传感器特性(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室
传 感 器 特 性 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室
目录1、传感器的特性2、传感器的线性度3、传感器的迟滞4、传感器的重复性5、传感器的灵敏度6、传感器的精度7、传感器的漂移8、传感器的分辨率9、传感器的稳定性10、传感器的可靠性
目 录 1、传感器的特性 2、传感器的线性度 3、传感器的迟滞 4、传感器的重复性 5、传感器的灵敏度 6、传感器的精度 7、传感器的漂移 8、传感器的分辨率 9、传感器的稳定性 10、传感器的可靠性
1、传感器的特性传感器特性包括多个方面，如响应特性、关于输入量的特性、对仪器和环境的要求：可靠性和易行性、性价比及其它诸多特性。在对传感器的应用过程中，我们最关心的还是传感器的响应特性、可靠性和易行性和对环境的要求三方面。传感器的响应特性主要指输出与输入之间的关系。它包括静态响应特性和动态响应特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按准确的规律转换：动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。静态特性是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。衡量传感器静态特性的重要指标有：精度、线性度、灵敏度、分辨率、重复性、回差（退滞）性、漂移及稳定性等八方面。传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）；环境温度一般为室温20±5℃；相对湿度不大于85%；大气压力为760±60mmHg（101327±7800Pa）的情况。在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环测试，得到的输出一输入数据一般用表格列出或画成曲线。2、传感器的线性度（非线性误差）线性是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度（输出与输入之间保持常值比例关系的程度）。线性的好坏用线性度（也称非线性误差）表示。传感器的线性度（非线性误差）是用传感器校准曲线（标定曲线）与其理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比的百分数来表示，即：△max×100%e,=±YF-s式中：e，一一非线性误差（线性度)；
1、传感器的特性 传感器特性包括多个方面，如响应特性、关于输入量的特性、对仪器和环境 的要求；可靠性和易行性、性价比及其它诸多特性。 在对传感器的应用过程中，我们最关心的还是传感器的响应特性、可靠性和 易行性和对环境的要求三方面。 传感器的响应特性主要指输出与输入之间的关系。它包括静态响应特性和动 态响应特性。为了降低或消除传感器在测量控制系统中的误差，传感器必须具有 良好的静态和动态特性，才能使信号（或能量）按准确的规律转换。 动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。 静态特性是指传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之 间的关系。衡量传感器静态特性的重要指标有：精度、线性度、灵敏度、分辨率、 重复性、回差(迟滞)性、漂移及稳定性等八方面。 传感器的静态特性是在静态标准条件下进行校准（标定）的。 静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测量）； 环境温度一般为室温 20±5℃；相对湿度不大于 85%；大气压力为 760±60mmHg （101327±7800Pa）的情况。 在这种标准工作状态下，利用一定等级的校准设备，对传感器进行反复循环 测试，得到的输出—输入数据一般用表格列出或画成曲线。 2、传感器的线性度（非线性误差） 线性是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度（输出 与输入之间保持常值比例关系的程度）。 线性的好坏用线性度（也称非线性误差）表示。 传感器的线性度（非线性误差）是用传感器校准曲线（标定曲线）与其理论 拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比的百分数来表示，即： 100% max = Fs f Y e 式中： f e ——非线性误差（线性度）；
△max一一校准曲线与拟合直线间的最大偏差；YF一一传感器满量程输出。静态校准：在静态标准条件下，用实验来确定被测量的实际值和测量装置示值之间的函数关系的过程称为静态校准。所得到的关系曲线称为校准曲线。即校准曲线是指传感器在静态标准条件下，利用校准设备进行测试所得到的输出一输入关系曲线。通常校准曲线并非直线。为了使用简便，总是以线性关系来代替实际关系，为此，需用直线来拟合校准曲线。校准曲线接近拟合直线的程度就是线性度，作为技术指标，则采用非线性误差来表示。由此可知：非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理论直线为基准直线算出来的，因而拟合（基准）直线不同，所得线性度也不同。例如，以理论直线作为基准直线的，称为理论线性度：以连接零点输出和满量程输出的直线作为基准直线的称为端基线性度：以平均选点法获得的拟合直线作为基准直线的称为平均选点线性度：以最小二乘法拟合直线作为基准直线的称为最小二乘法线性度。在上述几种线性度的表示方法中，最小二乘法线性度的拟合精度最高，平均选点线性度次之，端基线性度最低，但最小二乘法线性度的计算最繁琐，在数据较多情况下，最好用计算机进行计算。所以对同一传感器，得出它的线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的基准直线。线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都希望输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节：此外，当线性的传感器作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分析得到简化。3、传感器的迟滞迟滞：指传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其两条输出一输入特性曲线不重合的程度。迟滞误差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
max ——校准曲线与拟合直线间的最大偏差； YFs ——传感器满量程输出。 静态校准：在静态标准条件下，用实验来确定被测量的实际值和测量装置 示值之间的函数关系的过程称为静态校准。所得到的关系曲线称为校准曲线。 即校准曲线是指传感器在静态标准条件下，利用校准设备进行测试所得到 的输出—输入关系曲线。 通常校准曲线并非直线。为了使用简便，总是以线性关系来代替实际关系， 为此，需用直线来拟合校准曲线。校准曲线接近拟合直线的程度就是线性度，作 为技术指标，则采用非线性误差来表示。 由此可知：非线性误差的大小是以一定的拟合直线或理论直线为基准直线算 出来的，因而拟合（基准）直线不同，所得线性度也不同。 例如，以理论直线作为基准直线的，称为理论线性度；以连接零点输出和满 量程输出的直线作为基准直线的称为端基线性度；以平均选点法获得的拟合直线 作为基准直线的称为平均选点线性度；以最小二乘法拟合直线作为基准直线的称 为最小二乘法线性度。在上述几种线性度的表示方法中，最小二乘法线性度的拟 合精度最高，平均选点线性度次之，端基线性度最低，但最小二乘法线性度的计 算最繁琐，在数据较多情况下，最好用计算机进行计算。 所以对同一传感器，得出它的线性度或非线性误差，必须同时说明所依据的 基准直线。 线性度反映了输出量与输入量之间保持线性关系的程度。一般来说，人们都 希望输出与输入之间呈线性关系。因为在线性情况下，模拟式仪表的刻度就可以 做成均匀刻度，而数字式仪表就可以不必采用线性化环节；此外，当线性的传感 器作为控制系统的一个组成部分时，它的线性性质常常可使整个系统的设计分析 得到简化。 3、传感器的迟滞 迟滞：指传感器正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间，其两条输出 —输入特性曲线不重合的程度。 迟滞误差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其输出值间的最大偏差。文称回程误差、滞后误差或变差。回差表示传感器在输入值增长的过程中（正行程和减少的过程中（逆行程），同一输入量时输出值的差别。也就是说，在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的输入信号，传感器在正、反行程时输出信号的大小不相等。退滞的大小一般由实验确定，其值用满量程输出的百分数表示即：△max×100%e.=±YF-S式中：e.一一迟滞误差；Amax一一输出值在正、反行程间的最大偏差值；YF一一传感器满量程输出。理想测量装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，不管输入由小增大，还是由大减小，对一个给定的输入，输出总是相同的，但实际测量装置在同样的测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输出量却往往存在着差值，即回程误差。迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承磨擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀或碎裂及积塞灰尘等。迟滞现象的产生，主要是由于测量装置内有吸收能量的元件（如弹性元件等）存在看间隙、内摩擦和滞后阻尼效应，使得加载时进入这些元件的全部能量，在卸载时不能完全恢复。4、传感器的重复性重复性：指在同一工作条件下，传感器输入量在同一方向（增加或减小）作全量程连续重复测量时所得输出一输入特性曲线不一致的程度。其指标用重复性误差表示：分别求出沿正、反行程多次循环测量的各个测试点输出值之间的最大偏差△ml和△m2，再取这两个最大偏差中较大者为△max，然后根据与满量程输出之比来计算重复性误差。即：
同一输入量的正行程和反行程其输出值间的最大偏差。又称回程误差、滞后误差 或变差。 回差表示传感器在输入值增长的过程中(正行程)和减少的过程中(逆行程)，同 一输入量时输出值的差别。 也就是说，在外界条件不变的情况下，对应于同一大小的输入信号，传感器 在正、反行程时输出信号的大小不相等。 迟滞的大小—般由实验确定，其值用满量程输出的百分数表示即： 100% max = FS z Y e 式中： z e ——迟滞误差； max ——输出值在正、反行程间的最大偏差值； YFs ——传感器满量程输出。 理想测量装置的输出、输入有完全单调的一一对应关系，不管输入由小增大， 还是由大减小，对一个给定的输入，输出总是相同的，但实际测量装置在同样的 测试条件下，当输入量由小增大和由大减小时，对于同一输入量所得到的两个输 出量却往往存在着差值，即回程误差。 迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷，如轴承磨擦、间隙、 螺钉松动、元件腐蚀或碎裂及积塞灰尘等。 迟滞现象的产生，主要是由于测量装置内有吸收能量的元件(如弹性元件等)， 存在着间隙、内摩擦和滞后阻尼效应，使得加载时进入这些元件的全部能量，在 卸载时不能完全恢复。 4、传感器的重复性 重复性：指在同一工作条件下，传感器输入量在同一方向(增加或减小)作全 量程连续重复测量时所得输出—输入特性曲线不一致的程度。 其指标用重复性误差表示：分别求出沿正、反行程多次循环测量的各个测试 点输出值之间的最大偏差 Δm1 和 Δm2，再取这两个最大偏差中较大者为 Δmax，然 后根据与满量程输出之比来计算重复性误差。即：