传感器的标定及校准.docx
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传感器的标定及校准
第14章传感器的标定与校准
●传感器的标定与校准：
经过试验，成立传感器的输出-输入特征及其偏差关系。
●传感器的标定与校准方法：
标准设施产生已知非电量—输入量，测试被标定传感
器相应的输出量，并与输入量比较，作出标定图表。
●传感器的标定系统：
被测非电量的标准发生器与标准测试系统；待标传感器与配接的信号调治和显示、记录器等。
静态标定——标定静态特征：
敏捷度，线性度，精度，；
●传感器的标定—
动向标定——动向特征参数（；n，）测试；动向标定信号：
阶跃信号或正弦信号。
●传感器的标定与校准的目的：
保证丈量的正确、一致和法制性。
§14.1丈量偏差基本观点
丈量与丈量偏差
1．丈量
“丈量是以确立量值为目的的一种操作”。
这类“操作”就是丈量中的比较过程—
—将被测参数与其相应的丈量单位进行比较的过程。
实现比较的工具就是丈量仪器仪
表（简称仪表）。
检测是意义更加宽泛的丈量，它包含丈量和查验的两重含义。
检测过程应包含：
信息的获取——用传感器达成；信号的调治——用变送器达成；信号的显示与记录——用显示器、指示器或记录仪达成。
传感器、变送器和显示装置可统称为检测仪表，或许将传感器称为一次仪表，将变送器和显示装置称为二次仪表。
2．丈量偏差
检测仪表获取的丈量值与被测变量的真切值之间总会存在必定的差别，这一差别称为丈量偏差。
这就是偏差公义——实验结果都拥有偏差，偏差从头至尾存在于全部科学实验的过程之中。
（1）绝对偏差
绝对偏差在理论上是指丈量值x与被丈量的真值xi之间的差值，即
=xxi（14-1）
真值xi是一理想的观点，在实质丈量的条件下一般没法获取真值。
往常用计量学
商定真值、标准用具相对真值、多次丈量均匀值等作为真值，用x0表示。
将式（14-1）
中的真切值xi用x0来取代，则绝对偏差能够表示成
=xx0（14-2）
绝对偏差是可正可负的，而不是偏差的绝对值；绝对偏差还有量纲，它的单位与被丈量的单位同样。
丈量偏差可能由多个偏差重量构成。
惹起丈量偏差的原由，往常包含：
丈量装置
1
的基本偏差；非标准工作条件下所增添的附带偏差；所采纳的丈量原理以及依据该原理在实行丈量中运用和操作的不完美惹起的方法偏差；标准工作条件下，被丈量随时间的变化；影响量（不是被丈量，但对丈量结果有影响的量）惹起的偏差；与观察人员相关的偏差因素等。
依据惹起偏差的原由和偏差的性质，丈量偏差可分为三类：
系统偏差，拥有确立性，决定丈量的正确度，能够进行修正；随机偏差，拥有有时性，决定丈量的精细度，利用偏差理论进行办理；粗大偏差，是错误，应剔除。
（2）相对偏差实质相对偏差：
实
100%
（14-3）
xi
标称相对偏差（或示值相对偏差）
标
100%
（14-4）
x0
丈量偏差是对某一次详细丈量利害的评论。
仪表偏差
1．丈量仪表偏差的基本术语
（1）丈量仪表的示值偏差丈量仪表的示值就是丈量仪表所给出的量值，丈量仪
表的示值偏差定义为“丈量仪表的示值与对应输入量的真值之差”，它实质是仪表某一
次丈量的偏差。
因为真值不可以确立，实质上用的是相对真值。
此观点主要应用于与参照标准对比较的仪器，就实物量具而言，示值就是给予它的值。
在不易与其余称号混杂时也简称为丈量仪表的偏差。
（2）丈量仪表的最大同意偏差定义是“对给定的丈量仪表，规范、规程等所允
许的偏差极限值”。
有时也称为丈量仪表的同意偏差限，或简称同意偏差（允）。
（3）丈量仪表的固有偏差常称为丈量仪表的基本偏差。
定义是“在参照条件下
确立的丈量仪表的偏差”。
此参照条件也称标准条件，是指为丈量仪表的性能试验或为
丈量结果的互对比较而规定的使用条件，一般包含作用于丈量仪表的各影响量的参照
值或参照范围。
（4）附带偏差附带偏差是指丈量仪表在非标准条件时所增添的偏差，它是因为
影响量存在和变化而惹起的，如温度附带偏差、压力附带偏差等等。
（5）丈量范围和量程
丈量范围是指“丈量仪器的偏差处在规定极限内的一组被丈量的值”，也就是被测
量可按规定的正确度进行丈量的范围。
量程是指丈量范围的上限值和下限值的代数差。
比如：
丈量范围为0~100℃时，量
程为100℃；丈量范围为20~100℃时，量程为80℃；丈量范围为20~100℃时，量程
为120℃。
2．仪表偏差
（1）引用偏差
丈量仪表的示值偏差能够用来表示某次丈量结果的正确度，但若用来表示丈量仪表的正确度则不太适合。
因为丈量仪表是用来丈量某一规定范围（丈量范围）内的被
2
丈量，而不是只丈量某一固定大小的被丈量的。
并且，同一个仪表的基本偏差，在整个丈量范围内变化不大，但丈量示值的变化可能很大，这样示值的相对偏差变化也很大。
因此，用丈量仪表的示值相对偏差来权衡仪表丈量的正确性是不方便的。
为了方
便起见，往常用引用偏差来权衡仪表的正确性能。
引用偏差引用丈量仪表的示值的绝对偏差与仪表的量程之比的百分数来表示，即
引用偏差（或相对百分偏差）：
引
10%0
（14-5）
仪表量程
（2）仪表偏差
仪表的正确度（或精度）是用仪表偏差的大小来说明其指示值与被丈量真值之间
的切合程度，偏差越小，正确度越高。
仪表的正确度用仪表的最大引用偏差
max（即仪表的最大同意偏差
允）来表示，
即
max
100%
（14-6）
max
量程
式中，max—仪表在丈量范围内的最大绝对偏差；量程
=仪表丈量上限
仪表丈量下限。
仪表偏差是对仪表在其丈量范围内丈量利害的整体评论。
（3）仪表精度等级
a
仪表精度等级是按国家一致规定的同意偏差大小（去掉仪表偏差的
“”号和“%”）
来区分红若干等级的。
仪表的精度等级数越小，仪表的丈量正确度越高。
当前中国生
产的仪表的精度等级有：
a=0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，（0.4），0.5，1.0，1.5，2.5，（4.0），等。
Ⅰ级标准表
Ⅱ级标准表
工业用表
括号内等级必需时采纳。
仪表的基本偏差：
max=仪表量程
a%，称为仪表在丈量范围内的基本偏差。
3．仪表变差（起落变差）
起落变差（又称回程偏差或示值变差），是指在同样条件下，使用同一仪表对某一参数进行正、反行程丈量时，对应于同一丈量值所得的
仪表示值不等，正、反行程示值之差的绝对值称为起落变差，即
（起落）变差＝正行程示值反行程示值（14-7）
仪表变差也用最大引用偏差表示，即
正行程丈量值
反行程丈量值
max
100%
（14-8
）
变差
量程
一定注意，仪表的变差不可以高出仪表的同意偏差（或基本
图14-1
丈量仪表的变差
偏差）。
例14-1某压力传感器的丈量范围为0~10MPa，校验该传感器时获取的最大绝对偏差为0.08MPa，试确立该传感器的精度等级。
解：
该传感器的精度为：
3
max
100％
0.08
0.8%
max
量程
100
100%
因为国家规定的精度等级中没有
0.8级仪表，而该传感器的精度又超出了
0.5级仪
表的同意偏差，因此，这只传感器的精度等级应定为
1.0
级。
例14-2
某测温传感器的丈量范围为
0~1000℃，依据工艺要求，温度指示值的误
差不一样意超出
7℃，试问应怎样选择传感器的精度等级才能知足以上要求
?
解：
依据工艺要求，传感器的精度应知足：
max
max
100%
7
100%
0.7%
量程
1000
0
此精度介于0.5级和1.0级之间，若选择精度等级为
1.0级的传感器，其同意最大
绝对偏差为
10℃，这就超出了工艺要求的同意偏差，故应选择
0.5级的精度才能知足
工艺要求。
由以上两个例子能够看出，依据仪表校验数据来
确立仪表精度等级和依据工艺要
求来选择仪表精度等级，要求是不一样的。
依据仪表校验数据来确立仪表精度等级时，
仪表的精度等级值应选不小于由校验结果所计算的精度值；依据工艺要求来选择仪表
精度等级时，仪表的精度等级值应不大于工艺要求所计算的精度值。
仪表的精度等级是权衡仪表质量好坏的重要指标之一，它反应了仪表的正确度和精细度。
仪表的精度等级一般用圈内数字等形式标明在仪表面板或铭牌上。
§14．2传感器的静态特征标定
14.2.1静态标定条件
（205）℃；≤85%RH；（76060）mm汞柱
14.2.2标定仪器设施（标准量具）精度等级确实定
●标准量具的精度等级比被标定传感器起码高一个等级；
●附带设施又一定比标准量具起码高一个等级。
14.2.3静态特征标定方法——比较法
●创建一个静态标准条件；
●选择标准量具；
●标定步骤：
全量程等间隔分点标定，
正、反行程来去循环必定次数逐点标定（输入标准量，测试传感器相应的输出量），列出传感器输出-输入数据表格或绘制输出-输入特征曲线，数据办理获取相应的静态特指标。
§14．3传感器的动向特征标定
●动向标定——研究动向响应——确立动向响应参数
●动向标定信号：
阶跃信号或正弦信号
14.3.1一阶传感器的动向标定
确准时间常数
一阶传感器的阶跃响应（如图1-15）
4
t/
y（t）=1e
时间常数表示传感器在阶跃信号作用下，其响应的输出值达到最后稳固值的
63.5%所经过的时间。
只用到一个实验数据。
若改写上式为：
1y（t）=e
t/=ez，
z=ln1
y（t）
此中，z=
t/，z与t线性。
作z~t曲线，其斜率t/z=
，由此确准时间常数
考虑了传感器瞬态响应的全过
程。
如图
14-2所示。
图14-2求一阶传感器时间常数方法图14-3二阶传感器（<1）的阶跃响应
14.3.2二阶传感器的动向标定
确立传感器的阻尼比
和固有频次
n。
欠阻尼二阶传感器的阶跃响应（如图
14-3）
e
nt
1
2
y（t）k1
1
2
sindtarctan
y（t）以d=
n√1–2
作衰减振荡，按求极值的方法可得各振荡峰值对应的时间
tp=0，/d，2
/d，，将t=
/代入y（t）的表达式，可得最大过冲量M
M
e
1
2
或
5
1
2
1
lnM
测得M，由上式或图14-4，可求阻尼比；由标定测得的tp，得fd，d，n。
图14-4-M曲线
若衰减振荡迟缓，过程较长，可测Mi和Mi+n来求，n为两峰值相隔的周期数。
设Mi对应的时间为ti，则Mi+n对应的时间为
ti
nti
2n
1
2
n
将ti和ti+n代入欠阻尼二阶传感器的阶跃响应式，得
Mi
e
nt
2n
ln
ln
Min
ti
2n/n
1
2
1
2
n
e
整理后得
2
n
2
4
2n
2
n
式中
当
0.1时，√1–
21，则
lnMi/Min
2n
nlnMi
Min
也能够利用正弦信号输入，测定传感器输出与输入的幅值比和相位差来确立传感
器的幅频特征和相频特征，而后依据幅频特征分别按图13-5和14-6来求一阶传感器的
时间常数和欠阻尼二阶传感器的阻尼比和固有频次n。
6
图14-5由幅频特征求一阶14-6由幅频特征求欠阻尼
传感器时间常数二阶除按感情的和0
§14．4压力传感器的标定和校准
14.4.1静态标定和校准
静态标定装置：
标准活塞压力计，杠杆式测力计和弹簧式测力计。
●标准活塞压力计标定装置，如图14-7所示；压力标定曲线如图
14-8所示。
图14-7活塞压力计构造表示图图14-8压力标定曲线
●杠杆式测力计标定装置，如图14-9所示，砝码重量与压力的关系
W=pSb/a
图14-9杠杆式压力标定机表示图
●弹簧式测力计标定装置，如图14-10所示，
p=F/S
式中，F—测力计检定表所测得的传感器所受的力；S—传感器的受力面积。
7
图4-10弹簧测力计式压力标定机
14.4.2动向标定和校准
●动向信号压力源：
产生满意的周期或阶跃压力；并能靠谱地确立其真切压力-时
间关系。
●稳态标定（需周期性稳态压力源）
活塞与缸筒式稳态压力源，如图14-10所示。
调理手柄能够改变压力的幅值，可
获取70kg/cm2的峰值压力，频次可达100Hz。
14-11活塞缸筒稳态压力源表示图
1-接被检压力计；2-接标准压力计；3-飞轮；4-调理手柄
凸轮控制喷嘴式稳态压力源，如图14-11所示，可获取0.1kg/cm2的峰值压力，频
率可达300Hz。
图14-12凸轮控制喷嘴稳态压力源
1-恒定压力进口；2-接被检压力表；3-凸轮；4-接标准压力表
这两种周期性稳态压力源只好供给可变的稳态压力，不可以供给确立的数值或时间特征，适合于将未知特征的传感器与已知特征的传感器进行比较的标定方法（比较法）
8
●非稳态标定
利用非稳态（阶跃）压力信号和阶跃函数理论进行标定。
非稳态（阶跃）压力源有：
快卸荷阀；脉冲膜片；闭式爆炸器；激波管等。
●激波管非稳态压力标定
特色：
构造简单，可产生较理想的瞬态“标准”压力；
压力幅度范围宽，便于改变压力值；
压力频次范围宽（2kHz~1.5MHz）；
便于剖析研究和数据办理。
1．构造
主要由激波管、入射激波测速系统、标定丈量系统、气源等构成，如图
14-13所
示。
激波管所产生的激波如图14-15所示。
入射激波的阶跃压力为
p2
p2p1
7Ms21p1
6
反射激波的阶跃压力为
2
p5
p5p1
7Ms2
124Ms2p1
3
5
Ms
式中，Ms—马赫数。
由测速系统决定。
2．入射激波测速系统
由压电式压力传感器
6和7、前置电荷放大器
8和频次计构成。
vl
tl/nT
Ms定义
MsvvT
vv01T
式中，v0—0℃时的声速，v0=331.36m/s
；vT—T℃时的声速；β=1/273=0.00366。
9
3．标定丈量系统
由被标定传感器5和6、前置电荷放大器10及记忆示波器11等构成，可测阶跃进
响应波形，如图14-14所示。
由响应波形进行数据剖析办理，直接求得传感器的幅频
特征及动向敏捷度。
传感器5响应入射激波阶跃压力，传感器响应反射激波阶跃压力。
图14-14被标定传感器输出波形
4．气源系统
由气源、气压表、灰心门等构成。
常采纳压缩空气或氮气。
§14．5振动传感器的标定和校准
振动信号源：
振动台产生正弦激励的标定信号。
14.5.1绝对标定法
激光光波长度作为振幅量值的绝对基准，测出振动信号的振幅值
Xm（m）；
精细数字频次计测出振动台的振动频次
f（1/s）；
10
精细数字电压表测出传感器输出电压值
Erms（mV）。
则被标振动传感器的加快度敏捷度
Sa为
2Erms
mVs2
Sa
2Xm
m
2f
14.5.2比较标定法
将被标传感器与标准测振传感器“背靠背”安装在振动台上。
标准时，分别测出
被标传感器与标准测振传感器的输出电压值
Ua和U，若标准测振传感器的加快度敏捷
度为Sa0，则被标传感器加快度敏捷度
Sa为
Sa=Sa0·U/Ua
频次响应的标定，在振幅恒定条件下，改变振动台的振动频次，测出传感器输出电压与振动频次的关系，即幅频响应。
比较被标传感器与标准传感器输出信
号间的相位差，可得传感器的相频特征。
图14-16振动传感器比较标定系统
§14.6温度传感器的标定和校准
14.6.1温标的基本观点
为了保证温胸怀值的一致和正确，应当成立一个权衡温度的标准尺度，简称温标。
温标是温度的基准量，它规定温度的始点（零度）和丈量温度的基本单位。
各样温度传感器和温度计的标度数值均由温标确立。
当前国际上采纳许多的温标有摄氏温标、国际温标，我国法定计量单位也已采纳了这两种温标。
别的，在一些国家还采纳华氏温标。
温标的三因素：
温度固定点，标准温度计（测温物质），内插公式。
14.6.1.1国际温标
1．热力学温标（K）
1848年英国开尔文（L.Kelvin）提出以热力学第二定律为基础的热力学温标，选定
水的三相点为273.16K，定义水的三相点温度的1/273.16为1度，单位为开尔文，简称
K（1954年国际计量会议）。
热力学温度也称为绝对温度。
11
2．国际适用温标（IPTS-68，ITS-90）
温度的基本单位与热力学温度同样，其标度拥有11个固定点，如表14-2所示。
测
量各固定点之间温度值的方法：
13.81K~630.74℃范围内用基准铂电阻温度计进行插补，电阻-温度关系由一个已知的插补函数确立；
630.74℃~1064.43℃范围内，采纳铂铑10-铂热电偶作为标准仪器。
表14-2IPTS-68规定的一次温度标准和参照点
摄氏温标和华氏温标
3．摄氏温标（℃）
将标准大气压下冰的熔点（水的冰点）定为零度（0℃），水的沸点定为100度
（100℃）。
在0℃和100℃之间区分为100等份，每一等份为一摄氏度（1℃）（1742，瑞典摄尔萨斯，A.Celsius）。
4．华氏温标（℉）
规定标准大气压下冰的熔点为32℉，水的沸点为212℉，此间区分为180等份，
每一等份为一华氏度（1℉）（1714,德国华林海特，G.D.Fahrenheit）。
人的体温约为100℉。
摄氏温度t（℃）与热力学温度
T（K）、华氏温度
tF（℉）之间的关系：
T=273.15+t,
t=T
273.15
tF
9t
32
t
5（tF32）
5
9
注意，水的冰点与水的三相点的热力学温度差
0.01K；1℃=1K。
温度传感器的标定和校准
1．与一次标准比较法
即与国际适用温标（表14-2）进行比较。
2．与某一已经标定的测温标准装置进行比较
关于温度定义点之间的温度标定：
标准铂电阻，-259.34~630.74C，W（100）=1.39250；标准铂铑10—铂热电偶，630.74~1064.43C；标准光学高温计，>1064.43C。
作业：
14-1，14-2，14-4，14-5。
12
内容总结
（1）第14章传感器的标定与校准
●传感器的标定与校准：
经过试验，成立传感器的输出-输入特征及其偏差关系
（2）●传感器的标定系统：
被测非电量的标准发生器与标准测试系统
（3）●传感器的标定与校准的目的：
保证丈量的正确、一致和法制性
（4）2．丈量偏差
检测仪表获取的丈量值与被测变量的真切值之间总会存在必定的差别，这一差别称为丈量偏差
（5）绝对偏差还有量纲，它的单位与被丈量的单位同样
内容总结
（1）第14章传感器的标定与校准
●传感器的标定与校准：
经过试验，成立传感器的输出-输入特征及其偏差关系
（2）●传感器的标定系统：
被测非电量的标准发生器与标准测试系统
（3）●传感器的标定与校准的目的：
保证丈量的正确、一致和法制性
（4）2．丈量偏差
检测仪表获取的丈量值与被测变量的真切值之间总会存在必定的差别，这一差别称为丈量偏差
（5）绝对偏差还有量纲，它的单位与被丈量的单位同样
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