传感器关键性能参数解析:量程、灵敏度、线性度等特性介绍

传感器的关键性能参数有多种,其中最为基本的特性参数有:量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽,本文将对这些参数进行一一介绍。…

范围

每种传感器都有各自的测量范围,当测量值在这个范围内时,传感器的输出信号就会具有一定的精度。

传感器的测量范围XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin之间的关系如下图所示。

灵敏度

传感器的灵敏度是指其输出变化量ΔY与其输入变化量ΔX之比,可用k表示。对于线性度很高的传感器,也可以认为等于其满量程输出值YFS与其量程XFS之比。

高灵敏度通常意味着传感器的信噪比高,这将有利于信号的传输、调理和计算。

线性

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线性的,这是使用最方便的。但实际的传感器并不具备这种特性,而只是不同程度地接近这种线性关系。

实际应用中,有些传感器的输入输出关系很接近线性,在其范围内可以用直线拟合输入输出关系。有些传感器的偏差较大,但通过非线性补偿、微分使用等方法,也可以用直线拟合工作点附近一定范围内的输入输出关系。

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选取拟合直线的方法有很多种,上图是用最小二乘法求出的拟合直线,这是目前拟合精度最高的方法。实际特性曲线与拟合直线的偏差称为传感器的非线性误差δ,其最大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL。

滞后

当输入由小变大或由大变小时,传感器的输出曲线通常不重叠。也就是说,对于同一个输入信号,当传感器处于正行程或反行程时,其输出值是不同的,会有一个差值ΔH。这种现象称为传感器的迟滞。

产生迟滞现象的原因主要有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、传动机构的间隙、磁敏感元件的迟滞等。

磁滞误差γH的具体值一般用实验方法获得,以正、反向冲程的最大输出差ΔHmax的一半与其满量程输出值YFS的比值来表示。

重复性

即使传感器的工作条件不变,如果它的输入连续多次以同一方向(从小到大或从大到小)改变满量程,则所得到的输出曲线也会有所不同,可以用重复性误差γR来表示。

重复性误差是一种随机误差,通常用正向或反向行程中最大偏差ΔYmax的一半与其满量程输出值YFS之比来表示。

准确性

在测试测量过程中,误差是不可避免的,误差主要有两类:系统误差和随机误差。

造成系统误差的原因包括测量原理和算法本身的误差、仪器校准不准确、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。

产生随机误差的原因有:传动件间的间隙,电子元器件的老化等,可以用精度来反映随机误差的影响。

精密度是反映系统误差与随机误差的综合指标,精密度高即表示准确度高、精密度高。

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评价传感器精度比较常用的方法是将其表示为线性度、迟滞性和重复性三个误差值的平方根。

解决

传感器的分辨率表示它能够检测到的输入量的最小变化。例如,最小刻度为 1 毫米的尺子无法区分长度差异小于 1 毫米的两个物体。

有些工作在离散计数方式的传感器,如光栅尺、旋转编码器等,其分辨率是由其工作原理决定的;有些工作在模拟量变化原理的传感器,如热电偶、倾角传感器等,由于其内部集成了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,如电流传感器、电涡流位移传感器等,输出的是模拟信号,理论上它们的分辨率是无穷小的。但实际上,当测量的变化值小到一定程度时,输出量的变化值和噪声处于同一水平,是没有意义的,相当于限制了传感器的分辨率。

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零点漂移

当传感器输入始终为零时,传感器输出值仍会发生一定程度的微小变化,这就是零漂。引起零漂的原因有很多,如传感器中敏感元件特性随时间变化、应力释放、元件老化、电荷漏泄、环境温度变化等。其中,因环境温度变化引起的零漂是最常见的现象。

带宽

在实际应用中,大量的测量值都是随时间变化的动态信号,例如电流值的变化、物体位移的变化、加速度的变化等等。这就要求传感器的输出不仅要准确地反映测量值的大小,而且还要能跟上测量值变化的快慢,这就指传感器的动态特性。

从传递函数的角度看,大多数传感器可以简化为一阶或二阶环节,因此通常可以用带宽来粗略地反映其动态特性。

如下图所示,在传感器的带宽内,其输出的幅度在一定范围内变化很小(最大衰减为0.707)。因此,当输入值呈正弦变化时,一般认为输出值能够正确反映输入值,但当输入值变化的频率较高时,输出值就会出现明显的衰减,从而导致较大的测量失真。

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