改善传感器性能的技术途径

1.3　改善传感器性能的技术途径

1.3.1　结构、材料与参数的合理选择

传感器种类繁多，各类传感器的结构、材料和参数选择的要求各不相同，将在后续各章中介绍。这里仅提出两个常被忽视的问题:被测信号的耦合和输出信号的传输。对于前者，设计者和制造者应该考虑并提供合适的耦合方式，或对它作出规定，以保证传感器在耦合被测信号时不会产生误差或误差可以忽略。例如接触式位移传感器，输出信号代表的是敏感轴（测杆）的位置，而不是我们所需要的被测物体上某一点的位置。为了二者一致，需要合适的耦合形式和器件（包括回弹式测头），来保证耦合没有间隙、连接后不会产生错动（或在容许范围之内）。对于输出信号的传输，应该按照信号的形式和大小选择电缆，以减少外界干扰的窜入或避免电缆噪声的产生（参见6.5.4节）；同时还必须重视电缆连接和固定的可靠，以及选择优良的连接插头。

由于传感器的性能指标包含的方面很广，企图使某一传感器各个指标都优良，不仅设计制造困难，而且在实用上也没有必要。应该根据实际的需要和可能，确保主要指标，放宽对次要指标的要求，以得到高性价比。对从事传感器研究和生产的部门来说，应该逐步形成满足不同使用要求的系列产品，供用户选择；同时，随着使用要求的千变万化和新材料、新技术和信息处理技术的发展，不断开发出新产品来顺应市场的需求。

1.3.2　差动技术

图1-14　静态特性的线性化

在使用中，通常要求传感器输出输入关系成线性，但实际难于做到。如果输入量变化范围不大，而且非线性项的方次不高时，可以用切线或割线来代替实际曲线的某一段，这种方法称为静态特性的线性化。如图1-14所示取ab段为测量范围，但这时原点不在O点，而在c点，故局限性很大。

人们注意到，在图1-1所示四种情况中，图（b）所示曲线由于非线性项只存在奇次项，对称于坐标原点，且在原点附近的一定范围内存在近似线性段。在对多项式进行分析后，找到了一种切实可行的减小非线性的方法——差动技术。目前这种技术已广泛用于消除或减小由于结构原因引起的共模误差（如温度误差）上。其原理如下:

设有一传感器，其输出为

y₁＝a₀＋a₁x＋a₂x²＋a₃x³＋a₄x⁴＋…

用另一相同的传感器，但使其输入量符号相反（例如位移传感器使之反向移动），则它的输出为

y₂＝a₀-a₁x＋a₂x²-a₃x³＋a₄x⁴-…

使二者输出相减，即

Δy＝y₁-y₂＝2（a₁x＋a₃x³＋…）

于是，总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到了对称于原点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，而且使灵敏度提高了一倍，抵消了共模误差。

差动技术不仅在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得到广泛应用，而且在机械、电子和检测等领域的应用也卓有成效。

1.3.3　平均技术

常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理。误差平均效应的原理是，利用n个传感器单元同时感受被测量，因而其输出将是这些单元输出的总和。假如将每一个单元可能带来的误差δ₀均看作随机误差，根据误差理论，总的误差将减小为

例如n＝10时，误差减小为31.6%；n＝500时，误差减小为4.5%。

误差平均效应在容栅（第4章）、光栅、感应同步器、编码器（第10章）等栅状传感器中都取得明显的效果。在其他一些传感器中，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。

按照同样的道理，如果我们将相同条件下的测量重复n次或进行n次采样，然后进行数据平均处理，随机误差也将减小倍。因此，凡被测对象允许进行多次重复测量（或采样），都可采用上述方法减小随机误差。如果被测信号是已知周期的规则信号，则可以利用同步迭加平均法，即在时间轴上按信号的周期分段，并按相同的起始点进行n次迭加。同样由于被测信号被放大n倍，干扰信号只放大了倍，使信噪比得到提高，抑制了干扰。

例如，有一种圆光栅测角系统，采用圆周均布的5个光栅读数头读数，消除了5次和5次倍频的谐波以外的所有误差，测角精度达到0.2″。有人进一步采用所谓“全平均接收技术”，将整个圆周的光栅信号全部接收进来，使误差进一步减小，测角精度进一步提高。

上述误差平均效应与数据平均处理的原理不仅在设计传感器时可以采纳，就是在应用传感器时也可效法，不过这时应将整个测量系统视作对象。

1.3.4　稳定性处理

传感器作为长期测量或反复使用的元件，其稳定性显得特别重要，其重要性甚至胜过精度指标。因为后者只要知道误差的规律就可以进行补偿或修正，前者则不然。

造成传感器性能不稳定的原因是:随着时间的推移或环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为了提高传感器性能的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。如结构材料的时效处理、冰冷处理，永磁材料的时间老化、温度老化、机械老化及交流稳磁处理，电气元件的老化与筛选等。

在使用传感器时，如果测量要求较高，必要时也应对附加的调整元件、后接电路的关键元器件进行老化处理。

1.3.5　屏蔽、隔离与干扰抑制

传感器可以看成是一个复杂的输入系统，图1-15是输入多项被测量的传感器的示意图。图中x为被测量，y是输出信号，u₁、u₂、…、u_r是传感器的内部变量，v₁、v₂、…、v_q是环境变量。若仅取y₁与x₁相对应的关系，则有:

y₁＝f（x₁；u₁，u₂，…，u_r；v₁，v₂，…，v_q）

从上式可见，为了减小测量误差，就应设法削弱或消除内部变量和环境变量的影响。其方法归纳起来有三:一是设计传感器时采用合理的结构、材料和参数，来避免或减小内部变量的变化；二是减小传感器对环境变量的灵敏度或降低环境变量对传感器实际作用的功率；三是在后续信号处理环节中加以消除或抑制。

对于电磁干扰，可以采取屏蔽、隔离措施，也可以用滤波等方法抑制。但由于传感器常常是感受非电量的器件，故还应考虑与被测量有关的其他影响因素，如温度、湿度、机械振动、气压、声压、辐射，甚至气流等。为此，常需采取相应的隔离措施（如隔热、密封、隔振、隔声、防辐射等）；也可以采用积极的措施——控制环境变量来减小其影响。集成传感器在芯片上加设加热电路来减小温漂和力平衡式液浮加速度计利用电阻丝加热来维持液浮油的粘度为常值，从而使阻尼系数近似不变，都是积极控制环境变量的实例。当然，在被测量变换为电量后对干扰信号进行分离或抑制也是可供采用的方法。

图1-15　传感器示意图

1.3.6　零示法、微差法与闭环技术

这些方法可供设计或应用传感器时，用以消除或削弱系统误差。

零示法可消除指示仪表不准而造成的误差。采用这种方法时，被测量对指示仪表的作用与已知的标准量对它的作用相互平衡，使指示仪表示零，这时被测量就等于已知的标准量。机械天平是零示法的例子。零示法在传感器技术中应用的实例是平衡电桥。

微差法是在零示法的基础上发展起来的。由于零示法要求标准量与被测量完全相等，因而要求标准量连续可变，这往往不易做到。人们发现如果标准量与被测量的差别减小到一定程度，那么由于它们相互抵消的作用就能使指示仪表的误差影响大大削弱，这就是微差法的原理。

设被测量为x，与它相近的标准量为B，被测量与标准量之微差为A，A的数值可由指示仪表读出。由于AB，则

可见在采用微差法测量时，测量误差由标准量的相对误差ΔB/B和指示仪表的相对误差ΔA/A与相对微量A/x之积两部分组成。由于A/x远小于1，指示仪表误差的影响大大削弱，而ΔB/B一般很小，测量的相对误差可大为减小。这种方法由于不需要标准量连续可调，同时有可能在指示仪表上直接读出被测量的数值，因此得到广泛应用。几何量测量中广泛采用的用电感测微仪检测工件尺寸的方法，就是利用电感式位移传感器进行微差法测量的实例。用该法测量时，标准量可由量块或标准工件提供，测量精度大大提高。

随着科学技术和生产的发展，要求测试系统具有宽的频率响应，大的动态范围，高的灵敏度、分辨力与精度，以及优良的稳定性、重复性和可靠性。开环测试系统往往不能满足要求，于是出现了在零示法基础上发展而成的闭环测试系统。这种系统采用了电子技术和控制理论中的反馈技术，大大提高了性能。这种技术应用于传感器，即构成了带有“反向传感器”的闭环式传感器（参见绪论及14.2.2节）。

1.3.7　补偿、校正与“有源化”

有时传感器或测试系统的系统误差的变化规律过于复杂，采取了一定的技术措施后仍难满足要求；或虽可满足要求，但因价格昂贵或技术过分复杂而无现实意义。这时，可以找出误差的方向和数值，采用修正的方法（包括修正曲线或公式）加以补偿或校正。例如，传感器存在非线性，可以先测出其特性曲线，然后加以校正；又如存在温度误差，可在不同温度进行多次测量，找出温度对测量值影响的规律，然后在实际测量时进行补偿。图1-13利用分压网络实现灵敏度归一化的方法也属于这个范畴。还有一些传感器，由于材料或制造工艺的原因，常常需要对某些参数进行补偿或调整。应变式传感器和压阻式传感器是这类传感器的典型代表（2.5节）。

随着电子元器件的微小型化，出现了一种将信号调理电路或其前置部分装入壳体内或置于附近的传感器，构成所谓“有源传感器”。有人将这种做法称为传感器的“有源化”。显然，这里的“有源化”与绪论中所述自源传感器具有不同的概念。由于接入了放大电路，输出信号增强，方便了使用，又提高了信噪比，因而这种传感器更有利于信号的长线传输，传感器的精度也间接得到提高，同时，补偿、调整环节更容易设置，从而方便了传感器的补偿与调整。第3章的“直进—直出”型差动变压器和第6章中组合一体化压电加速度计都是传感器“有源化”的实例。

“有源化”的电路随着器件的发展经历了分立元件到集成电路的演变，而其中以压阻式传感器为代表的利用IC工艺制造的传感器，更由于工艺的兼容性而发展到将电路制作在敏感元件的片基上，构成全集成传感器（见14.1节）。

计算机软硬件技术的发展进一步拓展了传感器校正的涵义。利用微处理器和软件技术对传感器的输出特性进行修正已不为鲜见。采用较复杂的数学模型实现自动或半自动修正也已成功地应用在传感器的生产中。可以预见，补偿调整技术将伴随着新器件、新技术的产生而不断更新。

1.3.8　集成化、智能化与信息融合

由绪论知，集成化、智能化与信息融合的结果，将大大扩大传感器的功能，改善传感器的性能，提高性能价格比（见第14章）。