传感器线性误差似是而非的传感器技术指标辨析（1）：精度与误差

发布时间：2024-11-25 18:11:13

似是而非的传感器技术指标辨析（1）：精度与误差

技术指标，是表征一个产品性能优劣的客观依据。对于传感器的使用者而言，看懂技术指标将有助于甄别产品质量好坏、正确选型和使用产品。对于传感器的设计者而言，理解技术指标将有助于设计合规合理的传感器产品。

传感器的技术指标总体上可以分为静态指标和动态指标两类。静态指标主要考核在被测目标静止不变（或者是被测量变化比较缓慢的准静态）条件下传感器的输入-输出性能，具体包括分辨力、重复性、灵敏度、线性度、回程误差、阈值、蠕变、稳定性等。动态指标主要考察在被测目标快速变化条件下传感器的输入-输出性能，主要包括频率响应和阶跃响应两个方面。

由于传感器的技术指标众多，各种资料文献叙述角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至可能产生误解和歧义。个别不良商家也将相近概念进行混淆、以乱视听，不同厂家之间给出的产品技术指标也是良莠不齐、鱼龙混杂。

本文针对传感器中的几对容易模糊混淆的技术指标进行详细的解读与辨析，以期对传感器的使用者和设计者提供一定的帮助。

1. 精度与误差

定义：精度是指传感器的测量值与被测量真值的接近程度，英文为Accuracy；误差是指传感器的测量值与被测量真值的偏离程度，英文为Error。

解读1 ：精度与误差是一对相反的概念。精度越高，意味着误差越小；反之，误差越大，则精度就越低。

解读2 ：精度与误差都是定性概念，严谨的表达应该仅仅是概念性的表达，例如“精度高、误差小”等。但是，在实际工作中，常常会在“精度”或“误差”一词后面带上一个数据及单位。这种表达形式也不能算错，可以称之为“定性概念的定量表达”。即，前一半是定性概念（精度或误差），后一半为该定性概念的某一种定量表达方式所对应的数值及单位。例如，“精度0.01um”，意味着这个几何量传感器的某一个精度指标可以达到0.01um。

解读3 ：一个定性概念常常可以有多个不同的定量表达方式，即可以采用多个不同的定量技术指标来表达同一个定性概念的大小与强弱。因此，当出现一个定性概念后面跟着一个定量数据的情形时，需要指明这个定量的数据到底是哪一个技术指标，否则无法明确这个定性概念到底如何，也无法进行横向的比较和对比。例如，前述的“精度0.01um”，这个量化数据“0.01um”到底是总的测量不确定度0.01um？还是非线性0.01um？还是重复性0.01um？还是分辨力0.01um？同一个数据，对于不同的技术指标而言，其所代表的精度相去甚远，因此非常有必要明确。例如如图所示的在线测厚系统精度0.01um，就是非常模糊的一个概念。

精度0.01um是何意？

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似是而非的传感器技术指标辨析（4）：非线性与非线性误差

由于传感器的技术指标众多，各种资料文献叙述角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至产生误解和歧义。个别商家也将不同概念进行混淆、以乱视听。不同厂家给出的产品技术指标良莠不齐、鱼龙混杂。

本文针对传感器中的几个容易模糊混淆的技术指标进行详细的解读与辨析。

4. 非线性与非线性误差

定义：非线性是指传感器输入输出特性曲线与理想特性直线的偏离程度，英文为Non-linearity。如图所示，理想的传感器特性曲线应为红色虚线表示的直线，而实际的传感器特性曲线为绿色实线表示的曲线，实际特性曲线与理想特性直线之间的偏离即为非线性，而每个测量点与理想特性直线的偏差Δ称之为该点的非线性误差。

非线性

算法：非线性常以全量程范围内所有测量点处非线性误差的最大值与满量程值之比来计算，即：

非线性计算公式

式中：ΔYmax为传感器实际特性曲线与理想直线的最大偏差值（即所有测量点的非线性误差最大者）， YFS为传感器的满量程测量值。

解读1 ：线性度就是表征了传感器在全量程范围内实际特性曲线与理想特性直线之间的差异程度，因此非线性是一个与全量程有关的概念。只有当被测量在全量程范围内变化的情形下，才会考虑非线性问题。如果被测量始终稳定在一个很小的范围内甚至基本保持不变，则实际的测量误差的变化也基本维持在一个固定的范围内，而且不一定是全量程范围内最大的非线性误差。

解读2 ：线性度是一个相对量，是全量程范围内最大的非线性误差与满量程的占比。而某个测量点所对应的非线性误差则是一个绝对量，其量纲与被测量相同。全量程范围内不同被测量对应的非线性误差也是不同的，通常都小于最大的非线性误差。

解读3 ：对于大多数的测量场合而言，传感器的理想特性直线是未知的，无从获取。为此，常常采用“拟合直线”的折中办法，即直接利用传感器的测量数据计算出与理想直线较为接近的一条拟合直线。具体计算方法，请参考相关文献。

解读4 ：拟合算法主要包括端点连线法、最佳直线法、最小二乘法等。需要特别指出的是，采用不同拟合方法得到的拟合直线是不同的，由此计算得到的非线性结果也注定是不同。因此，不同拟合方法得到的非线性之间不具备可比性 ，不能直接进行比较大与小。在没有特殊说明的情形下，一般默认为最小二乘法获得的拟合直线最具权威性。

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