传感器的选用与优化

传感器一般处于研究对象或检测控制系统的最前端，是感知、获取与检测信息的窗口，它所获得和转换的信息正确与否，直接关系到整个测控系统的性能好坏，所以它是检测与控制系统的首要环节。从广义角度看，传感器应该是指能够检测待定的物理量，并将其转换为相应的其他物理量（一般为电信号）的装置（设备或器件）。

1.传感器的定义及组成

传感器是与人的感觉器官相对应的元件，按照国家标准GB/T 7665—2005中的规定，定义传感器为：能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换为可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。常用传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息多为易处理的电量，如电压、电流、频率等。

传感器的组成按其定义一般由敏感元件、传感元件（转换元件）、测量转换电路（又称信号调理转换电路）三部分组成，如图2-11所示。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适合于传输或测量的电信号部分。由于传感器输出信号一般都很微弱，因此传感器输出的信号一般需要进行信号调理与转换、放大、运算与调制之后才能进行显示和参与控制。此外，测量转换电路以及传感器工作时还需要还要有电源供电，所以常将测量转换电路以及所需电源也看做是传感器组成的一部分。

需要注意的是，有些传感器并不能明显区分敏感元件和转换元件两部分，而是两者合为一体（如热电偶），直接将被测量转换成电信号。

图2-11 传感器的组成框图

图2-12所示为一台测量压力用的电位器式压力传感器结构简图。当被测压力P增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。电位器电阻的变化量反映了被测压力P值的变化。在这个传感器中，弹簧管为敏感元件，它将压力转换成角位移α。电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量，即电阻的变化ΔR。当电位器的两端加上电源后，电位器就组成分压比电路，它的输出量是与压力成一定关系的电压U_o。故在这个例子中，电位器又属于分压比式测量转换电路。

图2-12 电位器式压力传感器

1—弹簧管（敏感元件） 2—电位器（传感元件、测量转换电路） 3—电刷 4—传动机构（齿轮、齿条）

结合上述工作原理，电位器式压力传感器的原理框图如图2-13所示。

图2-13 电位器式压力传感器原理框图

2.传感器的分类

一般情况下，对某一物理量的测量可以使用不同的传感器，而同一传感器又往往可以测量不同的多种物理量。所以，传感器从不同的角度有许多分类方法。目前一般采用两种分类方法：一种是按被测参数分类，如对温度、压力、流量、液位、位移、速度等的测量，相应的有温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、位移传感器、速度传感器等；另一种是按传感器的工作原理分类，如按应变原理工作式、按电容原理工作式、按压电原理工作式、按磁电原理工作式、按光电效应原理工作式等，相应的有应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。

3.传感器的选用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，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，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

传感器的品种很多，对于同一种被测物理量，可选用不同的传感器。例如被测物理量是位移，可以选用电阻应变式传感器、电容式传感器、电感式传感器、数字式传感器等。当然，选用传感器时应考虑的因素很多，但选用时不一定能满足所有要求，应根据被测参数的变化范围、传感器的性能指标、环境等要求选用。通常，选用传感器应从以下几个方面考虑：

1）测试条件：主要包括测量目的、被测试物理量特性、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量准确度要求、测量所需时间要求等。

2）传感器性能：主要包括准确度、稳定性、响应速度、输出量（模拟量还是数字量）、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。

3）使用条件：主要包括设置场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其他设备的连接、备件与维修服务等。

此外，还应从以下几个方面考虑。(www.xing528.com)

（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行一次具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，究竟哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是无线测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

（2）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被系统放大，影响测量准确度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单矢量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维矢量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

（3）频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因此频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。

（4）线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成直线关系的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量准确度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量准确度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看做是线性的，这会给测量带来极大的方便。

（5）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量的指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

（6）准确度

准确度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量准确度的一个重要环节。传感器的准确度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的准确度只要满足整个测量系统的准确度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量的目的是定性分析，选用重复准确度高的传感器即可，不宜选用绝对量值准确度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用准确度等级能满足要求的传感器。

为了提高测量准确度，平时正常显示值要在满刻度的50%左右来选定测量范围（或刻度范围）。总之，应从传感器的基本工作原理出发，注意被测对象可能产生的负载效应，所选择的传感器，应既能适应被测物理量，又能满足量程、测量结果的准确度要求，同时还要具有可靠性高、通用性强，有尽可能高的静态性能和动态性能以及较强的适应环境的能力，而又具有较高的性价比和良好的经济性。