1.4 傳感器的特性與技術指標

傳感器測量靜態量表現為靜態特性，測量動態量表現為動態特性。傳感器必須有良好的靜態特性和動態特性，才能使信號和能量按準確的規律轉換。

1.4.1 靜態特性

傳感器的靜態特性可以用一組性能指標來描述，如靈敏度、線性度、遲滯、重復性和漂移等，如圖1-5所示。

1．靈敏度

靈敏度是傳感器靜態特性的一個重要指標。其定義是輸出量增量Δy與引起輸出量增量Δy的相應輸入量增量Δx之比，如圖1-6所示。用S表示靈敏度，即：

它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，很顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。

2．線性度

傳感器的線性度是指傳感器的輸出與輸入之間數量關系的線性程度。輸出與輸入關系可分為線性特性和非線性特性。從傳感器的性能看，希望具有線性關系，即理想輸入-輸出關系。但實際遇到的傳感器大多為非線性，如圖1-7所示。

在實際使用中，為了標定和數據處理的方便，希望得到線性關系，因此引入各種非線性補償環節，如采用非線性補償電路或計算機軟件進行線性化處理，從而使傳感器的輸出與輸入關系為線性或接近線性。但如果傳感器非線性的方次不高，輸入量變化范圍較小時，可用一條直線（切線或割線）近似地代表實際曲線的一段，使傳感器輸入-輸出特性線性化，所采用的直線稱為擬合直線。

傳感器的線性度是指在全量程范圍內實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值Δmax與滿量程輸出值yfs之比。線性度也稱為非線性誤差，用E表示，即：

3．遲滯

傳感器在輸入量由小到大（正行程）及輸入量由大到小（反行程）變化期間其輸入-輸出特性曲線不重合的現象稱為遲滯，如圖1-8所示。

也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正、反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。傳感器在全量程范圍內最大的遲滯差值ΔHmax與滿量程輸出值yfs之比稱為遲滯誤差，用Emax表示，即：

4．重復性

重復性是傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時，所得特性曲線不一致性的程度，如圖1-9所示。

圖1-9中Rmax1和Rmax2為多次測試的不重復誤差，多次測試的曲線越重合，其重復性越好。

傳感器輸出特性的不重復性主要由傳感器的機械部分的磨損、間隙、松動，部件的內摩擦、積塵，電路元件老化、工作點漂移等原因產生。

不重復性極限誤差由式（1-11）表示：

5．分辨力

傳感器的分辨力是在規定測量范圍內所能檢測的輸入量的最小變化量。有時也用該值相對滿量程輸入值的百分數表示。

6．穩定性

穩定性有短期穩定性和長期穩定性之分。傳感器常用長期穩定性，指在室溫條件下，經過相當長的時間間隔，如一天、一月或一年，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異。通常又用傳感器的不穩定度來表征其穩定程度。

7．漂移

傳感器的漂移是指在外界的干擾下，輸出量發生與輸入量無關的不需要的變化。漂移包括零點漂移和靈敏度漂移等。零點漂移和靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移。時間漂移是指在規定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫度漂移為環境溫度變化而引起的零點或靈敏度的變化。

1.4.2 動態特性

傳感器的動態特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。很多傳感器要在動態條件下檢測，被測量可能以各種形式隨時間變化。只要輸入量是時間的函數，則其輸出量也將是時間的函數，其間的關系要用動特性來說明。

在動態（快速變化）的輸入信號情況下，要求傳感器能迅速準確地響應和再現被測信號的變化。也就是說，傳感器要有良好的動態特性。最常用的是通過幾種特殊的輸入時間函數，例如階躍函數和正弦函數來研究其響應特性，稱為階躍響應法和頻率響應法。

1．階躍響應特性

在傳感器初始狀態為零的情況下，給傳感器輸入一個單位階躍函數信號：

其輸出特性稱為階躍響應特性，如圖1-10所示。由圖1-10可衡量階躍響應的幾項指標。

（1）最大超調量σp：響應曲線偏離階躍曲線的最大值，常用百分數表示，能說明傳感器的相對穩定性。

（2）延遲時間td：傳感器輸出達到穩態值的50%所需的時間。

（3）上升時間tr：傳感器輸出達到穩態值的90%所需的時間。

（4）峰值時間tp：二階傳感器輸出響應曲線達到第一個峰值所需的時間。

（5）響應時間ts：響應曲線逐漸趨于穩定，到與穩態值之差不超過±（5%～2%）所需要的時間，也稱過渡過程時間。

2．頻率響應特性

傳感器對不同頻率成分的正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。一個傳感器輸入端有正弦信號作用時，其輸出響應仍然是同頻率的正弦信號，只是與輸入端正弦信號的幅值和相位不同。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發研究傳感器的輸出與輸入的幅值比和兩者相位差的變化。

已知一階傳感器傳遞函數為：

將式中的s用jω代替后，即可得如下的頻率特性表達式：

幅頻特性：

相頻特性：

從式（1-13）至式（1-15）和圖1-11可看出，時間常數τ越小，頻率響應特性越好。當ωτ?1時，A（ω）≈1, Φ（ω）≈0，表明傳感器輸出與輸入呈線性關系，且相位差也很小，輸出y（t）比較真實地反映了輸入x（t）的變化規律。因此減小τ可改善傳感器的頻率特性。