1.4 传感器的特性与技术指标

传感器测量静态量表现为静态特性，测量动态量表现为动态特性。传感器必须有良好的静态特性和动态特性，才能使信号和能量按准确的规律转换。

1.4.1 静态特性

传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、线性度、迟滞、重复性和漂移等，如图1-5所示。

1．灵敏度

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比，如图1-6所示。用S表示灵敏度，即：

它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化，很显然，灵敏度S值越大，表示传感器越灵敏。

2．线性度

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即理想输入-输出关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如图1-7所示。

在实际使用中，为了标定和数据处理的方便，希望得到线性关系，因此引入各种非线性补偿环节，如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理，从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。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，使传感器输入-输出特性线性化，所采用的直线称为拟合直线。

传感器的线性度是指在全量程范围内实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值Δmax与满量程输出值yfs之比。线性度也称为非线性误差，用E表示，即：

3．迟滞

传感器在输入量由小到大（正行程）及输入量由大到小（反行程）变化期间其输入-输出特性曲线不重合的现象称为迟滞，如图1-8所示。

也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器的正、反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。传感器在全量程范围内最大的迟滞差值ΔHmax与满量程输出值yfs之比称为迟滞误差，用Emax表示，即：

4．重复性

重复性是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，如图1-9所示。

图1-9中Rmax1和Rmax2为多次测试的不重复误差，多次测试的曲线越重合，其重复性越好。

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

不重复性极限误差由式（1-11）表示：

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。通常又用传感器的不稳定度来表征其稳定程度。

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。

1.4.2 动态特性

传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间的关系要用动特性来说明。

在动态（快速变化）的输入信号情况下，要求传感器能迅速准确地响应和再现被测信号的变化。也就是说，传感器要有良好的动态特性。最常用的是通过几种特殊的输入时间函数，例如阶跃函数和正弦函数来研究其响应特性，称为阶跃响应法和频率响应法。

1．阶跃响应特性

在传感器初始状态为零的情况下，给传感器输入一个单位阶跃函数信号：

其输出特性称为阶跃响应特性，如图1-10所示。由图1-10可衡量阶跃响应的几项指标。

（1）最大超调量σp：响应曲线偏离阶跃曲线的最大值，常用百分数表示，能说明传感器的相对稳定性。

（2）延迟时间td：传感器输出达到稳态值的50%所需的时间。

（3）上升时间tr：传感器输出达到稳态值的90%所需的时间。

（4）峰值时间tp：二阶传感器输出响应曲线达到第一个峰值所需的时间。

（5）响应时间ts：响应曲线逐渐趋于稳定，到与稳态值之差不超过±（5%～2%）所需要的时间，也称过渡过程时间。

2．频率响应特性

传感器对不同频率成分的正弦输入信号的响应特性，称为频率响应特性。一个传感器输入端有正弦信号作用时，其输出响应仍然是同频率的正弦信号，只是与输入端正弦信号的幅值和相位不同。频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的输出与输入的幅值比和两者相位差的变化。

已知一阶传感器传递函数为：

将式中的s用jω代替后，即可得如下的频率特性表达式：

幅频特性：

相频特性：

从式（1-13）至式（1-15）和图1-11可看出，时间常数τ越小，频率响应特性越好。当ωτ≪1时，A（ω）≈1, Φ（ω）≈0，表明传感器输出与输入呈线性关系，且相位差也很小，输出y（t）比较真实地反映了输入x（t）的变化规律。因此减小τ可改善传感器的频率特性。