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传感器为什么需要标定/校准?


传感器的标定传感器设计过程中、制造使用中的一个必须环节。为了保证测量准确,任何传感器在生产制造、安装完毕之后都要对传感器初始的设计指标进行确认,这就是标定。通过标定实验,最终实现测量值的准确传递。在研发过程中,传感器只有通过了标定试验,才可以用标定好的数据来进行测量值传递。而标定过程中获得的数据同时也是作为传感器研发生产改进的重要依据。

传感器在制作完成后、以及在使用环境安装完成后,都必须根据设计标准进行专业严谨的性能鉴定。而通常,传感器在使用一段时间后(通常1年)、修理或调整后,由于环境和自身特性的变化,也必须对技术指标进行校准,以确认传感器的技术指标达到使用要求,否则就需要进行调试整改。

所谓的标定,实际上就是依靠标准类型检测设备来确定被标定传感器自身的输入与输出之间的转换关系。即:利用标准器具对传感器进行标度,这个过程就是标定。例如:对于压电式压力传感器,可以用活塞式标准压力计,输出一个已知的标准力,加载在待测传感器上,此时传感器会输出相应的电信号,再通过精度确认的标准类型检测设备测量这个信号,通过测得的电荷信号的大小的比对,获得此传感器的输入与输出关系。此一系列过程就是针对压电式压力传感器的一个常用标定方案。

校准就是传感器的性能复测,实际上也是一种标定,二者本质上是相同的。通过检测传感器的性能是否发生变化,判断它是否能继续使用。如果校准后,发现传感器的指标发生变化,应对其进行修正。

很多国家都建立了计量器具(包括传感器)检定的专业组织和规程、管理规范。我国由国家计量局、中国计量科学研究院和部、省、市计量部门以及企业团体建立了专门的计量单位,对传感器的检定(校准等工作)规范进行了制定和实施。其中国家技术监督局制定和发布了关于力、长度、加速度、角度、温度等一系列计量器具规程,并于公布了“中华人民共和国计量法”。

为保证传感器使用的准确性,标定传感器应在与其使用条件接近的环境下实施。传感器及其电缆、放大器等配套系统应一起参与标定,这样能保证标定精度更高更稳定。

如果传感器的被测量是由高精度的设备(比如标准量具)产生并测量,则之称为绝对标定法。绝对标定法的标定精度较高,同时也较复杂。如果传感器的被测量是用根据绝对标定法标定好的标准传感器来测量的,则称之为相对标定法/比对标定法。相对标定法简单易行,但标定精度较低。

另外,根据传感器的用途,比对输入量可以是静态,也可以是动态。由此,传感器的标定还可以分为静态标定和动态标定二种。静态标定用来确定静态指标,主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。动态标定用来确定动态指标,主要有时间常数、谐振频率和阻尼比等。对于非测量因素的灵敏度、温度响应、环境影响等也可以同时进行标定。

I.静态标定

主要用于检测传感器的静态特性指标,如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。

根据传感器的用途,静态标定首先需要建立静态标定系统,其次需要选择与被标定传感器的精度相适应的一定等级的标定设备。如下图:应变式测力传感器静态标定系统框图。

测力机用来输入标准力,高精度稳压电源经精密电阻箱衰减后向传感器提供稳定的电源电压,其值由数字电压表读取,而传感器的输出由高精度数字电压表读出。

由上述系统可知,传感器的静态指标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。 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。所配接的仪器精度应是已知的,也作为标准测试设备。 各种传感器的标定方法不同,常用力、压力、位移传感器标定。 具体标定步骤如下: 1)将传感器测量范围分成若干等间距点; 2)根据传感器量程分点情况,输入量由小到大逐渐变化,并记录各输入输出值; 3)再将输入值由大到小漫漫减少,同时记录各输入输出值; 4)重复上述两步,对传感器进行正反行程多次重复测量,将得到的测量数据用表格列出或绘制曲线; 5)进行测量数据处理, 根据处理结果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。

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