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傳感器的基本性能指標

日期:2021-05-25 03:38
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摘要: 基于傳感器技術的信息技術已經成為推動科學技術和國民經濟高速發展的關鍵技術,因此了解掌握傳感器的基本特性參數是很有必要的。量程、線性度、靈敏度、遲滯、重復性、精度、分辨率、零點漂移等都是傳感器的基本性能參數指標,在選用傳感器時,這些基本的性能參數指標都是需要參考的,本文將對這些基本技術指標進行一一介紹。 量程是傳感器的測量范圍,是指測量上下極限之差的值。每個傳感器都有自身的測量范圍,被測量處在這個范圍內時,傳感器的輸出信號才是有一定的準確性的,因此,量程也是用戶...

基于傳感器技術的信息技術已經成為推動科學技術和國民經濟高速發展的關鍵技術,因此了解掌握傳感器的基本特性參數是很有必要的。量程、線性度、靈敏度、遲滯、重復性、精度、分辨率、零點漂移等都是傳感器的基本性能參數指標,在選用傳感器時,這些基本的性能參數指標都是需要參考的,本文將對這些基本技術指標進行一一介紹。


 量程是傳感器的測量范圍,是指測量上下極限之差的值。每個傳感器都有自身的測量范圍,被測量處在這個范圍內時,傳感器的輸出信號才是有一定的準確性的,因此,量程也是用戶選型時,比較關注的技術指標,根據被測量選擇一款合適量程的傳感器是極為重要的。

傳感器的量程XFS、滿量程輸出值YFS、測量上限Xmax、測量下限Xmin的關系如上圖所示。



 傳感器的線性度又稱非線性誤差,是指傳感器的輸出與輸入之間的線性程度。理想的傳感器輸入-輸出關系應該是呈線性的,這樣使用起來才更為方便。但實際中的傳感器都不具備這種特性,只是不同程度的接近這種線性關系。

    實際中有些傳感器的輸入-輸出關系非常接近線性,在其量程范圍內可以直接用一條直線來擬合其輸入-輸出關系。有些傳感器則有很大的偏離,但通過進行非線性補償、差動使用等方式,也可以在工作點附近一定的范圍內用直線來擬合其輸入-輸出關系。

     選取擬合直線的方法很多,上圖表示的是用小二乘法求得的擬合直線,這是擬合精度*高的一種方法。實際特性曲線與擬合直線之間的偏差稱之為傳感器的非線性誤差δ,其*大值與滿量程輸出值YFS的比值即為線性度γL



  傳感器的靈敏度是指其輸出變化量ΔY與輸入變化量ΔX的比值,可以用k表示。對于一個線性度非常高的傳感器來說,也可認為等于其滿量程輸出值YFS與量程XFS的比值。

      靈敏度高通常意味著傳感器的信噪比高,這將會方便信號的傳遞、調理及計算。



一個傳感器即便是在工作條件不變的情況下,若其輸入量連續多次地按同一方向(從小到大或從大到小)做滿量程變化,所得到的輸出曲線也是會有不同的,可以用重復性誤差γR來表示。

    重復性誤差是一種隨機誤差,常用正行程或反行程中的大偏差ΔYmax的一半對其滿量程輸出值YFS的比值來表示。


當輸入量從小變大或從大變小時,所得到的傳感器輸出曲線通常是不重合的。也就是說,對于同樣大小的輸入信號,當傳感器處于正行程或反行程時,其輸出值是不一樣大的,會有一個差值ΔH,這種現象稱為傳感器的遲滯。 

   產生遲滯現象的主要原因包括傳感器敏感元件的材料特性、機械結構特性等,例如運動部件的摩擦、傳動機構間隙、磁性敏感元件的磁滯等等。



在測試測量過程中,出現誤差是不可避免的。誤差主要有系統誤差和隨機誤差這兩種。

引起系統誤差的原因諸如測量原理及算法固有的誤差、儀表標定不準確、環境溫度影響、材料缺陷等,可以用準確度來反映系統誤差的影響程度。

引起隨機誤差的原因有:傳動部件間隙、電子元件老化等,可以用精密度來反映隨機誤差的影響程度。

  精度則是一種反應系統誤差和隨機誤差的綜合指標,精度高意味著準確度和精密度都高。 一種較為常用的評定傳感器精度方法是用線性度、遲滯和重復性這三項誤差值的方根來表示




傳感器的分辨率代表它能探測到的輸入量變化的*小值。比如一把直尺,它的*小刻度為1mm,那么它是無法分辨出兩個長度相差小于1mm的物體的區別的。

    有些采用離散計數方式工作的傳感器,例如光柵尺、旋轉編碼器等,它們的工作原理就決定了其分辨率的大小。有些采用模擬量變化原理工作的傳感器,例如熱電偶、傾角傳感器等,它們在內部集成了A/D功能,可以直接輸出數字信號,因此其A/D的分辨率也就限制了傳感器的分辨率。

   有些采用模擬量變化原理工作的傳感器,例如電流傳感器、電渦流位移傳感器等,其輸出為模擬信號,從理論上來講它們的分辨率為無限小。但實際上,當被測量的變化值小到一定程度時,其輸出量的變化值和噪聲是處于同一水平的,已沒有意義了,這也相當于限制了傳感器的分辨率。



在傳感器的輸入量恒為零的情況下,傳感器的輸出值仍然會有一定程度的小幅變化,這就是零點漂移。引起零點漂移的原因有很多,比如傳感器內敏感元件的特性隨時間而變化、應力釋放、元件老化、電荷泄露、環境溫度變化等。其中,環境溫度變化引起的零點漂移是*為常見的現象。


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