如何评估传感器精度及测试系统精度
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如何评估传感器精度及测试系统精度
SY1615306段毓
误差主要来自以下几个方面：1）设备误差。它包括标准器误差，仪表误差与附件误差等。设备装置误差又可区分为机构误差，调整误差等；2）环境误差。它包括因各种环境因素（温度、湿度、气压、振动、电磁干扰、动加速度等）与要求的标准值不一致时所引起的附加误差；3）测量方法误差。它包括所依据的测量原理的误差；4）操作误差。它包括操作人员因素质与健康状况（如反应能力和控制能力，疲劳程度及其它主观精神因素等）的影响所产生的疏忽或过失误差。实际测量过程中，往往存在着多种因素的联合作用。因此，精度与误差是一个涉及面十分广泛的工程和统计学问题。[1]
参考文献
[1]王洪业. 传感器工程[M]. 国防科技大学出版社, 1997.
[2]朱蕴璞. 传感器原理及应用[M]. 国防工业出版社, 2005.
重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算 。
图3 重复性示意图
4)灵敏度
灵敏度是传感器在静态条件下输出量的变化 和与之相对应的输入量变化 的比值。如果激励和响应都是不随时间变化的常量（或变化极慢，在所观察的时间间隔内可近似为常量），则
理想的静态量测量传感器应具有单调、线性的输入输出特性，其斜率为常数。在这种情况下，传感器的灵敏度k就等于特性曲线的斜率，如图4所示，即
式中， ——各标定点上正反行程输出平均值之间的最大偏差。
图2 迟滞示意图
3)重复性
重复性表示传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次（3次以上）测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度，如图3所示。重复性误差为随机误差，引用误差表示形式为
式中， ——同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的绝对误差
图4静态灵敏度
当特性曲线无线性关系时，灵敏度的表达式为
如图5所示，它表示单位被测量的变化引起的传感器输出值的变化。
图5 静态灵敏度
5)分辨力
分辨力（又称分辨率）是指传感器能测量到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用 表示。由于传感器或测量系统在全量程范围内，各测量区间的 不完全相同，因此常用全量程范围内最大的 即 与传感器满量程输出值 之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨力，用F表示，即
精度是反映仪表误差大小的术语。
其中Fra Baidu bibliotek 为精度等级， 为最大测量误差， 为仪表量程。
仪表的等级有:0.05, 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5。
根据仪表测量所允许的最大绝对误差值来计算出仪表的精度等级，可以用一下公式进行计算：仪表精度等级=（允许绝对误差/测量范围）×100。
传感器的静态精度需经校准确定。校准是在传感器的测量范围内，用一个标准仪表进行测量结果对比，并进行读数修正和数据处理，以确定该传感器的静态精度。
常用的精度评估参数有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率和漂移等。
1)线性度。
线性度是指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。[2]它用实际输入输出特性曲线对理想输入输出特性曲线的最大偏差量与满量程输出值的百分比来表示，如图1所示。
式中， ——线性度
——满量程输出
——最大偏差
图1线性度示意图
可知， 越小，传感器的线性越好。实际工作中经常会遇到非性性较为严重的系统，此时，可以采取限制测量范围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高传感器的线性。
2)迟滞
亦称滞后量、滞后或回程误差，表征传感器在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度，如图2所示迟滞误差在数值上是用各标定点中的最大迟滞偏差 与满量程输出值 之比的百分率表示，即：
SY1615306段毓
误差主要来自以下几个方面：1）设备误差。它包括标准器误差，仪表误差与附件误差等。设备装置误差又可区分为机构误差，调整误差等；2）环境误差。它包括因各种环境因素（温度、湿度、气压、振动、电磁干扰、动加速度等）与要求的标准值不一致时所引起的附加误差；3）测量方法误差。它包括所依据的测量原理的误差；4）操作误差。它包括操作人员因素质与健康状况（如反应能力和控制能力，疲劳程度及其它主观精神因素等）的影响所产生的疏忽或过失误差。实际测量过程中，往往存在着多种因素的联合作用。因此，精度与误差是一个涉及面十分广泛的工程和统计学问题。[1]
参考文献
[1]王洪业. 传感器工程[M]. 国防科技大学出版社, 1997.
[2]朱蕴璞. 传感器原理及应用[M]. 国防工业出版社, 2005.
重复性是指标定值的分散性，是一种随机误差，可以根据标准偏差来计算 。
图3 重复性示意图
4)灵敏度
灵敏度是传感器在静态条件下输出量的变化 和与之相对应的输入量变化 的比值。如果激励和响应都是不随时间变化的常量（或变化极慢，在所观察的时间间隔内可近似为常量），则
理想的静态量测量传感器应具有单调、线性的输入输出特性，其斜率为常数。在这种情况下，传感器的灵敏度k就等于特性曲线的斜率，如图4所示，即
式中， ——各标定点上正反行程输出平均值之间的最大偏差。
图2 迟滞示意图
3)重复性
重复性表示传感器在同一工作条件下，按同一方向作全量程多次（3次以上）测量时，对于同一个激励量其测量结果的不一致程度，如图3所示。重复性误差为随机误差，引用误差表示形式为
式中， ——同一激励量对应多次循环的同向行程响应量的绝对误差
图4静态灵敏度
当特性曲线无线性关系时，灵敏度的表达式为
如图5所示，它表示单位被测量的变化引起的传感器输出值的变化。
图5 静态灵敏度
5)分辨力
分辨力（又称分辨率）是指传感器能测量到输入量最小变化的能力，即能引起响应量发生变化的最小激励变化量，用 表示。由于传感器或测量系统在全量程范围内，各测量区间的 不完全相同，因此常用全量程范围内最大的 即 与传感器满量程输出值 之比的百分率表示其分辨能力，称为分辨力，用F表示，即
精度是反映仪表误差大小的术语。
其中Fra Baidu bibliotek 为精度等级， 为最大测量误差， 为仪表量程。
仪表的等级有:0.05, 0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5。
根据仪表测量所允许的最大绝对误差值来计算出仪表的精度等级，可以用一下公式进行计算：仪表精度等级=（允许绝对误差/测量范围）×100。
传感器的静态精度需经校准确定。校准是在传感器的测量范围内，用一个标准仪表进行测量结果对比，并进行读数修正和数据处理，以确定该传感器的静态精度。
常用的精度评估参数有线性度、迟滞、重复性、灵敏度、分辨率和漂移等。
1)线性度。
线性度是指传感器的实际输入输出特性曲线对于理想线性输入输出特性的接近或偏离程度。[2]它用实际输入输出特性曲线对理想输入输出特性曲线的最大偏差量与满量程输出值的百分比来表示，如图1所示。
式中， ——线性度
——满量程输出
——最大偏差
图1线性度示意图
可知， 越小，传感器的线性越好。实际工作中经常会遇到非性性较为严重的系统，此时，可以采取限制测量范围、采用非线性拟合或非线性放大器等技术措施来提高传感器的线性。
2)迟滞
亦称滞后量、滞后或回程误差，表征传感器在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度，如图2所示迟滞误差在数值上是用各标定点中的最大迟滞偏差 与满量程输出值 之比的百分率表示，即：