第13章 传感器的标定

　　(1)激波管 激波管是产生激波的核心部分，由高压室1和低压室 2组成。1、2之间由铝或塑料膜片3隔开，激波压力的大 小由膜片的厚度决定。实验表明，软铝片的厚度每0.1 mm约需100 N左右的破膜压力。标定时根据要求对高、 低压室充以不同的压缩空气，低压室一般为一个大气压 力，对高压室则充以高压气体。当高、低压室的压力差 达到一定值时膜片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室, 从而形成激波。

　　13.1 压力传感器的静态标定 目前，常用的静态标定装置有：活塞压力计、杠杆 式和弹簧测力计式压力标定机。 图13-1-1是用活塞压力计对压力传感器进行标定的 示意图。活塞压力计由校验泵(压力发生系统)和活塞部 分(压力测量系统)组成。

　　上面的标定方法不适合压电式压力测量系统，因为 活塞压力计的加载过程时间太长，致使传感器产生的电 荷泄漏，严重影响其标定精度。所以对压电式测压系统 一般都会采用杠杆式压力标定机或弹簧测力计式压力标定机。

　　图13-1-3是杠杆式压力标定 机的示意图。标定时，按要求 的压力间距，选定待标的压力 点数，按下式计算所需加的砝 码重量W为 PSb W (13-1-1) a 式中 P—要标定的压力； S—压电晶体片的面积； a、b—杠杆臂长。 图13-1-3 杠杆式压力标定机示意图 加上砝码后，将凸轮放倒， 使传感器突然接受到力的作用。 1—被标定的传感器 2—支柱 3—杠杆 4—凸轮 5—砝码 一次标定必须在短时间内完成， 约数秒钟。

　　图13-1-4为弹簧测力式标定机 示意图。把待标定的压力传感器放 置于上、下支柱之间，调整上部螺 杆到适当位置，然后转动凸轮手柄， 使测力计上移，给传感器加力，由 千分表读出变形量，按测力计的检 定表便可查得传感器所受到的力F。 按下式确定标定压力 F P (13-1-2) S 式中 P—所需标定之压力； S—传感器的受力面积。 压力标定曲线的绘制，如同活 塞式压力计中所述的相同，并可算 出其静态特性参数。

　　图13-1-4 弹簧测力计式压力标定 机示意图 1—手轮 2—螺杆 3—被标定的传感器 4—标准测力计 5—底座 6—凸轮 7—手柄

　　13.2 压力传感器的动态标定 对压力传感器进行动态标定，必须给传感器加一个 特性已知的校准动压信号作为激励源，从而得到传感器 的输出信号，经计算分析、数据处理，即可确定传感器 的频率特性。 动态标定的实质是用实验的方法决定传感器的动参 量。这类方法有两种：①以一个已知的阶跃压力信号激 励传感器，使传感器按自身的固有频率振动，并记录下 运动状态，从而决定其动态参量；②以一个振幅和频率 均为已知、可调的正弦压力信号激励传感器，根据记录 的运动状态，决定传感器的动态特性。这种方法的缺点 是标定频率低(低于500 Hz)，标定装置制作困难，应用 10 受到限制。

　　实际测试中，为了确定整个测压系统的输出特性，往 往有必要进行现场标定。为了操作便捷，能不用砝码加 载，而直接用标准压力表读取所加的压力；测出整个测 试系统在各压力下的输出电压值或示波器上的光点位移 量h，就可得到如图13-1-2所示的压力标定曲线 激波管标定装置工作原理 激波管标定装置系统如图13-2-1所示，由激波管、 入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四部分组成。

　　1—高压室 2—低压室 3—膜片 4—侧面被标定的传感器 5—底面被标定的传感器 6、7—测速压力传感器 8—测速前置级 9—数字频率计 10—测压前置级 11—记录装置 12—气源 13—气压表 14—泄气门

　　传感器的标定，是通过试验建立传感器输入量与输 出量之间的关系。同时，确定出不同使用条件下的误差 关系。 标定的基本方法是利用一种标准设备产生的已知非 电量(如标准力、压力、位移等)作为输入量，输入至待 标定的传感器中，得到传感器的输出量；然后将传感器 的输出量与输入的标准量作比较，从而得到一系列的标 定曲线章 传感器的标定

　　静态标定大多数都用在检验、测试传感器(或整个传感系 统)的静态特性指标，如静态灵敏度、线性度、迟滞、重 复性等;动态标定大多数都用在检验、测试传感器(或传感系 统)的动态特性，如动态灵敏度、频率响应等。

　　由于各种传感器的结构原理不同，所以标定方法也 不完全一样，本章仅以压力传感器为例说明传感器的标定 方法。

　　2—砝码 3—活塞 4—进油阀 5—油杯 7—针形阀 8—手轮 9—手摇压力泵

　　校验泵由手摇压力泵、油杯、进油阀及两个针形阀 组成。在针形阀上有连接螺帽，用以连接被标定的传感 器及标准压力表。 活塞部分由具有精确截面的活塞、活塞缸及与活塞 直接相连的承重托盘及砝码组成。 压力计是利用活塞和加在活塞中的砝码重量所产生 的压力与手摇压力泵所产生的压力相平衡的原理进行标 定工作，其精度可达±0.05%以上。

　　标定时，将传感器装在连接螺帽上，然后，按照活 塞压力计的操作规程，转动压力泵的手轮，使托盘上升 到规定的刻线位置；按所要求的压力间隔，逐点增加砝 码重量，使压力计产生所需的压力；同时用数字电压表 记下传感器在相应压力下的输出值。这样就能得出被 标定传感器或测压系统的输出特性曲线(即输出与压力 间的关系曲线)。根据这条曲线可确定出所需要的各个 静态特性指标。

　　这里只讨论第一种方法。产生阶跃压力有许多方法， 其中激波管法是很常用的方法。因为它的前沿压力很 陡，接近理想阶跃函数，所以压力传感器标定时广泛应 用此种方法。 激波管法特点： ①压力幅度范围宽，便于改变压力值； ②频率范围宽(2 kHz～2.5 MHz)； ③便于分析研究和数据处理。 此外，激波管结构相对比较简单，使用起来更便捷可靠，标定精度 可达4%～5%。下面将分别研究激波管工作原理、阶跃 压力波的性质及标定方法。