传感器的标定与校准

传感器的标定与校准

定义

传感器的标定与校准是保证传感器测量结果可靠性与精确度、统一量值传递的必要技术手段。

• 标定：利用标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度，通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系，并确定不同使用条件下的误差关系或测量精度。
• 校准：对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正，方法与标定相同。

核心原则

标准仪器的测量精度必须高于被标定传感器测量精度至少一个等级，被标定传感器的测量结果才可信。

分类

静态标定

在输入信号不随时间变化的静态标准条件下（无加速度、振动、冲击，室温20±5°C，相对湿度≤85%，大气压101±7kPa）确定传感器的静态特性指标，包括线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性等。

静态标定步骤：

1. 确定全量程并按一定标准设置测量点（等间距点）
2. 由小到大或由大到小逐点完成标准输入与对应输出的测量
3. 进行正、反行程的多次测量
4. 对测量数据进行最小二乘法等处理，确定静态特性指标

动态标定

利用正弦信号或阶跃信号作为标准激励，确定传感器的动态特性参数。

一阶传感器时间常数τ的测定：

• 阶跃响应法：利用公式 z = ln[1-y(t)] = -t/τ，通过 τ = -Δt/Δz 计算
• 正弦输入法：测定幅频特性和相频特性

二阶传感器固有角频率ωn和阻尼系数ζ的测定：

• 通过阶跃响应的超调量σ计算阻尼比：ζ = 1/√[(π/lnσ)²+1]
• 通过振荡周期T计算有阻尼固有角频率：ωd = 2π/T
• 计算无阻尼固有角频率：ωn = ωd/√(1-ζ²)

三级精度标定体系

中国采用三级精度量值传递体系：

1. 一级精度：中国计量院进行标定
2. 二级精度：经一级标定出的标准传感器
3. 三级精度：用标准传感器标定出的实用传感器

发展趋势

随着传感器的智能化发展，未来传感器甚至可在整个使用寿命内进行自学习，而无需维护、修改或校准，这可能对现有周期性强制校准体系带来颠覆性挑战。