1.8　提高与改善传感器性能的技术途径

目前，提高与改善传感器性能的技术途径有以下6种。

1）结构、材料与参数的合理选择

根据实际的需要和可能，设计传感器时合理选择材料、结构，确保其主要性能指标，放弃对次要性能指标的要求，以求得到高的性价比。同时满足使用要求，即使对主要的参数也不能盲目追求高指标。

2）差动技术的应用

差动技术是一种非常有效的方法，它的应用可显著地减小温度变化、电源波动、外界干扰等因素对传感器精度的影响，对共模干扰、非线性等因素引起的误差也有显著的抑制作用。例如，电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器中都应用了差动技术，不仅减小了误差，而且灵敏度得到了提高。

3）平均技术的应用

常用的平均技术有误差平均效应和数据平均处理，如多点测量方案与多次采样平均。其原理是利用若干传感单元同时感受被测量或对单个传感器多次采样，取多次输出值的平均值。若将每次输出可能带来的误差δ均看作随机误差且服从正态分布，则根据误差理论，总的误差δΣ将减小为

式中，n为传感单元数量或采样次数。

可见，在传感器中利用平均技术不仅可使传感器误差减小，而且可增大信号量，即增大传感器灵敏度。光栅、磁栅、容栅、感应同步器等传感器由于自身的工作原理决定了有多个传感单元参与工作，故可取得明显的误差平均效应，这也是该类传感器固有的优点。另外，误差平均效应对某些工艺性缺陷造成的误差同样起到弥补作用。因此，设计时在结构允许的情况下，适当增加传感单元数量，可达到更好的效果。

4）稳定性处理

造成传感器性能不稳定的原因如下：随着应用时间的延长或使用环境条件的变化，构成传感器的各种材料与元器件性能将发生变化。为了提高传感器的稳定性，应该对材料、元器件或传感器整体进行必要的稳定性处理。使用传感器时，如果测量要求较高，那么应对附加的调整元件、后接电路的关键元器件进行老化处理。

5）屏蔽、隔离与干扰抑制

屏蔽、隔离与干扰抑制可以有效地削弱或消除外界因素对传感器的影响，如电磁噪声或机械振动噪声，这些都是传感器中经常出现的干扰信号，它可由传感器内部产生，也可从外部随信号的传递而混入。一般而言，噪声呈不规则的变化，单频交流噪声这样的周期性波动在广义上也是噪声。

传感器内部产生的噪声包括敏感元件、转换元件和转换电路元件等产生的噪声以及电源产生的噪声。例如，光电真空管放射不规则电子、半导体载流子扩散等产生的噪声。降低元件的温度可减小热噪声，对电源变压器采用静电屏蔽可减小交流脉动噪声等。

从外部混入传感器的噪声，按其产生原因可分为机械噪声（如振动，冲击）、音响噪声、热噪声（如因热辐射使元件相对位移或性能变化）、电磁噪声和化学噪声等。对振动等机械噪声可采用防振台或将传感器固定在质量很大的基础台上加以抑制；消除音响噪声的有效办法是把传感器用隔音器材围住或放在真空容器里；消除电磁噪声的有效办法是屏蔽和接地，或者使传感器远离电源线，或者使输出线屏蔽、输出线绞拧在一起等。

6）补偿与校正技术的应用

补偿与校正技术的运用主要针对下列两种情况：一种是针对传感器自身特性的，另一种是针对传感器的工作条件或外界环境的。

针对传感器自身特性，可以找出误差的变化规律，或者测出其大小和方向，采用适当的方法加以补偿或修正。

针对传感器工作条件或外界环境进行误差补偿，也是提高传感器精度的有力技术措施。不少传感器对温度敏感，而且由温度变化引起的误差十分可观。为了解决这个问题，必要时可以控制温度，采用恒温装置，但往往导致费用太高，或使用现场条件不允许。而在传感器内引入温度误差补偿是可行的方法。这时应找出温度对测量值影响的规律，然后引入温度补偿措施。例如，对电阻应变式传感器，采用应变片的单丝、双丝温度自补偿法、桥路补偿法等。

还可以利用传感器的后接电路（硬件）来解决误差补偿与修正，也可以通过计算机软件测量数据的系统来实现误差补偿与修正。

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