第12章 传感器的标定
第12章 传感器的标定
教学要求： 掌握传感器静态特性标定方法和步骤，能正确处理标 定数据，以获得静态特性相关指标； 掌握动态特性标定方法，能利用标定数据获得动态特 性相关指标； 了解常用传感器静态及动态特性标定设备的工作原理。
第12章 传感器的标定
12.1 传感器静态特性的标定
第12章 传感器的标定
对欠阻尼二阶传感器，可从其幅频特性曲线上测得3个特征量：
零频增益Ar(0)、共振频率增益 和A共r 振r 角频率 。 r
根据第1章分析得出的欠阻 尼二阶传感器幅频特性表达 式
A() Ar 0 / (12 2 )2 (2 )2
通过对其求极值可推导出
Ar r
1
Ar 0 2 1 2
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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12.2 传感器动态特性的标定
传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应，而与动态响
应有关的参数，一阶传感器只有时间常数 一个参数，二阶传感
器则有固有频率 和阻尼n 比 两个参 数。
传感器动态特性标定方法：
1. 阶跃响应法
由于获取阶跃信号比较方便，使用阶跃响应法测量传感器动态 性能是一种较好的方法。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。
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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
标定装置能产生量值确定的
高精度标准输入量，将之传递
给被标定的传感器，同时标定
装置能测量并显示出被标定传
感器的输出量。
比较法标定系统
标定装置不能测量被测量，它
被产测物生 理感量标器值) ，作出z-t曲线，再根据 值t 算z 出
时间常数。
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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2 频率作 衰减振荡的， 称为d 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
但上述方法测量结果的可靠性仅仅取决于某些个别的瞬时值。 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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已知一阶传感器的阶跃响应函数为：
t
y(t) 1 e
整理得： 1 y(t) et
令： z ln[1 y(t)] 则
zt
表明z和时间t成线性关系，且 ，t 如z图所示。
n
r 1 2 2
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3. 冲击响应法 冲击响应法具有所需设备少、操作简便、调整控制方便的特 点。如用于力传感器动态标定的落锤式冲击台就是根据重物自 由下落，冲击砧子所产生的冲击力作为标准动态力的。用冲击 信号作为传感器输入时，传感器系统传递函数为其输出信号的 拉氏变换，由此可确定传感器的传递函数。
1
2
ln m
1
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测出振荡周期Td值，根据Td= /d以及 与d 的n关系，代入下式
计算固有频率：
n
Td
2
12
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。
工程测试中传感器的标定，应在与其使用条件相似的环境下进 行。为获得高的标定精度， (尤其像电容式、压电式传感器等) 应将传感器及其配用的电缆、放大器等测试系统一起标定。
有时，根据需要也要对温度响应、环境影响等进行标定。
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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。
测 ，
输待标入 被定传标
量 定
通yi过 传感
标高准精 器度的测
传 输
准出发生由高精度测感器量装置测量量并装 显
示器 。但如果被标定传感器置包括
后续测量电路和显示部分，高
精度输出测量装置就可去掉。
被测物 理量标 准发生
器
xi
待标
定传
感器
被测物 理量发
生器
xi
待标
定传
感器
标准传感器
高精
yi
度测
量装
置
高精
为、d 2、…d 。
已知欠阻尼二阶传感器阶跃响应表达式为：
y(t) AK 1
ent
sin
1 2
1 2nt
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按求极值的通用方法，求得第一 个峰值输出为
yt
d
AK 1 e
1 2
则对应的最大超调量为
m
yt
d
y
y
e
1 2
测出最大超调量，则可算出阻尼比：
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。传感器的 静态标定系统一般由以下几部分组成： (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。
yi
度测
量装
置
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注意！在标定传感器时，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。
3. 静态特性标定的步骤 标定过程步骤如下： (1) 将传感器全量程(测量范围)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。