温度传感器动态校准研究

计 测 技 术 综 合 评 述 # 1 # 温度传感器动态校准研究 李海燕, 赵俭 (中国一航北京长城计量测试技术研究所, 北京 100095) 摘 要: 介绍了传感器动态校准的现状, 包括概念、特点、数据处理方法等。特别是针对温度传感器动态校 准的方法进行了研究, 给出了校准装置的选择和校准结果的一些评定方法。 关键词: 温度传感器; 动态校准; 数据处理 中图分类号: TB 942; TH 811 文献标识码: A 文章编号: 1002- 6061 ( 2008) 01- 0001- 03 The Research of Dynam ic Calibration for Temperature Probes LIH a-i yan, ZHAO Jian ( Changcheng Institute o fM etro logy& M easurem ent, Beijing 100095, Ch ina) Abstrac t: The present state o f the research on tem pe rature probes, inc lud ing its conception, features and me thods o f data processing, is v iew ed in th is paper1Especia lly, the dynam ic ca lib ration m e thod o f the temperature probes has been researched1The se lec tion m ethods of the dy- nam ic testers and some m ethods o f evalua ting the resu lts a re g iven1 K ey words: tem pe rature probe; dynam ic calibration; data processing 0 引言 在目前的测温中, 最常见的情况是瞬态温度测量。 瞬态测量的特点是温度高、变化快, 可能存在高压或 高速流动情况, 因此要保证测量精度是非常困难的。 目前常用的方法都存在一定的系统误差, 因而需要用 动态校准的方法探明各种传感器由于热惯性和非平衡 状态导致的系统误差, 以便在不同使用条件下, 通过 修正使其更接近真实值。 随着现代科技的高速发展, 特别是航空航天领域 航空发动机、火箭、喷气技术的发展, 温度的快速、 准确测量技术愈加显得重要。例如: 发动机的启动、 加速、停车和压气机失速喘振等情况, 温度变化很快, 传感器应能立刻感受变化的温度, 并能有效地跟踪温 度变化。接触式温度传感器都有热惯性, 热响应特性 各不一样, 所以实际测量的温度是个随机函数, 特别 是在流体流动的环境中, 仅仅提高温度传感器在稳态 下的准确度是满足不了测量要求的, 如何减小热惯性, 增强准确快速测量能力是现代测温发展的方向。只有 提高传感器的热响应特性, 并通过校准确定其热响应 特性, 才有可能达到动态测温的要求。 收稿日期: 2007- 09- 25 作者简介: 李海燕 ( 1978- ), 女, 助理工程师, 从事动态温度 校准及相关研究工作 近年来, 国内许多单位开展了温度传感器动态校 准工作, 但由于温度传感器动态特性校准还与传感器 使用环境工况等有直接关系, 因此造成各家的校准存 在一定差异。 1 传感器动态校准的研究现状 111 国内外研究现状 温度的动态特性研究一直是动态测试领域一个比 较活跃的研究方向。近十几年来, 它从原来主要应用 于军事国防领域, 逐渐向民用领域转变。 对传感器的动态校准, 相对而言国外的研究时间 较长, 涉及的领域也更宽一些。像美国、俄罗斯、德 国、印度等, 都取得了较高的水平。在国内, 特别是 近十年, 一些研究院所和部分大学在该领域都进行了 深入的研究, 取得了比较令人满意的结果。 112 动态校准的概念 被测温度变化, 如突然升高或降低等, 称为动态 温度。温度传感器在测量动态温度时, 由于传感器有 一定的热惯性, 因此不能立刻反映被测温度的变化。 温度传感器动态响应特性是指温度传感器自身温 度与被测温度增量之间的关系, 可用传递函数的形式 表示。当被测温度以阶跃形式、脉冲形式或正弦波形 式变化时, 温度传感器敏感元件温度的响应过程可反 映出传感器的动态特性, 我们常用温度传感器对阶跃 # 2 # 综 合 评 述 2008年第 28卷第 1期 温度的响应来描述其动态特性, 并定义热响应时间或 时间常数 ( Therm alR esponseT im e& T ime Constant) 这 两个反映动态响应的参数。温度传感器的动态品质的 好坏直接反映了该传感器对随时间变化的温度的跟踪 能力。 温度传感器动态特性校准, 即测量在一定工况下 温度传感器对阶跃温度突变的响应过程, 由响应过程 的跟踪记录, 计算出时间常数或热响应时间。要求动 态校准的传感器, 多用于强热对流环境。校准过程主 要包括: 产生稳定的校准工况 (稳定的速度场、温度 场 ) ; 使温度传感器接受温度阶跃激励; 由测试系统采 集被校传感器对阶跃的响应信号, 计算出时间常数或 热响应时间。这两个参数不但与传感器的结构形式、 材料、使用条件有关, 而且与被测流体和校准工况都 有关系。 113 传感器动态校准的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 传感器进行动态校准, 主要由两方面因素决定: ¹ 动态标定。由于传感器广泛应用于生产过程的自动 检测, 新型传感器不断被研制出来, 为了准确把握传 感器的动态特性, 需要对其进行动态标定。º动态校 核。传感器由于长期使用, 或者对于自制的传感器, 在使用中都会存在时漂、温漂, 或者某些参数发生变 化, 这些都能导致传感器灵敏度、零位发生较显著的 变化。 114 改善动态特性的方法 改善传感器的动态特性, 也就是进行动态校准的 根本目的。这可以从生产角度和使用角度两方面进行 考虑: ¹生产角度。对生产厂家而言, 可以将调整好 的模拟滤波器制成的专用芯片、传感器及其放大电路 方便地封装起来, 形成一体。这将从硬件上使得传感 器的动态特性得到根本改善。它的优势在于使传感器 的整体性能得以提高, 而且运算速度快、体积小, 可 以达到快速响应和取得高分辨力。º使用角度。如果 用户使用的温度传感器动态性能变坏, 再采取动态补 偿模拟滤波器的方法就不大可能了。在这种情况下, 通过使用计算机, 用软件的方法改善测试系统的动态 性能。通过编写简单的补偿数字滤波器程序, 就可以 在没有增加硬件的条件下, 使整个通道的动态性能大 大改善。对一般用户而言, 常采用第二种方法改善传 感器的动态特性。 2 温度传感器的动态校准 前面谈到的传感器动态校准的各方面对所有类型 的传感器都适用。下面对温度传感器的一些特殊情况 进行讨论。 211 温度传感器校准的实验研究方法 对温度传感器动态校准的实验研究方法有多种。 1) 传统的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 实验方法: 投入实验法。将温度传 感器在平衡的初始温度下, 以快速的机械运动将其插 入不同温度的测量环境条件下, 以产生一个阶跃温度, 同时连续记录热电偶的输出。一般是将被校准温度传 感器迅速插入恒温水槽或恒温油槽中, 从而产生一个 阶跃温度的激励。这种方法只能进行较小的温度阶跃, 并且它还不能进行现场的动态校准。对时间常数很小 的温度传感器通常也不能满足要求。 2) 热电偶瞬时电加热法。热电偶置于测量温度 中, 达到平衡温度后, 利用电流的热效应对热电偶加 热。由于热电偶本身的电阻, 使热接点温度瞬时升高。 如果热电偶置于测量气流之中, 当电加热功率大于热 电偶接点的散热功率, 则热电偶温度逐渐升高, 高于 测量气流的温度; 然后切断电源, 使热电偶又处于气 流温度中, 相当于热电偶输入为一负阶跃, 同时记录 热电偶的响应。 这种方法可以在测量条件下进行校验, 也可以用 于惯性极小的热电偶的时间常数的测量。但这种方法 对组装式的温度传感器是不适宜的, 它无法计及屏蔽 罩对温度传感器动态特性的影响。 3) 激波管法。激波管作为实验研究用的一种设 备, 可以产生阶跃压力, 对激波管内气体流动特性的 实验研究表明: 入射激波波阵面后存在一个温度阶跃 平台, 因此也可以用激波管来做温度的校准实验, 由 被校温度传感器的阶跃响应曲线, 可得出时间常数。 这是近年来对小时间常数热电偶进行动态校准实验的 一种尝试。但是这种方法存在的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是: 温度阶跃平 台保持时间短, 不足以使温度传感器的输出响应达到 稳态值, 从而无法得到可靠的时间常数值。 4) 激光法。这种方法使用激光脉冲作为动态激励 信号源, 把它打到温度传感器表面上产生瞬时的温升, 撤走激光后, 温度传感器在稳定的气流中会产生负温 度阶跃。这种方法产生温度阶跃的延迟时间短, 并且 激励信号的频谱能充分覆盖被校准系统的全部模态, 计 测 技 术 综 合 评 述 # 3 # 但是它同样存在着热电偶瞬时电加热法的缺点。 5) 热风洞法。主要是由风洞和加热器产生稳定的 高温气流, 然后混合风洞产生的常温气流, 将传感器 置于混合气流中, 通过弹射装置将其中的一股气流突 然弹出, 就可以产生温度阶跃信号。 这种实验方法一般能适应多数温度传感器的性能 要求, 并能在实验条件下模拟温度传感器的实际使用 工况, 这是其它方法所不具有的优点。 212 风洞法校准温度传感器的设备及方法 21211 校准温度传感器的设备 校准设备主要包括: 热校准风洞、温度阶跃系统、 参考温度传感器、测试仪器等。温度阶跃系统为被校 准温度传感器的环境产生一个阶跃温度。采用包罩弹 射机构和冷气流, 产生一个正阶跃温度; 采用弹射机 构与热气流, 或者激光器, 产生一个负阶跃温度。 21212 校准方法 校准温度传感器的时间常数, 一般是在特定的工 况下, 使温度传感器周围的气流温度产生一个阶跃, 同时记录温度传感器对温度阶跃的响应特性曲线, 然 后计算其变化到阶跃量的 6312%时所对应的时间, 即 为温度传感器在该工况下的时间常数 S01632。 温度传感器在热校准风洞中的动态校准框图如图 1 所示。常用校准风洞设备模拟温度传感器使用工况, 提供具有稳定均匀流场、温场的气流环境, 给被校准 温度传感器一个温度阶跃变化, 阶跃幅度可调到所需 值。利用压力传感器和参考热电偶测得风洞气流总压、 总温和静压, 由计算机采集并计算出气流马赫数及 空气质量流速等。具体产生温度突变的方法主要有:利 图 1 热校准风洞动态校准框图 用激光产生温度阶跃和改变温度传感器环境温度两种, 一般多用后一种方法。调节冷气流流量, 使被测温度 传感器达到阶跃前温度, 用弹射机构将冷气流弹开, 使传感器直接暴露在热气流中, 这样在传感器测量处 形成温度正阶跃, 将被校传感器的输出信号由高速采 集系统记录温度传感器对阶跃温度的响应曲线, 同一 状态重复试验三次以上。根据采集的响应曲线 (数 据 ) , 建立适当的数学模型, 拟合出公式, 再由公式计 算出所需时间常数或热响应时间。 21213 数据处理 气流马赫数 Ma = 2¼- 1 p 0 ps ¼- 1¼ - 1 ( 1) 式中: p0 为气流总压; ps 为气流静压, 对燃气取 J= 1133。 质量流速 G =Ma# p s # ¼ RT ( 2) 式中: R为气体常数; T为气流静温。 T = t0 + 273115 1+ ¼- 1 2 Ma 2 ( 3) 式中: t0是气流总温。 用数字存储式示波器记录电压-时间响应曲线, 在 此曲线上寻找达到阶跃量 6312%所对应的时间 S01632, 作为该传感器的时间常数。 213 温度传感器动态校准的评定 对传感器的动态校准, 现在还没有统一的评定标 准, 可以从以下几方面进行考察: 1) 动态性能指标: 时间常数、通频带、工作频 带、建立时间等。 因为温度传感器一般视为一阶系统, 可以很方便 地检测到它的时间常数, 而且非常直观。但是不论输 入信号如何处理, 都不可能完全视为阶跃信号, 所以 最终得到的动态特性还是有一定的误差。 2) 建立动态数学模型, 根据模型进行频谱 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。 3) 检测温度传感器的动态重复性和线性度。 重复度和线性度的引入, 是考虑到所使用的传感器 不可能处于理想状态。其中, 动态重复性指多次动态校 准结果的精密程度; 动态线性度指传感器在全量程范围 内动态激励信号的大小对动态校准结果影响的程度。 (下转第 6页 ) # 6 # 综 合 评 述 2008年第 28卷第 1期 高速、大数据量传输的测试系统要求。 2) 支持即插即用和热插拔的外部总线技术是外部 总线发展的主流。作为装备重要保障的测试系统应适 合现代战争的要求, 具有快速保障能力, 为此, 装备 测试总线应具备体积小、结构紧凑、重量轻、测试准 备时间短、对外界条件依赖性小等特点, 因此, 支持 即插即用和热插拔的外部总线技术是装备测试系统的 首选, 也必将得到较大的发展。 3) 满足高吞吐量、长传输距离及可扩展性、标准 化是未来外部总线的基本要求。现代装备测试系统功 能较多, 系统组成复杂、庞大, 设备间数据交换流量 大且频繁, 这些都要求外部总线支持高吞吐量、长传 输距离。另外, 现代测试系统注重 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的标准化工作, 要求系统可扩展, 以便进行系统升级与功能扩展, 这 也要求相应的外部总线是标准的且具有可扩展性。 4) 混合总线在一段时间内将长期共存。在未来相 当长的一段时间内, 装备测试系统的测试仪表还将是 传统仪器与新型高速的模块化仪器的组合, 它们在系 统中发挥着不同的作用, 如模块化仪器具有高速和灵 活性, 而传统分立式仪器可满足一些特殊的测量要求, 这就决定了未来的测试系统也将是基于混合总线的测 试系统。 3 小结 外部总线是装备测试系统的重要组成部分, 是系 统设计中的重要一环, 必需得到足够的重视。虽然近 年来我国武器装备测试系统的应用研究和开发同国际 上先进水平之间的差距不断缩小, 但在外部总线的研 究与应用上还存在一些不足, 如: 外部总线与被测装 备之间的接口不相匹配、接口的标准化工作进展缓慢 等。为此, 要强化硬件接口的标准化, 对一些专用仪 器设备开展专项标准化改造工作, 使之满足即插即用 要求, 促进我军装备测试系统的发展。 参 考 文 献 [ 1] W illiam A Ross1The Impact of Next Gene ration Test Tech- no logy on Av iation M a intenance [ A ] 1AUTOTESTCON proceed- ings, IEEE [ C] 1 20031 [ 2] N ational Instrum ents1MX I-3 Broadens the Scope of PX I for Test and M easurement [ Z ] 1 19991 [ 3] 范恺 1现场总线技术在国内的应用情况 [ J] 1工业控 制计算机, 2001, 7 ( 1): 1- 51 [ 4] 李肇庆, 朱险峰 1 IEEE 1394接口技术 [ M ] 1 北京: 国防工业出版社, 20041 [ 5] 李建华, 钟达, 梅刚华, 等 1 数据接口总线 GPIB及 其应用 [ J] 1中国测试技术, 2004, 30 ( 6) : 63- 651 (上接第 3页 ) 4) 不确定度分析。 如果动态校准最终给出的是时间常数, 那么可参 照 ISO1993 ( E) 5测量不确定度导则6 进行分析, 但 很多情况下, 最终给出的是反映被校准对象动态响应 特性的函数, 而这方面的处理现在还没有依据可循。 对传感器动态校准结果的评定可以参照上述的方 法, 根据具体情况进行分析。 214 温度传感器动态校准的展望 在温度传感器动态校准领域的研究中, 很多内容 还没有得到统一的结论, 需要在以后的研究中进一步 探讨。例如: 1) 激励信号 (如阶跃信号 ) 的评定标准。因为 试验中不论采取何种措施, 都不可能得到理想的激励 信号, 这势必会带来误差。那么激励信号的要求, 以 及与所校传感器的关系就值得探讨了。 2) 动态校准的评定方法。本文给出了目前国际上 常用的一些评定方法。但是这些方法侧重于不同的方 向, 如何将这些方法统一, 或者给出一种新的、比较 全面的评定方法是亟待解决的问题。只有有了统一的 方法, 才能便于对各种型号的传感器进行比较。 参 考 文 献 [ 1] 徐科军 1 传感器动态特性的实用研究方法 [M ] 1 长 沙: 中国科技大学出版社, 19991 [ 2] 赵敏, 陈小平, 王铮, 余瑞芬 1传感器实时自校准 /自 补偿的实现 [ J], 仪器仪表学报, 1999, 20 ( 4) : 432- 4341 [ 3] 张广军, 黄俊钦, 李行善, 罗先和 1温度传感器动态 重复性、线性度与性能改进的研究 [ J], 仪器仪表学报, 1999, 18 ( 2): 119- 1241 [ 4] 航空发动机设计手册总编委会 1航空发动机设计手册 (第七册 ), 进排气装置 [ M ] 1北京: 航空工业出版社 , 20001