 可将非线性误差较小的传感器近似