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传感器的基本性能指标

日期:2020-08-14 15:19
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摘要: 基于传感器技术的信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术,因此了解掌握传感器的基本特性参数是很有必要的。量程、线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移等都是传感器的基本性能参数指标,在选用传感器时,这些基本的性能参数指标都是需要参考的,本文将对这些基本技术指标进行一一介绍。 量程是传感器的测量范围,是指测量上下极限之差的值。每个传感器都有自身的测量范围,被测量处在这个范围内时,传感器的输出信号才是有一定的准确性的,因此,量程也是用户...

基于传感器技术的信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术,因此了解掌握传感器的基本特性参数是很有必要的。量程、线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移等都是传感器的基本性能参数指标,在选用传感器时,这些基本的性能参数指标都是需要参考的,本文将对这些基本技术指标进行一一介绍。


 量程是传感器的测量范围,是指测量上下极限之差的值。每个传感器都有自身的测量范围,被测量处在这个范围内时,传感器的输出信号才是有一定的准确性的,因此,量程也是用户选型时,比较关注的技术指标,根据被测量选择一款合适量程的传感器是极为重要的。

传感器的量程XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin的关系如上图所示。



 传感器的线性度又称非线性误差,是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想的传感器输入-输出关系应该是呈线性的,这样使用起来才更为方便。但实际中的传感器都不具备这种特性,只是不同程度的接近这种线性关系。

    实际中有些传感器的输入-输出关系非常接近线性,在其量程范围内可以直接用一条直线来拟合其输入-输出关系。有些传感器则有很大的偏离,但通过进行非线性补偿、差动使用等方式,也可以在工作点附近一定的范围内用直线来拟合其输入-输出关系。

     选取拟合直线的方法很多,上图表示的是用小二乘法求得的拟合直线,这是拟合精度*高的一种方法。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称之为传感器的非线性误差δ,其*大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL



  传感器的灵敏度是指其输出变化量ΔY与输入变化量ΔX的比值,可以用k表示。对于一个线性度非常高的传感器来说,也可认为等于其满量程输出值YFS与量程XFS的比值。

      灵敏度高通常意味着传感器的信噪比高,这将会方便信号的传递、调理及计算。



一个传感器即便是在工作条件不变的情况下,若其输入量连续多次地按同一方向(从小到大或从大到小)做满量程变化,所得到的输出曲线也是会有不同的,可以用重复性误差γR来表示。

    重复性误差是一种随机误差,常用正行程或反行程中的大偏差ΔYmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。


当输入量从小变大或从大变小时,所得到的传感器输出曲线通常是不重合的。也就是说,对于同样大小的输入信号,当传感器处于正行程或反行程时,其输出值是不一样大的,会有一个差值ΔH,这种现象称为传感器的迟滞。 

   产生迟滞现象的主要原因包括传感器敏感元件的材料特性、机械结构特性等,例如运动部件的摩擦、传动机构间隙、磁性敏感元件的磁滞等等。



在测试测量过程中,出现误差是不可避免的。误差主要有系统误差和随机误差这两种。

引起系统误差的原因诸如测量原理及算法固有的误差、仪表标定不准确、环境温度影响、材料缺陷等,可以用准确度来反映系统误差的影响程度。

引起随机误差的原因有:传动部件间隙、电子元件老化等,可以用精密度来反映随机误差的影响程度。

  精度则是一种反应系统误差和随机误差的综合指标,精度高意味着准确度和精密度都高。 一种较为常用的评定传感器精度方法是用线性度、迟滞和重复性这三项误差值的方根来表示




传感器的分辨率代表它能探测到的输入量变化的*小值。比如一把直尺,它的*小刻度为1mm,那么它是无法分辨出两个长度相差小于1mm的物体的区别的。

    有些采用离散计数方式工作的传感器,例如光栅尺、旋转编码器等,它们的工作原理就决定了其分辨率的大小。有些采用模拟量变化原理工作的传感器,例如热电偶、倾角传感器等,它们在内部集成了A/D功能,可以直接输出数字信号,因此其A/D的分辨率也就限制了传感器的分辨率。

   有些采用模拟量变化原理工作的传感器,例如电流传感器、电涡流位移传感器等,其输出为模拟信号,从理论上来讲它们的分辨率为无限小。但实际上,当被测量的变化值小到一定程度时,其输出量的变化值和噪声是处于同一水平的,已没有意义了,这也相当于限制了传感器的分辨率。



在传感器的输入量恒为零的情况下,传感器的输出值仍然会有一定程度的小幅变化,这就是零点漂移。引起零点漂移的原因有很多,比如传感器内敏感元件的特性随时间而变化、应力释放、元件老化、电荷泄露、环境温度变化等。其中,环境温度变化引起的零点漂移是*为常见的现象。