深入了解传感器特性的分析介绍

传感器的正确选用是保证不失真测量的首要环节，因而在选用传感器之前，掌握传感器的基本特性是必要的。下面介绍传感器的性能指标参数和合理选用传感器的注意事项。

1）灵敏度

传感器的灵敏度高，意味着传感器能感应微弱的变化量，即被测量有一微小变化时，传感器就会有较大的输出。但是，在选择传感器时要注意合理性，因为一般来讲，传感器的灵敏度越高，测量范围往往越窄，稳定性会越差。

传感器的灵敏度指传感器达到稳定工作状态时，输出变化量与引起变化的输入变化量之比，即

线性传感器的校准曲线的斜率就是静态灵敏度；对于非线性传感器的灵敏度，它的数值是最小二乘法求出的拟合直线的斜率。

2）响应特性

传感器的动态性能是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。它是传感器的输出值能真实再现变化着的输入量的能力反映，即传感器的输出信号和输入信号随时间的变化曲线希望一致或相近。

传感器的响应特性良好，意味着传感器在所测的频率范围内满足不失真测量的条件。另外，实际传感器的响应过程总有一定的延迟，但希望延迟的时间越小越好。

一般来讲，利用光电效应、压电效应等物理特性的传感器，其响应时间短，工作频率范围宽。而结构型传感器，如电感和电容传感器等，由于受到结构特性的影响，往往由于机械系统惯性质量的限制，它们的响应时间要长些，固有频率要低些。

在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响，应充分考虑被测量的变化特点（如稳态、瞬态、随机）来选用传感器。

3）线性范围

任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内它的输出与输入呈线性关系。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大。

传感器工作在线性范围内是保证测量精确度的基本条件。例如，机械式传感器中的弹性元件，它的材料弹性极限是决定测力量程的基本因素。当超过弹性极限时，传感器就将产生非线性误差。

任何传感器很难保证做到绝对的线性，在某些情况下，在许可限度内，也可以在近似线性区域内使用。例如，变间隙的电容式、电感式传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区工作。在这种情况下选用传感器时，必须考虑被测量的变化范围，保证传感器的非线性误差在允许范围内。

传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到的输入与输出特性列表或曲线。人们通常希望这个特性曲线是线性的，这样会对标定和数据处理带来方便。但实际的输入与输出特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图2－3所示。

图2－3　传感器线性度示意图

所谓线性度是指传感器的实际输入与输出曲线（校准曲线）与拟合直线之间的吻合（偏离）程度。选定拟合直线的过程就是传感器的线性化过程。实际曲线与它的两个端尖连线（称为理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标，如式（2－2）所示：

式中，eL为线性度（非线性误差），ΔLmax为校准曲线与拟合直线间的最大差值，yFS为满量程输出值。

4）稳定性

稳定性表示传感器经过长期使用之后，输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。(www.xing528.com)

为了保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适类型的传感器。例如对于电阻应变式传感器而言，湿度会影响到它的绝缘性，温度会影响零漂；光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时，会改变感光性能，带来测量误差。

当要求传感器在比较恶劣的环境下工作时，这时传感器的选用必须优先考虑稳定性。

5）重复性

重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性，在数值上用各测量值正反行程标准偏差最大值的两倍或三倍于满量程yFS的百分比来表示，如式（2－4）所示：

式中，δ为标准偏差，Yi为测量值，为测量值的算术平均值。

6）漂移

由于传感器内部因素或在外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。输入状态为零时的漂移称为零点漂移（简称零漂）。传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值）。零漂可表示如下：

式中，ΔY0为最大零点偏差（或相应偏差）。

在其他因素不变的情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移。随着温度变化产生的漂移称为温度漂移，它表示当温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃时，输出的最大偏差与满量程的百分比来表示。

7）精度

传感器精度指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度来表示重复某个读数的能力，其误差越小则传感器精度越高。传感器精度表示为传感器在规定条件下，允许的最大绝对误差相对传感器满量程输出的百分数，如式（2－6）所示：

式中，ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。

精度表示测量结果和“真值”的靠近程度，一般采用校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其他更精确的仪器或工作基准来给出。相关国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分7级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级的确定方法是首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。

8）分辨率（力）

分辨力是指能检测出的输入量的最小变化量，即传感器能检测到的最小输入增量。在输入零点附近的分辨力称为阈值，即产生可测输出变化量时的最小输入量值。如图2－4所示，图2－4（a）为非线性输出结果，图2－4（b）为线性输出结果，其中的X0均表示可以开始检测的最小输出值。数字式传感器一般用分辨率表示，分辨率是指分辨力／满量程输入值。

图2－4　传感器输出的阈值示例

9）迟滞

迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准中对应同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。它表示传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输入与输出特性曲线的不重合程度，数值用最大偏差（ΔAmax）或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，分别表示如下：