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传感器的性能改善、标定和 选用原则 改善传感器性能的主要技术途径 传感器的标定与校准* 传感器的选用原则与方法 1. 改善性能的技术途径 传感器的性能指标包含很广。使某一传感器各项指标均优，难 实 现，无必要。应根据实际需要与可能，确保主要指标，放宽次要 指 标，实现高性价比。 1 ) 结构、材料与参数的合理选择 合理选择结构、材料与参数是提高性价比的一种有效途径。 原则： 对于传感器的研究和生产，逐步形成系列产品满足不同使用要求 ； 对于用户，按实际需要恰如其分地选用(或设计)能满足使用要求 的 产品，避免盲目追求高指标。 例如选称重传感器，应根据要求选择测量范围、线性度、回差 、 重复性等指标，根据使用条件考虑种类、结构形式，材质等。 选测振传感器，则应根据频率范围、动态范围和精度要求选择传 感 器种类、固有频率、阻尼比及结构形式等。 具体选择原则和方法与具体传感器及其性能要求相关。 2）差动技术 通常要求传感器输出输入关系成线性，实际难于做到。 当输入量变化范围不大，且非线性项的阶次不高时，可用切线或 割 线代替实际曲线的某一段，这种方法称为静态特性的线性化。如图取 ab 段为测量范围，但这时原点不在O点，而在c点，故局限性很大。 在传感器静态特性的四种情况中，对 于其非线性项中只存在奇次项，且对称于 坐标原点，在原点附近的一定范围内存在 近似线性段。 分析多项式可知，差动技术是一种切 实可行的减小非线性的方法。 这是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)的技术。 静态特性的线性化 差动技术原理： 设一传感器输出为 y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4+ 用另一相同传感器，但使其输入量符号相反(例如位移 传感器使之后向移动)，则其输出为 y2=a0-a1x+a2x2-a3x3+a4x4- 使二者输出相减，即 y=y1-y2=2(a1x+a3x3+) 总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到对称于 原 点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，且使灵敏度 提 高一倍，抵消了共模误差。 差动技术在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中 得 到广泛应用，是结构型传感器改善性能的常用和有效途径 。 3）平均技术 常用技术：误差平均效应和数据平均处理 误差平均效应原理：用n个传感器单元同时感受被测量，因而其 输 出是n个单元输出的总和。设每一单元可能带来的误差0可视为随机 误差，根据误差理论，总误差将减小为 例如，n=10时，误差减小为31.6；n=500时，误差减小为4.5 误差平均效应在容栅、光栅、编码器等栅状传感器中效果明显， 在 其他传感器中，对某些工艺性缺陷造成的误差起弥补作用。 同理，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，随机误差也减小 倍。因此，凡被测对象允许进行多 次重复测量(或采样)的，都可采用此方法。 需指出，上述方法在设计传感器时可采用，在应用传感器时亦可 效 法，不过这时应将整个测量系统视作对象。例如常用的多点测量方案 与 多次采样 。 4 ）稳定性处理 因为是长期测量或反复使用的元件，传感器的稳定性 特 别重要，其重要性甚至胜过精度指标。知道误差的规律就 可 进行误差修正或补偿，稳定性则不然。 造成传感器性能不稳定的原因：随时间推移或环境条 件 变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 为提高稳定性，需要对材料、元器件或传感器整体作 必 要的稳定性处理。例如结构材料的时效处理、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 ， 电气元件的老化与筛选等。 在使用传感器时，如果测量要求高，必要时也应对附 加的调整元件、后接电路的关键元器件进行老化处理。 5 ）屏蔽、隔离与干扰抑制 传感器是一个复杂的输入系统。如图，x(t)为被测量，xi(t)为外界 影 响因素。为减小测量误差，应设法削弱或消除外界影响因素的作用。 三种方法： 一）减小传感器对影响因素的灵敏度； 二）降低外界因素对传感器实际作用的功率； 三）在后续信号处理环节中加以消除或抑制。 具体实施方法： 对于电磁干扰，可采取屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制 。 由于传感器常常是感受非电量的器件， 还应考虑与被测量有关的其他影响因素，如 温度、湿度、机械振动、气压、电压、辐 射、甚至气流等。为此，需采取相应的隔离 措施(如隔热、密封、隔振等)，或在变换为 电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小 其影响。 影响因素对传感器的作用 6）零示法、微差法与闭环技术 作用：消除或削弱系统误差 零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。 方法：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。例如机械天平， 零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。 微差法源于零示法。零示法要求标准量与被测量完全相等，这要求 标准量连续可变，不易做到。如果标准量与被测量的差别减小到一定程 度，则由于它们相互抵消的作用能使指示仪表的误差影响大大削弱。 设被测量为x，与它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A ， A的数值可由指示仪表读出。由于AB，则：x=B+A 在微差法测量中，测量误差由标准量的相对误差BB和指示 仪表的相对误差AA与相对微量Ax之积两部分组成。由于Ax 远小于1，指示仪表误差的影响大大削弱，而BB一般很小，测 量 的相对误差大为减小。 微差法的优点：不需标准量连续可调，有可能在指示仪表上直接读 出 被测量的数值。 几何量测量中广泛采用微差法，例如用电感测微仪检测工件尺 寸 的方法，利用电感式位移传感器进行微差法测量的实例。采用该法 时，标准量可由量块或标准工件提供。 随着科技和生产的发展，要求测试系统具有宽频响，大动态范 围，高灵敏度、分辨力与精度，以及高稳定性、重复性和可靠性。 开 环测试系统往往不能满足求，于是出现了在零示法基础上发展而成 的 闭环测试系统。将电子技术和控制理论中的反馈技术应用于传感器 ， 即构成了带有“反向传感器”的闭环式传感器。 7 ）补偿与校正 有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取 一定的技术措施后仍难满足要求；或可满足要求，但价格昂贵或技 术 过分复杂而无现实意义。这时，若能找出误差的方向和数值，采用 修 正法(包括修正曲线或公式)加以补偿或校正。 例如，传感器存在非线性，先测出其特性曲线，然后加以校正 ； 又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量 值 影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。 上述方法在传感器或测试系统中已被采用。 补偿与校正，可以利用电子技术通过线路(硬件)来解决；也可 采 用微型计算机(通常采用单片微机)通过软件来实现。 8）集成化、智能化与信息融合 由绪论知，集成化、智能化与信息融合的结果，将大大扩大传 感 器的功能，提高性能价格比。 传感器的标定与校准 标定：在明确传感器的输入与输出变换关系的前提下，利用某 种 标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。 新研制或生产的传感器都需要进行全面的技术检定。 校准：将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。 一般标定与校准的本质相同。 标定的基本方法：利用标准仪器产生已知非电量(如标准力、压 力、位移)作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的 输 出量与输入标准量作比较，获得一系列标准数据或曲线。有时输入 的 标准量是利用标准传感器检测得到，这时的标定实质上是待标定传 感 器与标准传感器之间的比较。 标定在传感器制造时当然已进行了，但使用中还要定期进行，传 感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。 传感器标定系统的一般组成： (1)被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等； (2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准 温度计等； (3)待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是 已知的。 为保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程 和管理办法进行。 (一)传感器标定原则 标定的基准 为了标定必须要有长期稳定而高精度的基准。有的传感器内装有标 定用的基准器，特别对内装微处理器的传感器更容易实现自动标定的 机 能。但是如果这些传感器的基准是稳压电源和标准电阻器等，一般只 能 进行普通传感器输出的后段信号标定。 当测定量是长度、角度或质量时，这些量的基准量与被测量形态 是 稳定的；当被测量是温度、流速或湿度等参量时，因基准量保持困难 ， 自动标定实际上不可能。 精度传递 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标 ， 实际上是确定传感器的测量精度。所以标定传感器时，必须有比被标 定 的传感器精度高的基准器，该基准的精度还必须由比它更高精度的基 准 器进行定期的标定，而这个基准器则需要更 高一级的基准器来标定，如此这样标的基准 链可一直追溯到国家标准，并以此来保证末 端传感器的精度。这称为国家精度传递或标 准传递，这种自上而下的标定连锁称为精度 传递系统。 如图所示，如果从国家标准的立场上来看 上述便是标准供给系统。标准供给系统依靠 国家标定机关对一次或二次基准器进行标定。 传感器标定的精度传递系统 互换性* 有时传感器的标定并不容易进行，作为经常使用的替换方法是 对经过一定时间工作的传感器进行更换。更换传感器时，机械 尺寸和电器等规格当然是相同的，即使在不加标定的情况下也 能进行正确调换，称之为互换性。 具有互换性的传感器，由于传感器的更换所产生的误差要保证 不超过一定范围，如家用电器或小汽车，如果手边没有基准器 或有基准器而标定又很困难时，互换性则是非常重要的。这时 ，借助于互换性，可对换下来的传感器或测量系统进行标定。 (二)传感器的静态标定 静态标定的目的：确定传感器静态特性指标，如线性度、 灵 敏度、滞后和重复性等。 标定的关键：由试验找到传感器输入输出实际特性曲线 。 静态标准条件 传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。 静态标准条件：没有加速度、振动、冲击 (除非这些参数 本 身就是被测量) 及环境温度影响，一般为室温(205)、 相对湿度不大于85，大气压力1013087998（Pa）。 静态标定方法 标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条 件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定 等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态 特性标定。 标定步骤 (1)将传感器全量程 (测量范围) 分成若干等间距点； (2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输 入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值； (3)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对 应的输出值； (4)按 (2)，(3) 所述过程，对传感器进行正、反行程往复多 次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成 曲线； (5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传 感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。 (三)传感器的动态标定 动态标定的概念 确定传感器的动态性能指标，即通过线性工作范围(用同一 频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出)、频率响应函数 、 幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应 范围、幅值误差和相位误差、时间常数、固有频率等。 动态标定的目的 1）了解其动态响应特性，确其性能指标，当发现其动态误差过 大或者某项指标达不到要求时，改进或更换传感器。若无理想的传感 器，或测试不可能重新进行，必须对传感器进行动态补偿或采用动态 误差修正技术对测试结果进行处理。 2）当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或传感器无静态 响应 (如压电传感器)，应对传感器进行灵敏度标定。 与静态标定相比，传感器的动态标定较为困难。 原因：产生标准非电量动态信号需专门设备，这些设备大多数昂贵。 动态标定的方法 传感器种类繁多，动态标定方法各异。 冲击响应法 具有所需设备少、操作又简便、力值调整及波形控制 方便的特点，因此被广泛采用。 力传感器的动态标定方法-一种绝对法校准（其原理见图）： 落锤式冲击台根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力为 标 准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤提升到一定高度后释 放，重锤落下，撞击安装在砧子上的被校传感器，其冲击加度由固 定 在重锤上的标准加速度计测出。因此，被标定传感器所受的冲击力 为 ma，改变重锤下落高度，可得到不同冲击加速度，即不同冲击力。 为提高校准精度，一般采用测速精度很高的多普勒测速系统， 测 定落锤的速度，并经微分电路变换成加速度信号输出，由此测定力 传 感器的输入信号。 冲击法测量原理图 冲击波形图 通过一个测试系统测量传感器的输出信号，与输入传感器的标准信号进行比较， 可得传感器的各项动态性能指标。图中，0t1为冲击力作用时间，虚线为冲 击力波形，附在其上的高频分量和t1t的自由振荡信号即为测力仪(或传感器)的 固有频率信号。 频率响应法 频响法较直观、精度较高，但需要性能优良的参考传感器，非电量 正弦发生器的工作频率有限，实验时间长。 例：测力仪的标定 激振法：通过激振器或振动台对测力仪的刀尖部位施加不同频率 (不同幅值) 的激振力，求得输出与输入对应关系。 动态切削测力仪的一个简单典型构成：在测力刀杆 (或工作合) 下 方 紧压一压电传感器。力作用在刀尖上时，传感器也相应地感受到一定大 小的力并将力信号转化成电荷信号输出，经电荷放大器将电荷信号转换 成电压信号并放大，通过仪器显并记录。 阶跃响应法 原理：当传感器受到阶跃压力信号作用，测得其响应，用 基 于机理分析的估计方法或实验建模方法求出传感器的频率 特 性、特征参数和性能指标。 采用激波管的压力传感器阶跃响应标定原理图 传感器的合理选用 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体测量目的 、 测量对象以及测量环境合理选用传感器，是在进行具体测量时首要 解 决的问题。确定传感器之后，与之相配套的测量方法和测量设备就 可 确定。测量的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 选择传感器所应考虑的项目各种各样，但要满足所有项目要求 却 未必。应根据传感器实际使用目的、指标、环境条件和成本，从不 同 的侧重点，优先考虑几个重要的条件即可。选择的标准主要考虑以 下 因素：传感器的性能、传感器的可用性、能量消耗、成本、环境条 件 以及与购置有关的项目等。 合理选择的基本原则与方法 （1）依据测量对象和适用条件确定传感器类型 了解被测量的特点，如状态、性质、待测范围、测量速度和精度要 求等； 了解使用条件，如现场环境条件、现有基础条件（人、财、物）。 （2）线性范围与量程 考虑最佳工作区段、过载量、非线性度。 （3）灵敏度 信噪比、方向性（交叉干扰）。 （4）精度 性价比、重复性等。 （5）频率响应特性 响应时间、不失真条件 （6）稳定性 环境影响、环境条件或补偿措施。 传感器的正确使用 除了遵循通常仪器和器件使用的规则，需特别注意以下事 项 （1）认真阅读使用说明书 （2）正确选择测试点和正确安装传感器 （3）保证电源和传输电缆符合规定，且连接正确、可靠 （4）良好的接地、屏蔽及抗干扰措施 （5）对于非接触式传感器，必须在使用前作现场标定 （6）定期检验、校准 无合适传感器可供选用时的对策举例 （1）采用间接测量法 （2）理论计算法 （3）设置预转换环节，构成新传感器 （4）信息融合法 软测量? 2.5 传感器的标定与校准 标定：在明确传感器的输入与输出变换关系的前提下，利用某 种 标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。 新研制或生产的传感器都需要进行全面的技术检定。 校准：将传感器在使用中或存储后进行的性能复测。 一般标定与校准的本质相同。 标定的基本方法：利用标准仪器产生已知非电量(如标准力、压 力、位移)作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的 输 出量与输入标准量作比较，获得一系列标准数据或曲线。有时输入 的 标准量是利用标准传感器检测得到，这时的标定实质上是待标定传 感 器与标准传感器之间的比较。 标定在传感器制造时当然已进行了，但使用中还要定期进行，传 感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。 传感器标定系统的一般组成： (1)被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等； (2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准 温度计等； (3)待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是 已知的。 为保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程 和管理办法进行。 (一)传感器标定原则 标定的基准 为了标定必须要有长期稳定而高精度的基准。有的传感器内装有标 定用的基准器，特别对内装微处理器的传感器更容易实现自动标定的 机 能。但是如果这些传感器的基准是稳压电源和标准电阻器等，一般只 能 进行普通传感器输出的后段信号标定。 当测定量是长度、角度或质量时，这些量的基准量与被测量形态 是 稳定的；当被测量是温度、流速或湿度等参量时，因基准量保持困难 ， 自动标定实际上不可能。 精度传递 对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标 ， 实际上是确定传感器的测量精度。所以标定传感器时，必须有比被标 定 的传感器精度高的基准器，该基准的精度还必须由比它更高精度的基 准 器进行定期的标定，而这个基准器则需要更 高一级的基准器来标定，如此这样标的基准 链可一直追溯到国家标准，并以此来保证末 端传感器的精度。这称为国家精度传递或标 准传递，这种自上而下的标定连锁称为精度 传递系统。 如图所示，如果从国家标准的立场上来看 上述便是标准供给系统。标准供给系统依靠 国家标定机关对一次或二次基准器进行标定。 传感器标定的精度传递系统 互换性* 有时传感器的标定并不容易进行，作为经常使用的替换方法是 对经过一定时间工作的传感器进行更换。更换传感器时，机械 尺寸和电器等规格当然是相同的，即使在不加标定的情况下也 能进行正确调换，称之为互换性。 具有互换性的传感器，由于传感器的更换所产生的误差要保证 不超过一定范围，如家用电器或小汽车，如果手边没有基准器 或有基准器而标定又很困难时，互换性则是非常重要的。这时 ，借助于互换性，可对换下来的传感器或测量系统进行标定。 (二)传感器的静态标定 静态标定的目的：确定传感器静态特性指标，如线性度、 灵 敏度、滞后和重复性等。 标定的关键：由试验找到传感器输入输出实际特性曲线 。 静态标准条件 传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。 静态标准条件：没有加速度、振动、冲击 (除非这些参数 本 身就是被测量) 及环境温度影响，一般为室温(205)、 相对湿度不大于85，大气压力1013087998（Pa）。 静态标定方法 标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条 件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定 等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态 特性标定。 标定步骤 (1)将传感器全量程 (测量范围) 分成若干等间距点； (2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输 入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值； (3)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对 应的输出值； (4)按 (2)，(3) 所述过程，对传感器进行正、反行程往复多 次测试，将得到的输出输入测试数据用表格列出或画成 曲线； (5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传 感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。 (三)传感器的动态标定 动态标定的概念 确定传感器的动态性能指标，即通过线性工作范围(用同一 频率不同幅值的正弦信号输入传感器，测量其输出)、频率响应函数 、 幅频特性和相频特性曲线、阶跃响应曲线来确定传感器的频率响应 范围、幅值误差和相位误差、时间常数、固有频率等。 动态标定的目的 1）了解其动态响应特性，确其性能指标，当发现其动态误差过 大或者某项指标达不到要求时，改进或更换传感器。若无理想的传感 器，或测试不可能重新进行，必须对传感器进行动态补偿或采用动态 误差修正技术对测试结果进行处理。 2）当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或传感器无静态 响应 (如压电传感器)，应对传感器进行灵敏度标定。 与静态标定相比，传感器的动态标定较为困难。 原因：产生标准非电量动态信号需专门设备，这些设备大多数昂贵。 动态标定的方法 传感器种类繁多，动态标定方法各异。 冲击响应法 具有所需设备少、操作又简便、力值调整及波形控制 方便的特点，因此被广泛采用。 力传感器的动态标定方法-一种绝对法校准（其原理见图）： 落锤式冲击台根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力为 标 准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤提升到一定高度后释 放，重锤落下，撞击安装在砧子上的被校传感器，其冲击加度由固 定 在重锤上的标准加速度计测出。因此，被标定传感器所受的冲击力 为 ma，改变重锤下落高度，可得到不同冲击加速度，即不同冲击力。 为提高校准精度，一般采用测速精度很高的多普勒测速系统， 测 定落锤的速度，并经微分电路变换成加速度信号输出，由此测定力 传 感器的输入信号。 冲击法测量原理图 冲击波形图 通过一个测试系统测量传感器的输出信号，与输入传感器的标准信号进行比较， 可得传感器的各项动态性能指标。图中，0t1为冲击力作用时间，虚线为冲 击力波形，附在其上的高频分量和t1t的自由振荡信号即为测力仪(或传感器)的 固有频率信号。 频率响应法 频响法较直观、精度较高，但需要性能优良的参考传感器，非电量 正弦