传感器与检测技术课堂实训-实验五 中职 高三 工信版

实验五：压阻式压力传感器动态特性的标定 一、实验目的 1、了解二阶传感器对阶跃信号的响应特性。 2、掌握二阶传感器动态参数的测试方法。 3、理解影响二阶传感器动态特性的因素。 4、了解激波管标定装置的工作原理。 二、实验原理、方法和手段 1、激波管标定装置工作原理 激波管标定装置系统如图5-1所示。它由激波管、入射激波测速系统、标定测量系统及气源等四个部分组成。 图 5-1激波管标定装置系统原理图 1）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来决定。标定时根据要求对高、低室冲以压力不同的压缩气体（通常采用压缩空气），低压室一般为一个大气压，仅给高压室冲以高压气体。当高、低压室的压力差达到一定程度时，膜片破裂，高压气体迅速膨胀冲入低压室，从 而形成激波，这个激波接近理想的阶跃波，并冲向被标定的传感器。传感器在激波的激励下，产生一个衰减振荡。如图5-2所示，其波形由存储示波器记录下来，以供确定传感器的动态特性之用。 图 5-2被标定传感器的输出波形 2）入射波的测速系统 如图5-1所示，P1 由压电式压力传感器6和7，前置放大器8以及频率计9组成。对测速用的压力传感器6和7的要求是它们的一致性要好，传感器的受压面应与管的内壁一致，以免受激波管内表面的影响。测速前置级8通常采用电荷放大器及限幅器以给出幅值基本恒定的脉冲信号，数字频率计给出时标信号。由两个脉冲信号去控制频率计9的开、关门时间。入射激波的速度为： （5-1） 式中：l —－ 两个测速传感器之间的距离； t —－激波通过两个传感器间距所需的时间（为计数器的时标，n为频率计显示的脉冲） 激波通常以马赫数表示，其定义为： （5-2） 式中： u —－ 激波速度 —－ 低压室的音速，可用下式表示： （5-3） 式中：—－ T℃时的音速； 0 —－ 0℃时的音速； T —－ 试验时低压室的温度（室温一般为25℃）。 3) 标定测量系统 标定测量系统由被标定传感器4，5，电荷放大器10及存储示波器11等组成。被标定传感器既可以放在侧面位置上，也可以放在底端位置上。从被标定的传感器来的信号通过电荷放大器加到存储示波器上纪录下来，以便分析、计算，直接求得幅频特性及动态灵敏度等。 4) 气源系统 气源系统由气源12，气压表13以及泄气门14等组成。它是高压气体的产生源，通常采用压缩空气，压力大小由阀控制，气压表13测得。完成测量后开启泄气门14，以便管内的气体泄掉，然后对管内进行清理。更换膜片，以备下次再用。 2、误差分析 在前面的分析中做了一定的假设，一旦这些假设不成立时就会产生误差。如测速系统的误差，破膜及激波在端部的反射引起的振动产生的影响等。这些原因都会给标定造成误差，下面就这几方面因素做简单的分析讨论。 1) 测速系统的误差 根据压力传感器校准的要求，除了要保证系统工作稳定、可靠外，还要保证测量的准确。影响测速系统的因素很多，由式（5-1）可知，测速误差为 （5-4） 式中，分别为l，t的相对误差。 从可知，影响测速精度的因素有测速传感器的安装孔距加工误差，有测速系统各组成部分引起的测时误差，它包括： (1) 各测速传感器的上升时间，灵敏度和触发位置的不一致性； (2) 各电荷放大器输出信号的上升时间、灵敏度的不一致形； (3) 频率计的测量误差（包括时标误差和触发误差）。 2) 激波速度在传播过程中的衰减误差； 根据实验测定，激波实际传播速度与理论值有出入，前者小于后者，显然这是激波的衰减造成的；非理想的阶跃压力引起的误差通常小于。这两项误差只要选取，可忽略不计。 3) 破膜和激波在端部的反射引起振动造成的误差 各种压力传感器对冲击振动都有不同程度的敏感，所以传感器的使用和标定都要考虑到振动的影响。激波管在标定中主要有两种振动。 (1) 膜片在破膜瞬间产生的强烈振动。实验表明这种振动影响不大。因为这种振动在钢中的传播速度约为5000m/s，比激波速度大的多。所以当激波到达端部传感器时，这种振动的影响几乎衰减为零，可不予考虑； (2) 激波在端部的反射引起的振动。由于激波压力作用于压力传感器上的同时必然冲击安装法兰盘使之产生振动，这直接影响在其上安装的传感器。由于它的振动与传感器感受激波压力几乎是同时产生的。未经很大的衰减，而其振动频率较高，恰在我们欲标定的频段内。所以影响很大，产生的误差约。 三、实验器件与设备 1、标定传感器 (ENDEVCO)