機(jī)電設(shè)備中傳感器的性能分析

1、    機(jī)電設(shè)備中傳感器的性能分析    雷志偉 陳寶林 唐虎 王唯一摘要：隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步以及電子信息等技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的作用越加重要?，F(xiàn)今傳感器已向智能傳感器發(fā)展，因此使得傳感器種類更繁多，特性更多樣。本文簡述了傳感器的發(fā)展轉(zhuǎn)變，并對(duì)傳感器的選擇進(jìn)行了分析舉例，意在為傳感的選型設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：智能傳感器;性能分析;選型設(shè)計(jì)1  傳感器的轉(zhuǎn)變發(fā)展傳統(tǒng)的傳感器是一種模擬的機(jī)器，其功能單一，只具備將外部信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)或電信號(hào)的功能。目前工業(yè)信息化發(fā)展迅猛，對(duì)傳感器的性能要求越加趨向精細(xì)化，隨著cad、mems、數(shù)據(jù)分

2、析等新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器正向著微型化、多功能化以及智能化不斷發(fā)展。傳感器的微型化主要依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)（cad），計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能提供給傳感器設(shè)計(jì)人員由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)的可視化工程模型，使得設(shè)計(jì)人員能在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出高性價(jià)比的產(chǎn)品，從而推動(dòng)傳感器快速向滿足工業(yè)需要的微型化方向發(fā)展;同時(shí)微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（mems）的迅猛發(fā)展，使之制造出的傳感器系統(tǒng)體積越加小巧，功能也越加強(qiáng)大，從而使得傳感器等信息系統(tǒng)的微型化、多功能化以及智能化發(fā)展進(jìn)入全新時(shí)代。智能傳感器除具有傳統(tǒng)傳感器的功能之外，同時(shí)能對(duì)收集到的外界信息進(jìn)行儲(chǔ)存和分析;由于新型敏感材料被不斷發(fā)現(xiàn)，將多種敏感材料總裝在同一塊芯塊上同時(shí)測量

3、多種參數(shù)，同時(shí)對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行綜合處理分析，即可實(shí)現(xiàn)傳感器的多功能化。2  傳感的性能分析傳感器的選擇，需要綜合考慮傳感器的體積要求、測量方式、性價(jià)比等因素，即確定選用何種傳感器，再考慮該種傳感器的具體性能指標(biāo)。根據(jù)輸入的信號(hào)是否隨時(shí)間變化，傳感器分別具有靜態(tài)特性指標(biāo)和動(dòng)態(tài)他行指標(biāo)。靜態(tài)性能指標(biāo)包括：靈敏度、線性度、遲滯誤差、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移等;動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括時(shí)域階躍響應(yīng)以及頻域頻率響應(yīng)特性指標(biāo)。傳感器的性能指標(biāo)的選擇考慮的因素較多，本文選取了幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)行簡述說明，主要如下。2.1 靈敏度傳感器的靈敏度指傳感器對(duì)被測參數(shù)變化的反應(yīng)能力，當(dāng)傳感器的輸入?yún)?shù)變化很小，但其輸出參數(shù)很大時(shí)

4、，靈敏度越高，反之靈敏越低。對(duì)于線性系統(tǒng)，靈敏度即為輸出與輸入量的比值，靈敏度一定;對(duì)于非線性系統(tǒng)，靈敏度為各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化率，且各個(gè)變化率可能均不相同。通常來說傳感器的靈敏度越高性能越優(yōu)越。因?yàn)殪`敏度高時(shí)，被測量微小的變化也能被被輸出較大信號(hào)，便于信號(hào)的分析處理。 但傳感器的靈敏度高，傳感器也更容易捕捉到與被測參數(shù)無關(guān)的其他信號(hào)，一并被系統(tǒng)放大輸出，因此影響測量精度;解決此問題，需要傳感器具有較高的信傳噪比，分離從外界引入的其他信號(hào)參數(shù)。2.2 頻率響應(yīng)特性傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，即限制了傳感器的測量范圍。信號(hào)從輸入到輸出的過程有一定延遲，因此傳感器對(duì)于輸入信號(hào)的響應(yīng)頻率

5、決定著延遲時(shí)間的長短。當(dāng)傳感器系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)反應(yīng)頻率越高，其處理信息的動(dòng)作就越快，就能滿足變化率較快的被測量的測量要求;若被測量變化頻率快于傳感器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，則系統(tǒng)已經(jīng)輸入下一條信號(hào)，系統(tǒng)卻在輸出之前的信息，此時(shí)系統(tǒng)失真。因此傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測量的信號(hào)頻率范圍就越寬。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)同樣根據(jù)被測參數(shù)的響應(yīng)特性，避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大的誤差或系統(tǒng)失真。2.3 線性度傳感器的線性度是指傳感器系統(tǒng)輸出與輸入成正比的程度。理論傳感器系統(tǒng)其輸出與輸入應(yīng)成線性關(guān)系，實(shí)際的傳感器系統(tǒng)輸出與輸入并非成完美線性，線性度即為評(píng)價(jià)實(shí)際傳感器系統(tǒng)與理論傳感器系統(tǒng)特性曲線相符的程度。傳感器的線性度越大，表明傳感器

6、系統(tǒng)有效量程越大，傳感器在有效量程內(nèi)工作是保證其準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。在進(jìn)行傳感器的選擇時(shí)，在確定好傳感器的種類之后，第二步就應(yīng)校準(zhǔn)其量程是否滿足要求。任何傳感器都有一定的線性范圍，當(dāng)對(duì)傳感器測量精度要求較低時(shí)，在某些情況下，可在近似線性的區(qū)域工作。2.4 穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度傳感器穩(wěn)定性指其性能在使用壽命期間保持不變的能力。影響傳感器穩(wěn)定性的因素較多，主要是使用時(shí)間、環(huán)境以及傳感器本身結(jié)構(gòu)特征。因此，在選用傳感器時(shí)應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求，選用抗干擾能力強(qiáng)的傳感器;有電磁輻射、電網(wǎng)信號(hào)的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)著重考慮傳感器穩(wěn)定性要求。在選擇傳感器時(shí)，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境的特點(diǎn)合理選擇傳感器，傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用

7、期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。傳感器的準(zhǔn)確度表示測量結(jié)果與真值之間的接近程度，又稱精度。由于傳感器的精度直接影響傳感器價(jià)格，因此，在選擇傳感器的精度時(shí)應(yīng)在滿足系統(tǒng)的精度要求提前下進(jìn)行成本控制。一般來說精度能滿足測量要求即可，若測量要求各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分別選擇。例如需要做定性分析時(shí)，則可選用重復(fù)精度高的傳感器，不宜選用絕對(duì)量值精度高的傳感器;如果為了做定量分析，傳感器必須獲得精確的測量值，就需選用重復(fù)精度高、絕對(duì)值精度也高的傳感器。3  結(jié)束語傳感器模擬人類捕捉外界參數(shù)，因此推動(dòng)了現(xiàn)代智能機(jī)電等設(shè)備的不斷發(fā)展，由于其具有仿真的特點(diǎn)，因此對(duì)傳感器分類、原理、特性指標(biāo)都相對(duì)復(fù)雜。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及5g商用時(shí)代的到來，智能傳感器將應(yīng)用于更為廣泛領(lǐng)域，智能傳感器的設(shè)計(jì)制造將富含更廣泛的設(shè)計(jì)理念，在對(duì)傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注重其各項(xiàng)性能要求，在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下把控總體的成本，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)越的智能傳感