1.2 传感器的一般特性

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。

1.2.1 传感器的静态特性

静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。因为传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种影响，输入输出不会完全符合用户的要求。传感器静态特性的主要指标有以下几种。

1. 灵敏度

灵敏度是指仪表、传感器等装置或系统的输出量增量与输入量增量之比。

对线性传感器而言，灵敏度为一常数；对非线性传感器而言，灵敏度随输入量的变化而变化。

怎样从输出曲线看灵敏度：曲线越陡，灵敏度越高。可以通过作该曲线的切线的方法（作图法）来求得曲线上任一点的灵敏度，用作图法求取传感器的灵敏度如图1-2所示。由切线的斜率可以看出，x2点的灵敏度比x1点高。

2. 分辨力

分辨力是指传感器能检出被测信号的最小变化量，是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。

对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，一般可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般情况下，不能把仪表的分辨力当作仪表的最大绝对误差。

例如，数字式温度计的分辨力为0.1℃，若该仪表的准确度为1.0级，则最大绝对误差将达到±2.0℃，比分辨力大得多。

仪表或传感器中，还经常用到“分辨率”的概念。将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。

3. 线性度

人们总是希望传感器的输入与输出的关系成正比，即线性关系。这样可使显示仪表的刻度均匀，在整个测量范围内具有相同的灵敏度，并且不必采用线性化措施。但大多数传感器的输入输出特性总是具有不同程度的非线性，可以用下列多项式代数方程表示：

y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn （1-2）

式中 y——输出量；

x——输入量；

a0——零点输出；

a1——理论灵敏度；

a2、a3、…、an——非线性项系数，各项系数决定了传感器的线性度的大小，如果a2=a3=…=an=0，则该系统为线性系统。

线性度又称为非线性误差，是指传感器实际特性曲线与拟合直线（有时也称为理论直线）之间的最大偏差与传感器满量程范围内的输出之百分比，传感器线性度示意图如图1-3所示，它可用下式表示，且多取其正值：

4. 迟滞

迟滞是指传感器正向特性和反向特性的不一致程度，传感器迟滞示意图如图1-4所示，可用下式表示：

5. 稳定性

稳定性包含稳定度和环境影响量两个方面。稳定度是指仪表在所有条件都恒定不变的情况下，在规定的时间内能维持其示值不变的能力。稳定度一般以仪表的示值变化量和时间的长短之比来表示。

例如，某仪表输出电压值在8h内的最大变化量为1.2mV，则稳定度表示为1.2mV/（8h）。

环境影响量是指由于外界环境变化而引起的示值变化量。示值变化由两个因素组成：零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移是指在受外界环境影响后，已调零的仪表的输出不再为零，而有一定漂移的现象，这在测量前是可以发现的，应重新调零，但在不间断测量过程中，零点漂移是附加在读数上的，因而很难发现。带微型计算机的智能化仪表可以定时地自动暂时切断输入信号，测出此时的零点漂移值，恢复测量后从测量值中减去漂移值，相当于重新调零。灵敏度漂移使仪表的输入输出的特性曲线斜率发生变化。造成环境影响量变化的因素很多，要予以重视，使传感器对外界各种干扰有抵抗能力。

1.2.2 传感器的动态特性

动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。动态特性是传感器性能的一个重要方面，它取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有关。

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系统（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。传感器的输入量随时间变化的规律是各种各样的，在对传感器动态特性进行分析时，为了便于比较和评价，通常采用最典型、最简单、易实现的正弦信号和阶跃信号作为标准输入信号。对于正弦输入信号，传感器的响应称为频率响应或稳态响应；对于阶跃输入信号，则称为传感器的阶跃响应或瞬态响应。

在采用阶跃输入信号研究传感器时域动态特性时，用其输出信号y（t）的变化曲线来表示，阶跃响应特性如图1-5所示。根据此图可得出阶跃响应时，表征动态特性的主要参数有上升时间tτ，响应时间ts，超调量ym（或σP），衰减度ψ等。

（1）上升时间tτ

上升时间tτ是指传感器输出示值从最终稳定值的5%（或10%）变化到最终稳定值的95%（或90%）所需要的时间。

（2）超调量ym

超调量ym是指输出第一次达到稳定值后又超出稳定值y（∞）而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比σP来表示，即：

（3）衰减度ψ

衰减度ψ是用来描述瞬态过程中振荡幅值衰减的速度，定义为：

式中，y1为出现ym一个周期后的y（t）值。如果y1ym，则ψ≈1，表示衰减很快，该系统很稳定，振荡很快停止。

在采用正弦输入信号研究传感器频域动态特性时，常用幅频特性和相频特性来描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。