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2023-11-19
传感器静态与动态特性的基本指标
【摘要】：传感器的特性主要是指输入与输出的关系，分为静态特性和动态特性。传感器的静态特性可用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、重复性、精度和漂移等。在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。传感器同大小输入信号的正反行程输出信号大小不等，这个差值称为迟滞差值。
传感器的特性主要是指输入与输出的关系，分为静态特性和动态特性。静态特性是指被测量为常量或变换极慢，即被测量的值处于稳定状态时输入与输出的关系。动态特性是指输入量随时间变化的特性。动态特性的研究方法与控制理论的研究方法相似，本章不再重复，这里仅介绍静态特性的一些指标。
传感器的静态特性可用一组性能指标来描述，如线性度、灵敏度、分辨力、迟滞、重复性、精度和漂移等。
1.线性度
线性度是指传感器的输出量和输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。
传感器的线性度常用在全程测量范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值ΔLmax 与满量程输出值YFS之比表示，即
式中 ΔLmax——最大非线性绝对误差；
YFS——满量程输出值。
图1-5 线性度
从传感器的性能看，希望输入输出特性曲线具有线性关系，但实际遇到的传感器大多为非线性，如图1-5所示。因此，常常选用拟合直线代替实际曲线。拟合直线的选取有多种方法，常用的拟合方法有：① 理论拟合；② 过零旋转拟合；③ 端点连线拟合；④ 端点平移拟合；⑤ 最小二乘法拟合等（见图1-6）。选择拟合直线的出发点是获得最小的非线性误差，考虑是否使用方便、计算简便。通常用最小二乘法求取拟合直线，应用此方法拟合的直线与实际曲线的所有点的平方和最小，其线性误差较小。
图1-6 几种直线拟合方法
2.灵敏度
灵敏度是指输出增量yΔ与引起输出量增量yΔ变化的输入增量xΔ之比，它反映了测量仪表对被测参数变化的响应能力，常用S表示灵敏度，即
灵敏度S值越大表示传感器越灵敏。
线性传感器的灵敏度就是它的静态特性的斜率，其灵敏度S在整个测量范围内为常量，如图1-7（a）所示。而非线形传感器的灵敏度为一变量，用S=dy/dx表示，实际上就是输入输出特性曲线上某点的斜率，且灵敏度随输入量的变化而变化，如图1-7（b）所示。
图1-7 传感器的灵敏度图
3.分辨力
传感器的分辨力是指在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。分辨力可用绝对值表示，也可以用满量程的百分数表示。当被测量变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。
在传感器输入零点附近的分辨力称为阈值。
4.迟滞
迟滞是指传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输入输出特性曲线不重合的现象。迟滞特性曲线如图1-8所示，一般由实验方法获得。传感器同大小输入信号的正反行程输出信号大小不等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大迟滞差值与满量程输出值之比称为迟滞误差，用γH表示，即
迟滞误差又称回差和变差。
图1-8 迟滞特性
图1-9 重复性
5.重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向做全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度（见图1-9）。重复性误差属于随机误差，常用标准差计算，也可用正反行程中最大重复差值计算，即
或
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