傳感器的標(biāo)定與選用

1、傳感器的標(biāo)定與選用一、傳感器的標(biāo)定 新研制或生產(chǎn)的傳感器需要對其技術(shù)性能進(jìn)行全面的檢定，以確定其基本的靜、動態(tài)特性，包括靈敏度、重復(fù)性、非線性、遲滯、精度及固有頻率等。 例如，對于一個(gè)壓電式壓力傳感器，在受力后將輸出電荷信號，即壓力信號經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換為電荷信號。但是，究竟多大壓力能使傳感器產(chǎn)生多少電荷呢？換句話說，我們測出了一定大小的電荷信號，但它所表示的加在傳感器上的壓力是多大呢？這個(gè)問題只靠傳感器本身是無法確定的，必須依靠專用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來確定傳感器的輸入輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個(gè)過程就稱為標(biāo)定。簡單地說，利用標(biāo)準(zhǔn)器具對傳感器進(jìn)行標(biāo)度的過程稱為標(biāo)定。具體到壓電式壓力傳感器來說，我們用專用的標(biāo)定設(shè)備，如

2、活塞式壓力計(jì)，產(chǎn)生一個(gè)大小已知的標(biāo)準(zhǔn)力，作用在傳感器上，傳感器將輸出一個(gè)相應(yīng)的電荷信號，這時(shí)，再用精度已知的標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備測量這個(gè)電荷信號，得到電荷信號的大小，由此得到一組輸入輸出關(guān)系，這樣的一系列過程就是對壓電式壓力傳感器的標(biāo)定過程，如圖1所示。圖1壓電式壓力傳感器輸入輸出關(guān)系 校準(zhǔn)在某種程度上說也是一種標(biāo)定，它是指傳感器在經(jīng)過一段時(shí)間儲存或使用后，需要對其進(jìn)行復(fù)測，以檢測傳感器的基本性能是否發(fā)生變化，判斷它是否可以繼續(xù)使用。因此，校準(zhǔn)是指傳感器在使用中或存儲后進(jìn)行的性能復(fù)測。在校準(zhǔn)過程中，傳感器的某些指標(biāo)發(fā)生了變化，應(yīng)對其進(jìn)行修正。標(biāo)定與校準(zhǔn)在本質(zhì)上是相同的，校準(zhǔn)實(shí)際上就是再次的標(biāo)定，因此，

3、下面都以標(biāo)定為例作介紹。1、 標(biāo)定的基本方法 標(biāo)定的基本方法是，利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知的非電量(如標(biāo)準(zhǔn)力、位移、壓力等)，作為輸入量輸入到待標(biāo)定的傳感器，然后將得到的傳感器的輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量作比較，從而得到一系列的標(biāo)定數(shù)據(jù)或曲線。例如，上述的壓電式壓力傳感器，利用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生已知大小的標(biāo)準(zhǔn)壓力，輸入傳感器后，得到相應(yīng)的輸出信號，這樣就可以得到其標(biāo)定曲線，根據(jù)標(biāo)定曲線確定擬合直線，可作為測量的依據(jù)，如圖2所示。有時(shí)，輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是由標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測而得到的，這時(shí)的標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較，如圖3所示。輸入量發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號同時(shí)作用在標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待標(biāo)定傳感器上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)傳

4、感器的輸出信號可確定輸入信號的大小，再測出待標(biāo)定傳感器的輸出信號，就可得到其標(biāo)定曲線。 圖2 壓電式壓力傳感器的標(biāo)定曲線與擬合直線 圖3 標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行標(biāo)定的方法2、標(biāo)定系統(tǒng)的組成 傳感器的標(biāo)定系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成： （1）被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器； （2）被測非電量的標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)。例如，活塞式壓力計(jì)標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，測力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)力標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，恒溫源標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。 （3）待標(biāo)定傳感器所配接的信號檢測設(shè)備，如信號調(diào)節(jié)器和顯示器、記錄器等。因?yàn)樗浣拥臋z測儀器也作為標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備使用，因此，其精度應(yīng)是已知的。為保證標(biāo)定的精度和可靠性，在標(biāo)定過程中應(yīng)注意這樣幾個(gè)問題： （1） 為保證量

5、值的準(zhǔn)確一致，標(biāo)定應(yīng)按計(jì)量部門規(guī)定的規(guī)程和管理辦法進(jìn)行，只能用上一級精度的標(biāo)準(zhǔn)裝置來標(biāo)定下一級精度的傳感器。 （2）工程測試中所用的傳感器，應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進(jìn)行標(biāo)定，以獲得較可靠的標(biāo)定精度。 （2）為提高標(biāo)定精度，可將傳感器與其配用的電纜、濾波器、放大器等測試系統(tǒng)一起標(biāo)定。（4）有些傳感器標(biāo)定時(shí)，應(yīng)按傳感器規(guī)定的安裝條件進(jìn)行安裝。 3、傳感器的靜態(tài)標(biāo)定及設(shè)備傳感器的靜態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗(yàn)、測試傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)，如靜態(tài)靈敏度、非線性、滯后、重復(fù)性等。對不同功能的傳感器需要不同的標(biāo)定設(shè)備，即使同一種傳感器，由于精度等級要求不同，標(biāo)定設(shè)備也不同。例如，力標(biāo)定設(shè)備有測力砝碼、拉(壓)式測

6、力計(jì)等；壓力標(biāo)定設(shè)備有活塞式壓力計(jì)、水銀壓力計(jì)、麥?zhǔn)险婵沼?jì)等；位移標(biāo)定設(shè)備有深度尺、千分尺、塊規(guī)等；溫度標(biāo)定設(shè)備有鉑電阻溫度計(jì)、熱電偶、基準(zhǔn)光電高溫比色儀等。 傳感器的動態(tài)標(biāo)定及設(shè)備 傳感器的動態(tài)標(biāo)定主要用于檢驗(yàn)、測試傳感器的動態(tài)特性，如動態(tài)靈敏度、頻率響應(yīng)和固有頻率等。對傳感器進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，需要對它輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)激勵信號，常用的是周期函數(shù)中的正弦波以及瞬變函數(shù)中的階躍波。傳感器動態(tài)標(biāo)定設(shè)備主要是指動態(tài)激振設(shè)備，低頻下常使用激振器，如電磁振動臺、低頻回轉(zhuǎn)臺、機(jī)械振動臺、液壓振動臺等，一般采用振動臺產(chǎn)生簡諧振動來作為傳感器的輸入量。對某些高頻傳感器的動態(tài)標(biāo)定，采用正弦激勵法標(biāo)定時(shí)，很難產(chǎn)生高頻激勵

7、信號，一般采用瞬變函數(shù)激勵信號，這時(shí)就要用激波管來產(chǎn)生激波。二、傳感器的選用 現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1.根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進(jìn)行個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮

8、以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。2.靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。傳感器的靈敏度是有方

9、向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3.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，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。4.線性范圍 傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定

10、值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。5.穩(wěn)定性 傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，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。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考驗(yàn)。6.精度 精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必