汽車衡傳感器的選用原則與標定

傳感器技術已經滲透到人類的生產、生活的各個領域。本文詳細介紹了傳感器選用的原則以及傳感器的動態、靜態的標定方法。

一、引言
在國家標準GB/T 7665- 2005《傳感器通用術語》中，傳感器的定義為“能感受規定的測量并 按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置， 通常由敏感元件和轉換元件組成。其中敏感元件 是指傳感器中能直接感受或相應被測的部分；轉 換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被 測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分”。由定 義可知，傳感器是一種能把特定的被測量信息按 一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件或裝置， 以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器技術因為與測量科學、現代電子技術、生物技術、材料科學、光電技術、精密機械技術、微細加工技術、信息處理技術以及計算機技術相互交叉滲透而成為一門高度綜合性、知識密集型的學科。而稱重傳感器，作為國家重點管理計量器具，也已廣泛應用于各類電子衡器。

由于傳感器的型號、品種繁多，即使是測量同一對象，可選用的傳感器也較多。如何根據測試目的和實際條件正確合理地選用傳感器，是一個需要認真考慮的問題。

二、汽車衡傳感器選用原則
選擇傳感器所應考慮的項目各種各樣，但未必要滿足所有項目要求。應根據傳感器實際使用目的、指標、環境條件和成本，從不同的側重點，優先考慮幾個重要的條件即可。選擇的標準主要考慮以下因素：傳感器的性能、傳感器的可用性、能量消耗、成本、環境條件及購置有關的項目等。

（一）汽車衡測量方式選擇
傳感器在實際條件下的工作方式，是選擇傳感器時應該考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞測量、在線與非在線測量等，條件不同，對測量方式的要求也不同。在機械系統中，對運動部件的被測參數，往往采用非接觸測量方式。因為對運動部件采用接觸測量時，有許多實際困難，諸如測量頭的磨損、接觸狀態的變動、信號的采集等問題，都不易妥善解決，容易造成測量誤差。這種情況下采用電容式、渦流式、光電式等非接觸式傳感器很方便，若選用電阻應變片，則需配以遙測應變儀。在某些條件下，可以運用試件進行模擬實驗，這時可進行破壞性檢驗。然而有時無法用試件模擬，因被測對象本身就是產品或構建，這時宜采用非破壞性檢驗方法。例如，渦流探傷、超聲波探傷檢測等。非破壞性檢驗可以直接獲得經濟效益，因此應盡可能選用非破壞性檢測方法。

在線測試是與實際情況保持一致的測試方法。特別是對自動化過程的控制與檢測系統，往往要求信號真實與可靠，必須在現場條件下才能達到檢測要求。實現在線檢測比較困難，對傳感器與測試系統都有一定的特殊要求。例如，在加工過程中，實現表面粗糙度的檢測，以往的光切法、干涉法、接觸法等都無法運用，取而代之的是激光、光纖或圖像檢測法。研制在線檢測的新型傳感器，也是當前測試技術發展的一個方面。

（二）傳感器性能指標選擇
在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。主要性能指標包括傳感器靈敏度、響應特性、線性范圍、穩定性及度等。

（1）汽車衡靈敏度
一般來說，傳感器靈敏度越高越好。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，傳感器就有較大輸出。但是，在確定靈敏度時，要考慮以下幾點。

1）當傳感器的靈敏度很高時，那些與被測信號無關的外界噪聲也會同時被檢測到，并通過傳感器輸出，從而干擾被測信號。因此，為了既能使傳感器檢測到有用的微小信號，又能使噪聲干擾小，就要求傳感器的信躁比越大越好，也就是說，要求傳感器本身的噪聲小，而且不易從外界引進干擾噪聲。

2）汽車衡與靈敏度緊密相關的是量程范圍。當傳感器的線性工作范圍一定時，傳感器的靈敏度越高， 干擾噪聲越大，則難以保證傳感器的輸入在線性區域內工作。簡而言之過高的靈敏度會影響其適用的測量范圍。
3）當被測量是一個向量，并且是_個單向量時，就要求傳感器單向靈敏度越高越好，而橫向靈敏度越小越好，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越小越好。

（2）響應特性
傳感器的響應特性是指在所測頻率范圍內，保證不失真的測量條件。此外，實際上傳感器的響應總不可避免地有一定延遲，只是希望延遲的時間越短越好。一般物性型傳感器如利用光電效應、壓電效應等傳感韓響應時間短，工作頻率寬；而結構型傳感器，如電感、電容、磁電等傳感器，由于受到結構特性的影響和機械系統慣性質量的限制，其固有頻率低，工作頻率范圍窄。

（3）線性范圍
任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內輸出與輸入成正比例關系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線性區域內，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，將產生非線性誤差。

然而，對任何傳感器，保證其工作在線性區域內是不容易的。在某些情況下，在許可限度內，也可以取其近似線性區域。例如，變間隙型的電容、電感式傳感器，其工作區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。

（4）穩定性
穩定性是表示傳感器經過長期使用以后，其輸出特性不發生變化的性能。 影響傳感器穩定性的因素是時間與環境。

為了保證穩定性，在選擇汽車衡傳感器時一般應注意兩個問題。其根據環境條件選擇傳感器。例如，選擇電阻應變式傳感器時，應考慮到濕度會影響其絕緣性，濕度會產生零漂，長期使用會產生蠕變現象等。又如，對變極距型電容式傳感器，因環境濕度的影響或油劑浸入間隙時，會改變電容器的介質。光電傳感器的感光表面有塵?；蛩麜r，會改變感光性質。其二要創造或保持一個良好的環境，在要求傳感器長期工作而不需經常更換或校準的情況下，應對傳感器的穩定性有嚴格的要求。
（5）度
傳感器的度是表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。如前所述，傳感器處于測試系統的輸入端，因此，傳感器能否真實地反應被測量，對整個測試系統具有直接的影響。然而，在實際中也并非要求傳感器的度愈高愈好，這還需要考慮到測量目的，同時還需要考慮到經濟性。因為傳感器的精度越高，其價格就越昂貴，所以應從實際出發來選擇傳感器。在選擇時首先應了解測試目的，判斷是定性分析還是定量分析。如果是相對比較性的實驗研究，只需獲得相對比較值即可，那么應要求傳感器的重復精度高，而不要求測試的量值準確。但在某些情況下，要求傳感器的度愈高愈好。例如，對現代超精密切削機床，量其運動部件的定位精度，主軸的回轉運動誤差、振動及熱形變等時，往往要求他們的測量度在0.1m~0.01m范圍內，欲測得這樣的量值，必須有高度的傳感器。

（6）互換性
互換性是指傳感器性能的一致性。值得指出的是，大多數傳感器的性能一致性不理想，在修理或調換時要特別注意。傳感器使用一段時間后，會出現所謂的老化現象，性能有所變化；或者即便無輸入信號或輸入信號不變，傳感器的輸出也會有某些變化，這都影響傳感器的可靠性、穩定性；故要定期對其進行檢驗。

除了以上選用傳感器時應充分考慮的一些因素外，還應盡可能兼顧結構簡單、體積小、重量輕、價格便宜、易于維修、易于更換等條件。

三、傳感器的標定與校準
㈠標定與校準的概念
標定是在明確傳感器的輸入與輸出變換關系的前提下，利用某種標準量或標準器具對傳感器的量值進行標定。新研制或生產的傳感器都需要進行全面的技術檢定。而校準是指在使用中或存儲后進行的性能復測。㈠般標定與校準的本質相同。

傳感器的標定分為靜態標定和動態標定兩種。靜態標定的目的是確定傳感器靜態特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等；動態標定的目的是確定傳感器動態特性參數，如頻率響應、時間常數、固有頻率和阻尼比等。有時根據需要還要對橫向靈敏度、溫度響應、環境影響等進行標定。

（二）傳感器標定方法
利用標準儀器產生已知非電量洳標準力、壓力、位移作為輸入量，輸入到待標定傳感器中，然后將傳感器的輸出量與輸入標準量作比較，獲得㈠系列標準數據或曲線。有時輸入的標準量是利用標準傳感器檢測得到，這時的標定實質上是進行待標定傳感器與標準傳感器之間的比較。

標定在傳感器制造時當然已進行，但在使用中還要定期進行，傳感器的標定是傳感器制造與應用中*的工作。

傳感器標定系統的㈠般組成：
（1）被測量的標準發生器，如恒溫源、測力機等。
（2）被測量的標準測試系統，如標準壓力傳感器、標準力傳感器、標準溫度計等。
（3）待標定傳感器所配接的信號調節器、顯示器和記錄器等，其精度是已知的。
為保證各種量值的準確㈠致，標定應按計量部門規定的檢定規程和管理辦法進行。
（三）傳感器的靜態標定傳感器的靜態特性要在靜態標準條件下標定。
（1）靜態標定的目的
靜態標定的目的是確定傳感器靜態特性指標，如線性度、靈敏度、滯后和重復性等。標定的關鍵是由試驗找到傳感器輸入-輸出實際特性曲線。

（2）靜態標準條件
靜態標準條件沒有加速度、振動、沖擊蜍非這些參數本身就是被測麕及環境溫度影響， ㈠般為室溫&0°C± 5°C 相對濕度不大于85%, 大氣壓力 d01 308± 7 998 Pa。

標定傳感器的靜態特性，首先是創造㈠個靜態標準條件，其次是選擇與被標定傳感器的精度要求相適應的㈠定等級的標定用的儀器設備，然后才能對傳感器進行靜態特性標定。

（3）標定步驟
1）將傳感器全程量鍘量范圍分為若干等間距點。
2）根據傳感器量程分點情況，由小到大逐漸一點一點地輸入標準量值，并記錄各輸入值相對應的輸入值。
3）將輸入值由大到小逐漸減少，同時記錄與各輸入值相對應的輸出值。
4）按2，3所述過程，對傳感器進行正、反行程往復多次測試，將得到的輸出——輸入測試數據用表格列出或畫成曲線。

5）對測試數據進行必要的處理，根據處理結果就可確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復性等靜態特性指標。

（四）汽車衡傳感器的動態標定
（1）動態標定的目的
動態標定的目的是確定傳感器的動態性能指標，即通過線性工作范圍傭同一頻率不同幅值的正弦信號輸入傳感器，測量其輸出）、頻率響應函數、幅頻特性和相頻特性曲線、階躍響應曲線來確定傳感器的頻率響應范圍、幅值誤差和相位誤差、時間常數、固有頻率等。

（2）動態標定的方法
傳感器種類繁多，動態標定方法各異。下面介紹幾種常用的動態標定方法。
1）沖擊響應法。具有所需設備少、操作簡便、力值調整及波形控制方便的特點，因此被廣泛采用。
例如對力傳感器的動態標定。落錘式沖擊臺根據重物自由下落，沖擊砧子所產生的沖擊力為標準動態力而制成。提升機構將質量為m的重錘提升到一定高度后釋放，重錘落下，撞擊安裝在砧子上的被校傳感器，其沖擊加速度由固定在重錘上的標準加速度計測出。因此，被標定傳感器所受的沖擊力為ma，改變重錘下落高度，可得到不同沖擊加速度，即不同沖擊力。通過一個測試系統測量傳感器的輸出信號，與輸入傳感器的標準信號進行比較，可得傳感器的各項動態性能指標。

為提高校準精度，一般采用測速精度很高的多普勒測速系統，測定落錘的速度，并經微分電路變換成加速度信號輸出，由此測定力傳感器的輸入信號。

2）頻率響應法。頻響法較直觀、精度較高，但需要性能優良的參考傳感器，非電量正弦發生器的工作頻率有限，實驗時間長。例如測力儀的標定。

3）激振法。通過激振器或振動臺對測力儀的刀尖部位施加不同頻率（不同幅值的激振力，求得輸出與輸入對應關系。

在測力刀桿威工作臺下方緊壓一壓電傳 感器。力作用在刀尖上時，傳感器也相應地感受到一定大小的力并將力信號轉化成電荷信號輸出，經電荷放大器將電荷信號轉換成電壓信號并放大，通過儀器顯示并記錄。

4）階躍響應法。當傳感器受到階躍壓力信號作用，測得其響應，用基于機理分析的估計方法或實驗建模方法求出傳感器的頻率特性、特征參數和性能指標。