第三节　传感器静态特性和动态特性性能指标

检测控制系统和科学实验中,需要对各种参数进行检测和控制。而要达到比较优良的控制性能,则必须要求传感器能够感测被测量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量。这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。

静态特性是指检测系统的输入为不随时间变化的恒定信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要包括线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。

动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时,系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。

一、传感器静态特性性能指标

1.线性度

指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。

2.灵敏度

灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量Δy与引起该增量的相应输入量增量Δx之比。它表示单位输入量的变化所引起传感器输出量的变化。显然,灵敏度S值越大,表示传感器越灵敏。

3.迟滞(回差滞环)

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。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。

4.重复性

重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度。

5.漂移

传感器的漂移是指在输入量不变的情况下,传感器输出量随着时间变化,此现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面:一是传感器自身结构参数;二是周围环境(如温度、湿度等)。最常见的漂移是温度漂移,即周围环境温度变化而引起输出量的变化。温度漂移主要表现为温度零点漂移和温度灵敏度漂移。温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度(一般为20℃)时的输出值的变化量与温度变化量之比表示。

6.测量范围

传感器所能测量到的最小输入量与最大输入量之间的范围称为传感器的测量范围。

7.量程

传感器测量范围的上限值与下限值的代数差,称为量程。

8.精度

传感器的精度是指测量结果的可靠程度,是测量中各类误差的综合反映。测量误差越小,传感器的精度越高。

传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示。其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差,由系统误差和随机误差两部分组成。工程技术中为简化传感器精度的表示方法,引用了精度等级的概念。精度等级以一系列标准百分比数值分档表示,代表传感器测量的最大允许误差。如果传感器的工作条件偏离正常工作条件,还会带来附加误差,温度附加误差就是最主要的附加误差。

9.分辨率和阈值

传感器能检测到输入量最小变化量的能力称为分辨力。对于某些传感器,如电位器式传感器,当输入量连续变化时,输出量只做阶梯变化,则分辨力就是输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小。对于数字式仪表,分辨力就是仪表指示值的最后一位数字所代表的值。当被测量的变化量小于分辨力时,数字式仪表的最后一位数不变,仍指示原值。当分辨力以满量程输出的百分数表示时则称为分辨率。

阈值是指能使传感器的输出端产生可测变化量的最小被测输入量值,即零点附近的分辨力。有的传感器在零位附近有严重的非线性,形成所谓的“死区”,则将死区的大小作为阈值。更多情况下,阈值主要取决于传感器噪声的大小,因而有的传感器只给出噪声电平。

10.稳定性

稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力。理想的情况是不论什么时候,传感器的特性参数都不随时间变化。但实际上,随着时间的推移,大多数传感器的特性会发生改变。这是因为敏感元件或构成传感器的部件,其特性会随时间发生变化,从而影响了传感器的稳定性。

二、传感器动态特性性能指标

传感器的输入信号是随时间变化的动态信号,这时就要求传感器能时刻精确地跟踪输入信号,按照输入信号的变化规律输出信号。当传感器输入信号的变化缓慢时,是容易跟踪的,但随着输入信号的变化加快,传感器随动跟踪性能会逐渐下降。输入信号变化时,引起输出信号也随时间变化,这个过程称为响应。动态特性就是指传感器对于随时间变化的输入信号的响应特性,通常要求传感器不仅能精确地显示被测量的大小,而且还能复现被测量随时间变化的规律,这也是传感器的重要特性之一。

传感器的动态特性与其输入信号的变化形式密切相关,在研究传感器动态特性时,通常是根据不同输入信号的变化规律来考察传感器响应的。实际传感器输入信号随时间变化的形式可能是多种多样的,最常见、最典型的输入信号是阶跃信号和正弦信号。这两种信号在物理上较容易实现,而且也便于求解。

1.阶跃输入信号

传感器的响应称为阶跃响应或瞬态响应,它是指传感器在瞬变的非周期信号作用下的响应特性。这对传感器来说是一种严峻的考验,如传感器能复现这种信号,那么就能很容易地复现其他种类的输入信号,其动态性能指标也必定会令人满意。

2.正弦输入信号

正弦输入信号也称为频率响应或稳态响应。它是指传感器在振幅稳定不变的正弦信号作用下的响应特性。稳态响应的重要性,在于工程上所遇到的各种非电信号的变化曲线都可以展开成傅里叶(Fourier)级数或进行傅里叶变换,即可以用一系列正弦曲线的叠加来表示原曲线。因此,当已知传感器对正弦信号的响应特性后,也就可以判断它对各种复杂变化曲线的响应了。

3.动态数学模型

为便于分析传感器的动态特性,必须建立动态数学模型。建立动态数学模型的方法有多种,如微分方程、传递函数、频率响应函数、差分方程、状态方程、脉冲响应函数等。建立微分方程是对传感器动态特性进行数学描述的基本方法。在忽略了一些影响不大的非线性和随机变化的复杂因素后,可将传感器作为线性定常系统来考虑,因而其动态数学模型可用线性常系数微分方程来表示。能用一、二阶线性微分方程来描述的传感器分别称为一、二阶传感器,虽然传感器的种类和形式很多,但它们一般可以简化为一阶或二阶环节的传感器(高阶可以分解成若干个低阶环节),因此一阶和二阶传感器是最基本的。

传感器的动态特性是传感器在测量中非常重要的因素,它是传感器对输入激励的输出响应特性。一个动态特性好的传感器,随时间变化的输出曲线能同时再现输入随时间变化的曲线,即输出、输入具有相同类型的时间函数。

4.传感器的动态特性和误差概念

在动态的输入信号状态下,输出信号一般来说不会与输入信号具有完全相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。不难看出,有良好的静态特性的传感器,未必有良好的动态特性。这是由于在动态(快速变化)的输入信号状态下,要有较好的动态特性,不仅要求传感器能精确地测量信号的幅值大小,而且要能测量出信号变化过程的波形,即要求传感器能迅速准确地响应信号幅值变化和无失真地再现被测信号随时间变化的波形。

5.传感器的动态特性和影响因素

动态特性的“固有因素”任何传感器都有,只不过表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是为了从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及提出改善措施。具体研究时,通常从时域或领域两方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。

由于激励传感器信号的时间函数是多种多样的,在时域内研究传感器的响应特性,同自动控制系统分析一样,只能通过对几种特殊的输入时间函数,如阶跃函数、脉冲函数和斜坡面数等来研究其响应特性。在领域内通常利用正弦函数研究传感器的频率响应特性。为了便于比较、评价或动态定标,常用的输入信号为阶跃信号和正弦信号。因此对应的方法是阶跃响应法和频率响应法。掌握传感器的基本特性能够更好地应用传感器。