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在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理,所以學會 選用傳感器是進行測量Z基礎(chǔ)同時也是很重要的一個環(huán)節(jié)。在具體選擇傳感器 時,應從以下幾個方面進行考慮。
測試條件與目的
綜合測量條件與目的,先要考慮的是采用何種原理的傳感器,因為即使 是測量同一物理量,根據(jù)不同的環(huán)境狀況和不同的測量目的,也會有多種原理 的傳感器可供選用。要綜合考慮溫濕度狀況、量程大小、被測位置對傳感器體 積的要求、測量方式為接觸式還是非接觸式、信號的引出方法等一些因素,選用更為合適類型的傳感器,然后再考慮傳感器的具體性能指標。
通常,在傳感器的線性范圍內(nèi),希望傳感器的靈敏度越高越好。因為靈敏 度越高,就意味著傳感器所能感知的變化量小,即只要被測量有一微小變化, 傳感器就有較大的輸出,這樣更有利于信號處理,但要注意以下兩個問題:
1. 傳感器的靈敏度太高,與被測量無關(guān)的外界噪聲就容易混入,也會被 放大系統(tǒng)放大,影響測量精度。
2. 當被測量是一個向量時,并且是一個單向量時,就要求傳感器單向靈 敏度愈高愈好,而橫向靈敏度愈小愈好;如果被測量是二維或三維的向量,那 么還應要求傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。
傳感器的頻率響應特性是指,在所測頻率范圍內(nèi),保持不失真的測量條件。實際上傳感器的響應總有一定延遲,但希望延遲時間越短越好。 一般物性 型傳感器(如利用光電效應、壓電效應等制成的傳感器)的響應時間短,可 測的信號頻率范圍就寬;而結(jié)構(gòu)型傳感器(如電感、電容、磁電等傳感器) 由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響和機械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制,其固有頻率低,工作范 圍窄。在動態(tài)測量中,應根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應特性, 以免產(chǎn)生過火的誤差。
傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講,在此范圍 內(nèi),靈敏度保持定值。傳感器的線形范圍越寬,則表明傳感器的工作量程愈 大。為了保證測量的準確度,傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi),是保證測量精度的基 本條件。例如,機械式傳感器中的測力彈性元件,其材料的彈性極限是決定測 力量程的基本因素,當超出測力元件允許的彈性范圍時,將產(chǎn)生非線性誤差。
但在實際上,任何傳感器都不能保證絕對的線性,其線性度也是相對的。 在許可限度內(nèi),也可以取其近似線性區(qū)域,這會給測量帶來極大的方便。例 如,變間隙型的電容、電感式傳感器,其工作區(qū)均選在初始間隙附近。而且必 須考慮被測量變化范圍,令其非線性誤差在允許限度以內(nèi)。
傳感器的穩(wěn)定性是經(jīng)過長期使用以后,其輸出特性不發(fā)生變化的性能。為 了保證傳感器長期穩(wěn)定地工作,而不需經(jīng)常地更換或校準,在選擇和使用傳感 器時應注意根據(jù)環(huán)境條件選擇傳感器。在選擇傳感器之前,應對其使用環(huán)境進 行調(diào)查,并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器,或采取適當?shù)拇胧,減小 環(huán)境的影響。例如,選擇電阻應變式傳感器時,應考慮濕度的影響;對變極距 型電容式傳感器和光電傳感器,環(huán)境灰塵油劑浸入間隙時,會改變電容器的介 質(zhì)和感光性質(zhì);對于磁電式傳感器或霍爾效應元件等,應考慮周圍電磁場帶來 的測量誤差;滑線電阻式傳感器表面有灰塵時,將會引入噪聲。
傳感器的穩(wěn)定性有定量指標,在超過使用期后,在使用前應重新進行標 定,以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又不 能輕易更換或標定的場合,所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴格,要能夠經(jīng)受住 長時間的考驗。
傳感器的準確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。傳感器處于測 試系統(tǒng)的輸入端,因此傳感器能否真實地反映被測量,對整個測試系統(tǒng)具有直 接的影響。傳感器的精度越高,其價格越昂貴,因此,傳感器的精度只要滿足 整個測量系統(tǒng)的精度要求即可,不必過高。如果測量目的是定性分析,選用重 復精度高的傳感器即可,不宜選用絕對量值精度高的;如果測量目的是為了定 量分析,需要獲得準確的測量值,就需選用精度等J能滿足要求的傳感器。對 某些特殊使用場合,無法選到合適的傳感器,則需自行設(shè)計制造傳感器。
另外還需要考慮的一些因素包括傳感器是否有可匹配的連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 及輔助設(shè)備,以及傳感器的購置和維護是否方便等。
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