传感器的Y值 干货 带你认识基本的传感器特性参数

干货 带你认识基本的传感器特性参数

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。

量程

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。

传感器的量程XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin的关系见下图。

灵敏度

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。

线性度

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，这样使用起来才最为方便。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，上图表示的是用最小二乘法求得的拟合直线，这是拟合精度最高的一种方法。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,其最大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL。

迟滞

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。

迟滞误差γH的具体数值一般由实验方法得到，用正反行程最大输出差值ΔHmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

重复性

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最大偏差ΔYmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

精度

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。

分辨率

传感器的分辨率代表它能探测到的输入量变化的最小值。比如一把直尺，它的最小刻度为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。

零点漂移

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最为常见的现象。

带宽

在实际应用中，大量的被测量是时间变化的动态信号，比如电流值的变化、物体位移的变化、加速度的变化等。这就要求传感器的输出量不仅要能够精确地反映被测量的大小，还要能跟得上被测量变化的快慢，这就是指传感器的动态特性。

从传递函数的角度来看，大多数传感器都可以简化为一个一阶或二阶环节，因此，通常可以用带宽来大概反映出其动态特性。

如下图所示，在传感器的带宽范围内，其输出量的幅值在一定范围内有个小幅变化（最大衰减为0.707）。因此，当输入值做正弦变化时，通常认为输出值是可以正确反映输入值的，但是当输入值变化的频率更高时，输出值将会产生明显的衰减，导致较大的测量失真。

传感器常见的技术参数

随着传感器在工业生产、农业种植、环境保护等领域的渗透和广泛应用，市场上的传感器产品种类繁多，原理和结构千差万别。如何根据具体的测量目的、测量对象和测量环境合理选择传感器，是测量某个量时首先要解决的问题。在选择合适的传感器时，能够了解传感器的技术参数有助于我们正确选择和使用产品。那么，你对传感器的一些常用技术参数了解多少呢？

1.分辨率

分辨率是指传感器在指定测量范围内可以检测到的微小变化。与分辨率不同，分辨率以百分比的形式表示传感器的分辨率，这是一个相对数。分辨率是有单位的绝对值。例如，如果温度传感器的分辨率为0.1摄氏度，满量程为500摄氏度，则其分辨率为0.1/500=0.02%。

2.灵敏度

灵敏度是指稳态运行下传感器的输出变化△y与输入变化△x之比。一般在传感器的线性范围内，灵敏度越高，对应于被测变化的输出信号值越大，更有利于信号处理。但需要注意的是，传感器的灵敏度高，容易混入与测量无关的外界噪声，然后被放大系统放大，影响测量

精度。因此，要求传感器本身应该具有高信噪比，以最小化从外部引入的干扰信号。

3.线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成比例的范围。理论上，在这个范围内，灵敏度保持不变，传感器的线性范围越宽，其测量范围就越大。但实际上，任何传感器都不可能是绝对线性的，它的线性是相对的。当要求的测量精度比较低时，在一定范围内，非线性误差小的传感器可以视为线性，便于测量。

4.稳定性

传感器在使用一段时间后保持其性能不变的能力称为稳定性。除了传感器本身的结构之外，影响传感器稳定性的主要因素是传感器的使用环境。因此，为了使传感器具有良好的稳定性，传感器必须具有很强的环境适应性。

在传感器的选择上，要考察使用环境，根据具体的使用环境选择合适的传感器，或者采取适当的措施减少环境的影响。

5.重复性

传感器的重复性是指，在相同条件下同方向重复多次测量时，测量结果之间的差异。又称重复误差、再现误差等。重复性误差越小，重复性越好，传感器的稳定性越好。

6.精度

准确度是指真值附近正负三倍标准差的值与量程比值，是指测量值与真值的差值。如果测量的目的是定性分析，可以选择重复精度高的传感器，但不应选择绝对值精度高的传感器。如果是定量分析必须得到的测量值，就要选择精度能满足要求的传感器。

7.频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，它必须在允许的频率范围内保持不失真。其实传感器的响应总是有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。频率响应高的传感器可测信号频率范围宽，而由于结构特性的影响，机械系统的惯性大，所以频响低的传感器可测信号频率较低。

8.采样频率

采样频率是指传感器在单位时间内能够采样的测量结果的数量，反映了传感器的快速响应能力。采样频率是测量数据快速变化时必须充分考虑的技术指标。

随着采样频率的不同，传感器的精度指标也随之变化。一般来说，采样频率越高，测量精度越低。但是，传感器给出的精度往往是在采样速度下甚至是静态条件下得到的测量结果。因此，在选择传感器时，必须同时考虑精度和速度。

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