静态传感器

计量测试行业将传感器校准技术，从实验室静态校准逐步提升拓展到面向工作条件的校准，即考虑了传感器激励特性、本征特性和环境特性的校准技术，并能够定量给出各种特性单独或综合条件下的误差特性，这对于现行的传感器校准技术提出了非常高的要求。 对于传感器在实验室条件下进行静态校准是常规计量工作的主要内容，技术标准比较完备，对于环境因素和被测参数相对稳定简单的工业过程和试验过程是能够满足要求的。然而，对于环境因素和被测参数特性较为复杂的试验过程来说，这种校准结果无法满足测试要求，主要原因是传感器的实际工作条件与实验室静态校准的差距太大，主要体现在以下 3 个方面：①激励（ 输入信号） 由静态（ 0 频） 向动态（ 非 0 频率） 延伸 ②传感器的本征参数在现场安装之后随着工作状态的变化而发生了变化 ③传感器的使用受环境因素影响明显（ 如温度、湿度、压力、振动、电磁场等） 。　　上述这些差距，使得传感器在实验室静态校准的结果无法准确反映其实际的测量特性。目前存在大量的所谓“静标动用”的现象，即传感器在试验前进行实验室静态标定，然后试验中用于对动态信号的测试，实质上存在着很大的数据风险，在理论上可以认为是未经过校准。因此，只有在模仿实际工作条件的前提下，对传感器的校准才具有实用意义。

温度传感器的标定和大多数其它传感器的标定一样，最普遍的方法就是将传感器放置在一个可精确测定的、已知温度的环境中一段时间，然后记录检查传感器的输出是否与已知的环境温度一致，并计算出传感器的误差。那么接下来我们具体的看看温度变送器的标定方法吧。　　由于自然环境下温度始终是一个缓变的物理量，所以一般情况下对温度传感器的检定是属于静态的，这也能满足绝大部分温度传感器的实际需要。动态的检定极少，能实现温度动态检测的设备也极少。　　由于静态温度传感器检定的方法和原理极其简单，所以这类资料或标准反而少见。对温度传感器动态标定一般都是采用激光的方法。改善温度传感器的动态特性最好的方法就是选用反应敏感的感温材料和减少传感器感温部分的质量，降低其热惯性。　　温度传感器的标定过程实际上也是确定温度传感器的各参数指标，尤其是精度问题，所以这个过程所用测量设备的精度通常要比待标定传感器的精度高一个数量级，这样通过标定确定购温度传感器性能指标才是可靠的，所确定的精度才是可信的。

一、传感器的定义　　国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。　　二、传感器的分类　　目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：　　１、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器　　２、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热电偶等传感器。　　３、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（“１”和"０”或“开”和“关”）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。　　关于传感器的分类：　　1.按被测物理量分：如：力，压力，位移，温度，角度传感器等；　　2.按照传感器的工作原理分：如：应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器等；　　3.按照传感器转换能量的方式分：　　（1）能量转换型：如：压电式、热电偶、光电式传感器等；　　（2）能量控制型：如：电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等；　　4.按照传感器工作机理分：　　（1）结构型：如：电感式、电容式传感器等；　　（2）物性型：如：压电式、光电式、各种半导体式传感器等；　　5.按照传感器输出信号的形式分：　　（1）模拟式：传感器输出为模拟电压量；　　（2）数字式：传感器输出为数字量，如：编码器式传感器。　　三、传感器的静态特性　　传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。　　四、传感器的动态特性　　所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。　　五、传感器的线性度　　通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。　　拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。　　六、传感器的灵敏度　　灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。　　它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。　　灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。　　当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。　　提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。　　七、传感器的分辨力　　分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。　　通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。　　八、电阻式传感器　　电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。　　九、电阻应变式传感器　　传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。　　十、压阻式传感器　　压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。　　用作压阻式传感器的基片（或称膜片）材料主要为硅片和锗片，硅片为敏感 材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍。　　十一、热电阻传感器　　热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。　　十二、传感器的迟滞特性　　迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F·S的百分比表示。　　迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过 外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是 这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。