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朱振刚 日记

色谱仪,光谱仪,红外线分析器制造

 
 
 

日志

 
 

传感器校准  

2016-01-20 11:00:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在使用压力传感器的时候,对压力数据精确校准必须按照标准的检定过程进行,其过程如下。

压力是气动和流体测量的重要参数,在风洞实验和流体测量中大量使用压力传感器或压力变送器。因此如何采用最新虚拟仪器技术来校准和计量传感器,保证和改进测量精准度已成为必不可少的一项重要工作。

压力测试或计量的重要环节是压力数据的精确采集。在压力计量中,规范了传感器的静态特性测试条件,如环境温度,压力基准,供电电源等。其中检测仪器的基本误差δ应小于传感器基本误差的1/5 ~ 1/10,因此当采用计算机系统实现压力校准和数据自动采集时,应注意配置高抗干扰能力的性能优良的模数变换器,例如16位精度的a/d变换器,或者能与计算机实现数字通信的多位精密数字电压表

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对于多个压力传感器的校准,为提高工作效率,也可以采用多路a/d卡或者配置带多路程控开关的数字电压表进行数据自动测试和纪录,例如美国keithely公司提供的2700型6位半(1/2)高性能数字电压表/数据采集系统,当插入开关模块时,可达到20~40路直至高达80通道的传感器测试和精密度0.002%的电压测量。仪器配置的rs232串行通信或ieee488(gpib)并行通信接口,增强了数字通信和网络功能,在虚拟仪器软件支持下,如利用数字滤波,信号处理与分析技术,会更精密地获取数据。

3传感器静态性能测试

压力传感器的静态工作特性必须遵照国家标准的检定过程进行。传感器的工作特性也常用直线方程表示。即

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式中a为截矩;b为斜率;v为对应于压力p的传感器输出。

遵照检定规程要求,对于传感器在顺序重复多次循环加减载后,用计算机获取的数据可用端点平移法或最小二乘法求取直线的特性参数传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记,b,并计算出被检测传感器的性能参数,如量程、重复性误差、迟滞、线性误差和包含有随机误差与系统误差在内的传感器基本误差(不确定度)。

已经研制和编制成功的传感器静态特性测试界面如图2所示。

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图2 传感器静态特性界面

采用基于c语言的虚拟仪器开发语言labwindows/cvi并通过人机交互式编程方法,迅速简易地建立汉字图形化界面,实现直接测试或文件方式读入数据后进行处理。这种方式增强了系统的灵活性。虚拟仪器编程语言labwindows/cvi是美国ni(national instruments)公司开发的32位面向计算机测控领域的软件开发平台,可以在多种操作系统(windows98/nt/2000,mac os和unix)下运行。它以ansi c为核心,将功能强大、使用灵活的c语言平台与数据采集、分析和表达等测控专业工具有机地结合起来。

4传感器的实时校准

传感器采用实时校准方法,即在现场对压力测量系统所用的传感器进行即时标定和校准,因此可以消除传感器的温度和灵敏度偏移所产生的误差,进一步提高传感器测试精度。要实现压力传感器的实时校准必须提供一个精密度更高的程控基准源,例如美国780b电子扫描系统或8400系统,采用0.02%精度的压力基准,可程控给出不同的基准气压,此时传感器的静态特性用非线性方程表示,即:

输入压力p与传感器输出电压v的静态函数关系,可用方程式描述为

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称为压力传感器静态方程。其中传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记为截矩,b1,…,bn为系数。

目前大多数压力传感器的静态特性用线性方程模拟,但完全呈现线性关系的压力传感器很难寻求,因此压力传感器可用非线性静态特征表示为

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分别称为三点方程、四点方程和五点方程。

式中,c0为零点系数;c1为灵敏度系数;c2,c3,c4为非线性系数;vx为对应于输入压力px的电压值。

在校准时,可根据精度要求分别给出不同的标准点,从而建立三点、四点、五点线性方程,获得矩阵,例如五点校准后给出传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记=传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记

求解系数矩阵的一种简易方法是在labwindows/cvi环境中调用流行的matlab功能函数来实现。labwindows/cvi与matlab二者的结合,是虚拟仪器在提高其技术水平上起到推波助澜的作用。通过这种连接,可以方便地通过逆矩阵的函数实现对系数矩阵的求解。

已经研制和编制成功的利用matlab连接应用界面如图3所示。matlab窗口被隐藏。

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图3 传感器matlab与labwindows/cvi连接计算界面

传感器的精确度可用符合正态分布的高斯曲线表示,误差带r可由下列公式得到:

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式中传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记i为第i个校准点实际值与测量值的偏差;n为校准点的总数;fs是满量程。

对于温度变化比较灵敏的传感器,例如固态压力传感器,当温度变化时,传感器的零点和灵敏度系数都会发生变化,此时传感器的特性应增加温度的影响,即传感器校准 - zhuzhengang666 - 朱振刚          日记式中,ct为温度修正系数。

已经研制和编制成功的传感器实时校准测试界面如图4所示。对一只传感器用同一组校准数据在线性与非线性特征方程中比较后,得出在使用实时校准后改善了计算结果的精确度,使得压力传感器精度更高。

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图4 传感器实时校准测试界面

5曲线与图表

microsoft excel 是常用的数据电子图表软件,使用它能够清晰表示出数据的状态,并可以执行数据基本操作如加、减、乘、除、开方等运算,为了完成labwindows/cvi和microsoft excel的连接,使其可以组装成为一个简易的应用程序, 通过采用dde动态连接技术或者activex自动化技术设计程序(后者是一种基于com和ole(object link and embedded)对象连接与嵌入技术),形成兼有图形、表格、汉字和数据的校准测试报告,如图5表示的。

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图5 生成excel校准检定报表界面

6 其他

用虚拟仪器和labwindows/cvi语言开发的压力传感器校准仪器及其数据处理方法,综合目前规范的压力校准和实时校准,温度修正技术,提供了灵活方便的汉字图表功能,它简化了传感器的校准工作,给流体压力测量和风洞实验自动化以及提高传感器校准精度提供了方便的实现手段。

虚拟仪器语言与matlab和activex技术密切结合,增强了灵活性和系统功能,具备广泛的通用性。



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