任务二　了解传感器的基本特性

任务要求

在传感器的选择上，传感器的基本特性是选择传感器的原则之一。本任务要求了解传感器的基本特性并能够计算它的非线性误差及灵敏度。

知识储备

一、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、重复性和迟滞等。

1.线性度

线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，又称非线性误差，如图1-7所示。

由图可见，除图1-7（a）为理想特性外，其他都存在非线性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出/输入关系。但如果传感器非线性的方次不高，输入量变化范围较小时，可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段，使传感器输出/输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。图1-8所示是常用的几种直线拟合方法。

2.灵敏度

灵敏度是传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器，其灵敏度就是它的静态特性的斜率，如图1-9（a）所示，其灵敏度为

非线性传感器的灵敏度是一个随工作点而变的变量，如图1-9（b）所示，其灵敏度为

3.重复性

重复性是传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度，如图1-10所示。重复性属于随机误差，可用正反行程中的最大偏差表示，即

传感器输出特性的不重复性主要由传感器机械部分的磨损、间隙、松动，部件的内磨擦、积尘，电路元件老化、工作点漂移等原因产生。

4.迟滞

传感器在正向行程（输入量增大）和反向行程（输入量减小）期间，输出/输入特性曲线不一致的程度，如图1-11所示。在行程环中同一输入量xi对应的不同输出量yi和yd的差值称为滞环误差，最大滞环误差与满量程输出值的比值称最大滞环率EMAX：

5.分辨力

传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量。有时也用该值相对满量程输入值的百分数表示。

6.稳定性

稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。传感器常用长期稳定性，指在室温条件下，经过相当长的时间间隔，如一天、一月或一年，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常又用其不稳定度来表征稳定程度。

7.漂移

传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。

二、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。传感器动态特性的具体内容在本书中不再详细说明。

三、传感器的选用原则

1.根据测量对象与测量环境选用

要进行具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

2.根据灵敏度选用

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。如果被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其他方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

3.根据频率响应特性选用

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上，传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。

在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。

4.根据传感器的线性范围选用

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作是线性的，这会给测量带来极大方便。

5.根据传感器的稳定性选用

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

6.根据传感器的精度选用

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。如果测量目的是为了定性分析，则选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果测量目的是为了定量分析，必须获得精确的测量值，则需要选用精度等级能满足要求的传感器。

任务实施

1.某压力传感器的测量数据如表1-5所示，试用端点连线法求非线性误差及其灵敏度。

2.某电容式位移传感器的测量数据如表1-6所示，试用端点连线法求非线性误差及其灵敏度。

任务评价

本任务的评价主要从学习内容掌握情况、项目报告完成情况以及职业素养等方面来考核。具体要求如表1-7所示。

项目总结

本项目分为传感器和了解传感器的基本特性两个任务，通过任务的实施要学会根据传感器代号来认识传感器，了解了基本传感器的特性；能够根据传感器的测量数据计算非线性误差。