任務(wù)二　了解傳感器的基本特性

任務(wù)要求

在傳感器的選擇上，傳感器的基本特性是選擇傳感器的原則之一。本任務(wù)要求了解傳感器的基本特性并能夠計(jì)算它的非線性誤差及靈敏度。

知識(shí)儲(chǔ)備

一、傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因?yàn)檫@時(shí)輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系即傳感器的靜態(tài)特性，可用一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標(biāo)，把與其對(duì)應(yīng)的輸出量作縱坐標(biāo)而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、重復(fù)性和遲滯等。

1.線性度

線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度，又稱非線性誤差，如圖1-7所示。

由圖可見，除圖1-7（a）為理想特性外，其他都存在非線性。從傳感器的性能看，希望具有線性關(guān)系，即具有理想的輸出/輸入關(guān)系。但如果傳感器非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時(shí)，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實(shí)際曲線的一段，使傳感器輸出/輸入特性線性化。所采用的直線稱為擬合直線。圖1-8所示是常用的幾種直線擬合方法。

2.靈敏度

靈敏度是傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出增量與輸入增量的比值。對(duì)于線性傳感器，其靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，如圖1-9（a）所示，其靈敏度為

非線性傳感器的靈敏度是一個(gè)隨工作點(diǎn)而變的變量，如圖1-9（b）所示，其靈敏度為

3.重復(fù)性

重復(fù)性是傳感器在輸入量按同一方向做全量程多次測(cè)試時(shí)，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-10所示。重復(fù)性屬于隨機(jī)誤差，可用正反行程中的最大偏差表示，即

傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要由傳感器機(jī)械部分的磨損、間隙、松動(dòng)，部件的內(nèi)磨擦、積塵，電路元件老化、工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生。

4.遲滯

傳感器在正向行程（輸入量增大）和反向行程（輸入量減小）期間，輸出/輸入特性曲線不一致的程度，如圖1-11所示。在行程環(huán)中同一輸入量xi對(duì)應(yīng)的不同輸出量yi和yd的差值稱為滯環(huán)誤差，最大滯環(huán)誤差與滿量程輸出值的比值稱最大滯環(huán)率EMAX：

5.分辨力

傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量。有時(shí)也用該值相對(duì)滿量程輸入值的百分?jǐn)?shù)表示。

6.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性有短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性之分。傳感器常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性，指在室溫條件下，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異。通常又用其不穩(wěn)定度來表征穩(wěn)定程度。

7.漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化。漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等。零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移。時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下，零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化。溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化。

二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性

所謂動(dòng)態(tài)特性，是指?jìng)鞲衅髟谳斎胱兓瘯r(shí)，它的輸出的特性。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來表示。這是因?yàn)閭鞲衅鲗?duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)容易用實(shí)驗(yàn)方法求得，并且它對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)與它對(duì)任意輸入信號(hào)的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。傳感器動(dòng)態(tài)特性的具體內(nèi)容在本書中不再詳細(xì)說明。

三、傳感器的選用原則

1.根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境選用

要進(jìn)行具體的測(cè)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)椋词故菧y(cè)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(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求；測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式；信號(hào)的引出方法，有線或是非接觸測(cè)量；傳感器的來源，國(guó)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.根據(jù)靈敏度選用

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(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測(cè)量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少?gòu)耐饨缫氲母蓴_信號(hào)。

傳感器的靈敏度是有方向性的。如果被測(cè)量是單向量，而且對(duì)其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其他方向靈敏度小的傳感器；如果被測(cè)量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

3.根據(jù)頻率響應(yīng)特性選用

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真。實(shí)際上，傳感器的響應(yīng)總有一定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就越寬。

在動(dòng)態(tài)測(cè)量中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等）響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過大的誤差。

4.根據(jù)傳感器的線性范圍選用

傳感器的線性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(cè)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(duì)的線性，其線性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)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是線性的，這會(huì)給測(cè)量帶來極大方便。

5.根據(jù)傳感器的穩(wěn)定性選用

傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)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(duì)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瑴p小環(huán)境的影響。

6.根據(jù)傳感器的精度選用

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(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。如果測(cè)量目的是為了定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對(duì)量值精度高的；如果測(cè)量目的是為了定量分析，必須獲得精確的測(cè)量值，則需要選用精度等級(jí)能滿足要求的傳感器。

任務(wù)實(shí)施

1.某壓力傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1-5所示，試用端點(diǎn)連線法求非線性誤差及其靈敏度。

2.某電容式位移傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)如表1-6所示，試用端點(diǎn)連線法求非線性誤差及其靈敏度。

任務(wù)評(píng)價(jià)

本任務(wù)的評(píng)價(jià)主要從學(xué)習(xí)內(nèi)容掌握情況、項(xiàng)目報(bào)告完成情況以及職業(yè)素養(yǎng)等方面來考核。具體要求如表1-7所示。

項(xiàng)目總結(jié)

本項(xiàng)目分為傳感器和了解傳感器的基本特性兩個(gè)任務(wù)，通過任務(wù)的實(shí)施要學(xué)會(huì)根據(jù)傳感器代號(hào)來認(rèn)識(shí)傳感器，了解了基本傳感器的特性；能夠根據(jù)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算非線性誤差。