1.3 传感器的标定

传感器的特性原理用纯理论分析往往很复杂，因为实际应用的传感器，影响其特性的因素很多，有些是不确定的，随机变化的，难以反映客观规律，所以传感器的特性多用实验方法(如校准、测定、标定)来获得。而且，任何一种传感器在制造、装配完毕后，都必须对原设计指标进行一系列试验，以确定传感器的基本性能，衡量传感器基本性能的主要指标有灵敏度、重复性、非线性、迟滞、精度及固有频率、频率响应、阻尼比等。

1.3.1 传感器的标定与校准

标定：在明确传感器输入-输出变换关系的前提下，利用某种标准器具产生已知的标准非电量(或其他标准量)输入，确定其输出电量与输入量之间的关系，同时也确定出不同使用条件下误差关系的过程。

校准：传感器在使用前或使用过程中或搁置一段时间再使用时，必须对其性能参数进行复测或必要的调整、修正，以确保传感器的测量精度。这个复测调整过程称为校准。

传感器标定和校准的本质和方法是基本相同的。

1．标定的基本方法

利用一种标准设备产生已知的非电量(如标准力、压力、位移等)，并将其作为输入量，输入至待标定的传感器中，得到传感器的输出量，然后，将输出量与输入量作比较，得到一系列标定曲线。需要注意的是：

(1) 不同等级的检测系统所能检定的传感器精度是不同的；

(2) 同一检测系统，用不同的检定方法检定，其精度等级也是不同的；

(3) 根据要求检定误差的大小，跨级使用检测系统。

特别提示

对于具体工程检测中传感器的标定，应该在其使用条件相似的状态下进行，要获得较高的标定精度，应将与传感器配用的其他设备(滤波器、放大器及电缆等)测试系统一起标定。同时，标定时应该按照传感器规定的安装条件进行安装。

2．传感器标定工作的内容

传感器的标定工作分以下几个方面：

(1) 新研制的传感器需进行全面技术性能的检定，用检定数据进行量值传递，同时检定数据也是改进传感器设计的重要依据。

(2) 经过一段时间的储存式使用后，对传感器进行复测，目的是：①检验传感器基本性能变化与否，能否继续使用；②若能继续使用的，对某些指标(灵敏度)再次标定，对数据进行修正。

3．传感器标定系统的组成

(1) 被测非电量的标准发生器(如量块、砝码、恒温源)或被测非电量的标准测试系统(如标准压力传感器、标准力传感器、标准温度计等)。

(2) 待标定传感器。

(3) 传感器所配接的信号调节器及显示、记录器等，所配接的仪器设备亦作为标准测试设备使用，其精度已知。

4．对标定设备的要求

(1) 具有足够的精度，至少应比被标定的传感器高一个精度等级，并且应符合国家计量值传递等级的规定，或经计量部门检定合格。

(2) 量程范围应与被标定传感器的量程相适应。

(3) 性能稳定可靠，使用方便，能适应多种环境。

5．标定的分类

(1) 静态标定，主要用于检验、测试传感器(或整个传感系统)的静态特性指标，静态灵敏度、非线性、迟滞、重复性等。

(2) 动态标定，主要用于检验、测试传感器(或整个传感系统)的动态特性、动态灵敏度、频率响应等。

1.3.2 静态标定

静态标定：给传感器输入已知不变的标准非电量，测出其输出，给出标定曲线、标定方程和标定常数，计算其灵敏度、线性度、滞差、重复性等传感器静态指标。

对传感器进行静态标定时，首先要建立静态标定系统。

1．静态标定的条件

没有加速度、振动、冲击(除非本身就是被测量)，环境温度为室温(20℃±5℃)，相对湿度不大于85%，大气压强为(760±60)mmHg。

2．标定仪器设备的精度等级

标定时，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级。

3．静态标定系统的组成

(1) 被测物理量标准发生器，如活塞式压力计、测力机、恒温源等。

(2) 被测物理量标准系统，如标准力传感器、压力传感器、标准长度量块等。

(3) 被标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录仪，这些仪器设备也可作为标准测试设备使用，精度是已知的。

4．静态特性标定的方法

首先，要有静态标准条件，其次，选择合适的精度标定仪器的设备。标定步骤如下。

(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，由小到大逐步一点一点地输入标准量值，并记录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地减少，同时记录与各输入值相对应的输出值。

(4) 按照(2)、(3)所述过程，对传感器进行正、反行程多次往复循环测试，将得出的输出-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。

1.3.3 动态标定

动态标定的目的是检验、测试传感器的动态性能指标。通过确定其线性工作范围(用同一频率输入不同幅值的正弦信号，测量传感器的输出)、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、阻尼比、固有频率等。

动态标定的参数：

一阶传感器动态标定的参数只有一个：时间常数 τ 。 τ = c / R ，其中， c 是阻尼系数， R 是弹性刚度。

二阶传感器动态标定的参数有两个：固有频率 ω _n 和阻尼比 ξ 。

通过测量传感器的阶跃响应，可确定 τ 、 ω _n 、 ξ 。

对于一阶传感器，测得阶跃响应之后，取输出值达到最终值的63.2%所经过的时间作为时间常数 τ 。但这样确定的时间常数实际上没有涉及响应的全过程，测量结果的可靠性仅仅取决于某些个别的瞬时值。 qH3bCGKW7zhgVdJotZ750VNzPGfNlit+f3qWv5/cEh96xOYDq7kHERMWaUidzB9S