1. 傳感器的技術(shù)指標(biāo)

由于傳感器的應(yīng)用范圍十分廣泛，原理、結(jié)構(gòu)與類型繁多，使用要求又千差萬別，所以欲列出用來全面衡量傳感器質(zhì)量的統(tǒng)一指標(biāo)是很困難的。表1-2列出了傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)，其中若干基本參數(shù)指標(biāo)和比較重要的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)經(jīng)常作為檢驗(yàn)、使用和評(píng)價(jià)傳感器的依據(jù)。

表1-2 傳感器的技術(shù)性能指標(biāo)

對(duì)于一種具體的傳感器而言，并不是全部指標(biāo)都是必需的。希望使某一傳感器各項(xiàng)指標(biāo) 都優(yōu)良，不僅設(shè)計(jì)和制造困難，而且在實(shí)際上也沒有必要。因此，不要選用"萬能"的傳 感器去適用不同的使用場(chǎng)合。恰恰相反，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要，保證主要指標(biāo)，其余指標(biāo)滿足 基本要求即可。即使是主要指標(biāo)，也不必盲目追求單項(xiàng)指標(biāo)的全面優(yōu)異，而主要應(yīng)關(guān)心其穩(wěn) 定性和變化規(guī)律，從而可在電路上或使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償和修正，這樣可使許多傳感器既可 低成本又可高精度應(yīng)用。

2、改善傳感器性能的途徑

      可采取下列技術(shù)途徑來改善傳感器的性能。

2.1. 差動(dòng)技術(shù)

       差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動(dòng)、  外 界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，能減小非線性誤差，增大靈敏度等。這種技術(shù)也廣泛用于消 除或減小由于結(jié)構(gòu)原因引起的共模誤差(如溫度誤差)。其原理如下：

對(duì)于一種具體的傳感器而言，并不是全部指標(biāo)都是必需的。希望使某一傳感器各項(xiàng)指標(biāo) 都優(yōu)良，不僅設(shè)計(jì)和制造困難，而且在實(shí)際上也沒有必要。因此，不要選用"萬能"的傳 感器去適用不同的使用場(chǎng)合。恰恰相反，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要，保證主要指標(biāo)，其余指標(biāo)滿足 基本要求即可。即使是主要指標(biāo)，也不必盲目追求單項(xiàng)指標(biāo)的全面優(yōu)異，而主要應(yīng)關(guān)心其穩(wěn) 定性和變化規(guī)律，從而可在電路上或使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償和修正，這樣可使許多傳感器既可 低成本又可高精度應(yīng)用。

2、改善傳感器性能的途徑

      可采取下列技術(shù)途徑來改善傳感器的性能。

2.1. 差動(dòng)技術(shù)

      差動(dòng)技術(shù)是傳感器中普遍采用的技術(shù)。它的應(yīng)用可顯著地減小溫度變化、電源波動(dòng)、  外 界干擾等對(duì)傳感器精度的影響，能減小非線性誤差，增大靈敏度等。這種技術(shù)也廣泛用于消 除或減小由于結(jié)構(gòu)原因引起的共模誤差(如溫度誤差)。其原理如下：

設(shè)有一傳感器，其輸出為

y₁=ao+a₁x+a₂x2+a₃x3+a₄x⁴+ …

      用另一相同的傳感器，使其輸入量符號(hào)相反(例如位移傳感器使之反向移動(dòng)),則它的輸出為

Y₂=ao-a₁x+a₂x2-a3x3+a4x⁴- …

使二者輸出相減，即

△y=y₁-y₂=2(a₁x+a₃x3+ …)

于是，總輸出消除了零位輸出和偶次非線性項(xiàng)，得到了對(duì)稱于原點(diǎn)的相當(dāng)寬的近似線性范圍，減小了非線性，而且使靈敏度提高了一倍，抵消了共模誤差。在傳感器中，外界被測(cè)量的滿量程往往只引起單個(gè)敏感元件的少量變化，為了取出這種少量變化，去除不變部分，需要在敏感部分采用差動(dòng)技術(shù)。

2.2.平均技術(shù)

       平均技術(shù)利用了平均效應(yīng)，可以減少測(cè)量時(shí)的隨機(jī)誤差。常用的平均技術(shù)有誤差平均效 應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。

       (1)誤差平均效應(yīng)  誤差平均效應(yīng)的原理是利用n 個(gè)傳感器單元同時(shí)感受被測(cè)量，而其輸出將是這些單元輸出的總和。假如將每一個(gè)單元可能帶來的誤差δ0均看作隨機(jī)誤差，根據(jù)誤差理論，總的誤差△將減小為

例如n=10 時(shí)，誤差△可減小為δ0的31.6%；若n=500,誤差減小為δ0的4.5%。

誤差平均效應(yīng)在光柵、感應(yīng)同步器、磁柵、容柵等傳感器中都取得了明顯的效果。在其 他一些傳感器中，誤差平均效應(yīng)對(duì)某些工藝性缺陷造成的誤差同樣能起到彌補(bǔ)作用。 (2)數(shù)據(jù)平均處理  同理，如果將相同條件下的測(cè)量重復(fù)n 次或進(jìn)行n 次采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均處理，隨機(jī)誤差也將減小 倍。因此對(duì)允許進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量(或采樣)的被測(cè)量，都可以采用數(shù)據(jù)平均處理減小隨機(jī)誤差。對(duì)于帶有微機(jī)芯片的智能化傳感器，實(shí)現(xiàn)起來尤為方便。 上述誤差平均效應(yīng)與數(shù)據(jù)平均處理的原理在設(shè)計(jì)和應(yīng)用傳感器時(shí)均可采納，應(yīng)用時(shí)，應(yīng)  將整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)視作對(duì)象。常用的多點(diǎn)測(cè)量方案與多次采樣平均的方法，可減小隨機(jī)誤差， 增加靈敏度，提高測(cè)量精度。 2.3. 零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù) 設(shè)計(jì)或應(yīng)用傳感器時(shí)，零示法、微差法與閉環(huán)技術(shù)可用以消除或減小系統(tǒng)誤差。 (1)零示法 它可消除指示儀表不準(zhǔn)而造成的誤差。采用這種方法時(shí)，被測(cè)量對(duì)指示儀表的作用與已知的標(biāo)準(zhǔn)量對(duì)它的作用相互平衡，使指示儀表示零，這時(shí)被測(cè)量就等于已知的標(biāo)準(zhǔn)量。機(jī)械天平是零示法的典型例子。平衡電橋就是零示法在傳感器技術(shù)中應(yīng)用的實(shí)例。

       (2)微差法  微差法是在零示法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于零示法要求被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn) 量應(yīng)完全相等，因而要求標(biāo)準(zhǔn)量能連續(xù)可變，這往往不容易做到。但是，如果標(biāo)準(zhǔn)量與被測(cè) 量的差值減小到一定程度，那么由于它們的相互抵消的作用，就能使指示儀表的誤差影響大大削弱，這就是微差法的原理。

幾何量測(cè)量中廣泛采用的測(cè)微儀，如電感式測(cè)微儀、光學(xué)式比較儀等，就是微差法的實(shí) 例。用該方法測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)量可采用量塊或標(biāo)準(zhǔn)工件，測(cè)量精度大大提高。

      (3)閉環(huán)技術(shù) 當(dāng)要求傳感器具有寬的頻率響應(yīng)、大的動(dòng)態(tài)范圍、高的靈敏度、分辨力、精度以及高的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性時(shí)，由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路等環(huán)節(jié)組成的開環(huán)傳感器將很難滿足要求，而利用反饋技術(shù)使傳感器構(gòu)成閉環(huán)平衡式傳感器，組成閉環(huán)反饋測(cè)量系統(tǒng)，將能滿足上述各種要求。閉環(huán)式傳感器在過程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)中被廣泛采用。

跟蹤技術(shù)也屬于閉環(huán)技術(shù)思想。除對(duì)平衡點(diǎn)的跟蹤外，還可以跟蹤某些特定值點(diǎn)(往往是極值點(diǎn))以及綜合指標(biāo)參數(shù)，產(chǎn)生反饋?zhàn)饔玫牧坑幸痪S或多維。跟蹤技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如恒星跟蹤、雷達(dá)多目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)航慣性平臺(tái)的跟蹤等。

2.4.屏蔽、隔離與干擾抑制

      傳感器大多安裝在現(xiàn)場(chǎng)工作，而現(xiàn)場(chǎng)的條件往往較差，有時(shí)甚至極其惡劣。各種外界因 素都會(huì)影響傳感器的精度與各有關(guān)性能。為了減小測(cè)量誤差保證其原有性能，應(yīng)設(shè)法削弱或 消除外界因素對(duì)傳感器的影響。主要從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)， 一是減小傳感器對(duì)影響因素的靈敏 度；二是降低外界因素對(duì)傳感器的實(shí)際作用程度。

對(duì)于電磁干擾，可以采用屏蔽(電場(chǎng)屏蔽、電磁屏蔽和磁屏蔽)、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對(duì)于如溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、氣壓、聲壓、輻射甚至氣流等，可采用相應(yīng)的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成電量后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分離或抑制， 減小其影響。在電路上還可采用濾波、加去耦電容和正確接地等電路措施。

2.5.分段與細(xì)分技術(shù)

      對(duì)于大尺寸、高精度的幾何量測(cè)量問題，可以采取分段測(cè)量方案。將測(cè)量范圍分成若干  分段區(qū)間，在分段區(qū)間內(nèi)再進(jìn)行局部細(xì)分。這項(xiàng)技術(shù)要求在工藝經(jīng)濟(jì)的條件下，盡量密地將  標(biāo)尺分成若干段。測(cè)量過程從零位開始，記錄下所經(jīng)歷段數(shù)，然后在段內(nèi)用模擬方法細(xì)分。 常用兩只傳感器完成段計(jì)數(shù)、模擬細(xì)分和分辨運(yùn)動(dòng)方向的功能，兩只傳感器之間的距離減去  分段整倍數(shù)后相差1/4分段，即運(yùn)動(dòng)測(cè)量時(shí)兩只傳感器分別發(fā)出正弦和余弦信號(hào)。

      在激光干涉儀、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、容柵等傳感器技術(shù)上采用了分段與細(xì)分技術(shù)，用CCD 光敏陣列測(cè)量光點(diǎn)位置也屬于這項(xiàng)技術(shù)。在這項(xiàng)技術(shù)中，往往使用多只敏感元件，覆蓋多個(gè)分段，用空間平均方法提高測(cè)量精度。

2.6. 補(bǔ)償與修正技術(shù)

      補(bǔ)償與修正技術(shù)在傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)的運(yùn)用主要是針對(duì)兩種情況， 一種是針對(duì)傳感器本身特性的，另一種是針對(duì)傳感器的工作條件或外界環(huán)境的。

      對(duì)于傳感器特性，可以找出誤差的變化規(guī)律，或者測(cè)出其大小和方向，采用適當(dāng)?shù)姆椒?加以補(bǔ)償或修正。

      針對(duì)傳感器工作條件或外界環(huán)境進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也是提高傳感器精度的有力技術(shù)措施。 不少傳感器對(duì)溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀，為了解決這個(gè)問題，必要時(shí)可  以控制溫度，但往往費(fèi)用太高，或使用現(xiàn)場(chǎng)不允許。而在傳感器內(nèi)引入溫度誤差補(bǔ)償又常常  是可行的。這時(shí)應(yīng)找出溫度對(duì)測(cè)量值影響的規(guī)律，然后引入溫度補(bǔ)償措施。

      補(bǔ)償與修正可以利用電子線路(硬件)來解決，也可以用微機(jī)通過軟件來實(shí)現(xiàn)。

2.7. 穩(wěn)定性處理

       傳感器作為長(zhǎng)期測(cè)量或反復(fù)使用的器件，其穩(wěn)定性顯得特別重要，其重要性甚至超過精 度指標(biāo)，尤其是對(duì)那些很難或無法定期檢定的場(chǎng)合。

       造成傳感器性能不穩(wěn)定的原因，主要是隨著時(shí)間的推移和環(huán)境條件的變化，構(gòu)成傳感器的各種材料與元器件性能將發(fā)生變化。

       為了提高傳感器性能的穩(wěn)定性，應(yīng)該對(duì)材料、元器件或傳感器整體進(jìn)行必要的穩(wěn)定性處 理。如對(duì)結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行時(shí)效處理、冰冷處理、永磁材料的時(shí)間老化、溫度老化、機(jī)械老化及交流穩(wěn)磁處理、電氣元件的老化篩選等。

       在使用傳感器時(shí)，若測(cè)量要求較高，必要時(shí)也應(yīng)對(duì)附加的調(diào)整元件、后續(xù)電路的關(guān)鍵器件進(jìn)行老化處理。

班寧產(chǎn)品匯總