傳感器與檢測技術(shù)1.0 緒論-3

1、l1.1 自動檢測技術(shù)概述自動檢測技術(shù)概述l1.2 傳感器概述傳感器概述l1.3 測量誤差與數(shù)據(jù)處理測量誤差與數(shù)據(jù)處理l1.4 傳感器的一般特性傳感器的一般特性l1.5 傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)定和校準(zhǔn)上一頁返 回下一頁l傳感器的標(biāo)定是通過試驗建立傳感器輸入量與傳感器的標(biāo)定是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條輸出量之間的關(guān)系。同時，確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。件下的誤差關(guān)系。 傳感器的標(biāo)定工作傳感器的標(biāo)定工作可分為如下幾個方面，可分為如下幾個方面， 1. 新研制的傳感器需進(jìn)行全面技術(shù)性能的檢定，用檢新研制的傳感器需進(jìn)行全面技術(shù)性能的檢定，用檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行量

2、值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進(jìn)傳感器定數(shù)據(jù)進(jìn)行量值傳遞，同時檢定數(shù)據(jù)也是改進(jìn)傳感器設(shè)計的重要依據(jù)；設(shè)計的重要依據(jù)； 2. 經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。經(jīng)過一段時間的儲存或使用后對傳感器的復(fù)測工作。 上一頁下一頁返 回l靜態(tài)標(biāo)定靜態(tài)標(biāo)定: 目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性目的是確定傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。l動態(tài)標(biāo)定動態(tài)標(biāo)定:目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響目的是確定傳感器的動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。 上一頁下一頁返 回1.5.1 傳感器的靜態(tài)標(biāo)

3、定傳感器的靜態(tài)標(biāo)定1.5.2 傳感器的動態(tài)標(biāo)定傳感器的動態(tài)標(biāo)定1. 靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件2. 標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定標(biāo)定儀器設(shè)備精度等級的確定3. 靜態(tài)特性標(biāo)定的方法靜態(tài)特性標(biāo)定的方法4. 壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定壓力傳感器的靜態(tài)標(biāo)定上一頁下一頁返 回l沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參沒有加速度、振動、沖擊（除非這些參數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一數(shù)本身就是被測物理量）及環(huán)境溫度一般為室溫（般為室溫（205）、相對濕度不大于）、相對濕度不大于85% ，大氣壓力為，大氣壓力為1017kPa的情況。的情況。上一頁下一頁返 回l對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是根

4、據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定傳感器的各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的器的各項性能指標(biāo)，實際上也是確定傳感器的測量精度。測量精度。l標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要標(biāo)定傳感器時，所用的測量儀器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。這樣，比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個等級。這樣，通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可通過標(biāo)定確定的傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)才是可靠的，所確定的精度才是可信的?？康?，所確定的精度才是可信的。上一頁下一頁返 回： 將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)；將傳感器全量程（測量范圍）分成若干等間距點(diǎn)； 根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，根據(jù)傳感

5、器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)的輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；并記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值； 將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少，同時記錄下與各輸入值相對應(yīng)的輸出值；的輸出值； 按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，按、所述過程，對傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測試，將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線；將得到的輸出輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線； 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重

6、復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。上一頁下一頁返 回l常用的標(biāo)定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈常用的標(biāo)定裝置有：活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式壓力標(biāo)定機(jī)。簧測力計式壓力標(biāo)定機(jī)。 1.5.5 活塞壓力計標(biāo)定壓力傳感器的示意圖1-標(biāo)準(zhǔn)壓力表 2砝碼 3活塞 4進(jìn)油閥 5油杯 6被標(biāo)傳感器 7針形閥 8手輪 9手搖壓力泵上一頁下一頁返 回 圖 1.5.6 壓力標(biāo)定曲線 上述標(biāo)定方法不適合壓電式壓力測量系統(tǒng)，因為活塞壓力計的加載過程時間太長，致使傳感器產(chǎn)生的電荷有泄漏，嚴(yán)重影響其標(biāo)定精度。所以，對壓電式測壓系統(tǒng)一般采用杠桿式壓力標(biāo)定機(jī)或彈簧測力計式壓力標(biāo)定機(jī)。為了保證壓力

7、傳感器的測量準(zhǔn)確度，需定期檢定，檢定周期最長不超過一年。上一頁下一頁返 回上一頁下一頁返 回1. 動態(tài)標(biāo)定的一般方法動態(tài)標(biāo)定的一般方法2. 壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定壓力傳感器的動態(tài)標(biāo)定l主要研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有主要研究傳感器的動態(tài)響應(yīng)，而與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)關(guān)的參數(shù)，一階傳感器只有一個時間常數(shù)，二階傳感器則有固有頻率二階傳感器則有固有頻率n和阻尼比和阻尼比兩個參兩個參數(shù)。數(shù)。l標(biāo)準(zhǔn)激勵信號標(biāo)準(zhǔn)激勵信號: 階躍變化和正弦變化的輸入信號階躍變化和正弦變化的輸入信號一階傳感器的單位階躍響應(yīng)函數(shù)為tety1)()(1lntyz則上式可變?yōu)閠zz和時間t成線性關(guān)系

8、，并且有=t /z 可以根據(jù)測得的y ( t ) 值作出z t曲線，并根據(jù)t /z的值獲得時間常數(shù) 一階傳感器時間常數(shù)的求法 上一頁下一頁返 回二階傳感器（1）的單位階躍響應(yīng)為 )1arcsin1(sin1/1)(222tetyntn21eM1ln12M上一頁下一頁返 回如果測得階躍響應(yīng)的較長瞬變過程，則可利用任意兩個過沖量Mi和Mi+n按式（1.5.6）求得阻尼比，其中n是該兩峰值相隔的周期數(shù)（整數(shù)）。 2224nnnniinMM ln當(dāng)0.1時，以1代替 ，此時不會產(chǎn)生過大的誤差（不大于0.6%）, 則可用式(1.5.8)計算，即nMMnii2ln上一頁下一頁返 回（1.5.6）式中21

9、若傳感器是精確的二階傳感器，則n值采用任意正整數(shù)所得的值不會有差別。反之，若n取不同值獲得不同的值，則表明該傳感器不是線性二階系統(tǒng)。 根據(jù)響應(yīng)曲線測出振動周期Td ， 有阻尼的固有頻率d為ddT12則無阻尼固有頻率n為21dn上一頁下一頁返 回利用正弦輸入，測定輸出和輸入的幅值比和相位差來確定傳感器的幅頻特性和相頻特性，然后根據(jù)幅頻特性，分別按下圖求得一階傳感器的時間常數(shù)和欠阻尼二階傳感器的固有頻率和阻尼比。 由幅頻特性求時間常數(shù) 欠阻尼二階傳感器的n和上一頁下一頁返 回l給傳感器加一個特性已知的校準(zhǔn)動壓信號作為給傳感器加一個特性已知的校準(zhǔn)動壓信號作為激勵源，從而得到傳感器的輸出信號，經(jīng)計算激

10、勵源，從而得到傳感器的輸出信號，經(jīng)計算分析、數(shù)據(jù)處理，即可確定傳感器的頻率特性。分析、數(shù)據(jù)處理，即可確定傳感器的頻率特性。壓力傳感器在標(biāo)定時廣泛采用壓力傳感器在標(biāo)定時廣泛采用激波管激波管法。法。激波管法三大特點(diǎn)激波管法三大特點(diǎn)： 壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值；壓力幅度范圍寬，便于改變壓力值； 頻率范圍寬頻率范圍寬 (2kHz 2.5MHz) ； 便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。便于分析研究和數(shù)據(jù)處理。上一頁下一頁返 回圖 1.5.7 激波管標(biāo)定裝置系統(tǒng)原理框圖1-高壓室 2-低壓室 3-膜片 4-側(cè)面被標(biāo)定的傳感器 5-底面被標(biāo)定的傳感器 6、7-測速壓力傳感器8-測速前置級 9-數(shù)字頻率計 10-

11、測壓前置級 11-記錄裝置 12-氣源 13-氣壓表 14-泄氣門 上一頁下一頁返 回l激波管激波管l入射激波測速系統(tǒng)入射激波測速系統(tǒng)l標(biāo)定測量系統(tǒng)標(biāo)定測量系統(tǒng)l氣源氣源上一頁下一頁返 回激波管激波管 激波管是產(chǎn)生激波的核心部件，由高壓激波管是產(chǎn)生激波的核心部件，由高壓室室1和低壓室和低壓室2組成。組成。1和和2之間由鋁和塑料膜之間由鋁和塑料膜片片3隔開，激波壓力的大小由膜片的厚度決隔開，激波壓力的大小由膜片的厚度決定。當(dāng)高、低壓室的壓力差達(dá)到一定程度時定。當(dāng)高、低壓室的壓力差達(dá)到一定程度時膜片破裂，高壓氣體迅速膨脹進(jìn)入低壓室，膜片破裂，高壓氣體迅速膨脹進(jìn)入低壓室，從而形成激波。這個激波的波陣

12、面壓力保持從而形成激波。這個激波的波陣面壓力保持恒定，接近理想的階躍波。并以超音速沖向恒定，接近理想的階躍波。并以超音速沖向被標(biāo)定的傳感器。傳感器在激波的激勵下按被標(biāo)定的傳感器。傳感器在激波的激勵下按固有頻率產(chǎn)生一個衰減振蕩，如下圖：固有頻率產(chǎn)生一個衰減振蕩，如下圖：傳感器在激波的激勵下按固有頻率產(chǎn)生一個衰減振蕩。其波形由顯示系統(tǒng)記錄下來用以確定傳感器的動態(tài)特性。圖 1.5.8 被標(biāo)定傳感器的輸出波形 上一頁下一頁返 回激波管中壓力與波動情況激波管中壓力與波動情況 (a) 膜片爆破前的情況 (b) 膜片爆破后稀疏波反射前的情況 (b) 稀疏波反射后的情況 (d) 反射激波的波動情況 上一頁下一

13、頁返 回入射激波的測速系統(tǒng)入射激波的測速系統(tǒng) 由壓電式壓力傳感器由壓電式壓力傳感器6和和7，前置放，前置放大以及頻率計大以及頻率計9組成，入射激波的速度組成，入射激波的速度為：為： lvtL為兩個測速傳感器之間的距離，t為激波通過兩個傳感器之間的時間，t=t ntn t為計數(shù)器時標(biāo)，n為頻率計顯示的脈沖數(shù)。標(biāo)定測量系統(tǒng)標(biāo)定測量系統(tǒng) 標(biāo)定測量系統(tǒng)由被標(biāo)定的傳感器標(biāo)定測量系統(tǒng)由被標(biāo)定的傳感器4和和5、電荷放大器、電荷放大器10以及記憶示波器以及記憶示波器11組組成。成。氣源系統(tǒng)氣源系統(tǒng) 氣源系統(tǒng)由氣源（包括控制臺）氣源系統(tǒng)由氣源（包括控制臺）12、氣壓表及泄氣門氣壓表及泄氣門14等組成。等組成。l傳感器對階躍壓力的響應(yīng)曲線是輸出壓力與時間的關(guān)系曲線，所傳感器對階躍壓力的響應(yīng)曲線是輸出壓力與時間的關(guān)系曲線，所以又稱為以又稱為時域曲線時域曲線。l若傳感器振蕩周期若傳感器振蕩周期Td是穩(wěn)定的，而且振蕩幅