项目一(2) 传感器的主要性能指标

项目一（2）认识传感器

一、传感器的主要性能指标

1.传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

（1）传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

（2）传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△y对输入量变化△x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。

当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

（3）传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不

会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。

（4）传感器的迟滞

迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值△MAX与满量程输出F?S的百分比表示。如图A-3所示。

迟滞现象的主要原因是传感器的机械部分不可避免地存在着间隙、摩擦与松动；它也可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。

2．传感器的动态特性

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。

二、测量误差及其分类

任何测量都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准。传感器也不例外，所

谓传感器的误差就是传感器的实际输出值与理论输出值的差值。因此在设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定的误差范围之内。

1.传感器的基本误差

但传感器的定义得知，传感器可将未知的物理量转换成可知的电信号，传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。

（1）真值。被测量本身所具有的真实量值称之为真值。量的真值是一个理想的概念，一般是不知道的。但在某些特定情况下，真值又是可知的，例如一个整圆的圆周角是3600等。

（2）约定真值。由于真值往往是未知的，所以一般用基准器的量值来代替真值，称作约定真值，它与真值之差可以忽略不计。

（3）实际值。误差理论指出，在排除了系统误差的前提下，对于精度测量，当测量次数为无限多时，测量结果的算数平均值接近于真值，因而可将它视为被测量的真值。但是测量次数是有限的，故按有限测量次数得到的算数平均值只是统计平均值的近似值。而且由于系统误差不可能完全被排除掉，故通常只能把精度更高一级的标准器具所测得的值作为“真值”。为了强调它并非是真正的“真值”。故把它称为实际值。

（4）标称值。测量器具上所标出来的数值。

（5）示值。由测量器具读数装置指示出来的被测量的数值。

（6）测量误差。用器具进行测量时，所测量出来的数值与被测量的实际值之间的差值。

2.误差的分类

在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析和研究误差的性质、特点和消除方法，下面将对各种误差进行分类讨论。

（1）按表示方法分类。分成绝对误差和相对误差。绝对误差是指示值与约定真值的差值。采用绝对误差表示测量误差不能很好地说明测量质量的好坏。例如，在温度测量时，绝对误差⊿=10C，对体温测量来说是不允许的，而对钢水温度来说是极好的测量结果，所以用相对误差可以比较客观地反映测量的准确性。

绝对误差的表示方法：

真值:A0指示值: A x仪表满量程:A Fs=A max-A min

绝对误差: △ = A x-A0

实例：A0＝１０kg，Ａx =10.1kg △=0.1kg

A0＝１００kg，Ａx =100.5kg △=0.5kg

比较（１）０.１／１０（２）０.５／１００

相对误差: rA = △ /A0*100%

课堂练习

实验室两个组测量直流电源的电压，各组电源的电压（真值）分别为10V、15V。1，2组测量的数据分别为： 10.3V；15.4V。

用计算说明（1）哪个组测量的绝对误差大？

（2）评判两个组的测量准确性？（优劣）

相对误差的表示方法：

相对误差: r A = △ /A0*100% 分为以下三种情况

实际(基本)相对误差: r A

示值(标称)相对误差:r x = △/A x×100% 真值的特性

满度(引用)相对误差:r m = △/A Fs×100% 仪表的特性

传感器(仪表)的准确度等级:

Ｓ＝最大满度相对误差

即：Ｓ＝△ max /A Fs×100 （称为：xx级）

国标中规定：0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5;等

举例

待测电压70V，表（1）0.5级、0~500V，表（2）1.0级、0~100V

通过计算说明选用哪个表测量误差较小？

解：|△m1| = 0.5% X 500 =2.5 伏

|△m2| = 1.0% X 100 =1 伏

可见，应选择表（2）。

练习题

１．某温度计测量范围为０～２００℃，精度

为０.５级．求：

（１）该表可能出现的最大绝对误差

（２）当指示值分别为２０℃、１００℃时的示值相对误差

2. 要测量240V电压，要求测量的示值相对误差不大于0.6%，问若选用250V量程的电压表，其精度应为多少？若选用500V量程的电压表，其精度又应为多少？