機電設備中傳感器的性能分析

雷志偉 陳寶林 唐虎 王唯一

摘要：隨著時代的不斷進步以及電子信息等技術的迅猛發展，傳感器在工業生產中的作用越加重要?，F今傳感器已向智能傳感器發展，因此使得傳感器種類更繁多，特性更多樣。本文簡述了傳感器的發展轉變，并對傳感器的選擇進行了分析舉例，意在為傳感的選型設計提供參考。

關鍵詞：智能傳感器;性能分析;選型設計

1? 傳感器的轉變發展

傳統的傳感器是一種模擬的機器，其功能單一，只具備將外部信號轉換成模擬信號或電信號的功能。目前工業信息化發展迅猛，對傳感器的性能要求越加趨向精細化，隨著CAD、MEMS、數據分析等新技術的不斷發展，傳感器正向著微型化、多功能化以及智能化不斷發展。傳感器的微型化主要依靠計算機輔助設計技術（CAD），計算機輔助設計能提供給傳感器設計人員由于傳統結構化生產的可視化工程模型，使得設計人員能在短時間內設計出高性價比的產品，從而推動傳感器快速向滿足工業需要的微型化方向發展;同時微機電系統技術（MEMS）的迅猛發展，使之制造出的傳感器系統體積越加小巧，功能也越加強大，從而使得傳感器等信息系統的微型化、多功能化以及智能化發展進入全新時代。

智能傳感器除具有傳統傳感器的功能之外，同時能對收集到的外界信息進行儲存和分析;由于新型敏感材料被不斷發現，將多種敏感材料總裝在同一塊芯塊上同時測量多種參數，同時對所有參數進行綜合處理分析，即可實現傳感器的多功能化。

2? 傳感的性能分析

傳感器的選擇，需要綜合考慮傳感器的體積要求、測量方式、性價比等因素，即確定選用何種傳感器，再考慮該種傳感器的具體性能指標。根據輸入的信號是否隨時間變化，傳感器分別具有靜態特性指標和動態他行指標。靜態性能指標包括：靈敏度、線性度、遲滯誤差、穩定性、重復性、漂移等;動態性能指標包括時域階躍響應以及頻域頻率響應特性指標。傳感器的性能指標的選擇考慮的因素較多，本文選取了幾個點進行簡述說明，主要如下。

2.1 靈敏度

傳感器的靈敏度指傳感器對被測參數變化的反應能力，當傳感器的輸入參數變化很小，但其輸出參數很大時，靈敏度越高，反之靈敏越低。對于線性系統，靈敏度即為輸出與輸入量的比值，靈敏度一定;對于非線性系統，靈敏度為各個對應點的變化率，且各個變化率可能均不相同。通常來說傳感器的靈敏度越高性能越優越。因為靈敏度高時，被測量微小的變化也能被被輸出較大信號，便于信號的分析處理。 但傳感器的靈敏度高，傳感器也更容易捕捉到與被測參數無關的其他信號，一并被系統放大輸出，因此影響測量精度;解決此問題，需要傳感器具有較高的信傳噪比，分離從外界引入的其他信號參數。

2.2 頻率響應特性

傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，即限制了傳感器的測量范圍。信號從輸入到輸出的過程有一定延遲，因此傳感器對于輸入信號的響應頻率決定著延遲時間的長短。當傳感器系統對輸入信號反應頻率越高，其處理信息的動作就越快，就能滿足變化率較快的被測量的測量要求;若被測量變化頻率快于傳感器系統的頻率響應，則系統已經輸入下一條信號，系統卻在輸出之前的信息，此時系統失真。因此傳感器的頻率響應越高，可測量的信號頻率范圍就越寬。在動態測量中，應同樣根據被測參數的響應特性，避免系統產生過大的誤差或系統失真。

2.3 線性度

傳感器的線性度是指傳感器系統輸出與輸入成正比的程度。理論傳感器系統其輸出與輸入應成線性關系，實際的傳感器系統輸出與輸入并非成完美線性，線性度即為評價實際傳感器系統與理論傳感器系統特性曲線相符的程度。傳感器的線性度越大，表明傳感器系統有效量程越大，傳感器在有效量程內工作是保證其準確度的關鍵。在進行傳感器的選擇時，在確定好傳感器的種類之后，第二步就應校準其量程是否滿足要求。任何傳感器都有一定的線性范圍，當對傳感器測量精度要求較低時，在某些情況下，可在近似線性的區域工作。

2.4 穩定性和準確度

傳感器穩定性指其性能在使用壽命期間保持不變的能力。影響傳感器穩定性的因素較多，主要是使用時間、環境以及傳感器本身結構特征。因此，在選用傳感器時應滿足穩定性要求，選用抗干擾能力強的傳感器;有電磁輻射、電網信號的復雜環境下，應著重考慮傳感器穩定性要求。在選擇傳感器時，應根據使用環境的特點合理選擇傳感器，傳感器的穩定性有定量指標，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生變化。

傳感器的準確度表示測量結果與真值之間的接近程度，又稱精度。由于傳感器的精度直接影響傳感器價格，因此，在選擇傳感器的精度時應在滿足系統的精度要求提前下進行成本控制。一般來說精度能滿足測量要求即可，若測量要求各有特點，應根據實際情況進行分別選擇。例如需要做定性分析時，則可選用重復精度高的傳感器，不宜選用絕對量值精度高的傳感器;如果為了做定量分析，傳感器必須獲得精確的測量值，就需選用重復精度高、絕對值精度也高的傳感器。

3? 結束語

傳感器模擬人類捕捉外界參數，因此推動了現代智能機電等設備的不斷發展，由于其具有仿真的特點，因此對傳感器分類、原理、特性指標都相對復雜。隨著我國經濟的不斷發展以及5G商用時代的到來，智能傳感器將應用于更為廣泛領域，智能傳感器的設計制造將富含更廣泛的設計理念，在對傳感器進行選型設計時，應注重其各項性能要求，在滿足設計要求的情況下把控總體的成本，設計出更加優越的智能傳感器，推動智能傳感器的不斷發展。

參考文獻

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[2]姜喆.人工智能在環境監測中的應用[J].節能與環保，2020（Z1）：99-100.

作者簡介：雷志偉（1999-），男，四川宜賓人，西華大學機械工程學院本科，專業：機械設計制造及其自動化;陳寶林（1998-），男，四川綿陽人，西華大學電氣與電子信息學院本科，專業：軌道交通信號與控制;唐虎（1998-），男，四川遂寧人，西華大學電氣與電子信息學院本科，專業：軌道交通信號與控制;王唯一（1999-），男，四川宜賓人，西華大學電氣與電子信息學院本科，專業：軌道交通信號與控制。