1.7　传感器的技术性能指标及选用原则

1.7.1　传感器的技术性能指标

表1-4分类列出了传感器的常用技术性能指标作为检验、选用和评价传感器的依据。

由于各种传感器的原理、结构、使用环境、条件、目的不同，其具体技术性能指标也不可能相同，但是有些使用要求却是共同的：

（1）足够的容量。即传感器的工作范围或量程足够大，并且具有一定的过载能力。

（2）灵敏度高，精度适当，抗干扰能力强。即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），并且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。

（3）响应速率高、可重复、抗老化、抗环境影响（热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力。

（4）使用性和适应性强。即体积小、质量小、动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出信号力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。

（5）经济适用。即寿命长、安全（传感器应是无污染的）、具有互换性、成本低，并且便于使用、维修和校准。

必须指出，对于一种具体的传感器，并不要求它是“万能”的，也不需要使其全部技术性能指标都达到优良，这不仅设计制造困难，实际上也没有必要。应该根据实际应用目的、使用环境、被测对象状况、精度要求等具体条件进行全面综合考虑，保证主要的参数达标、满足使用即可。

1.7.2　传感器的选用原则

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是进行某个量的测量时首先要解决的问题。选定传感器之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。传感器的选用应考虑以下几个方面因素。

1. 与测量条件有关的因素

要进行一项具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一个物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件，综合考虑以下一些具体问题：量程的大小、被测位置对传感器体积的要求、测量方式为接触式还是非接触式、信号的引出方法、有线测量还是无线测量等。在考虑上述问题之后，才能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2. 与传感器的技术性能指标有关的因素

1）灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器自身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入干扰信号。有的传感器的灵敏度是有方向性的。若被测量是单向量时，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；若被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

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，必须在允许的频率范围内保持不失真的测量条件。实际上，传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽。由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因而频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）及响应特性，以免产生过大的动态误差。

3）线性范围

传感器的线性范围是指输出量与输入量成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，传感器的灵敏度值是一定的。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选用传感器时，确定类型以后，首先要看其量程是否满足要求。实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

4）稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器自身结构外，还有传感器的使用环境。因此，要具有良好的稳定性，传感器必须有较强的环境适应能力。在选用传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。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。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要求其能够经受住长时间的考验。

5）精度

精度是传感器的一个重要性能指标，它也决定了整个测量系统精度的高低。传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样，就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，那么选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，那么必须获得精确的测量值，就需要选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器以满足使用要求。

3. 与传感器的经济指标有关的因素

从经济的角度来考虑，首先是以能达到测试要求为准则，不应盲目地采用超过测量目的所要求的高精度传感器。因为传感器的精度若提高一个等级，则传感器的成本费用将会急剧上升。另外，当需要用多台传感器与其他后接仪器共同组成检测系统时，所有的传感器和其他仪器都应该选用同等精度。误差理论分析表明，由若干台仪器组成的系统测量结果的精度取决于精度最低的那台仪器。

4. 与传感器的使用环境条件有关的因素

在选用传感器时，还必须考虑其使用环境。主要从温度、振动和介质3个方面考虑对传感器的影响。例如，温度的变化会产生热胀冷缩效应，也会使传感器的机械机构受到热应力或改变元件的特性，往往导致其输出信号发生变化；过低或过高的温度还有可能使传感器或其内部元件变质、失效乃至破坏。又如，过大的加速度将使传感器受到不应有的惯性力作用，导致其输出信号的变化或传感器的损坏；在腐蚀性的介质中或原子辐射的环境中工作的传感器也容易受到损坏。因此，必须针对不同的工作环境选用合适的传感器，同时也必须充分考虑采取必要的措施对其加以保护。