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    傳感器為什么需要標定/校準?


    傳感器的標定傳感器設計過程中、制造使用中的一個必須環節。為了保證測量準確,任何傳感器在生產制造、安裝完畢之后都要對傳感器初始的設計指標進行確認,這就是標定。通過標定實驗,最終實現測量值的準確傳遞。在研發過程中,傳感器只有通過了標定試驗,才可以用標定好的數據來進行測量值傳遞。而標定過程中獲得的數據同時也是作為傳感器研發生產改進的重要依據。

    傳感器在制作完成后、以及在使用環境安裝完成后,都必須根據設計標準進行專業嚴謹的性能鑒定。而通常,傳感器在使用一段時間后(通常1年)、修理或調整后,由于環境和自身特性的變化,也必須對技術指標進行校準,以確認傳感器的技術指標達到使用要求,否則就需要進行調試整改。

    所謂的標定,實際上就是依靠標準類型檢測設備來確定被標定傳感器自身的輸入與輸出之間的轉換關系。即:利用標準器具對傳感器進行標度,這個過程就是標定。例如:對于壓電式壓力傳感器,可以用活塞式標準壓力計,輸出一個已知的標準力,加載在待測傳感器上,此時傳感器會輸出相應的電信號,再通過精度確認的標準類型檢測設備測量這個信號,通過測得的電荷信號的大小的比對,獲得此傳感器的輸入與輸出關系。此一系列過程就是針對壓電式壓力傳感器的一個常用標定方案。

    校準就是傳感器的性能復測,實際上也是一種標定,二者本質上是相同的。通過檢測傳感器的性能是否發生變化,判斷它是否能繼續使用。如果校準后,發現傳感器的指標發生變化,應對其進行修正。

    很多國家都建立了計量器具(包括傳感器)檢定的專業組織和規程、管理規范。我國由國家計量局、中國計量科學研究院和部、省、市計量部門以及企業團體建立了專門的計量單位,對傳感器的檢定(校準等工作)規范進行了制定和實施。其中國家技術監督局制定和發布了關于力、長度、加速度、角度、溫度等一系列計量器具規程,并于公布了“中華人民共和國計量法”。

    為保證傳感器使用的準確性,標定傳感器應在與其使用條件接近的環境下實施。傳感器及其電纜、放大器等配套系統應一起參與標定,這樣能保證標定精度更高更穩定。

    如果傳感器的被測量是由高精度的設備(比如標準量具)產生并測量,則之稱為絕對標定法。絕對標定法的標定精度較高,同時也較復雜。如果傳感器的被測量是用根據絕對標定法標定好的標準傳感器來測量的,則稱之為相對標定法/比對標定法。相對標定法簡單易行,但標定精度較低。

    另外,根據傳感器的用途,比對輸入量可以是靜態,也可以是動態。由此,傳感器的標定還可以分為靜態標定和動態標定二種。靜態標定用來確定靜態指標,主要有線性度、靈敏度、遲滯和重復性等。動態標定用來確定動態指標,主要有時間常數、諧振頻率和阻尼比等。對于非測量因素的靈敏度、溫度響應、環境影響等也可以同時進行標定。

    I.靜態標定

    主要用于檢測傳感器的靜態特性指標,如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。

    根據傳感器的用途,靜態標定首先需要建立靜態標定系統,其次需要選擇與被標定傳感器的精度相適應的一定等級的標定設備。如下圖:應變式測力傳感器靜態標定系統框圖。

    測力機用來輸入標準力,高精度穩壓電源經精密電阻箱衰減后向傳感器提供穩定的電源電壓,其值由數字電壓表讀取,而傳感器的輸出由高精度數字電壓表讀出。

    由上述系統可知,傳感器的靜態指標系統一般由以下幾部分組成: 1.被測物理量標準發生器,如測力機。 2.被測物理量標準測試系統。如標準力傳感器、壓力傳感器、標準長度——量規等。 3.被標定傳感器所配接的信號調節器和顯示、記錄器等。所配接的儀器精度應是已知的,也作為標準測試設備。 各種傳感器的標定方法不同,常用力、壓力、位移傳感器標定。 具體標定步驟如下: 1)將傳感器測量范圍分成若干等間距點; 2)根據傳感器量程分點情況,輸入量由小到大逐漸變化,并記錄各輸入輸出值; 3)再將輸入值由大到小漫漫減少,同時記錄各輸入輸出值; 4)重復上述兩步,對傳感器進行正反行程多次重復測量,將得到的測量數據用表格列出或繪制曲線; 5)進行測量數據處理, 根據處理結果確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態特性指標。

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