傳感器技術(shù)已經(jīng)滲透到人類(lèi)的生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了傳感器選用的原則以及傳感器的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的標(biāo)定方法。

一、引言
在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7665- 2005《傳感器通用術(shù)語(yǔ)》中，傳感器的定義為“能感受規(guī)定的測(cè)量并 按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)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?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蛳鄳?yīng)被測(cè)的部分；轉(zhuǎn) 換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被 測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分”。由定 義可知，傳感器是一種能把特定的被測(cè)量信息按 一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置， 以滿(mǎn)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?yàn)榕c測(cè)量科學(xué)、現(xiàn)代電子技術(shù)、生物技術(shù)、材料科學(xué)、光電技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、微細(xì)加工技術(shù)、信息處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相互交叉滲透而成為一門(mén)高度綜合性、知識(shí)密集型的學(xué)科。而稱(chēng)重傳感器，作為國(guó)家重點(diǎn)管理計(jì)量器具，也已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子衡器。

由于傳感器的型號(hào)、品種繁多，即使是測(cè)量同一對(duì)象，可選用的傳感器也較多。如何根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件正確合理地選用傳感器，是一個(gè)需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。

二、汽車(chē)衡傳感器選用原則
選擇傳感器所應(yīng)考慮的項(xiàng)目各種各樣，但未必要滿(mǎn)足所有項(xiàng)目要求。應(yīng)根據(jù)傳感器實(shí)際使用目的、指標(biāo)、環(huán)境條件和成本，從不同的側(cè)重點(diǎn)，優(yōu)先考慮幾個(gè)重要的條件即可。選擇的標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)置有關(guān)的項(xiàng)目等。

（一）汽車(chē)衡測(cè)量方式選擇
傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，是選擇傳感器時(shí)應(yīng)該考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞測(cè)量、在線與非在線測(cè)量等，條件不同，對(duì)測(cè)量方式的要求也不同。在機(jī)械系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的被測(cè)參數(shù)，往往采用非接觸測(cè)量方式。因?yàn)閷?duì)運(yùn)動(dòng)部件采用接觸測(cè)量時(shí)，有許多實(shí)際困難，諸如測(cè)量頭的磨損、接觸狀態(tài)的變動(dòng)、信號(hào)的采集等問(wèn)題，都不易妥善解決，容易造成測(cè)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(cè)應(yīng)變儀。在某些條件下，可以運(yùn)用試件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，這時(shí)可進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)。然而有時(shí)無(wú)法用試件模擬，因被測(cè)對(duì)象本身就是產(chǎn)品或構(gòu)建，這時(shí)宜采用非破壞性檢驗(yàn)方法。例如，渦流探傷、超聲波探傷檢測(cè)等。非破壞性檢驗(yàn)可以直接獲得經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)盡可能選用非破壞性檢測(cè)方法。

在線測(cè)試是與實(shí)際情況保持一致的測(cè)試方法。特別是對(duì)自動(dòng)化過(guò)程的控制與檢測(cè)系統(tǒng)，往往要求信號(hào)真實(shí)與可靠，必須在現(xiàn)場(chǎng)條件下才能達(dá)到檢測(cè)要求。實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)比較困難，對(duì)傳感器與測(cè)試系統(tǒng)都有一定的特殊要求。例如，在加工過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的檢測(cè)，以往的光切法、干涉法、接觸法等都無(wú)法運(yùn)用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測(cè)法。研制在線檢測(cè)的新型傳感器，也是當(dāng)前測(cè)試技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方面。

（二）傳感器性能指標(biāo)選擇
在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。主要性能指標(biāo)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(chē)衡靈敏度
一般來(lái)說(shuō)，傳感器靈敏度越高越好。因?yàn)殪`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(cè)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(shí)，要考慮以下幾點(diǎn)。

1）當(dāng)傳感器的靈敏度很高時(shí)，那些與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲也會(huì)同時(shí)被檢測(cè)到，并通過(guò)傳感器輸出，從而干擾被測(cè)信號(hào)。因此，為了既能使傳感器檢測(cè)到有用的微小信號(hào)，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(shuō)，要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進(jìn)干擾噪聲。

2）汽車(chē)衡與靈敏度緊密相關(guān)的是量程范圍。當(dāng)傳感器的線性工作范圍一定時(shí)，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(jiǎn)而言之過(guò)高的靈敏度會(huì)影響其適用的測(cè)量范圍。
3）當(dāng)被測(cè)量是一個(gè)向量，并且是_個(gè)單向量時(shí)，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(cè)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(cè)頻率范圍內(nèi)，保證不失真的測(cè)量條件。此外，實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(cè)量精度的基本條件。例如，機(jī)械式傳感器中的測(cè)力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素，當(dāng)超出測(cè)力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線性誤差。

然而，對(duì)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(cè)量變化范圍，令其非線性誤差在允許限度以?xún)?nèi)。

（4）穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(shí)間與環(huán)境。

為了保證穩(wěn)定性，在選擇汽車(chē)衡傳感器時(shí)一般應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)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(shí)，應(yīng)考慮到濕度會(huì)影響其絕緣性，濕度會(huì)產(chǎn)生零漂，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象等。又如，對(duì)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(shí)，會(huì)改變電容器的介質(zhì)。光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r(shí)，會(huì)改變感光性質(zhì)。其二要?jiǎng)?chuàng)造或保持一個(gè)良好的環(huán)境，在要求傳感器長(zhǎng)期工作而不需經(jīng)常更換或校準(zhǔn)的情況下，應(yīng)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性有嚴(yán)格的要求。
（5）度
傳感器的度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。如前所述，傳感器處于測(cè)試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器能否真實(shí)地反應(yīng)被測(cè)量，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)具有直接的影響。然而，在實(shí)際中也并非要求傳感器的度愈高愈好，這還需要考慮到測(cè)量目的，同時(shí)還需要考慮到經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)閭鞲衅鞯木仍礁?，其價(jià)格就越昂貴，所以應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來(lái)選擇傳感器。在選擇時(shí)首先應(yīng)了解測(cè)試目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對(duì)比較性的實(shí)驗(yàn)研究，只需獲得相對(duì)比較值即可，那么應(yīng)要求傳感器的重復(fù)精度高，而不要求測(cè)試的量值準(zhǔn)確。但在某些情況下，要求傳感器的度愈高愈好。例如，對(duì)現(xiàn)代超精密切削機(jī)床，量其運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差、振動(dòng)及熱形變等時(shí)，往往要求他們的測(cè)量度在0.1m~0.01m范圍內(nèi)，欲測(cè)得這樣的量值，必須有高度的傳感器。

（6）互換性
互換性是指?jìng)鞲衅餍阅艿囊恢滦?。值得指出的是，大多?shù)傳感器的性能一致性不理想，在修理或調(diào)換時(shí)要特別注意。傳感器使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)所謂的老化現(xiàn)象，性能有所變化；或者即便無(wú)輸入信號(hào)或輸入信號(hào)不變，傳感器的輸出也會(huì)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(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)。

除了以上選用傳感器時(shí)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(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。

三、傳感器的標(biāo)定與校準(zhǔn)
㈠標(biāo)定與校準(zhǔn)的概念
標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)量或標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器的量值進(jìn)行標(biāo)定。新研制或生產(chǎn)的傳感器都需要進(jìn)行全面的技術(shù)檢定。而校準(zhǔn)是指在使用中或存儲(chǔ)后進(jìn)行的性能復(fù)測(cè)。㈠般標(biāo)定與校準(zhǔn)的本質(zhì)相同。

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

（二）傳感器標(biāo)定方法
利用標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生已知非電量洳標(biāo)準(zhǔn)力、壓力、位移作為輸入量，輸入到待標(biāo)定傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入標(biāo)準(zhǔn)量作比較，獲得㈠系列標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或曲線。有時(shí)輸入的標(biāo)準(zhǔn)量是利用標(biāo)準(zhǔn)傳感器檢測(cè)得到，這時(shí)的標(biāo)定實(shí)質(zhì)上是進(jìn)行待標(biāo)定傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的比較。

標(biāo)定在傳感器制造時(shí)當(dāng)然已進(jìn)行，但在使用中還要定期進(jìn)行，傳感器的標(biāo)定是傳感器制造與應(yīng)用中*的工作。

傳感器標(biāo)定系統(tǒng)的㈠般組成：
（1）被測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器，如恒溫源、測(cè)力機(jī)等。
（2）被測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)等。
（3）待標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)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(zhǔn)確㈠致，標(biāo)定應(yīng)按計(jì)量部門(mén)規(guī)定的檢定規(guī)程和管理辦法進(jìn)行。
（三）傳感器的靜態(tài)標(biāo)定傳感器的靜態(tài)特性要在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下標(biāo)定。
（1）靜態(tài)標(biāo)定的目的
靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo)，如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。標(biāo)定的關(guān)鍵是由試驗(yàn)找到傳感器輸入-輸出實(shí)際特性曲線。

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

標(biāo)定傳感器的靜態(tài)特性，首先是創(chuàng)造㈠個(gè)靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件，其次是選擇與被標(biāo)定傳感器的精度要求相適應(yīng)的㈠定等級(jí)的標(biāo)定用的儀器設(shè)備，然后才能對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性標(biāo)定。

（3）標(biāo)定步驟
1）將傳感器全程量鍘量范圍分為若干等間距點(diǎn)。
2）根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況，由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)地輸入標(biāo)準(zhǔn)量值，并記錄各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸入值。
3）將輸入值由大到小逐漸減少，同時(shí)記錄與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值。
4）按2，3所述過(guò)程，對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)多次測(cè)試，將得到的輸出——輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫(huà)成曲線。

5）對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。

（四）汽車(chē)衡傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定
（1）動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的
動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，即通過(guò)線性工作范圍傭同一頻率不同幅值的正弦信號(hào)輸入傳感器，測(cè)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(lái)確定傳感器的頻率響應(yīng)范圍、幅值誤差和相位誤差、時(shí)間常數(shù)、固有頻率等。

（2）動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法
傳感器種類(lèi)繁多，動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法各異。下面介紹幾種常用的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法。
1）沖擊響應(yīng)法。具有所需設(shè)備少、操作簡(jiǎn)便、力值調(diào)整及波形控制方便的特點(diǎn)，因此被廣泛采用。
例如對(duì)力傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定。落錘式?jīng)_擊臺(tái)根據(jù)重物自由下落，沖擊砧子所產(chǎn)生的沖擊力為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力而制成。提升機(jī)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(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)測(cè)出。因此，被標(biāo)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(guò)一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量傳感器的輸出信號(hào)，與輸入傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，可得傳感器的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。

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

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(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。例如測(cè)力儀的標(biāo)定。

3）激振法。通過(guò)激振器或振動(dòng)臺(tái)對(duì)測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。

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

4）階躍響應(yīng)法。當(dāng)傳感器受到階躍壓力信號(hào)作用，測(cè)得其響應(yīng)，用基于機(jī)理分析的估計(jì)方法或?qū)嶒?yàn)建模方法求出傳感器的頻率特性、特征參數(shù)和性能指標(biāo)。