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传感器的技术指标1. 传感器的技术指标 由于传感器的应用范围十分广泛，原理、结构与类型繁多，使用要求又千差万别，所以欲列出用来全面衡量传感器质量的统一指标是很困难的。表1-2列出了传感器的技术性能指标，其中若干基本参数指标和比较重要的环境参数指标经常作为检验、使用和评价传感器的依据。 表1-2 传感器的技术性能指标
对于一种具体的传感器而言，并不是全部指标都是必需的。希望使某一传感器各项指标 都优良，不仅设计和制造困难，而且在实际上也没有必要。因此，不要选用"万能"的传 感器去适用不同的使用场合。恰恰相反，应该根据实际需要，保证主要指标，其余指标满足 基本要求即可。即使是主要指标，也不必盲目追求单项指标的全面优异，而主要应关心其稳 定性和变化规律，从而可在电路上或使用计算机进行补偿和修正，这样可使许多传感器既可 低成本又可高精度应用。 2、改善传感器性能的途径 可采取下列技术途径来改善传感器的性能。 2.1. 差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、 外 界干扰等对传感器精度的影响，能减小非线性误差，增大灵敏度等。这种技术也广泛用于消 除或减小由于结构原因引起的共模误差(如温度误差)。其原理如下： 对于一种具体的传感器而言，并不是全部指标都是必需的。希望使某一传感器各项指标 都优良，不仅设计和制造困难，而且在实际上也没有必要。因此，不要选用"万能"的传 感器去适用不同的使用场合。恰恰相反，应该根据实际需要，保证主要指标，其余指标满足 基本要求即可。即使是主要指标，也不必盲目追求单项指标的全面优异，而主要应关心其稳 定性和变化规律，从而可在电路上或使用计算机进行补偿和修正，这样可使许多传感器既可 低成本又可高精度应用。 2、改善传感器性能的途径 可采取下列技术途径来改善传感器的性能。 2.1. 差动技术 差动技术是传感器中普遍采用的技术。它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、 外 界干扰等对传感器精度的影响，能减小非线性误差，增大灵敏度等。这种技术也广泛用于消 除或减小由于结构原因引起的共模误差(如温度误差)。其原理如下： 设有一传感器，其输出为 y₁=ao+a₁x+a₂x2+a₃x3+a₄x⁴+ … 用另一相同的传感器，使其输入量符号相反(例如位移传感器使之反向移动),则它的输出为 Y₂=ao-a₁x+a₂x2-a3x3+a4x⁴- … 使二者输出相减，即 △y=y₁-y₂=2(a₁x+a₃x3+ …) 于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。在传感器中，外界被测量的满量程往往只引起单个敏感元件的少量变化，为了取出这种少量变化，去除不变部分，需要在敏感部分采用差动技术。 2.2.平均技术 平均技术利用了平均效应，可以减少测量时的随机误差。常用的平均技术有误差平均效 应和数据平均处理。 (1)误差平均效应 误差平均效应的原理是利用n 个传感器单元同时感受被测量，而其输出将是这些单元输出的总和。假如将每一个单元可能带来的误差δ0均看作随机误差，根据误差理论，总的误差△将减小为
例如n=10 时，误差△可减小为δ0的31.6%；若n=500,误差减小为δ0的4.5%。 误差平均效应在光栅、感应同步器、磁栅、容栅等传感器中都取得了明显的效果。在其 他一些传感器中，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样能起到弥补作用。 (2)数据平均处理 同理，如果将相同条件下的测量重复n 次或进行n 次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小 倍。因此对允许进行多次重复测量(或采样)的被测量，都可以采用数据平均处理减小随机误差。对于带有微机芯片的智能化传感器，实现起来尤为方便。 上述误差平均效应与数据平均处理的原理在设计和应用传感器时均可采纳，应用时，应 将整个测量系统视作对象。常用的多点测量方案与多次采样平均的方法，可减小随机误差， 增加灵敏度，提高测量精度。 2.3. 零示法、微差法与闭环技术 设计或应用传感器时，零示法、微差法与闭环技术可用以消除或减小系统误差。 (1)零示法 它可消除指示仪表不准而造成的误差。采用这种方法时，被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。机械天平是零示法的典型例子。平衡电桥就是零示法在传感器技术中应用的实例。 (2)微差法 微差法是在零示法的基础上发展起来的。由于零示法要求被测量与标准 量应完全相等，因而要求标准量能连续可变，这往往不容易做到。但是，如果标准量与被测 量的差值减小到一定程度，那么由于它们的相互抵消的作用，就能使指示仪表的误差影响大大削弱，这就是微差法的原理。 几何量测量中广泛采用的测微仪，如电感式测微仪、光学式比较仪等，就是微差法的实 例。用该方法测量时，标准量可采用量块或标准工件，测量精度大大提高。 (3)闭环技术 当要求传感器具有宽的频率响应、大的动态范围、高的灵敏度、分辨力、精度以及高的稳定性、重复性和可靠性时，由敏感元件、转换元件、测量电路等环节组成的开环传感器将很难满足要求，而利用反馈技术使传感器构成闭环平衡式传感器，组成闭环反馈测量系统，将能满足上述各种要求。闭环式传感器在过程参数检测技术中被广泛采用。 跟踪技术也属于闭环技术思想。除对平衡点的跟踪外，还可以跟踪某些特定值点(往往是极值点)以及综合指标参数，产生反馈作用的量有一维或多维。跟踪技术有着广泛的应用，如恒星跟踪、雷达多目标跟踪、导航惯性平台的跟踪等。 2.4.屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器大多安装在现场工作，而现场的条件往往较差，有时甚至极其恶劣。各种外界因 素都会影响传感器的精度与各有关性能。为了减小测量误差保证其原有性能，应设法削弱或 消除外界因素对传感器的影响。主要从两个方面来实现， 一是减小传感器对影响因素的灵敏 度；二是降低外界因素对传感器的实际作用程度。 对于电磁干扰，可以采用屏蔽(电场屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽)、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。对于如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射甚至气流等，可采用相应的隔离措施，如隔热、密封、隔振等，或者在变换成电量后对干扰信号进行分离或抑制， 减小其影响。在电路上还可采用滤波、加去耦电容和正确接地等电路措施。 2.5.分段与细分技术 对于大尺寸、高精度的几何量测量问题，可以采取分段测量方案。将测量范围分成若干 分段区间，在分段区间内再进行局部细分。这项技术要求在工艺经济的条件下，尽量密地将 标尺分成若干段。测量过程从零位开始，记录下所经历段数，然后在段内用模拟方法细分。 常用两只传感器完成段计数、模拟细分和分辨运动方向的功能，两只传感器之间的距离减去 分段整倍数后相差1/4分段，即运动测量时两只传感器分别发出正弦和余弦信号。 在激光干涉仪、感应同步器、光栅、磁栅、容栅等传感器技术上采用了分段与细分技术，用CCD 光敏阵列测量光点位置也属于这项技术。在这项技术中，往往使用多只敏感元件，覆盖多个分段，用空间平均方法提高测量精度。 2.6. 补偿与修正技术 补偿与修正技术在传感器中得到了广泛的应用。这种技术的运用主要是针对两种情况， 一种是针对传感器本身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。 对于传感器特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法 加以补偿或修正。 针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。 不少传感器对温度敏感，由于温度变化引起的误差十分可观，为了解决这个问题，必要时可 以控制温度，但往往费用太高，或使用现场不允许。而在传感器内引入温度误差补偿又常常 是可行的。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。 补偿与修正可以利用电子线路(硬件)来解决，也可以用微机通过软件来实现。 2.7. 稳定性处理 传感器作为长期测量或反复使用的器件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至超过精 度指标，尤其是对那些很难或无法定期检定的场合。 造成传感器性能不稳定的原因，主要是随着时间的推移和环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处 理。如对结构材料进行时效处理、冰冷处理、永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理、电气元件的老化筛选等。 在使用传感器时，若测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后续电路的关键器件进行老化处理。 班宁产品汇总 |
