常用的加速度传感器的标定方法总结

今天,在介绍传感器的具体标定方法中,以一个典型传感器——加速度传感器的标定为例,详细像大家介绍几种常用的标定方法。

  今天,在介绍传感器的具体标定方法中,以一个典型传感器——加速度传感器的标定为例,详细像大家介绍几种常用的标定方法。

常用的加速度传感器的标定方法总结

加速度传感器的标定

  1.重力场法

  对具有零频响应的加速度计,可用地球静态重力场法进行标定,校准装置如图所示。地球重力场法也是一种绝对校准法,具有较高的精度。

静态地球重力场校准法

  被校传感器安装到台面上,台面可绕中心轴旋转,传感器灵敏轴也随之旋转。当传感器转至任一角度时

  

  此方法使用中须注意:

  ①该方法原则上属于静态绝对校准,仅适用于具有零频响应的加速度计(如伺服式、压阻式、应变式和张丝式)的校准。

  ②装置必须具有良好的隔振基础,旋转轴应严格保持水平位置,否则精度将受到影响。

  2.转台式重力场标定法

  零频法校准属静态校准。将零频校准装置适当改进,即让台面以一定频率匀速旋转,则构成低频重力场标定台。当台面旋转时,加速度传感器敏感元件受-1〜+1g的交变加速度,记录下不同频率下加速度传感器的输出值,即可求出它们的动态灵敏度。

  此方法仅适用于低频。

  3.比较法

  比较法是传感器校准最常用的方法。它具有原理简单、操作方便、对设备要求不高等一系列优点,所以应用十分广泛。

  1)比较法工作原理

  两只加速度传感器背靠背地安装在一起(或安装在一刚性支架上),其中一只为参考标准加速度传感器,它的灵敏度和全部技术性能是已知的;另一只为被校传感器,用同样的加速度激励它们,则它们的输出分别是:

  以上原理同样适用于校准速度传感器和位移传感器。

  2)标准加速度传感器

  在比较校准中,标准传感器是最关键的环节。它的质量好坏对校准结果有十分重要的影响。因此,需对标准传感器提出一定的要求或规定。我国已发布了标准压电加速度计检定规程。从其在比较法中起着传递量值的振动基准的作用来看,它应满足如下要求:

  ①灵敏度高,用激光法或互易法校准,校准精度优于0.5%。

  ②灵敏度应具有长期稳定性,即在检定周期内应无明显变化,要髙于校准精度1倍。

  ③横向灵敏度比不大于3%。

  ④线性度要高。

  ⑤非振动环境灵敏度要低,如温度响应、磁灵敏度、基座应变灵敏度、瞬变温度灵敏度应尽量低。

  标准加速度传感器全部是压电式的,如美国2270型、丹麦8305型、国产SHQ-16型和YD44型等。

  下图示出了两种标准加速度传感器的外形图,美国2270型标准加速度计的换能元件系采用高稳定度的硬性压电陶瓷材料;丹麦BK公司8305型标准加速度传感器及其他型号的标准电压加速度传感器都采用石英晶体为换能元件。标准加速度传感器用激光干涉法进行绝对校准时,测量镜必须粘贴在传感器顶部的安装面上,否则会引入误差。

 

       当用标准加速度传感器进行比较法校准时,需注意被校传感器自重对校准结果的影响。负载对灵敏度的影响如图7-4所示。

负载对传感器灵敏度的影响

       当负载较小时,即m2=0时,得

       做比较校准时,标准传感器上附有质量m2,故有

  由式(7-10)可见,由于增加了m2,使标准传感器固有频率下降。图7-5为不同载荷下某标准压电加速度传感器的频响曲线。

  由图7-5可见,质量负载将影响标准传感器的高频响应。

  3)比较法校准方法

  比较法原理简单,但试验方法很多。现介绍几种典型方法。

  •电压比测量法

  电压比测量法校准系统框图如图7-6所示。这是一种简单而常用的方法。图7-6中,两只被激励的传感器背靠背安装在一起,其中下面的为参考标准加速度传感器,上面是被测传感器。用振动台激励传感器,信号经电荷放大器进入阻抗变换,适调放大后接入转换开关,之后分别通入一只电压表。


  具体标定方法是,首先将转换开关置于K1,电荷放大器灵敏度适调开关置于标准传感器灵敏度位置,增益为1V/g档。在一定频率下(通常为160Hz)激励振动台,观察电压表输出,并调整信号源激励信号幅度,使电压表指示为一整数值(如峰值1V)。此时,电压表指示的值即为台面振动加速度。

  将开关k1置于K2,此时,被校传感器与电压表接通,通过调整电荷放大器增益与适调电位器旋钮,使电压表指示与标准传感器相一致(注意增益档位置)。此时,如电压表输出为1V(峰值),电荷放大器增益为1V/g档,电荷放大器灵敏度适调旋钮指示为13.2pC,那么,该被标定传感器的灵敏度即是13.2pC/g。

  同理,用此方法也可标定其他类型传感器。标定中,标准通道的作用是控制振动台的激励加速度,使之为定值。这样,只要测出被测通道的输出,则求出了被校传感器的灵敏度。工程上,常将传感器连同信号适调器一起标定。

  

  这种方法的优点是操作简单、工作效率高,只要调好分压比,立刻可知被校传感器灵敏度,还消除了仪表档差、表头非线性及读数误差,具有较高精度。

  •检流计法

  检流计法原理与电位计法基本相同,所不同的是两传感器的输出经变换放大后,经检波器整流变成直流进行比较。目前,已有厂家生产用于比较法校准的专用仪器DAD-1多功能交直流变换器和双通道数字式对数电压表。其比较法校准试验如图7-8所示。


  该装置是我国压电加速度传感器频响校验标准装置,自然也可用于传感器灵敏度的标定试验。

  •自动比较校准系统

  目前,微型计算机技术的普及使传感器校准向自动化、智能化的方向发展。图7-9所示为一种压电加速度传感器自动化校准系统。

  在该系统中,标准加速度计与被校加速度传感器“背靠背”地安装在振动台上。受激励后,标准传感器的输出分为两路:一路用于反馈回振动台控制系统,控制振动台台面加速度使之保持恒定;另一路与被校准传感器的信号一道被送入计算机。

  

  振动台的频率信号也同时输入计算机。经数据处理后,计算机通过打印机接口电路,驱动打印机自动打印出被校传感器的灵敏度、频率响应、谐振频率等。


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