传感器的标定与校准

1.5　传感器的标定与校准

新研制或生产的传感器需对其技术性能进行全面的检定；经过一段时间储存或使用的传感器也需对其性能进行复测。通常，在明确输入-输出变换对应关系的前提下，利用某种标准量或标准器具对传感器的量值进行标度称之为标定。将传感器在使用中或储存后进行的性能复测称之为校准。由于标定与校准的本质相同，本节以标定进行叙述。

标定的基本方法是，利用标准设备产生已知的非电量（如标准力、压力、位移等）作为输入量，输入待标定的传感器，然后将传感器的输出量与输入的标准量作比较，获得一系列校准数据或曲线。有时输入的标准量是利用一标准传感器检测而得，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。

传感器的标定系统一般由以下几部分组成:

（1）被测非电量的标准发生器。如活塞式压力计、测力机、恒温源等。

（2）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。

（3）待标定传感器所配接的信号调节器和显示、记录器等。所配接的仪器亦作为标准测试设备使用，其精度是已知的。

为了保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程和管理办法进行。例如力值传递系统见图1-16所示。按此系统，只能用上一级标准装置检定下一级传感器及配套仪表，如果待标定传感器精度较高，可以跨级使用更高级的标准装置。

工程测试所用传感器的标定应在与其使用条件相似的环境下进行。有时为获得较高的标定精度，可将传感器与配用的电缆、滤波器、放大器等测试系统一起标定。有些传感器在标定时还应十分注意规定的安装技术条件。

图1-16　力值传递系统

1.5.1　传感器的静态标定

静态标定主要用于检测、测试传感器（或传感器系统）的静态特性指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等。

进行静态标定首先要建立静态标定系统。图1-17为应变式测力传感器静态标定系统。图中测力机产生标准力，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供桥电压，其值由数字电压表读取，传感器的输出电压由另一数字电压表指示。

图1-17　应变式测力传感器静态标定系统

图1-18　测力标定装置

由上述系统可知，静态标定系统的关键在于被测非电量的标准发生器（即上图中的测力机）及标准测试系统。测力机可以是由砝码产生标准力的基准测力机、杠杆式测力机或液压式测力机。图1-18是由液压缸产生测力并由测力计或标准力传感器读取力值的标定装置。测力计读取力值的方式可用百分表读数、光学显微镜读数与激光干涉仪读数等。

如以位移传感器为例，其标准位移的发生器视位移大小与精度要求的不同，可以是量块、微动台架、测长仪等。对于微小位移的标定，国内已研制成利用压电致动器（参见6.4.4节），通过激光干涉原理读数的微小位移标定系统，位移分辨力可达nm级。

1.5.2　传感器的动态标定

动态标定主要用于检验、测试传感器（或传感器系统）的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。

对传感器进行动态标定，需要对它输入一标准激励信号。常用的标准激励信号分为两类:一是周期函数，如正弦波、三角波等，以正弦波为常用；二是瞬变函数，如阶跃波、半正弦波等，以阶跃波最为常用。

图1-19　振幅测量法标定系统框图

例如测振传感器的动态标定常采用振动台（通常为电磁振动台）产生简谐振动作传感器的输入量。图1-19为振幅测量法标定系统框图。图中振动的振幅由读数显微镜读得，振动频率由频率计指示。若测得传感器的输出电量，即可通过计算得到位移传感器、速度传感器、加速度传感器的动态灵敏度。若改变振动频率，设法保持振幅、速度或加速度幅值不变，可相应获得上述各种传感器的频率响应。笔者曾用类似系统对测振传感器进行动态标定。该系统采用量块棱边作为标记线，并利用与振动频率接近的闪光产生视觉差频来提高读数精度，用读数显微镜可读得峰-峰值为微米量级的振幅。

利用激光干涉法测量振幅，将获得更高的标定精度，其原理和方法可参阅资料［3］。

上述振幅测量法称为绝对标定法，精度较高，但所需设备复杂，标定不方便。故常用于高精度传感器与标准传感器的标定。工程上通常采用比较法进行标定，俗称背靠背法。图1-20示出了比较法的原理框图。灵敏度已知的标准传感器1与待标传感器2背靠背安装在振动台台面的中心位置上，同时感受相同的振动信号。这种方法可以用来标定加速度、速度或位移传感器。

利用上述标定系统采用逐点比较法还可以标定待标测振传感器的频率响应。方法是用手动调整使振动台输出的被测参量（如标定加速度传感器即为加速度）保持恒定，在整个频率范围内按对数等间隔或倍频程原则选取10个以上的频率点，逐点进行灵敏度标定，然后画出频响曲线。

图1-20　比较法标定原理框图

图1-21　连续扫描频响标定系统

随着技术的进步，在上述方法的基础上，已发展成连续扫描法（如图1-21）。其原理是将标准振动台与内装（或外加）的标准传感器组成闭环扫描系统，使待标传感器在连续扫描过程中承受一恒定被测量，并记下待标传感器的输出随频率变化的曲线。通常频响偏差以参考灵敏度为准，各点灵敏度相对于该灵敏度的偏差用分贝数给出。显然，这种方法操作简便，效率很高。图1-21给出了一种加速度传感器的连续扫描频响标定系统。它由被标传感器回路和标准传感器-振动台回路组成。后者可以保证电磁振动台产生恒定加速度。图中拍频振荡器可自动扫频，扫描速度与记录仪走纸速度相对应，于是记录仪即绘出被标传感器的频响曲线。

有些高频传感器，若采用正弦激励法标定，要产生高频激励信号非常困难，因此不得不改用瞬变函数激励信号。

压力传感器的激波管法是采用瞬变函数激励信号进行动态标定的典型例子。激波管是一种阶跃压力波发生器（见图1-22上部）。它分为高压腔（又称压缩腔）和低压腔（又称膨胀室），中间用薄膜隔开，称为二室型。有时为了获得较高的激波压力，整个激波管被分为高、中、低三个压力段，称为三室型。下面介绍二室型激波管产生阶跃波的原理，及用其标定压力传感器的过程。

图1-22　激波管法标定系统

当向高压腔充以高压气体，膜片突然破裂（超压自然破膜或用撞针击破）时，高压腔的气体突然挤向低压腔，形成速度很快的冲击波（激波）。传播过程中，波阵面到达处的气体压力、密度与温度都发生突变；波阵面未到处，气体不受波的扰动。波阵面过后，波阵面后面的气体温度、压力都比波阵面前高。由于激波波阵面很薄，气体压力由波前压力跃升到波后压力只需10^-8～10^-9s，因此形成了理想的压力脉冲。

二室型激波管法标定系统如图1-22所示，由气源、激波管、测速和被标压力传感器及记录器四个部分组成。压缩空气经减压器、控制阀进入激波管高压腔，在一定压力下破膜后，入射激波经传感器T₁处，T₁输出信号由放大器、限幅器加至电子计数器，开始计数。入射激波经传感器T₂处，T₂输出信号使计数器停止计数，从而求得激波波速。触发传感器T₃感受激波信号后，经放大器送入记忆示波器输入端，启动示波器扫描。紧接着被标传感器T₄被激励，其输出信号被示波器记录，通过频谱分析仪获得传感器的固有频率。

上述仅通过几种典型传感器介绍了静态与动态标定的基本概念和方法。由于传感器种类繁多，标定设备与方法各不相同，各种传感器的标定项目也远不止上述几项。此外，随着技术的不断进步，不仅标准发生器与标准测试系统在不断改进，利用微型计算机进行数据处理、自动绘制特性曲线以及自动控制标定过程的系统也已在各种传感器的标定中出现。