传感器的合理选用

1.4　传感器的合理选用^[1]

当今传感器在原理与结构上千差万别，在品种与型号上名目繁多。如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，这是自动测量与控制领域从事研究和开发的人们必然要碰到、也首先要解决的问题。传感器一旦确定，与之相配套的测量方法和测试系统及设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1.4.1　合理选择传感器的基本原则与方法

合理选择传感器，就是要根据实际的需要与可能，做到有的放矢，物尽其用；达到实用、经济、安全、方便的效果。为此，必须对测量的目的、测量对象、使用条件等诸方面有较全面的了解；这是考虑问题的前提。

1.依据测量对象和使用条件确定传感器的类型

众所周知:同一传感器，可用来分别测量多种被测量；而同一被测量，又常有多种原理的传感器可供选用。在进行一项具体的测量工作之前，首先要分析并确定采用何种原理或类型的传感器更合适。这就需要对与传感器工作有关联的方方面面作番调查研究。

一是要了解被测量的特点:如被测量的状态、性质，测量的范围、幅值和频带，测量的速度、时间，精度要求，过载的幅度和和出现频率等。

二是要了解使用的条件，这包含两个方面:

（1）现场环境条件:如温度、湿度、气压，能源、光照，尘污、振动、噪声，电磁场及辐射干扰等；

（2）现有基础条件:如财力（承受能力），物力（配套设施），人力（技术水平）等。

选择传感器所需考虑的方面和事项很多，实际中不可能也没有必要面面俱到满足所有要求。设计者应从系统总体对传感器使用的目的、要求出发，综合分析主次，权衡利弊，抓住主要方面，突出重要事项加以优先考虑。在此基础上，就可以明确选择传感器类型的具体问题:量程的大小和过载量；被测对象或位置对传感器重量和体积的要求；测量的方式是接触式，还是非接触式；信号引出的方法是有线，还是无线；传感器的来源和价位，是国产、进口，还是自行研制；等等。

经过上述分析和综合考虑后，就可确定所选用传感器的类型，然后进一步考虑所选传感器的主要性能指标。

2.线性范围与量程

传感器的线性范围即输出与输入成正比的范围。线性范围与量程和灵敏度密切相关。线性范围愈宽，其量程愈大，在此范围内传感器的灵敏度能保持定值，规定的测量精度能得到保证。所以，传感器种类确定之后，首先要看其量程是否满足要求；并且还要考虑在使用过程中:①对非通用的测量系统（或设备），应使传感器尽可能处在最佳工作段（一般为满量程的2/3以上处）；②估计到输入量可能发生突变时所需的过载量。

应当指出的是，线性度是个相对的概念。具体使用中可以将非线性误差（及其他误差）满足测量要求的一定范围视作线性。这会给传感器的应用带来极大的方便。

3.灵敏度

通常，在线性范围内，希望传感器的灵敏度愈高愈好。因为灵敏度高，意味着被测量的微小变化对应着较大的输出，这有利于后续的信号处理。但是，灵敏度愈高，外界混入噪声也愈容易、愈大，并会被放大系统放大，容易使测量系统进入非线性区，影响测量精度。因此，要求传感器应具有较高的信噪比，即不仅要求其本身噪声小，而且不易从外界引入噪声干扰。

还应注意，有些传感器的灵敏度是有方向性的。在这种情况下，如果被测量是单向量，则应选择在其他方向上灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。这个原则也适合其他能感受二种以上被测量的传感器。

4.精度

由于传感器是测量系统的首要环节，要求它能真实地反映被测量。因此，传感器的精度指标十分重要。它往往也是决定传感器价格的关键因素；精度愈高，价格愈昂贵。所以，在考虑传感器的精度时，不必追求高精度，只要能满足测量要求就行。这样就可在多种可选传感器当中，选择性价比较高的传感器。

倘若从事的测量任务旨在定性分析，则所选择的传感器应侧重于重复性精度要高，不必苛求绝对精度高；如果面临的测量任务是为了定量分析或控制，则所选择的传感器必须有精确的测量值。

5.频率响应特性

在进行动态测量时，总希望传感器能即时而不失真地响应被测量。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围。传感器的频率响应范围宽，允许被测量的频率变化范围就宽，在此范围内，可保持不失真的测量条件。实际上，传感器的响应总有一定的延迟，希望延迟愈短愈好。对于开关量传感器，应使其响应时间短到满足被测量变化的要求，不能因响应慢而丢失被测信号而带来误差。对于线性传感器，应根据被测量的特点（稳态、瞬态、随机等）选择其响应特性。一般讲，通过机械系统耦合被测量的传感器，由于惯性较大，其固有频率较低，响应较慢；而直接通过电磁、光电系统耦合的传感器，其频响范围较宽，响应较快。但从成本、噪声等因素考虑，也不是响应范围愈宽和速度愈快就愈好，而应因地制宜地确定。

6.稳定性

能保持性能长时间稳定不变的能力谓之传感器的稳定性。影响稳定性的主要因素，除传感器本身材料、结构等因素外，主要是传感器的使用环境条件。因此，要提高传感器的稳定性，一方面，选择的传感器必须有较强的环境适应能力（如经稳定性处理的传感器）；另一方面可采取适当的措施（提供恒环境条件或采用补偿技术），以减小环境对传感器的影响。

当传感器工作已超过其稳定性指标所规定的使用期限后，再使用之前，必须重新进行校准，以确定传感器的性能是否变化和可否继续使用。对那些不能轻易更换或重新校准的特殊使用场合，所选用传感器的稳定性要求更应严格。

当无法选到合适的传感器时，就必须自行研制性能满足使用要求的传感器。

1.4.2　传感器的正确使用

如何在应用中确保传感器的工作性能并增强其适应性，很大程度上取决于对传感器的使用方法。高性能的传感器，如使用不当，也难以发挥其已有的性能，甚至会损坏；性能适中的传感器，在善用者手中，能真正做到“物尽其用”，会收到意想不到的功效。

传感器种类繁多，使用场合各异；不可能将各种传感器的使用方法一一列出。传感器作为一种精密仪器或器件，它除了要遵循通常精密仪器或器件所需的常规使用守则外，还要特别注意以下使用事项:

（1）特别强调在使用前，要认真阅读所选用传感器的使用说明书。对其所要求的环境条件、事前准备、操作程序、安全事项、应急处理等内容，一定要熟悉掌握，做到心中有数。

（2）正确选择测试点并正确安装传感器，这十分重要。安装的失误，轻则影响测量精度，重则影响传感器的使用寿命，甚至损坏。

（3）保证被测信号的有效、高效传输，是传感器使用的关键之一。传感器与电源和测量仪器之间的传输电缆，要符合规定。连接必须正确、可靠；一定要细致检查，确认无误。

（4）传感器测量系统必须有良好的接地，并对电、磁场有有效屏蔽，对声、光、机械等的干扰有抗干扰措施。

（5）对非接触式传感器，必须于用前在现场进行标定，否则将造成较大的测量误差。

对一些定量测试系统用的传感器，为保证精度的稳定性和可靠性，需要按规定作定期检验。

对某些重要的测量系统用的、精度较高的传感器，必须定期进行校准。一般每半年或一年校准一次；必要时，可按需要规定校准周期。

1.4.3　无合适传感器可供选用时的对策（举例）

如因被测量较特殊或其他原因而无合适传感器可供选用时，除自行研制新传感器外，还可用下列方法作对策。

（1）间接测量法　用振动传感器的输出来推测轴承磨损状况即为一例。这种方法的前提是要充分试验以确定两者的相关性；一般适用于非定量或半定量测量场合。

（2）理论计算法　例如将速度的测量分解成位移和时间的测量，通过计算求得速度。这种方法有赖于理论公式。

（3）设置预转换环节，构成新传感器　将被测量通过预转换变成能用现有传感器测量的量。该法需要知道预转换前后两个量的严格关系，或在组合成新传感器后再进行标定。上海交通大学曾用四个灵敏杠杆加四个现有传感器构成四点测球传感器，成功测出R＝7.15mm的球坑半径［12］。

（4）信息融合法（参见14.5）　如对气敏传感器、温度传感器及光电传感器的信息进行数据融合，可以判断是否会发生火警。又如海军舰船利用雷达、红外、激光等传感技术获取信息，通过信息融合提高对目标的识别能力。可见信息融合技术将使原先依靠单一传感器无法实现的组合测量成为现实，其应用前景广阔。