机电设备中传感器的性能分析

雷志伟 陈宝林 唐虎 王唯一

摘要：随着时代的不断进步以及电子信息等技术的迅猛发展，传感器在工业生产中的作用越加重要。现今传感器已向智能传感器发展，因此使得传感器种类更繁多，特性更多样。本文简述了传感器的发展转变，并对传感器的选择进行了分析举例，意在为传感的选型设计提供参考。

关键词：智能传感器;性能分析;选型设计

1  传感器的转变发展

传统的传感器是一种模拟的机器，其功能单一，只具备将外部信号转换成模拟信号或电信号的功能。目前工业信息化发展迅猛，对传感器的性能要求越加趋向精细化，随着CAD、MEMS、数据分析等新技术的不断发展，传感器正向着微型化、多功能化以及智能化不断发展。传感器的微型化主要依靠计算机辅助设计技术（CAD），计算机辅助设计能提供给传感器设计人员由于传统结构化生产的可视化工程模型，使得设计人员能在短时间内设计出高性价比的产品，从而推动传感器快速向满足工业需要的微型化方向发展;同时微机电系统技术（MEMS）的迅猛发展，使之制造出的传感器系统体积越加小巧，功能也越加强大，从而使得传感器等信息系统的微型化、多功能化以及智能化发展进入全新时代。

智能传感器除具有传统传感器的功能之外，同时能对收集到的外界信息进行储存和分析;由于新型敏感材料被不断发现，将多种敏感材料总装在同一块芯块上同时测量多种参数，同时对所有参数进行综合处理分析，即可实现传感器的多功能化。

2  传感的性能分析

传感器的选择，需要综合考虑传感器的体积要求、测量方式、性价比等因素，即确定选用何种传感器，再考虑该种传感器的具体性能指标。根据输入的信号是否随时间变化，传感器分别具有静态特性指标和动态他行指标。静态性能指标包括：灵敏度、线性度、迟滞误差、稳定性、重复性、漂移等;动态性能指标包括时域阶跃响应以及频域频率响应特性指标。传感器的性能指标的选择考虑的因素较多，本文选取了几个点进行简述说明，主要如下。

2.1 灵敏度

传感器的灵敏度指传感器对被测参数变化的反应能力，当传感器的输入参数变化很小，但其输出参数很大时，灵敏度越高，反之灵敏越低。对于线性系统，灵敏度即为输出与输入量的比值，灵敏度一定;对于非线性系统，灵敏度为各个对应点的变化率，且各个变化率可能均不相同。通常来说传感器的灵敏度越高性能越优越。因为灵敏度高时，被测量微小的变化也能被被输出较大信号，便于信号的分析处理。 但传感器的灵敏度高，传感器也更容易捕捉到与被测参数无关的其他信号，一并被系统放大输出，因此影响测量精度;解决此问题，需要传感器具有较高的信传噪比，分离从外界引入的其他信号参数。

2.2 频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，即限制了传感器的测量范围。信号从输入到输出的过程有一定延迟，因此传感器对于输入信号的响应频率决定着延迟时间的长短。当传感器系统对输入信号反应频率越高，其处理信息的动作就越快，就能满足变化率较快的被测量的测量要求;若被测量变化频率快于传感器系统的频率响应，则系统已经输入下一条信号，系统却在输出之前的信息，此时系统失真。因此传感器的频率响应越高，可测量的信号频率范围就越宽。在动态测量中，应同样根据被测参数的响应特性，避免系统产生过大的误差或系统失真。

2.3 线性度

传感器的线性度是指传感器系统输出与输入成正比的程度。理论传感器系统其输出与输入应成线性关系，实际的传感器系统输出与输入并非成完美线性，线性度即为评价实际传感器系统与理论传感器系统特性曲线相符的程度。传感器的线性度越大，表明传感器系统有效量程越大，传感器在有效量程内工作是保证其准确度的关键。在进行传感器的选择时，在确定好传感器的种类之后，第二步就应校准其量程是否满足要求。任何传感器都有一定的线性范围，当对传感器测量精度要求较低时，在某些情况下，可在近似线性的区域工作。

2.4 稳定性和准确度

传感器稳定性指其性能在使用壽命期间保持不变的能力。影响传感器稳定性的因素较多，主要是使用时间、环境以及传感器本身结构特征。因此，在选用传感器时应满足稳定性要求，选用抗干扰能力强的传感器;有电磁辐射、电网信号的复杂环境下，应着重考虑传感器稳定性要求。在选择传感器时，应根据使用环境的特点合理选择传感器，传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。

传感器的准确度表示测量结果与真值之间的接近程度，又称精度。由于传感器的精度直接影响传感器价格，因此，在选择传感器的精度时应在满足系统的精度要求提前下进行成本控制。一般来说精度能满足测量要求即可，若测量要求各有特点，应根据实际情况进行分别选择。例如需要做定性分析时，则可选用重复精度高的传感器，不宜选用绝对量值精度高的传感器;如果为了做定量分析，传感器必须获得精确的测量值，就需选用重复精度高、绝对值精度也高的传感器。

3  结束语

传感器模拟人类捕捉外界参数，因此推动了现代智能机电等设备的不断发展，由于其具有仿真的特点，因此对传感器分类、原理、特性指标都相对复杂。随着我国经济的不断发展以及5G商用时代的到来，智能传感器将应用于更为广泛领域，智能传感器的设计制造将富含更广泛的设计理念，在对传感器进行选型设计时，应注重其各项性能要求，在满足设计要求的情况下把控总体的成本，设计出更加优越的智能传感器，推动智能传感器的不断发展。

参考文献

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[2]姜喆.人工智能在环境监测中的应用[J].节能与环保，2020（Z1）：99-100.

作者简介：雷志伟（1999-），男，四川宜宾人，西华大学机械工程学院本科，专业：机械设计制造及其自动化;陈宝林（1998-），男，四川绵阳人，西华大学电气与电子信息学院本科，专业：轨道交通信号与控制;唐虎（1998-），男，四川遂宁人，西华大学电气与电子信息学院本科，专业：轨道交通信号与控制;王唯一（1999-），男，四川宜宾人，西华大学电气与电子信息学院本科，专业：轨道交通信号与控制。