传感器静态特性
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《传感器原理与应用》 传感器原理与应用》
地空学院测控系 李志华
第二章
§ 1
传感器的一般特性
传感器的静态特性
（1）传感器线性度 1 （2）传感器的灵敏度 ） （3）传感器的重复性 ）
（4）迟滞误差
（5）最小检测量和分辨率 5 （6）漂移 6
一、 传感器的一般特性 1、静态特性与动态特性定义
从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角 从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角 不随时间变化 度考虑的传感器特性称为传感器静态特性 传感器静态特性。 度考虑的传感器特性称为传感器静态特性。
M=
K
= 0.8 Pa
传感器的分辨率指在规定测量范围内所能检测输入 量的最小变化量 ∆xmin
∆xmin ×100% 也可以用该值相对满量程输入值的百分数 X FS
来表示。 来表示。 数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最后一位所 代表的输入量。 代表的输入量。
（6）漂移 6
传感器的漂移是指在外界的干扰下， 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输 是指在外界的干扰下 入量无关的、不需要的变化。 入量无关的、不需要的变化。 零点漂移 传感器的漂移 灵敏度漂Y
∆ max
输入量X 0
YFS
输出量Y
∆ max E=± *100% YFS
曲线a
∆ max
YFS
曲线b 0 X 曲线a存在零点误差，但并不存在非线性误差。 曲线a存在零点误差，但并不存在非线性误差。这是 传感器经常遇到的问题， 传感器经常遇到的问题，比如我们在以后章节要学习的 霍尔传感器就存在零点误差， 霍尔传感器就存在零点误差，我们可以在调理电路中把 零点误差处理掉。 零点误差处理掉。 曲线b 存在零点误差，又存在输入量与输出成反比， 曲线b既存在零点误差，又存在输入量与输出成反比， 但并不存在非线性误差。 但并不存在非线性误差。这也是传感器经常遇到的问题 之一， 之一，比如我们在以后章节要学习的超声波传感器是这 我们可以在调理电路中和数据处理中可以解决。 样，我们可以在调理电路中和数据处理中可以解决。
最小检测量是指传感器能确切反映被测的最低极限 最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。 量。最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响， 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一 般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量， 般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量， 用公式表示为： 用公式表示为： CN M= M 为最小检测量 为系数（与传感器结构类型有关） C为系数（与传感器结构类型有关）N为噪声电平
N点
∆X
M点 0
∆X
∆Y
X
非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图(b)所 非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图(b)所 示，即用 d y 表示传感器在其某一工作点的灵敏 dx 度。
Y
S n = lim ∆X → 0
∆Y dy = ∆X dx
M点
∆X
∆Y
X
0
（3）传感器的重复性 ） 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次 测试时，所得特性曲线不一致性的程度(见图) 测试时，所得特性曲线不一致性的程度(见图)。多次按 相同输入条件测试的输出特性曲线越重合 的输出特性曲线越重合， 相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越 其重复性误差也越小。 好，其重复性误差也越小。 Y∆
YFS ∆T
是多方面的， 产生漂移的原因是多方面的，主要是由于测量系统 的灵敏元件受外界（温度、湿度、电磁干扰）干扰和 灵敏元件受外界（温度、湿度、电磁干扰）干扰和 传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的。 调理电路的元器件受外界条件干扰引起的 传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的。
零点漂移定义
∆Y0 0
∆Y0 零漂＝ ×100％ YFS
YFS X
Y 温度漂移定义
∆T
∆ max T
0
∆ MAX 零漂＝ ×100％ YFS ∆T
例如如上图所示某压力传感器，其满量程值为1V，温 度变化范围为-40度到60度。其输出受温度影响最大偏 差为0.2V，则其温漂为： 零漂＝ ∆ MAX ×100％＝0.2%/ o c
E = yi − yd
这种现象称为“迟滞”，E称为迟滞误差。 这种现象称为“ Y
YFS
yd
E = yi − yd
y
i
X 0
在整个测量范围内产生的最大滞环误差用 ∆m = max(E) 表示， 表示，它与满量程输出值 YFS 的比值称为最大迟滞率 ∆m Emax = × 100% YFS
（5）最小检测量和分辨率 5
max
= {∆ m1 ...∆ mi ...∆ mn }
∆m n
Y F S 满量程输出值
∆m1 ∆m 2
X 0
传感器为何会产生重复性误差？ 传感器为何会产生重复性误差？
传感器机械部分的磨损、间隙、 传感器机械部分的磨损、间隙、松动
敏感元件内摩擦、 敏感元件内摩擦、积尘
辅助电路老化和漂移 注意 不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量 不重复性误差一般属于随机误差性质 反映的是测量 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别， 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时 重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校 重复性很好但可能偏离真值。 准测得。 准测得。
K
K 传感器的灵敏度
举例 某电容式气体压力传感器的噪声电平为0.2mV， 某电容式气体压力传感器的噪声电平为0.2mV，灵敏度 0.2mV 0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为2 K为0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为2，则由 CN 公式可得其最小检测量： 公式可得其最小检测量：
（4）迟滞 4
迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大) 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和 反向(输入量减小)行程期间， 反向(输入量减小)行程期间，输出输入特性曲线不重合 的程度。对于同一输入正向和反向行程的差值 正向和反向行程的差值用 的程度。对于同一输入正向和反向行程的差值用E表示 为：
（2）传感器的灵敏度 ） 定 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量 ∆ Y 义 的比值． 来表示： 与输入增量 ∆ X 的比值．常用 S n 来表示：
Sn = lim ∆X → 0 ∆Y ∆X
对于线性传感器， 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特 线性传感器 性的斜率，如图（ 所示， Y 性的斜率，如图（a）所示，即： S n = ∆ Y
信号 静态信号 动态信号
0
时间
从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感 从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感 随时间变化较大 器特性称为传感器动态特性 传感器动态特性。 器特性称为传感器动态特性。
2、传感器静态特性
（1）传感器线性度 1
输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的 程度称为线性度。 程度称为线性度。一般用非线性误差表示可用下 式表示 ∆ max
地空学院测控系 李志华
第二章
§ 1
传感器的一般特性
传感器的静态特性
（1）传感器线性度 1 （2）传感器的灵敏度 ） （3）传感器的重复性 ）
（4）迟滞误差
（5）最小检测量和分辨率 5 （6）漂移 6
一、 传感器的一般特性 1、静态特性与动态特性定义
从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角 从输入信号不随时间变化或变化极其缓慢的角 不随时间变化 度考虑的传感器特性称为传感器静态特性 传感器静态特性。 度考虑的传感器特性称为传感器静态特性。
M=
K
= 0.8 Pa
传感器的分辨率指在规定测量范围内所能检测输入 量的最小变化量 ∆xmin
∆xmin ×100% 也可以用该值相对满量程输入值的百分数 X FS
来表示。 来表示。 数字传感器的分辨率可用输出数字指示值最后一位所 代表的输入量。 代表的输入量。
（6）漂移 6
传感器的漂移是指在外界的干扰下， 传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输 是指在外界的干扰下 入量无关的、不需要的变化。 入量无关的、不需要的变化。 零点漂移 传感器的漂移 灵敏度漂Y
∆ max
输入量X 0
YFS
输出量Y
∆ max E=± *100% YFS
曲线a
∆ max
YFS
曲线b 0 X 曲线a存在零点误差，但并不存在非线性误差。 曲线a存在零点误差，但并不存在非线性误差。这是 传感器经常遇到的问题， 传感器经常遇到的问题，比如我们在以后章节要学习的 霍尔传感器就存在零点误差， 霍尔传感器就存在零点误差，我们可以在调理电路中把 零点误差处理掉。 零点误差处理掉。 曲线b 存在零点误差，又存在输入量与输出成反比， 曲线b既存在零点误差，又存在输入量与输出成反比， 但并不存在非线性误差。 但并不存在非线性误差。这也是传感器经常遇到的问题 之一， 之一，比如我们在以后章节要学习的超声波传感器是这 我们可以在调理电路中和数据处理中可以解决。 样，我们可以在调理电路中和数据处理中可以解决。
最小检测量是指传感器能确切反映被测的最低极限 最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。 量。最小检测量越小表示传感器检测微量的能力越高。 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响， 由于传感器的最小检测量易受噪声的影响，所以一 般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量， 般用相当于噪声电平的若干倍的被测量为最小检测量， 用公式表示为： 用公式表示为： CN M= M 为最小检测量 为系数（与传感器结构类型有关） C为系数（与传感器结构类型有关）N为噪声电平
N点
∆X
M点 0
∆X
∆Y
X
非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图(b)所 非线性传感器的灵敏度是一个变量，如图(b)所 示，即用 d y 表示传感器在其某一工作点的灵敏 dx 度。
Y
S n = lim ∆X → 0
∆Y dy = ∆X dx
M点
∆X
∆Y
X
0
（3）传感器的重复性 ） 重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次 测试时，所得特性曲线不一致性的程度(见图) 测试时，所得特性曲线不一致性的程度(见图)。多次按 相同输入条件测试的输出特性曲线越重合 的输出特性曲线越重合， 相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越 其重复性误差也越小。 好，其重复性误差也越小。 Y∆
YFS ∆T
是多方面的， 产生漂移的原因是多方面的，主要是由于测量系统 的灵敏元件受外界（温度、湿度、电磁干扰）干扰和 灵敏元件受外界（温度、湿度、电磁干扰）干扰和 传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的。 调理电路的元器件受外界条件干扰引起的 传感器调理电路的元器件受外界条件干扰引起的。
零点漂移定义
∆Y0 0
∆Y0 零漂＝ ×100％ YFS
YFS X
Y 温度漂移定义
∆T
∆ max T
0
∆ MAX 零漂＝ ×100％ YFS ∆T
例如如上图所示某压力传感器，其满量程值为1V，温 度变化范围为-40度到60度。其输出受温度影响最大偏 差为0.2V，则其温漂为： 零漂＝ ∆ MAX ×100％＝0.2%/ o c
E = yi − yd
这种现象称为“迟滞”，E称为迟滞误差。 这种现象称为“ Y
YFS
yd
E = yi − yd
y
i
X 0
在整个测量范围内产生的最大滞环误差用 ∆m = max(E) 表示， 表示，它与满量程输出值 YFS 的比值称为最大迟滞率 ∆m Emax = × 100% YFS
（5）最小检测量和分辨率 5
max
= {∆ m1 ...∆ mi ...∆ mn }
∆m n
Y F S 满量程输出值
∆m1 ∆m 2
X 0
传感器为何会产生重复性误差？ 传感器为何会产生重复性误差？
传感器机械部分的磨损、间隙、 传感器机械部分的磨损、间隙、松动
敏感元件内摩擦、 敏感元件内摩擦、积尘
辅助电路老化和漂移 注意 不重复性误差一般属于随机误差性质,反映的是测量 不重复性误差一般属于随机误差性质 反映的是测量 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别， 结果偶然误差大小，而不表示与真值之间的差别，有时 重复性很好但可能偏离真值。不重复性误差可以通过校 重复性很好但可能偏离真值。 准测得。 准测得。
K
K 传感器的灵敏度
举例 某电容式气体压力传感器的噪声电平为0.2mV， 某电容式气体压力传感器的噪声电平为0.2mV，灵敏度 0.2mV 0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为2 K为0.5mV/Pa，对于电容传感器一般取系数为2，则由 CN 公式可得其最小检测量： 公式可得其最小检测量：
（4）迟滞 4
迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大) 迟滞特性能表明传感器在正向(输入量增大)行程和 反向(输入量减小)行程期间， 反向(输入量减小)行程期间，输出输入特性曲线不重合 的程度。对于同一输入正向和反向行程的差值 正向和反向行程的差值用 的程度。对于同一输入正向和反向行程的差值用E表示 为：
（2）传感器的灵敏度 ） 定 传感器的灵敏度是其在稳态下输出增量 ∆ Y 义 的比值． 来表示： 与输入增量 ∆ X 的比值．常用 S n 来表示：
Sn = lim ∆X → 0 ∆Y ∆X
对于线性传感器， 对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特 线性传感器 性的斜率，如图（ 所示， Y 性的斜率，如图（a）所示，即： S n = ∆ Y
信号 静态信号 动态信号
0
时间
从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感 从输入信号随时间变化较大的角度考虑的传感 随时间变化较大 器特性称为传感器动态特性 传感器动态特性。 器特性称为传感器动态特性。
2、传感器静态特性
（1）传感器线性度 1
输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的 程度称为线性度。 程度称为线性度。一般用非线性误差表示可用下 式表示 ∆ max