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电子地磅传感器的选用原则与标定

    传感器技术已经渗透到人类的生产、生活的各个领域。本文详细先容了传感 器选用的原则以及传感器的动态、静态的标定方法。

    一、引言

    在国家标准GB/T 7665- 2005《传感器通用术 语》中,传感器的定义为“能感受规定的测量并 按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件 是指传感器中能直接感受或相应被测的部分;转 换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被 测量转换成适于传输或测量的电信号部分”。由定 义可知,传感器是一种能把特定的被测量信息按 一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置, 以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等 要求。传感器技术因为与测量科学、现代电子技 术、生物技术、材料科学、光电技术、精密机械 技术、微细加工技术、信息处理技术以及计算机 技术相互交叉渗透而成为一门高度综合性、常识 密集型的学科。而称重传感器,作为国家重点管 理计量器具,也已广泛应用于各类电子衡器。

电子地磅传感器的选用原则与标定

    由于传感器的型号、品种繁多,即使是测量 同一对象,可选用的传感器也较多。如何根据测 试目的和实际条件正确合理地选用传感器,是一 个需要认真考虑的问题。

    二、传感器选用原则

    选择传感器所应考虑的项目各种各样,但未 必要满足所有项目要求。应根据传感器实际使用 目的、指标、环境条件和成本,从不同的侧重点, 优先考虑几个重要的条件即可。选择的标准主要 考虑以下因素:传感器的性能、传感器的可用性、 能量消耗、成本、环境条件及购置有关的项目等。

    (一)测量方式选择

    传感器在实际条件下的工作方式,是选择传 感器时应该考虑的重要因素。例如,接触与非接 触测量、破坏与非破坏测量、在线与非在线测量 等,条件不同,对测量方式的要求也不同。在机 械系统中,对运动部件的被测参数,往往采用非 接触测量方式。因为对运动部件采用接触测量时, 有许多实际困难,诸如测量头的磨损、接触状态 的变动、信号的采集等问题,都不易妥善解决, 容易造成测量误差。这种情况下采用电容式、涡 流式、光电式等非接触式传感器很方便,若选用 电阻应变片,则需配以遥测应变仪。在某些条件 下,可以运用试件进行模拟实验,这时可进行破 坏性检验。然而有时无法用试件模拟,因被测对象本身就是产品或构建,这时宜采用非破坏性检 验方法。例如,涡流探伤、超声波探伤检测等。 非破坏性检验可以直接获得经济效益,因此应尽 可能选用非破坏性检测方法。

    在线测试是与实际情况保持一致的测试方法。 特别是对自动化过程的控制与检测系统,往往要 求信号真实与可靠,必须在现场条件下才能达到 检测要求。实现在线检测比较困难,对传感器与 测试系统都有一定的特殊要求。例如,在加工过 程中,实现表面粗糙度的检测,以往的光切法、 干涉法、接触法等都无法运用,取而代之的是激 光、光纤或图像检测法。研制在线检测的新型传 感器,也是当前测试技术发展的一个方面。

    (二)传感器性能指标选择

    在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型 的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。 主要性能指标包括传感器灵敏度、响应特性、线 性范围、稳定性及精确度等。

    (1)灵敏度

    一般来说,传感器灵敏度越高越好。因为灵 敏度越高,就意味着传感器所能感知的变化量小, 即只要被测量有一微小变化,传感器就有较大输 出。但是,在确定灵敏度时,要考虑以下几点。

    1)当传感器的灵敏度很高时,那些与被测信 号无关的外界噪声也会同时被检测到,并通过传 感器输出,从而干扰被测信号。因此,为了既能 使传感器检测到有用的微小信号,又能使噪声干 扰小,就要求传感器的信躁比越大越好,也就是 说,要求传感器本身的噪声小,而且不易从外界 引进干扰噪声。

    2)与灵敏度紧密相关的是量程范围。当传感 器的线性工作范围一定时,传感器的灵敏度越高, 干扰噪声越大,则难以保证传感器的输入在线性 区域内工作。简而言之,过高的灵敏度会影响其 适用的测量范围。

    3)当被测量是一个向量,并且是_个单向量 时,就要求传感器单向灵敏度越高越好,而横向 灵敏度越小越好,如果被测量是二维或三维的向 量,那么还应要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

    (2)响应特性

    传感器的响应特性是指在所测频率范围内, 保证不失真的测量条件。此外,实际上传感器的 响应总不可避免地有一定延迟,只是希翼延迟的 时间越短越好。一般物性型传感器如利用光电 效应、压电效应等传感韩响应时间短,工作频 率宽;而结构型传感器,如电感、电容、磁电等 传感器,由于受到结构特性的影响和机械系统惯 性质量的限制,其固有频率低,工作频率范围窄。

    (3)线性范围

    任何传感器都有一定的线性工作范围。在线 性范围内输出与输入成正比例关系,线性范围愈 宽,则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作 在线性区域内,是保证测量精度的基本条件。例 如,机械式传感器中的测力弹性元件,其材料的 弹性极限是决定测力量程的基本因素,当超出测 力元件允许的弹性范围时,将产生非线性误差。

    然而,对任何传感器,保证其绝对工作在线 性区域内是不容易的。在某些情况下,在许可限 度内,也可以取其近似线性区域。例如,变间隙 型的电容、电感式传感器,其工作区均选在初始 间隙附近,而且必须考虑被测量变化范围,令其 非线性误差在允许限度以内。

    (4)稳定性

    稳定性是表示传感器经过长期使用以后,其 输出特性不发生变化的性能。 影响传感器稳定性 的因素是时间与环境。

    为了保证稳定性,在选择传感器时,一般应 注意两个问题。其根据环境条件选择传感器。 例如,选择电阻应变式传感器时,应考虑到湿度 会影响其绝缘性,湿度会产生零漂,长期使用会 产生蠕变现象等。又如,对变极距型电容式传感 器,因环境湿度的影响或油剂浸入间隙时,会改 变电容器的介质。光电传感器的感光表面有尘埃 或水汽时,会改变感光性质。其二,要创造或保 持一个良好的环境,在要求传感器长期工作而不 需经常更换或校准的情况下,应对传感器的稳定 性有严格的要求。

    (5)精确度

    传感器的精确度是表示传感器的输出与被测 量的对应程度。如前所述,传感器处于测试系统的输入端,因此,传感器能否真实地反应被测量, 对整个测试系统具有直接的影响。然而,在实际 中也并非要求传感器的精确度愈高愈好,这还需 要考虑到测量目的,同时还需要考虑到经济性。 因为传感器的精度越高,其价格就越昂贵,所以 应从实际出发来选择传感器。在选择时首先应了 解测试目的,判断是定性分析还是定量分析。如 果是相对比较性的实验研究,只需获得相对比较 值即可,那么应要求传感器的重复精度高,而不 要求测试的绝对量值准确。但在某些情况下,要 求传感器的精确度愈高愈好。例如,对现代超精 密切削机床,测量其运动部件的定位精度,主轴 的回转运动误差、振动及热形变等时,往往要求 他们的测量精确度在0.1m~0.01m范围内,欲测得 这样的精确量值,必须有高精确度的传感器。

    (6)互换性

    互换性是指传感器性能的一致性。值得指出 的是,大多数传感器的性能一致性不理想,在修 理或调换时要特别注意。

    传感器使用一段时间后,会出现所谓的老化 现象,性能有所变化;或者即便无输入信号或输 入信号不变,传感器的输出也会有某些变化,这 都影响传感器的可靠性、稳定性;故要定期对其 进行检验。

    除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因 素外,还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量 轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。

    三、传感器的标定与校准

    ㈠标定与校准的概念

    标定是在明确传感器的输入与输出变换关系 的前提下,利用某种标准量或标准器具对传感器 的量值进行标定。新研制或生产的传感器都需要 进行全面的技术检定。而校准是指在使用中或存 储后进行的性能复测。㈠般标定与校准的本质相 同。

    传感器的标定分为静态标定和动态标定两种。 静态标定的目的是确定传感器静态特性指标,如 线性度、灵敏度、滞后和重复性等;动态标定的 目的是确定传感器动态特性参数,如频率响应、 时间常数、固有频率和阻尼比等.

    有时根据需要 还要对横向灵敏度、温度响应、环境影响等进行 标定。

    (二)传感器标定方法

    利用标准仪器产生已知非电量洳标准力、 压力、位移作为输入量,输入到待标定传感器 中,然后将传感器的输出量与输入标准量作比较, 获得㈠系列标准数据或曲线。有时输入的标准量 是利用标准传感器检测得到,这时的标定实质上 是进行待标定传感器与标准传感器之间的比较。

    标定在传感器制造时当然已进行,但在使用 中还要定期进行,传感器的标定是传感器制造与 应用中必不可少的工作。

    传感器标定系统的㈠般组成:

    (1)被测量的标准发生器,如恒温源、测力机等。

    (2)被测量的标准测试系统,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、显示 器和记录器等,其精度是已知的。

    为保证各种量值的准确㈠致,标定应按计量 部门规定的检定规程和管理办法进行。

    (三)传感器的静态标定 传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。

    (1)静态标定的目的

    静态标定的目的是确定传感器静态特性指标, 如线性度、灵敏度、滞后和重复性等。标定的关 键是由试验找到传感器输入-输出实际特性曲线。

    (2)静态标准条件

    静态标准条件没有加速度、振动、冲击蜍 非这些参数本身就是被测麕及环境温度影响, ㈠般为室温&0°C± 5。0、相对湿度不大于85%, 大气压力 d01 308± 7 998 Pa。

    标定传感器的静态特性,首先是创造㈠个静 态标准条件,其次是选择与被标定传感器的精度 要求相适应的㈠定等级的标定用的仪器设备,然 后才能对传感器进行静态特性标定。

    (3)标定步骤

    1)将传感器全程量铡量范围分为若干等 间距点。

    2)根据传感器量程分点情况,由小到大逐渐一点一点地输入标准量值,并记录各输入值相对 应的输入值。

    3)将输入值由大到小逐渐减少,同时记录与 各输入值相对应的输出值。

    4)按2,3所述过程,对传感器进行正、 反行程往复多次测试,将得到的输出——输入测 试数据用表格列出或画成曲线。

    5)对测试数据进行必要的处理,根据处理结 果就可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。

    (四)传感器的动态标定

    (1)动态标定的目的

    动态标定的目的是确定传感器的动态性能指 标,即通过线性工作范围佣同一频率不同幅值 的正弦信号输入传感器,测量其输出)、频率响应 函数、幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线 来确定传感器的频率响应范围、幅值误差和相位 误差、时间常数、固有频率等。

    (2)动态标定的方法

    传感器种类繁多,动态标定方法各异。下面 先容几种常用的动态标定方法。

    1)冲击响应法。具有所需设备少、操作简 便、力值调整及波形控制方便的特点,因此被广 泛采用。

    例如对力传感器的动态标定。落锤式冲击台 根据重物自由下落,冲击砧子所产生的冲击力为 标准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤 提升到一定高度后释放,重锤落下,撞击安装在 砧子上的被校传感器,其冲击加速度由固定在重 锤上的标准加速度计测出。因此,被标定传感器 所受的冲击力为ma,改变重锤下落高度,可得 到不同冲击加速度,即不同冲击力。通过一个测 试系统测量传感器的输出信号,与输入传感器的 标准信号进行比较,可得传感器的各项动态性能指标。

    为提高校准精度,一般采用测速精度很高的 多普勒测速系统,测定落锤的速度,并经微分电 路变换成加速度信号输出,由此测定力传感器的 输入信号。

    2)频率响应法。频响法较直观、精度较高, 但需要性能优良的参考传感器,非电量正弦发生 器的工作频率有限,实验时间长。例如测力仪的 标定。

    3)激振法。通过激振器或振动台对测力仪的 刀尖部位施加不同频率(不同幅值的激振力, 求得输出与输入对应关系。

    在测力刀杆威工作台下方紧压一压电传 感器。力作用在刀尖上时,传感器也相应地感受 到一定大小的力并将力信号转化成电荷信号输出, 经电荷放大器将电荷信号转换成电压信号并放大, 通过仪器显示并记录。

    4)阶跃响应法。当传感器受到阶跃压力信号 作用,测得其响应,用基于机理分析的估计方法 或实验建模方法求出传感器的频率特性、特征参 数和性能指标。

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