1. 傳感器的技術指標

由于傳感器的應用范圍十分廣泛，原理、結構與類型繁多，使用要求又千差萬別，所以欲列出用來全面衡量傳感器質量的統一指標是很困難的。表1-2列出了傳感器的技術性能指標，其中若干基本參數指標和比較重要的環境參數指標經常作為檢驗、使用和評價傳感器的依據。

表1-2 傳感器的技術性能指標

對于一種具體的傳感器而言，并不是全部指標都是必需的。希望使某一傳感器各項指標 都優良，不僅設計和制造困難，而且在實際上也沒有必要。因此，不要選用"萬能"的傳 感器去適用不同的使用場合。恰恰相反，應該根據實際需要，保證主要指標，其余指標滿足 基本要求即可。即使是主要指標，也不必盲目追求單項指標的全面優異，而主要應關心其穩 定性和變化規律，從而可在電路上或使用計算機進行補償和修正，這樣可使許多傳感器既可 低成本又可高精度應用。

2、改善傳感器性能的途徑

      可采取下列技術途徑來改善傳感器的性能。

2.1. 差動技術

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

對于一種具體的傳感器而言，并不是全部指標都是必需的。希望使某一傳感器各項指標 都優良，不僅設計和制造困難，而且在實際上也沒有必要。因此，不要選用"萬能"的傳 感器去適用不同的使用場合。恰恰相反，應該根據實際需要，保證主要指標，其余指標滿足 基本要求即可。即使是主要指標，也不必盲目追求單項指標的全面優異，而主要應關心其穩 定性和變化規律，從而可在電路上或使用計算機進行補償和修正，這樣可使許多傳感器既可 低成本又可高精度應用。

2、改善傳感器性能的途徑

      可采取下列技術途徑來改善傳感器的性能。

2.1. 差動技術

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

設有一傳感器，其輸出為

y₁=ao+a₁x+a₂x2+a₃x3+a₄x⁴+ …

      用另一相同的傳感器，使其輸入量符號相反(例如位移傳感器使之反向移動),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，得到了對稱于原點的相當寬的近似線性范圍，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，外界被測量的滿量程往往只引起單個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技術。

2.2.平均技術

       平均技術利用了平均效應，可以減少測量時的隨機誤差。常用的平均技術有誤差平均效 應和數據平均處理。

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

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

誤差平均效應在光柵、感應同步器、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，誤差平均效應對某些工藝性缺陷造成的誤差同樣能起到彌補作用。 (2)數據平均處理  同理，如果將相同條件下的測量重復n 次或進行n 次采樣，然后進行數據平均處理，隨機誤差也將減小 倍。因此對允許進行多次重復測量(或采樣)的被測量，都可以采用數據平均處理減小隨機誤差。對于帶有微機芯片的智能化傳感器，實現起來尤為方便。 上述誤差平均效應與數據平均處理的原理在設計和應用傳感器時均可采納，應用時，應  將整個測量系統視作對象。常用的多點測量方案與多次采樣平均的方法，可減小隨機誤差， 增加靈敏度，提高測量精度。 2.3. 零示法、微差法與閉環技術 設計或應用傳感器時，零示法、微差法與閉環技術可用以消除或減小系統誤差。 (1)零示法 它可消除指示儀表不準而造成的誤差。采用這種方法時，被測量對指示儀表的作用與已知的標準量對它的作用相互平衡，使指示儀表示零，這時被測量就等于已知的標準量。機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中應用的實例。

       (2)微差法  微差法是在零示法的基礎上發展起來的。由于零示法要求被測量與標準 量應完全相等，因而要求標準量能連續可變，這往往不容易做到。但是，如果標準量與被測 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。

幾何量測量中廣泛采用的測微儀，如電感式測微儀、光學式比較儀等，就是微差法的實 例。用該方法測量時，標準量可采用量塊或標準工件，測量精度大大提高。

      (3)閉環技術 當要求傳感器具有寬的頻率響應、大的動態范圍、高的靈敏度、分辨力、精度以及高的穩定性、重復性和可靠性時，由敏感元件、轉換元件、測量電路等環節組成的開環傳感器將很難滿足要求，而利用反饋技術使傳感器構成閉環平衡式傳感器，組成閉環反饋測量系統，將能滿足上述各種要求。閉環式傳感器在過程參數檢測技術中被廣泛采用。

跟蹤技術也屬于閉環技術思想。除對平衡點的跟蹤外，還可以跟蹤某些特定值點(往往是極值點)以及綜合指標參數，產生反饋作用的量有一維或多維。跟蹤技術有著廣泛的應用，如恒星跟蹤、雷達多目標跟蹤、導航慣性平臺的跟蹤等。

2.4.屏蔽、隔離與干擾抑制

      傳感器大多安裝在現場工作，而現場的條件往往較差，有時甚至極其惡劣。各種外界因 素都會影響傳感器的精度與各有關性能。為了減小測量誤差保證其原有性能，應設法削弱或 消除外界因素對傳感器的影響。主要從兩個方面來實現， 一是減小傳感器對影響因素的靈敏 度；二是降低外界因素對傳感器的實際作用程度。

對于電磁干擾，可以采用屏蔽(電場屏蔽、電磁屏蔽和磁屏蔽)、隔離措施，也可用濾波等方法抑制。對于如溫度、濕度、機械振動、氣壓、聲壓、輻射甚至氣流等，可采用相應的隔離措施，如隔熱、密封、隔振等，或者在變換成電量后對干擾信號進行分離或抑制， 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.分段與細分技術

      對于大尺寸、高精度的幾何量測量問題，可以采取分段測量方案。將測量范圍分成若干  分段區間，在分段區間內再進行局部細分。這項技術要求在工藝經濟的條件下，盡量密地將  標尺分成若干段。測量過程從零位開始，記錄下所經歷段數，然后在段內用模擬方法細分。 常用兩只傳感器完成段計數、模擬細分和分辨運動方向的功能，兩只傳感器之間的距離減去  分段整倍數后相差1/4分段，即運動測量時兩只傳感器分別發出正弦和余弦信號。

      在激光干涉儀、感應同步器、光柵、磁柵、容柵等傳感器技術上采用了分段與細分技術，用CCD 光敏陣列測量光點位置也屬于這項技術。在這項技術中，往往使用多只敏感元件，覆蓋多個分段，用空間平均方法提高測量精度。

2.6. 補償與修正技術

      補償與修正技術在傳感器中得到了廣泛的應用。這種技術的運用主要是針對兩種情況， 一種是針對傳感器本身特性的，另一種是針對傳感器的工作條件或外界環境的。

      對于傳感器特性，可以找出誤差的變化規律，或者測出其大小和方向，采用適當的方法 加以補償或修正。

      針對傳感器工作條件或外界環境進行誤差補償，也是提高傳感器精度的有力技術措施。 不少傳感器對溫度敏感，由于溫度變化引起的誤差十分可觀，為了解決這個問題，必要時可  以控制溫度，但往往費用太高，或使用現場不允許。而在傳感器內引入溫度誤差補償又常常  是可行的。這時應找出溫度對測量值影響的規律，然后引入溫度補償措施。

      補償與修正可以利用電子線路(硬件)來解決，也可以用微機通過軟件來實現。

2.7. 穩定性處理

       傳感器作為長期測量或反復使用的器件，其穩定性顯得特別重要，其重要性甚至超過精 度指標，尤其是對那些很難或無法定期檢定的場合。

       造成傳感器性能不穩定的原因，主要是隨著時間的推移和環境條件的變化，構成傳感器的各種材料與元器件性能將發生變化。

       為了提高傳感器性能的穩定性，應該對材料、元器件或傳感器整體進行必要的穩定性處 理。如對結構材料進行時效處理、冰冷處理、永磁材料的時間老化、溫度老化、機械老化及交流穩磁處理、電氣元件的老化篩選等。

       在使用傳感器時，若測量要求較高，必要時也應對附加的調整元件、后續電路的關鍵器件進行老化處理。

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