传感器的基本概念和特性详解

    传感器是什么？
    传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。通常传感器是将非电量转换成电量来输出。传感器的特性（静态特性和动态特性）是其内部参数所表现的外部特征，决定了传感器的性能和精度。

    1、传感器的构成

    传感器一般是由敏感元件、传感元件和转换电路三部分组成，如图1所示。

 

图1　传感器组成框图

    （1）敏感元件　是一种能够将被测量转换成易于测量的物理量的预变换装置，而输入、输出间具有确定的数学关系（最好为线性）。如弹性敏感元件将力转换为位移或应变输出。

    （2）传感元件　是将敏感元件输出的非电物理量转换成电信号（如电阻、电感、电容等）形式。例如将温度转换成电阻变化，位移转换为电感或电容等传感元件。

    （3）基本转换电路　将电信号量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。

    有些传感器（如热电偶）只有敏感元件，感受被测量时直接输出电动势。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路，如压电式加速度传感器。还有些传感器由敏感元件和基本转换电路组成，如电容式位移传感器。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换才能输出电量。大多数传感器是开环系统，但也有个别的是带反馈的闭环系统。

    2、传感器的静态特性

    传感器变换的被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输入/输出关系称为传感器的静态特性。描述传感器静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和零漂。

    （1）线性度　传感器的静态特性是在静态标准条件下，利用一定等级的标准设备，对传感器进行往复循环测试，得到输入/输出特性（列表或画曲线）。通常希望这个特性（曲线）为线性，这对标定和数据处理带来方便。但实际的输出与输入特性只能接近线性，对比理论直线有偏差，如图2所示。实际曲线与其两个端尖连线（称理论直线）之间的偏差称为传感器的非线性误差。取其中最大值与输出满度值之比作为评价线性度（或非线性误差）的指标。

 

图2　传感器线性度示意图

    　　　　（1）

    式中：——线性度（非线性误差）；

    ——最大非线性绝对误差；

    yFS——输出满度值。

    （2）灵敏度　传感器在静态标准条件下，输出变化对输入变化的比值称灵敏度，用S0表示，即

    　　　　（2）

    对于线性传感器来说，它的灵敏度是个常数。

    （3）迟滞　传感器在正（输入量增大）、反（输入量减小）行程中输出/输入特性曲线的不重合程度称迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示

    　　　　（3）

    式中　——输出值在正、反行程间的最大差值。

    迟滞特性一般由实验方法确定，如图3所示。

图3　迟滞特性

    （4）重复性　传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出/输入曲线的不一致程度，称重复性如图4-5表示。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即

    　　　　（4）

    式中　——输出最大重复性误差；

    重复特性也用实验方法确定，常用绝对误差表示。如图4表示。

图4　重复特性

    （5）分辨力　传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阈值。分辨力与满度输入比的百分数表示称为分辨率。

    （6）漂移　由于传感器内部因素或外界干扰的情况下，传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。在其它因素不变情况下，输出随着时间的变化产生的漂移称为时间漂移；随着温度变化产生的漂移称为温度漂移。

    （7）精度　表示测量结果和被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在校验或标定的方法来确定，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基准来给出。国家标准中规定了传感器和测试仪表的精度等级，如电工仪表精度分七级，分别是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5级。精度等级（S）的确定方法是：首先算出绝对误差与输出满度量程之比的百分数，然后靠近比其低的国家标准等级值即为该仪器的精度等级。

    3、传感器的动态特性

    动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量时间变换的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。

    动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一个时间函数。但是，除了理想情况外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。

    动态特性参数一般都用阶跃信号输入状态下的输出特性和不同频率信号输入状态下的幅值变化和相位变化表达。