评价传感器质量的技术,主要包括传感器的基本特性检测技术和可靠性试验技术两部分。将各种信息量变换为电量是传感器的基本特性。描述传感器基本特性的方法包括数学模型及基本特性指标。根据传感器的输入量,分为静态特性及动态特性两种。静态特性指在静态信号的作用下,描述传感器的输入、输出质检的一种关系。动态特性是传感器对动态激励(输入)的响应(输出)特性,即其输出对随时间变化的输入量的响应特性。
传感器检测技术
利用各种物理化学效应,选择合适的方法和装置,将传感器中的有关信息通过检查与测量的方法赋予定性或定量结果的过程。
- 英文名称
- sensor detection technology
- 所属学科
- 仪器科学与技术
根据传感器的技术特性,检测技术主要分为基本参数检测技术、环境参数检测技术、可靠性检测技术及其他指标检测技术。传感器检测项目见表1。
基本参数检测项目 | 环境参数检测项目 | 可靠性检测项目 | 其他指标检测项目 |
量程方面:量程范围、过载能力; 灵敏度方面:灵敏度、分辨力、输入输出阻抗; 精度方面:精度、重复性、线性、滞后、灵敏度误差、阈值、稳定性、漂移; 动态性能方面:固有频率、阻尼系数、频响范围、频率特性、时间常数、上升时间、响应时间、过冲量、衰减率、稳态误差、临界速度、临界频率等 | 温度方面:工作温度范围、温度漂移、热滞后; 抗冲振方面:振动、冲击、跌落、加速度; 其他环境方面:湿热、抗介质腐蚀、电磁兼容、IP试验 | 工作寿命、可靠度、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压性能 | 使用方面:供电方式、电压幅度与稳定度、功耗; 结构方面:外形尺寸、重量、外壳、材质、结构特点; 安装连接方面:安装方式、馈线、电缆 |
不同种类传感器的检测,遵循标准见表2。标准按产品分类列。
序号 | 传感器类型 | 典型检测标准 |
1 | 智能传感器 | GB/T 33905.4—2017 智能传感器第4部分:性能评定方法 |
2 | MEMS传感器 | GB/T 33929—2017 MEMS高g值加速度传感器性能试验方法 |
3 | 量子传感器 | GJB 5245—2004 压电陀螺仪通用规范 |
4 | 离散传感器 | JB/T 12785—2016 霍尔接近开关传感器 |
5 | 柔性传感器 | IEC/TS 62715-5-2—2016 柔性显示装置第5-2部分:曲线显示优势的光学特性测量方法 |
6 | 硅基传感器 | GB/T 28855—2012 硅基压力传感器 |
7 | 化合物传感器 | GB/T 20245.4—2013 电化学分析器性能表示 第4部分:采用覆膜电流式传感器测量水中溶解氧 |
8 | 金属氧化物传感器 | GB/T 15653—1995 金属氧化物半导体气敏元件测试方法 |
9 | 物理量传感器 | GB/T 26807—2011 硅压阻式动态压力传感器 |
10 | 生物量传感器 | HJ/T 86—2002 水质生化需氧量(BOD)的测定微生物传感器快速测定法 |
11 | 压力传感器 | GB/T 15478—2015 压力传感器性能试验方法 |
12 | 磁传感器 | GB/T 30242—2013 磁电式速度传感器通用技术条件 |
13 | 光传感器 | GB/T 33702—2017 光电式日照传感器 |
指测量结果的可靠程度,测量误差越小,传感器的精度越高。
传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示,基本误差是传感器在规定的正常工作条件下的测量误差,由系统误差和随机误差两部分组成,工程技术中为简化传感器精度的表示方法,引用了精度等级。精度等级以标准百分比数值分档表示,代表传感器测量的最大允许误差。
检测方法:①将传感器量程范围分成若干等间距点;②按照分点,逐一由小到大输入标准量值,并记录各输入量值对应的输出值;到达输入上限值后,再逐一由大到小输入标准量值,并记录各输入量值对应的输出值;③按②所述过程,对传感器进行不低于三次的反复测量;④对测量数据进行数据处理,根据处理结果确定传感器的非线性、迟滞、重复性、灵敏度、精度等特性指标。
数据处理方法一般包括零基直线法、端基直线法、最小二乘法。
表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响了传感器的稳定性。
检测方法:在稳定的温度、湿度等环境条件下,按照一定的时间间隔测试传感器的输出值(一般为零点输出值或满量程输出值)。短时稳定性试验时间推荐为24小时、48小时、72小时、96小时、120小时;长时稳定性试验时间推荐为28天、56天、84天、168天、336天。计算输出值变化率的最大值,应符合传感器技术指标要求。稳定性误差可用相对误差表示,也可用绝对误差来表示。
漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化的现象。产生漂移的原因有两个:①传感器自身结构参数变化;②周围环境(如温度、湿度等)变化。最常见的是温度漂移,即周围环境温度变化而引起输出量的变化,温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。
温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比。
检测包括传感器零点漂移与传感器灵敏度漂移。对非温度传感器,以温度为参变量,分别在温度T1、T2时,对传感器进行零点输出与满量程输出测量,一般测量三次,计算零点输出与满量程输出的平均值。可计算出传感器在温度T1、T2下的零点输出与灵敏度,从而可得到传感器的温度漂移量。
由外界环境变化引起输出值变化的量称为影响量,由温度、湿度、气压、振动、电源电压及电源频率等外界环境影响所引起。说明影响量时,必须将影响因素与输出值偏差同时表示。如某传感器由于温度发生变化10℃而引起输出值变化0.02毫伏,则应写成0.02毫伏/10℃。
影响量试验项目包括温度影响、振动影响、冲击影响、加速度影响、湿热影响、盐雾影响、热辐射影响、低气压影响、低温/低气压综合影响、高温/低气压综合影响、低温/低气压/湿热综合影响、沙尘影响、噪声影响、电磁兼容。
温度影响试验按GB/T 2423.1—2008和GB/T 2423.2—2008进行;振动影响试验按GB/T 2423.10—2008进行;冲击影响试验按GB/T 2423.5—1995进行;加速度影响试验按GB/T 2423.15—2008进行;湿热影响试验按GB/T 2423.3—2006进行;盐雾影响试验按GB/T 2423.17—2008进行;热辐射影响试验按GB/T 2423.24—2013进行;低气压影响试验按GB/T 2423.21—2008进行;低温/低气压综合影响试验按GB/T 2423.25—2008进行;高温/低气压综合影响试验按GB/T 2423.26—2008进行;低温/低气压/湿热综合影响试验按GB/T 2423.27—2005进行;沙尘影响试验按GB/T 2423.37—2006进行;噪声影响试验按GJB150.17A—2009进行;电磁兼容试验按GB/T 17626《电磁兼容试验和测量技术》进行。
传感器的输入为随时间变化的信号时,其输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标、频域频率特性性能指标。
检测方法:在传感器处于稳态的情况下,对其施加典型输入信号,使传感器稳态被破坏,输出值发生变化,一直到建立下一次稳态,用示波器或记录仪记录整个变化过程。通过对记录的图谱及曲线进行分析,获得动态性能指标的数据。典型输入信号包括单位阶跃函数、单位斜坡函数、单位加速度函数(抛物线函数)、单位脉冲函数以及正弦信号。
在一定时间内、一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率、平均无故障间隔等评价传感器的可靠性。
传感器可靠性试验分类方法一般按4种进行划分:①以环境条件划分,包括各种应力条件下的模拟试验和现场试验;②以试验项目划分,包括环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验;③按试验目的划分,包括筛选试验、鉴定试验和验收试验;④按试验性质划分,包括破坏性试验和非破坏性试验两大类。通常分类法包括环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验、鉴定试验。
为了确认传感器在应用环境下正常工作,要求产品模拟一些检测项目,主要包括高温试验、低温试验、高低温交变试验、高温高湿试验、机械振动试验、机械冲击试验、电通断试验、电源影响量试验、冷启动试验、盐雾试验、淋雨试验、尘砂试验。
可靠性试验按GB/T 29309—2012《电工电子产品加速应力试验规程》高加速寿命试验导则进行。标准规定了高加速寿命试验的一般要求、试验准备和试验方法。规定的高加速寿命试验,施加的试验应力包括高温步进、低温步进、快速温度变化循环、六自由度非高斯宽带随机振动等应力。
主要包括:①精密测试技术与极端测试的应用。包括高性能测试装备如高性能激光测试系统、扫描显微测量技术、扫描X射线干涉等技术。②在线检测与数字化测试技术的研究。包括在线检测技术及机器人测试技术。③网络化多传感器测试及测试信息融合技术。在计算机网络环境下的系统集成技术直接影响仪器仪表和测试控制科学技术的应用广度和水平。④计算机视觉测试技术。是将计算机视觉、图像处理和测试技术相结合的光学测试方法,具有非接触、可实时在线、精度高、信息量丰富等优点。⑤新型传感原理的创新和促进测试新技术的发展。如基于MEMS工艺的集成多参数传感器、耐高温压力传感器、微惯性传感器、光纤传感器的检测技术。⑥虚拟测试技术与虚拟仪器研发。
扩展阅读
- 徐开先,钱正洪,张彤,等.传感器实用技术.北京:国防工业出版社,2016.