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、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=-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。 91.6.2 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、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