传感器的标定与校准

传感器的标定与校准

概述

本文档系统介绍了传感器标定与校准的基本概念、目的、分类、方法及中国的三级精度标定体系。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手段。文档详细阐述了静态标定和动态标定的具体步骤与数据处理方法，包括利用阶跃响应确定一阶传感器时间常数、利用正弦响应和超调量确定二阶传感器阻尼比和固有角频率等关键参数的测定方法。

核心内容

标定与校准的定义与区别

• 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，通过实验建立输入-输出关系，确定误差和精度。
• 校准：对使用或储存一段时间后的传感器进行再次测试和校正，方法与标定相同，但对象是已使用过的传感器。
• 共同点：目的、方法、要求相同。
• 区别：对象不同（新/旧），时机不同（首次/周期性）。

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，是最高级别的标准传递。
2. 二级精度：经中国计量院标定出的标准传感器。
3. 三级精度：用标准传感器对出厂传感器和其他需要校准的传感器进行标定，得到实际使用的传感器。

静态标定

在静态标准条件下（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（线性度、灵敏度、迟滞、重复性等）。步骤包括：确定全量程和测量点、逐点测量正反行程输出、多次重复测量、用最小二乘法等处理数据。

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：通过阶跃响应测定时间常数τ，利用公式 z = ln[1-y(t)] = -t/τ 的线性关系，通过 τ = -Δt/Δz 计算。
• 二阶传感器：通过阶跃响应的超调量σ计算阻尼比ζ（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，进而得到无阻尼固有角频率ωn = ωd/√(1-ζ²)。

不失真测量条件

输出y(t)与输入x(t)满足 y(t) = A·x(t-t₀) 时，系统具有不失真测量特性，即输出波形与输入波形精确一致，仅幅值放大A倍、时间延迟t₀。

学习拓展

文档末尾提出了两个开放性问题：

1. 根据不失真测量条件，推导幅频特性和相频特性的条件。
2. 确定测量仪器校准周期的原则、依据和方法。

习题

文档包含12道习题（2.1-2.12），涵盖静态特性、动态特性、线性时不变系统、一阶/二阶系统参数计算等核心知识点。