機電設(shè)備中傳感器的性能分析

雷志偉 陳寶林 唐虎 王唯一

摘要：隨著時代的不斷進步以及電子信息等技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的作用越加重要。現(xiàn)今傳感器已向智能傳感器發(fā)展，因此使得傳感器種類更繁多，特性更多樣。本文簡述了傳感器的發(fā)展轉(zhuǎn)變，并對傳感器的選擇進行了分析舉例，意在為傳感的選型設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：智能傳感器;性能分析;選型設(shè)計

1? 傳感器的轉(zhuǎn)變發(fā)展

傳統(tǒng)的傳感器是一種模擬的機器，其功能單一，只具備將外部信號轉(zhuǎn)換成模擬信號或電信號的功能。目前工業(yè)信息化發(fā)展迅猛，對傳感器的性能要求越加趨向精細化，隨著CAD、MEMS、數(shù)據(jù)分析等新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器正向著微型化、多功能化以及智能化不斷發(fā)展。傳感器的微型化主要依靠計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD），計算機輔助設(shè)計能提供給傳感器設(shè)計人員由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)的可視化工程模型，使得設(shè)計人員能在短時間內(nèi)設(shè)計出高性價比的產(chǎn)品，從而推動傳感器快速向滿足工業(yè)需要的微型化方向發(fā)展;同時微機電系統(tǒng)技術(shù)（MEMS）的迅猛發(fā)展，使之制造出的傳感器系統(tǒng)體積越加小巧，功能也越加強大，從而使得傳感器等信息系統(tǒng)的微型化、多功能化以及智能化發(fā)展進入全新時代。

智能傳感器除具有傳統(tǒng)傳感器的功能之外，同時能對收集到的外界信息進行儲存和分析;由于新型敏感材料被不斷發(fā)現(xiàn)，將多種敏感材料總裝在同一塊芯塊上同時測量多種參數(shù)，同時對所有參數(shù)進行綜合處理分析，即可實現(xiàn)傳感器的多功能化。

2? 傳感的性能分析

傳感器的選擇，需要綜合考慮傳感器的體積要求、測量方式、性價比等因素，即確定選用何種傳感器，再考慮該種傳感器的具體性能指標(biāo)。根據(jù)輸入的信號是否隨時間變化，傳感器分別具有靜態(tài)特性指標(biāo)和動態(tài)他行指標(biāo)。靜態(tài)性能指標(biāo)包括：靈敏度、線性度、遲滯誤差、穩(wěn)定性、重復(fù)性、漂移等;動態(tài)性能指標(biāo)包括時域階躍響應(yīng)以及頻域頻率響應(yīng)特性指標(biāo)。傳感器的性能指標(biāo)的選擇考慮的因素較多，本文選取了幾個點進行簡述說明，主要如下。

2.1 靈敏度

傳感器的靈敏度指傳感器對被測參數(shù)變化的反應(yīng)能力，當(dāng)傳感器的輸入?yún)?shù)變化很小，但其輸出參數(shù)很大時，靈敏度越高，反之靈敏越低。對于線性系統(tǒng)，靈敏度即為輸出與輸入量的比值，靈敏度一定;對于非線性系統(tǒng)，靈敏度為各個對應(yīng)點的變化率，且各個變化率可能均不相同。通常來說傳感器的靈敏度越高性能越優(yōu)越。因為靈敏度高時，被測量微小的變化也能被被輸出較大信號，便于信號的分析處理。 但傳感器的靈敏度高，傳感器也更容易捕捉到與被測參數(shù)無關(guān)的其他信號，一并被系統(tǒng)放大輸出，因此影響測量精度;解決此問題，需要傳感器具有較高的信傳噪比，分離從外界引入的其他信號參數(shù)。

2.2 頻率響應(yīng)特性

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，即限制了傳感器的測量范圍。信號從輸入到輸出的過程有一定延遲，因此傳感器對于輸入信號的響應(yīng)頻率決定著延遲時間的長短。當(dāng)傳感器系統(tǒng)對輸入信號反應(yīng)頻率越高，其處理信息的動作就越快，就能滿足變化率較快的被測量的測量要求;若被測量變化頻率快于傳感器系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，則系統(tǒng)已經(jīng)輸入下一條信號，系統(tǒng)卻在輸出之前的信息，此時系統(tǒng)失真。因此傳感器的頻率響應(yīng)越高，可測量的信號頻率范圍就越寬。在動態(tài)測量中，應(yīng)同樣根據(jù)被測參數(shù)的響應(yīng)特性，避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大的誤差或系統(tǒng)失真。

2.3 線性度

傳感器的線性度是指傳感器系統(tǒng)輸出與輸入成正比的程度。理論傳感器系統(tǒng)其輸出與輸入應(yīng)成線性關(guān)系，實際的傳感器系統(tǒng)輸出與輸入并非成完美線性，線性度即為評價實際傳感器系統(tǒng)與理論傳感器系統(tǒng)特性曲線相符的程度。傳感器的線性度越大，表明傳感器系統(tǒng)有效量程越大，傳感器在有效量程內(nèi)工作是保證其準確度的關(guān)鍵。在進行傳感器的選擇時，在確定好傳感器的種類之后，第二步就應(yīng)校準其量程是否滿足要求。任何傳感器都有一定的線性范圍，當(dāng)對傳感器測量精度要求較低時，在某些情況下，可在近似線性的區(qū)域工作。

2.4 穩(wěn)定性和準確度

傳感器穩(wěn)定性指其性能在使用壽命期間保持不變的能力。影響傳感器穩(wěn)定性的因素較多，主要是使用時間、環(huán)境以及傳感器本身結(jié)構(gòu)特征。因此，在選用傳感器時應(yīng)滿足穩(wěn)定性要求，選用抗干擾能力強的傳感器;有電磁輻射、電網(wǎng)信號的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)著重考慮傳感器穩(wěn)定性要求。在選擇傳感器時，應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境的特點合理選擇傳感器，傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。

傳感器的準確度表示測量結(jié)果與真值之間的接近程度，又稱精度。由于傳感器的精度直接影響傳感器價格，因此，在選擇傳感器的精度時應(yīng)在滿足系統(tǒng)的精度要求提前下進行成本控制。一般來說精度能滿足測量要求即可，若測量要求各有特點，應(yīng)根據(jù)實際情況進行分別選擇。例如需要做定性分析時，則可選用重復(fù)精度高的傳感器，不宜選用絕對量值精度高的傳感器;如果為了做定量分析，傳感器必須獲得精確的測量值，就需選用重復(fù)精度高、絕對值精度也高的傳感器。

3? 結(jié)束語

傳感器模擬人類捕捉外界參數(shù)，因此推動了現(xiàn)代智能機電等設(shè)備的不斷發(fā)展，由于其具有仿真的特點，因此對傳感器分類、原理、特性指標(biāo)都相對復(fù)雜。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及5G商用時代的到來，智能傳感器將應(yīng)用于更為廣泛領(lǐng)域，智能傳感器的設(shè)計制造將富含更廣泛的設(shè)計理念，在對傳感器進行選型設(shè)計時，應(yīng)注重其各項性能要求，在滿足設(shè)計要求的情況下把控總體的成本，設(shè)計出更加優(yōu)越的智能傳感器，推動智能傳感器的不斷發(fā)展。

參考文獻

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作者簡介：雷志偉（1999-），男，四川宜賓人，西華大學(xué)機械工程學(xué)院本科，專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化;陳寶林（1998-），男，四川綿陽人，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，專業(yè)：軌道交通信號與控制;唐虎（1998-），男，四川遂寧人，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，專業(yè)：軌道交通信號與控制;王唯一（1999-），男，四川宜賓人，西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院本科，專業(yè)：軌道交通信號與控制。