r传感器性能改善标定

精度传递
对传感器进行标定，是根据试验数据确定传感器的各项性能指标， 实际上是确定传感器的测量精度。所以标定传感器时，必须有比被标定 的传感器精度高的基准器，该基准的精度还必须由比它更高精度的基准 器进行定期的标定，而这个基准器则需要更 高一级的基准器来标定，如此这样标的基准 链可一直追溯到国家标准，并以此来保证末 端传感器的精度。这称为国家精度传递或标 准传递，这种自上而下的标定连锁称为精度 传递系统。 如图所示，如果从国家标准的立场上来看 上述便是标准供给系统。标准供给系统依靠 国家标定机关对一次或二次基准器进行标定。
4 ）稳定性处理
因为是长期测量或反复使用的元件，传感器的稳定性特 别重要，其重要性甚至胜过精度指标。知道误差的规律就可 进行误差修正或补偿，稳定性则不然。 造成传感器性能不稳定的原因：随时间推移或环境条件 变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。 为提高稳定性，需要对材料、元器件或传感器整体作必 要的稳定性处理。例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。
静态标定方法 标定传感器的静态特性，首先是创造一个静态标准条 件，其次是选择与被标定传感器的精度要求相适应的一定 等级的标定用的仪器设备，然后才能对传感器进行静态 特性标定。
标定步骤 (1)将传感器全量程 (测量范围) 分成若干等间距点； (2)根据传感器量程分点情况，由小到大逐渐一点一点的输 入标准量值，并记录各输入值相对应的输出值； (3)将输入值由大到小逐步减少，同时记录与各输入值相对 应的输出值； (4)按 (2)，(3) 所述过程，对传感器进行正、反行程往复多 次测试，将得到的输出—输入测试数据用表格列出或画成 曲线； (5)对测试数据进行必要的处理，根据处理结果就可确定传 感器的线性度、灵敏度、滞后和重复性等静态特性指标。
静态特性的线性化
差动技术原理： 设一传感器输出为 y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+a4x4+…
用另一相同传感器，但使其输入量符号相反(例如位移 传感器使之后向移动)，则其输出为 y2=a0-a1x+a2x2-a3x3+a4x4-… 使二者输出相减，即 Δy=y1-y2=2(a1x+a3x3+…)
x x B x A x B A B A A B A A x A B x A
在微差法测量中，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 的相对误差大为减小。 微差法的优点：不需标准量连续可调，有可能在指示仪表上直接读出 被测量的数值。 几何量测量中广泛采用微差法，例如用电感测微仪检测工件尺寸 的方法，利用电感式位移传感器进行微差法测量的实例。采用该法 时，标准量可由量块或标准工件提供。 随着科技和生产的发展，要求测试系统具有宽频响，大动态范 围，高灵敏度、分辨力与精度，以及高稳定性、重复性和可靠性。开 环测试系统往往不能满足求，于是出现了在零示法基础上发展而成的 闭环测试系统。将电子技术和控制理论中的反馈技术应用于传感器， 即构成了带有“反向传感器”的闭环式传感器。
7 ）补偿与校正
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 一定的技术措施后仍难满足要求；或可满足要求，但价格昂贵或技术 过分复杂而无现实意义。这时，若能找出误差的方向和数值，采用修 正法(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，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。 上述方法在传感器或测试系统中已被采用。 补偿与校正，可以利用电子技术通过线路(硬件)来解决；也可采 用微型计算机(通常采用单片微机)通过软件来实现。
总输出消除了零位输出和偶次非线性项，得到对称于原 点的相当宽的近似线性范围，减小了非线性，且使灵敏度提 高一倍，抵消了共模误差。 差动技术在电阻应变式、电感式、电容式等传感器中得 到广泛应用，是结构型传感器改善性能的常用和有效途径。
3）平均技术
常用技术：误差平均效应和数据平均处理 误差平均效应原理：用n个传感器单元同时感受被测量，因而其输 出是n个单元输出的总和。设每一单元可能带来的误差δ0可视为随机 误差，根据误差理论，总误差将减小为
(二)传感器的静态标定 静态标定的目的：确定传感器静态特性指标，如线性度、灵 敏度、滞后和重复性等。 标定的关键：由试验找到传感器输入—输出实际特性曲线。
静态标准条件 传感器的静态特性要在静态标准条件下标定。 静态标准条件：没有加速度、振动、冲击 (除非这些参数本 身就是被测量) 及环境温度影响，一般为室温(20℃±5℃)、 相对湿度不大于85％，大气压力101308±7998（Pa）。
标定的基本方法：利用标准仪器产生已知非电量(如标准力、压 力、位移)作为输入量，输入到待标定的传感器中，然后将传感器的输 出量与输入标准量作比较，获得一系列标准数据或曲线。有时输入的 标准量是利用标准传感器检测得到，这时的标定实质上是待标定传感 器与标准传感器之间的比较。 标定在传感器制造时当然已进行了，但使用中还要定期进行，传 感器的标定是传感器制造与应用中必不可少的工作。
2）当传感器的静态灵敏度与动态灵敏度不同，或传感器无静态 响应 (如压电传感器)，应对传感器进行灵敏度标定。 与静态标定相比，传感器的动态标定较为困难。 原因：产生标准非电量动态信号需专门设备，这些设备大多数昂贵。
动态标定的方法
传感器种类繁多，动态标定方法各异。 冲击响应法 具有所需设备少、操作又简便、力值调整及波形控制 方便的特点，因此被广泛采用。 力传感器的动态标定方法--一种绝对法校准（其原理见图）： 落锤式冲击台根据重物自由下落，冲击砧子所产生的冲击力为标 准动态力而制成。提升机构将质量为m的重锤提升到一定高度后释 放，重锤落下，撞击安装在砧子上的被校传感器，其冲击加度由固定 在重锤上的标准加速度计测出。因此，被标定传感器所受的冲击力为 ma，改变重锤下落高度，可得到不同冲击加速度，即不同冲击力。 为提高校准精度，一般采用测速精度很高的多普勒测速系统，测 定落锤的速度，并经微分电路变换成加速度信号输出，由此测定力传 感器的输入信号。
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，提高性能价格比。
传感器的标定与校准
标定：在明确传感器的输入与输出变换关系的前提下，利用某种 标准量或标准器具对传感器的量值进行标度。 新研制或生产的传感器都需要进行全面的技术检定。 校准：将传感器在使用中或存储后进行的Hale Waihona Puke 能复测。 一般标定与校准的本质相同。
2）差动技术
通常要求传感器输出—输入关系成线性，实际难于做到。 当输入量变化范围不大，且非线性项的阶次不高时，可用切线或割 线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。 在传感器静态特性的四种情况中，对 于其非线性项中只存在奇次项，且对称于 坐标原点，在原点附近的一定范围内存在 近似线性段。 分析多项式可知，差动技术是一种切 实可行的减小非线性的方法。 这是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)的技术。
合理选择结构、材料与参数是提高性价比的一种有效途径。 原则： 对于传感器的研究和生产，逐步形成系列产品满足不同使用要求； 对于用户，按实际需要恰如其分地选用(或设计)能满足使用要求的 产品，避免盲目追求高指标。 例如选称重传感器，应根据要求选择测量范围、线性度、回差、 重复性等指标，根据使用条件考虑种类、结构形式，材质等。 选测振传感器，则应根据频率范围、动态范围和精度要求选择传感 器种类、固有频率、阻尼比及结构形式等。 具体选择原则和方法与具体传感器及其性能要求相关。
0 / n
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、光栅、编码器等栅状传感器中效果明显，在 其他传感器中，对某些工艺性缺陷造成的误差起弥补作用。 同理，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，随机误差也减小 倍。因此，凡被测对象允许进行多 次重复测量(或采样)的，都可采用此方法。 需指出，上述方法在设计传感器时可采用，在应用传感器时亦可效 法，不过这时应将整个测量系统视作对象。例如常用的多点测量方案与 多次采样 。
传感器标定系统的一般组成： (1)被测量的标准发生器，如恒温源、测力机等； (2)被测量的标准测试系统，如标准压力传感器、标准力传感器、标准 温度计等； (3)待标定传感器所配接的信号调节器、显示器和记录器等，其精度是 已知的。 为保证各种量值的准确一致，标定应按计量部门规定的检定规程 和管理办法进行。 (一)传感器标定原则 标定的基准 为了标定必须要有长期稳定而高精度的基准。有的传感器内装有标 定用的基准器，特别对内装微处理器的传感器更容易实现自动标定的机 能。但是如果这些传感器的基准是稳压电源和标准电阻器等，一般只能 进行普通传感器输出的后段信号标定。 当测定量是长度、角度或质量时，这些量的基准量与被测量形态是 稳定的；当被测量是温度、流速或湿度等参量时，因基准量保持困难， 自动标定实际上不可能。
5 ）屏蔽、隔离与干扰抑制
传感器是一个复杂的输入系统。如图，x(t)为被测量，xi(t)为外界影 响因素。为减小测量误差，应设法削弱或消除外界影响因素的作用。 三种方法： 一）减小传感器对影响因素的灵敏度； 二）降低外界因素对传感器实际作用的功率； 三）在后续信号处理环节中加以消除或抑制。 具体实施方法： 对于电磁干扰，可采取屏蔽、隔离措施，也可用滤波等方法抑制。 由于传感器常常是感受非电量的器件， 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、电压、辐 射、甚至气流等。为此，需采取相应的隔离 措施(如隔热、密封、隔振等)，或在变换为 电量后对干扰信号进行分离或抑制，减小 其影响。