傳感器技術(shù)已經(jīng)滲透到人類的生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域。本文詳細介紹了傳感器選用的原則以及傳感器的動態(tài)、靜態(tài)的標定方法。

一、引言
在國家標準GB/T 7665- 2005《傳感器通用術(shù)語》中，傳感器的定義為“能感受規(guī)定的測量并 按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件 是指傳感器中能直接感受或相應(yīng)被測的部分；轉(zhuǎn) 換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應(yīng)的被 測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分”。由定 義可知，傳感器是一種能把特定的被測量信息按 一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置， 以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器技術(shù)因為與測量科學、現(xiàn)代電子技術(shù)、生物技術(shù)、材料科學、光電技術(shù)、精密機械技術(shù)、微細加工技術(shù)、信息處理技術(shù)以及計算機技術(shù)相互交叉滲透而成為一門高度綜合性、知識密集型的學科。而稱重傳感器，作為國家重點管理計量器具，也已廣泛應(yīng)用于各類電子衡器。

由于傳感器的型號、品種繁多，即使是測量同一對象，可選用的傳感器也較多。如何根據(jù)測試目的和實際條件正確合理地選用傳感器，是一個需要認真考慮的問題。

二、汽車衡傳感器選用原則
選擇傳感器所應(yīng)考慮的項目各種各樣，但未必要滿足所有項目要求。應(yīng)根據(jù)傳感器實際使用目的、指標、環(huán)境條件和成本，從不同的側(cè)重點，優(yōu)先考慮幾個重要的條件即可。選擇的標準主要考慮以下因素：傳感器的性能、傳感器的可用性、能量消耗、成本、環(huán)境條件及購置有關(guān)的項目等。

（一）汽車衡測量方式選擇
傳感器在實際條件下的工作方式，是選擇傳感器時應(yīng)該考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞測量、在線與非在線測量等，條件不同，對測量方式的要求也不同。在機械系統(tǒng)中，對運動部件的被測參數(shù)，往往采用非接觸測量方式。因為對運動部件采用接觸測量時，有許多實際困難，諸如測量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動、信號的采集等問題，都不易妥善解決，容易造成測量誤差。這種情況下采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應(yīng)變片，則需配以遙測應(yīng)變儀。在某些條件下，可以運用試件進行模擬實驗，這時可進行破壞性檢驗。然而有時無法用試件模擬，因被測對象本身就是產(chǎn)品或構(gòu)建，這時宜采用非破壞性檢驗方法。例如，渦流探傷、超聲波探傷檢測等。非破壞性檢驗可以直接獲得經(jīng)濟效益，因此應(yīng)盡可能選用非破壞性檢測方法。

在線測試是與實際情況保持一致的測試方法。特別是對自動化過程的控制與檢測系統(tǒng)，往往要求信號真實與可靠，必須在現(xiàn)場條件下才能達到檢測要求。實現(xiàn)在線檢測比較困難，對傳感器與測試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。例如，在加工過程中，實現(xiàn)表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、接觸法等都無法運用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測法。研制在線檢測的新型傳感器，也是當前測試技術(shù)發(fā)展的一個方面。

（二）傳感器性能指標選擇
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。主要性能指標包括傳感器靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性及度等。

（1）汽車衡靈敏度
一般來說，傳感器靈敏度越高越好。因為靈敏度越高，就意味著傳感器所能感知的變化量小，即只要被測量有一微小變化，傳感器就有較大輸出。但是，在確定靈敏度時，要考慮以下幾點。

1）當傳感器的靈敏度很高時，那些與被測信號無關(guān)的外界噪聲也會同時被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。因此，為了既能使傳感器檢測到有用的微小信號，又能使噪聲干擾小，就要求傳感器的信躁比越大越好，也就是說，要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進干擾噪聲。

2）汽車衡與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當傳感器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越高， 干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區(qū)域內(nèi)工作。簡而言之過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。
3）當被測量是一個向量，并且是_個單向量時，就要求傳感器單向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好，如果被測量是二維或三維的向量，那么還應(yīng)要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。

（2）響應(yīng)特性
傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保證不失真的測量條件。此外，實際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，只是希望延遲的時間越短越好。一般物性型傳感器如利用光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等傳感韓響應(yīng)時間短，工作頻率寬；而結(jié)構(gòu)型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響和機械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄。

（3）線性范圍
任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成正比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。例如，機械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當超出測力元件允許的彈性范圍時，將產(chǎn)生非線性誤差。

然而，對任何傳感器，保證其工作在線性區(qū)域內(nèi)是不容易的。在某些情況下，在許可限度內(nèi)，也可以取其近似線性區(qū)域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區(qū)均選在初始間隙附近，而且必須考慮被測量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。

（4）穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。 影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。

為了保證穩(wěn)定性，在選擇汽車衡傳感器時一般應(yīng)注意兩個問題。其根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應(yīng)變式傳感器時，應(yīng)考慮到濕度會影響其絕緣性，濕度會產(chǎn)生零漂，長期使用會產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環(huán)境濕度的影響或油劑浸入間隙時，會改變電容器的介質(zhì)。光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r，會改變感光性質(zhì)。其二要創(chuàng)造或保持一個良好的環(huán)境，在要求傳感器長期工作而不需經(jīng)常更換或校準的情況下，應(yīng)對傳感器的穩(wěn)定性有嚴格的要求。
（5）度
傳感器的度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。如前所述，傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實地反應(yīng)被測量，對整個測試系統(tǒng)具有直接的影響。然而，在實際中也并非要求傳感器的度愈高愈好，這還需要考慮到測量目的，同時還需要考慮到經(jīng)濟性。因為傳感器的精度越高，其價格就越昂貴，所以應(yīng)從實際出發(fā)來選擇傳感器。在選擇時首先應(yīng)了解測試目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對比較性的實驗研究，只需獲得相對比較值即可，那么應(yīng)要求傳感器的重復精度高，而不要求測試的量值準確。但在某些情況下，要求傳感器的度愈高愈好。例如，對現(xiàn)代超精密切削機床，量其運動部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運動誤差、振動及熱形變等時，往往要求他們的測量度在0.1m~0.01m范圍內(nèi)，欲測得這樣的量值，必須有高度的傳感器。

（6）互換性
互換性是指傳感器性能的一致性。值得指出的是，大多數(shù)傳感器的性能一致性不理想，在修理或調(diào)換時要特別注意。傳感器使用一段時間后，會出現(xiàn)所謂的老化現(xiàn)象，性能有所變化；或者即便無輸入信號或輸入信號不變，傳感器的輸出也會有某些變化，這都影響傳感器的可靠性、穩(wěn)定性；故要定期對其進行檢驗。

除了以上選用傳感器時應(yīng)充分考慮的一些因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。

三、傳感器的標定與校準
㈠標定與校準的概念
標定是在明確傳感器的輸入與輸出變換關(guān)系的前提下，利用某種標準量或標準器具對傳感器的量值進行標定。新研制或生產(chǎn)的傳感器都需要進行全面的技術(shù)檢定。而校準是指在使用中或存儲后進行的性能復測。㈠般標定與校準的本質(zhì)相同。

傳感器的標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定兩種。靜態(tài)標定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等；動態(tài)標定的目的是確定傳感器動態(tài)特性參數(shù)，如頻率響應(yīng)、時間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。有時根據(jù)需要還要對橫向靈敏度、溫度響應(yīng)、環(huán)境影響等進行標定。

（二）傳感器標定方法
利用標準儀器產(chǎn)生已知非電量洳標準力、壓力、位移作為輸入量，輸入到待標定傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入標準量作比較，獲得㈠系列標準數(shù)據(jù)或曲線。有時輸入的標準量是利用標準傳感器檢測得到，這時的標定實質(zhì)上是進行待標定傳感器與標準傳感器之間的比較。

標定在傳感器制造時當然已進行，但在使用中還要定期進行，傳感器的標定是傳感器制造與應(yīng)用中*的工作。

傳感器標定系統(tǒng)的㈠般組成：
（1）被測量的標準發(fā)生器，如恒溫源、測力機等。
（2）被測量的標準測試系統(tǒng)，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等。
（3）待標定傳感器所配接的信號調(diào)節(jié)器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。
為保證各種量值的準確㈠致，標定應(yīng)按計量部門規(guī)定的檢定規(guī)程和管理辦法進行。
（三）傳感器的靜態(tài)標定傳感器的靜態(tài)特性要在靜態(tài)標準條件下標定。
（1）靜態(tài)標定的目的
靜態(tài)標定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。標定的關(guān)鍵是由試驗找到傳感器輸入-輸出實際特性曲線。

（2）靜態(tài)標準條件
靜態(tài)標準條件沒有加速度、振動、沖擊蜍非這些參數(shù)本身就是被測麕及環(huán)境溫度影響， ㈠般為室溫&0°C± 5°C 相對濕度不大于85%, 大氣壓力 d01 308± 7 998 Pa。

標定傳感器的靜態(tài)特性，首先是創(chuàng)造㈠個靜態(tài)標準條件，其次是選擇與被標定傳感器的精度要求相適應(yīng)的㈠定等級的標定用的儀器設(shè)備，然后才能對傳感器進行靜態(tài)特性標定。

（3）標定步驟
1）將傳感器全程量鍘量范圍分為若干等間距點。
2）根據(jù)傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標準量值，并記錄各輸入值相對應(yīng)的輸入值。
3）將輸入值由大到小逐漸減少，同時記錄與各輸入值相對應(yīng)的輸出值。
4）按2，3所述過程，對傳感器進行正、反行程往復多次測試，將得到的輸出——輸入測試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線。

5）對測試數(shù)據(jù)進行必要的處理，根據(jù)處理結(jié)果就可確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態(tài)特性指標。

（四）汽車衡傳感器的動態(tài)標定
（1）動態(tài)標定的目的
動態(tài)標定的目的是確定傳感器的動態(tài)性能指標，即通過線性工作范圍傭同一頻率不同幅值的正弦信號輸入傳感器，測量其輸出）、頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應(yīng)曲線來確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時間常數(shù)、固有頻率等。

（2）動態(tài)標定的方法
傳感器種類繁多，動態(tài)標定方法各異。下面介紹幾種常用的動態(tài)標定方法。
1）沖擊響應(yīng)法。具有所需設(shè)備少、操作簡便、力值調(diào)整及波形控制方便的特點，因此被廣泛采用。
例如對力傳感器的動態(tài)標定。落錘式?jīng)_擊臺根據(jù)重物自由下落，沖擊砧子所產(chǎn)生的沖擊力為標準動態(tài)力而制成。提升機構(gòu)將質(zhì)量為m的重錘提升到一定高度后釋放，重錘落下，撞擊安裝在砧子上的被校傳感器，其沖擊加速度由固定在重錘上的標準加速度計測出。因此，被標定傳感器所受的沖擊力為ma，改變重錘下落高度，可得到不同沖擊加速度，即不同沖擊力。通過一個測試系統(tǒng)測量傳感器的輸出信號，與輸入傳感器的標準信號進行比較，可得傳感器的各項動態(tài)性能指標。

為提高校準精度，一般采用測速精度很高的多普勒測速系統(tǒng)，測定落錘的速度，并經(jīng)微分電路變換成加速度信號輸出，由此測定力傳感器的輸入信號。

2）頻率響應(yīng)法。頻響法較直觀、精度較高，但需要性能優(yōu)良的參考傳感器，非電量正弦發(fā)生器的工作頻率有限，實驗時間長。例如測力儀的標定。

3）激振法。通過激振器或振動臺對測力儀的刀尖部位施加不同頻率（不同幅值的激振力，求得輸出與輸入對應(yīng)關(guān)系。

在測力刀桿威工作臺下方緊壓一壓電傳 感器。力作用在刀尖上時，傳感器也相應(yīng)地感受到一定大小的力并將力信號轉(zhuǎn)化成電荷信號輸出，經(jīng)電荷放大器將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，通過儀器顯示并記錄。

4）階躍響應(yīng)法。當傳感器受到階躍壓力信號作用，測得其響應(yīng)，用基于機理分析的估計方法或?qū)嶒灲７椒ㄇ蟪鰝鞲衅鞯念l率特性、特征參數(shù)和性能指標。