如何使用DI-5B38应变放大器校准基于应变计的传感器

正确校准基于应变计的传感器可能是一项棘手的工作。您需要考虑传感器的表压因数 （GT）、放大器模块的表压因数 （GA）、激励电压要求和增益。有了这些信息，您可以准确测量psi，微应变，lbs或任何其他量。本应用笔记旨在阐明使用DATAQ Instruments的DI-5B38型应变计输入模块和WinDaq数据采集软件成功校准任何应变计或基于应变的传感器所需的步骤。

了解应变计和基于应变计的传感器

基于应变计的传感器只不过是一种将物理量（例如磅、微应变或压力）转换为电压输出信号（通常以毫伏为单位）的设备。该信号根据被测量的物理量的数量而变化。当施加在量具上的负载发生变化时，由于量具在负载下的弯曲，电阻会发生变化。这类似于当导线弯曲时发生的情况，横截面积发生变化，因此其电阻发生变化。量具产生的信号由放大器拾取，然后放大并发送到计算机进行显示和记录。一些常见的基于应变计的传感器是：压力传感器、应变计和称重传感器。这些类型的测厚仪依赖于适当的激励电压，以产生信号输出。我们将把激励作为我们的下一个主题。

激励的作用

换能器不能输出任何东西，因为它没有激励电压。提供的激励通常是固定的直流电压。施加激励电压后，您可以将一些物理量转换为低电平信号，然后将其放大以用于数据采集系统。您可以应用的激励电压是有限制的。每个传感器都有一个可接受的激励电压，可以施加到它上面。重要的是要确保不要施加超过制造商指定的激励电压，以避免传感器过热。以这种方式操作会导致传感器失去精度。因此，最好保持在这些限制内。DATAQ Instruments 系列的 DI-5B 系列放大器提供 3.33V 或 10V 的激励电压，可连接几乎所有基于应变计的传感器。

什么是“量具系数”？

表压系数的另一个名称是灵敏度。这是一个无单位的数字。传感器的灵敏度规格揭示了在给定施加到传感器的一些物理量的情况下，传感器在提供的激励电压下将输出的电压。通常，基于应变计的传感器每施加到其上的每伏激励输出低电平电压（以毫伏为单位）。应变片在任何给定时刻的输出将与输入到模块的物理量成正比。让我们以Sensotec Model S压力传感器为例。它具有 2mV/V 的灵敏度，需要 5V 激励。它的压力范围为 0 - 100 psi。我们从到目前为止的讨论中知道，我们需要提供激励电压才能获得输出。现在让我们假设我们将从电源为这个 5V 供电。通过数学计算很容易看出，该传感器在满量程时将输出2mV×5V = 10mV。此外，这个10mV输出将代表100 psi，因为这是传感器可以测量的满量程极限。如果您记住应变计或基于应变计的传感器将有一个电压输出，该电压输出会根据被测量而变化，那么处理表压系数是一个相对容易的工作。

现在我们已经介绍了有关灵敏度的一些基础知识，让我们谈谈我们所说的“理想”和“真实”量具因子。在这一点上，您可能想知道为什么要关注这两个数量。好吧，这可以用知道为什么两者都存在来最好地解释。您会在目录和其他资源中找到量具因子以漂亮、干净的数字表示，例如 2.00、3.00 等。这是一个理想的数字，可以很好地作为从目录中选择传感器的点，但它没有考虑从一个传感器到另一个传感器发生的微小差异。当您从商店购买电池时，它可能作为 9v 电池销售。但是，如果您要在其上安装电池测试仪，它可能会读取 9.1V 或其他接近 9V 的电压。尽管我们可能确实不需要 9V 电池在任何给定时刻正好是 9V，但我们可以说明两个电池之间的区别。同样，根本不可能使一个换能器与另一个换能器相同。因此，每个制造的传感器都有一个更精确的值，包含在应变计中。这是您必须用来执行精确校准的“真实”值，从而确保更准确的测量。您可能会看到基于应变计的传感器表压系数，其值与此行相同：2.14mV/V、2.07mV/V等。这些数字不会在使用简单的计算器时造成任何困难。让我们考虑一下，如果我们忽略“真实”量具因子，会引入多少误差。让我们使用2.14mV / V作为“实际”表压系数，并将其与2mV / V进行比较，后者将作为“理想”表压因数。如果我们现在进行数学运算：（2.14 - 2.00）/2.00 = 0.07 = 7% 误差。简而言之，我们可以通过使用“真实”量具因子来避免这种潜在误差。

将放大器与应变计或基于应变计的传感器相匹配

将放大器与应变计或基于应变计的传感器相匹配需要对它们在表压系数方面的相互关系有一点了解。理想情况下，我们希望基于应变计的传感器的表压系数等于放大器的表压系数。在这种情况下，我们不必应用增益，校准将设置为传感器的正负满量程范围。但是，您可能会遇到两者之间的不匹配。让我们介绍一下这两者如何匹配的一些可能性。如果传感器的表压因数小于放大器的表压因数，则可以按照以下步骤确定满量程限制并选择合适的增益。下表介绍了此过程。如果换能器的表压因数大于放大器的表压因数，则由于放大器无法放大换能器所能达到的整个范围，换能器将得不到充分利用。上述相同过程也可以应用于这种情况。

通过 3 个简单步骤校准任何基于应变计的传感器

定义	应用示例	应用示例2
GT = 传感器表压系数	GT= 2mV/V	GT= 2.14mV/V
GM= 放大器表压系数	GM= 3mV/V	GM= 3mV/V
FT = 满量程传感器	FT = 100 PSI	FT = 30，000 微应变
R = 增益比 = GT/GM
程序
1. 确定 R	R = 2/3 = 0.667	R = 2.14/3.00 = 0.7133
2. 确定 +满量程 = （FT/R）*	+满量程 = （100/0.667） = 150 psi	+满量程 = （30，000/0.7133） = 42，058 微应变
3. 确定基线校准值†‡	在这里，传感器在静止时输出 0 伏特。	静止时没有应变，将低校准设置为 0.‡

* 在 WinDaq/Pro 或WinDaq/Pro+ 中，在“固定校准”对话框（可从“编辑”菜单访问）中输入此值作为 +满量程数量。

† 在WinDaq/Pro 或WinDaq/Pro+ 中，在“固定校准”对话框（可从“编辑”菜单访问）中输入此值作为基线数量。

‡ 非平衡传感器（电压偏移在校准零点的传感器）可能会在WinDaq/Pro或WinDaq/Pro+软件中选择低校准时强制归零...从编辑菜单中，在低 Cal 值文本框中输入零，然后单击确定。