传感器动态和静态主要技术指标

什么是传感器的静态特性和动态特性

1、静态特性：指传感器本身具有的特征特点。

研究的几个主要指标有：线性度、精度、重复性、温漂等，通俗讲就是：非线性误差大小、线性误差大小如何、多次应用好坏、受温度变化误差大小等等；

2、动态特性：指传感器在应用中输入变化时，它的输出的特性。

常用它对某些标准输入信号的响应来表示，即自控理论中的传递函数。实际工作中，便于工程项目中的采集、控制。

传感器的静态特性是通过各静态性能指标来表示的，它是衡量传感器静态性能优劣的重要依据。静态特性是传感器使用的重要依据，传感器的出厂说明书中一般都列有其主要的静态性能指标的额定数值。

传感器可完成将某一输入量转换为可用信息，因此，总是希望输出量能不失真的反映输入量。在理想情况下，输出输入给出的是线性关系，但在实际工作中，由于非线性（高次项的影响）和随机变化量等因素的影响，不可能是线性关系。

所以，衡量一个传感器检测系统静态特性的主要技术指标有：灵敏度、分辨率、线性度、迟滞（滞环）、重复性。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

动态特性：当系统运行时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。

无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x（t）、系统传输特性h（t）和输出y（t）三者之间的关系。动态特性即输入量与输出量之间的传递函数。

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。

这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

传感器动态和静态主要技术指标

针对传感器的几个主要技术指标进行解读：

1、分辨力与分辨率：

定义：分辨力（ResoluTIon）是指传感器能够检测出的被测量的最小变化量。分辨率（ResoluTIon） 是指分辨力与满量程值之比。

解读1：分辨力是传感器的最基本的指标，它表征了传感器对被测量的分辨能力。传感器的其他技术指标都是以分辨力作为最小单位来描述的。

对于具有数显功能的传感器以及仪器仪表，分辨力决定了测量结果显示的最小位数。例如：电子数显卡尺的分辨力是0.01mm，其示指误差为±0.02mm。

解读2：分辨力是一个具有单位的绝对数值。例如，某温度传感器的分辨力为0.1℃，某加速度传感器的分辨力是0.1g等。

解读3：分辨率是与分辨力相关而且极为相似的概念，都表征了传感器对被测量的分辨能力。

二者主要区别在于：分辨率是以百分数的形式表示传感器的分辨能力，它是相对数，没有量纲。例如上述温度传感器的分辨力为0.1℃，满量程为500℃，则其分辨率为0.1/500=0.02%。

2、重复性：

定义：传感器的重复性（Repeatability）是指在同一条件下、对同一被测量、沿着同一方向进行多次重复测量时，测量结果之间的差异程度。也称重复误差、再现误差等。

解读1：传感器的重复性必须是在相同的条件下得到的多次测量结果之间的差异程度。如果测量条件发生变化，测量结果之间的可比性消失，不能作为考核重复性的依据。

解读2：传感器的重复性表征了传感器测量结果的分散性和随机性。而产生这种分散性和随机性的原因，是因为传感器内部和外部不可避免地存在各种各样的随机干扰，导致传感器的最终测量结果表现为随机变量的特性。

解读3：重复性的定量表述方法，可以采用随机变量的标准差。

解读4：对于多次重复测量情形而言，如果以全部测量结果的平均值作为最终测量结果，则可以得到更高的测量精度。因为平均值的标准差显著小于每个测量结果的标准差。

3、线性度：

定义：线性度（Linearity）是指传感器输入输出曲线与理想直线的偏离程度。

解读1：理想的传感器输入输出关系应该是线性，其输入输出曲线应该是一条直线（如下图中的红色直线）。

但是，实际上的传感器或多或少都存在各种各样的误差，导致实际的输入输出曲线并非是理想的直线，而是一条曲线（如下图中绿色曲线）。

线性度就是表征了传感器实际特性曲线与离线直线之间的差异程度，也称非线性度或非线性误差。

解读2：由于在不同大小的被测量情况下传感器实际特性曲线与理想直线之间的差异是不同的，因此常常以全量程范围内二者差异的最大值与满量程值之比。显然，线性度也是一个相对量。

解读3：由于对于一般测量场合而言，传感器的理想直线是未知的，无从获取。为此，常常采用折中的办法，即直接利用传感器的测量结果计算出与理想直线较为接近的拟合直线。具体计算方法包括端点连线法、最佳直线法、最小二乘法等。

4、稳定性：

定义：稳定性（Stability）是指传感器在一段时间内保持其性能的能力。

解读1：稳定性是考察传感器在一定时间范围内是否稳定工作的主要指标。而导致传感器不稳定的因素，主要包括温度漂移和内部应力释放等因素。因此，增加温度补偿、增加时效处理等措施，对提高稳定性是有帮助的。

解读2：根据时间段的长短不同，稳定性可以分为短期稳定性和长期稳定性。当考察时间过短时，稳定性与重复性相接近。因此，稳定性指标主要考察长期稳定性。具体时间的长短，依据使用环境和要求来确定。

解读3：稳定性指标的定量表示方法，既可以采用绝对误差，也可以使用相对误差。例如，某应变式力传感器的稳定性为0.02%/12h。

5、采样频率：

定义：采样频率（Sample Rate）是指传感器在单位时间内可以采样的测量结果的多少。

解读1：采样频率反映了该传感器的快速反应能力，是动态特性指标中最重要的一个。对于被测量快速变化的场合，采样频率是必须要充分考虑的技术指标之一。依据香农采样定律，传感器的采样频率应不低于被测量变化频率的2倍。

解读2：随着采用频率的不同，传感器的精度指标也相应有所变化。一般而言，采样频率越高，测量精度越低。

而传感器给出的最高精度往往是在最低采样速度下甚至是在静态条件下得到的测量结果。因此，在传感器选型时必须兼顾精度与速度两个指标。

深视课堂丨线性度是什么？一文带您读懂传感器的重要指标

线性度是描述传感器静态特性的一个重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提。那么，如何精确测量传感器线性度？影响线性度的因素又有哪些？

本期内容，深Sir将以深视智能激光位移传感器SD33-30产品 为大家展示线性度的测试方法 以及讲解可能影响线性度的因素 。

图 | SD系列激光位移传感器

线性度的测试方法

以点激光SD33-30为例

传感器输出信号与所测量物理量之间的线性关系的程度 ，通常用百分比或者最大误差的形式来表示。通俗地说，传感器的线性度即为传感器的测量值 与被测位置真实位移值 的偏差 。

图 | 线性度测量公式

PART01测试准备

准备过程：两个1.03mm的标定块，1个深视智能SD33-30，24V电源。

图 | 实物图

PART02测试过程

将传感器固定在机台静止不动，选取两块标定块叠成十字形状并压紧，再将传感器光斑打在底部标定块表面作为基准面，并确保高度处于景深上极限位置。

图 | 测量图

再将传感器光斑调整至顶部标准块表面，计算出两次测量的高度差。此时，传感器测出的高度差与标准块厚度的差值即为当前景深位置的真实值误差。

图 | 效果图

保持传感器安装高度不变，更换不同厚度的标定块。重复进行上述步骤，在全量程范围测试高度差。测量的最终结果即传感器全景深范围内的线性度。

# 可能影响线性度的因素 #

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