传感器与检测技术-传感器选用与标定

创作时间:

作者:

@小白创作中心

传感器与检测技术-传感器选用与标定

引用

来源

https://m.renrendoc.com/paper/322771331.html

传感器技术是现代测量与控制系统的核心组成部分，其性能直接影响到整个系统的精度和可靠性。本文将详细介绍传感器的选用原则和标定方法，帮助读者掌握传感器技术的关键要点。

传感器选用原则

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，可以运用试件行模拟实验，这时可行破坏检验。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，这时宜采用非破坏检验方法。例如，涡流探伤，超声波探伤检测等。非破坏检验可以直接获得经济效益，因此应尽可能选用非破坏检测方法。

传感器性能指标选择

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，而且不易从外界引入干扰噪声。
与灵敏度紧密有关的是量程范围。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，过高地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叉灵敏度愈小愈好。
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与机械系统惯性质量的限制，其固有频率低，工作频率范围窄。
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。而且需要考虑被测量变化范围，令其非线性误差在允许限度以内。
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能力。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
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。

传感器的标定与校准

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。新研制或生产地传感器都需要进行全面的技术检定。而校准是在使用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，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，但使用还要定期进行，传感器的标定是传感器制造与应用必不可少的工作。

传感器标定系统的一般组成：

被测量的标准发生器，如恒温源，测力机等；
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；
待标定传感器所配接的信号调节器，显示器与记录器等，其精度是已知的。

传感器的静态标定

静态标定的目的：静态标定的目的确定传感器静态特性指标，如线性度，灵敏度，滞后与重复等。标定的关键是由试验找到传感器输入—输出实际特性曲线。
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量）及环境温度影响，一般为室温（二零℃±五℃），相对湿度不大于八五％，大气压力一零一三零八±七九九八（Pa）。
标定步骤
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地输入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值；
3. 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；
4. 按（二），（三）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；
5. 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，滞后与重复等静态特性指标。

传感器的动态标定

动态标定的目的：动态标定的目的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，幅频特性与相频特性曲线，阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应范围，幅值误差与相位误差，时间常数，固有频率等。
动态标定的方法
1. 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。
2. 频率响应法：频响法较直观，精度较高，但需要优良的参考传感器，非电量正弦发生器的工作频率有限，实验时间长。
3. 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。
4. 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，特征参数与性能指标。