北航_如何评估传感器及测量系统的精度

如何评估传感器及测量系统的精度

1.如何评估传感器的精度

传感器的精度是指传感器的总误差δ与满程输出U H的百分比值，即：

δ

H

×100%

通常用线性度、迟滞性、重复性、灵敏度、分辨率和漂移等表示其精度。

1.1.线性度

线性度是指传感器的输出与输入成线性关系的成度。传感器的理想输入输出曲线特性应该是线性的，但是传感器的实际输入输出特性大都具有一定程度的非线性，在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、断点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段，这就是传感器非线性特性的线性化。

传感器的线性度一般用非线性误差表示，即实际的工作特性曲线与理想的线性特性曲线的偏离程度。通常以最大偏移量∆max与而定输出值S N的百分比值表示，即：

δ1=±∆max

N

×100%

示意图如图1所示：

图1线性度示意图

1.2.迟滞性

迟滞也叫回程误差，是指在相同测量条件下，对应于同一大小的输入信号，传感器正、反行程的输出信号大小不相等的现象。产生迟滞的原因：传感器机械部分存在不可避免的摩擦、间隙、松动、积尘等，引起能量的吸收和消耗。

迟滞的大小一般由实验的方法来确定。用正反行程的最大输出差值∆H max与满量程输出Y FS的百分比来表示：

γH=∆H max

FS

×100%

示意图如图2所示：

图2迟滞性示意图

1.3.重复性

重复性表示传感器在输入量按照同一方向做全量程多次测试时所得的输入-输出特性曲线的一致程度。

重复性指标一般采用输出最大不重复误差∆R max与满量程输出Y FS之比的百分数表示：

γR=±∆R max

FS

×100%

示意图如图3所示：

图3重复性示意图

1.4.灵敏度

灵敏度是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值，用S n来表示，即：

S n=输出量的变化

输入量的变化

=

dy

dx

对于线性传感器，他的灵敏度就是它的静态特性的斜率；非线性传感器的灵敏度为

一变量。曲线约陡峭，灵敏度越大；越平坦，灵敏度越小。灵敏度实质上是一个放大倍数，体现了传感器将被测量的微小变化放大为显著变化的输出信号的能力，即传感器对输入变量微小变化的敏感程度。

通常用拟合直线的斜率表示系统的平均灵敏度。一般希望传感器灵敏度高，但是灵敏度越高越容易受到外界干扰的影响，系统稳定性就越差。

1.5.分辨率

传感器的输入/输出关系在整个测量范围内不可能处处连续。输入量变化太小时，输出量不会发生变化；而当输入量变化到一定程度时，输出量才发生变化。因此，从微观来看，实际传感器的输入/输出特性有许多微小起伏。

对于实际标定过程中的第i个测点x i，当有∆x i,min变化时，输出就有可能观测到的变化，那么∆x i,min就是该测点处的分辨力，对应的分辨率为：

∆x i,min r i=

∆x i,min x max−x min

1.6.漂移

漂移是指传感器在输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现象；漂移将影响传感器的稳定性。产生漂移的原因主要有两个：一个是传感器自身结构参数发生老化，如零点漂移，它是在规定条件下，一个恒定的输入在规定的时间内的输出在标称范围最低值处的变化。二是在测试过程中周围环境发生变化。最常见的是温度漂移，它是周围环境温度变化引起的输出变化。

1.7.小结

工程技术中为简化传感器精度的表示方法，引入精度等级概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示，如压力传感器的精度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5等。传感器设计和出厂检验时，其精度等级代表的误差是指传感器测量的最大允许误差。

2.如何评估测量系统的误差

一个测试系统的精度是由该系统的系统误差和随机误差决定的。

2.1.系统误差

系统误差指的是在同一条件下，多次测量同一量值时绝对值和符号保持不变，或在条件改变时按一定规律变化的误差。引起系统误差的主要因素有：材料、零部件及工艺的缺陷，标准量值、仪器刻度的不准确，环境温度、压力的变化，其他外界干扰。

因测量原理或使用方法不当引入系统误差时，可以通过理论分析和计算的方法加以修正。

若是为了发现恒定的系统误差，则可以通过实验对比法进行。实验对比法是改变产生系统误差的条件进行不同条件的测量，以发现系统误差，在实际工作中，生产现场使用的量块等计量器具需要定期送法定的计量部门进行检定，即可发现恒定的系统误差，并给出校准后的修正值，利用修正值在相当程度上消除恒定系统误差的影响。

2.2.随机误差

随机误差是由很多复杂因素的微小变化的总和引起的，如仪表中传动部件的间隙和摩擦、连接件的弹性变形、电子元器件的老化等。随机误差具有随机变量的一切特点，在一定的条件下服从统计规律，可以用统计规律描述，从理论上估计对测量结果的影响。

它的特点是：

（1）有界性，误差的绝对值都在极限误差范围内。

（2）单峰性，绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。

（3）对称性，绝对值相等的正负误差出现的次数大致相等。

（4）抵偿性，在测量时，随着测量次数的无限增加，其平均误差的极限值趋近于零。

2.3.小结

系统，即为若干个元件或部件的集合或组合。例如，检测仪表是由检测元件（传感器）、转换放大器、显示器及传输通道构成的一个整体，并具有一定功能，因此检测仪表也是一个系统，而它可以成为一个更大的自动测试系统或自动控制系统的一部分，就测试系统而言，系统的误差综合的大小反映了其精度的高低。即：综合误差越大，其系统精度越低，反之则越高。

通过组成测试系统的各环节（检测元件或仪表）的误差球的系统的最终的误差，即为检测系统误差的综合。

系统误差：