传感器在测试系统和自动控制系统中,是一个相对独立的装置,在设计、制造及选用传感器时,都要涉及传感器的性能指标。传感器的性能指标分为静态特性和动态特性两种状态。
1.传感器的静态特性。
传感器的静态特性是指被测对象的某种被测物理量恒定不变或非常缓慢变化的情况下,传感器的输出量与输入量(被测量)之间的关系。最理想的传感器静态特性其输入输出之间呈线性关系,即
式(1-1)中的S为常数,表示测试系统的灵敏度。测试系统实际的静态特性并非单纯的线性关系。与整个测试系统一样,传感器的实际静态特性也可用非线性、迟滞性、灵敏度和负载作用等来表征。
1)非线性。传感器实际的输出量与输入量之间呈非线性关系,如图1-4所示。非线性是对静态测量偏离线性的度量,由式(1-2)表示：
2)迟滞性。测试系统在同样的测试条件下,被测量从小到大改变时的传感器信号与被测量从大到小改变时的不一样,这种现象称之为迟滞性,如图1-5所示。迟滞性也被称为回程误差,是造成传感器在静态测量时其信号有误差的原因之一。迟滞性用测试系统量程范围内最大回程误差值H与量程A的比值来度量,即
传感器本身导致回程误差的原因是传感器的材料和结构有滞后现象或有不工作区,例如,磁性材料的磁化、般材料的受力变形、转换元件的摩擦力及间隙等均是产生回程误差的可能因素。不工作区也称死区,即对传感器的输出无影响的被测量变化范围。
3)灵敏度。传感器的灵敏度S是反映被测量的变化引起传感器输出信号变化的大小程度,灵敏度的定义如下：
理想的线性传感器,其灵敏度为一常数(直线的斜率);对非线性度很小的传感器来说,在量程范围内,其灵敏度也近似于常数;而线性很差的传感器信号,其灵敏度则会随被测量的变化而有较大的改变。
4)负载作用。传感器会从被测对象中吸取一部分能量,从而改变了被测参数原真实数值,这种现象称为负载作用。例如,热电式温度传感器从被测对象中吸取了热量、转矩传感器的扭力杆消耗了被测对象的机械能。如果传感器从被测对象中吸取的能量占被测对象的总能量的比例较大,就会影响传感器信号的精度。
2.传感器的动态特性。
传感器的动态特性是指在被测量瞬间变化或连续不断变化的情况下,传感器的输入被测量)与传感器信号输出之间的关系。传感器动态特性的性能参数有响应时间(时间常数)、固有频率、阻尼系数等。
1)响应时间。一些传感器用于动态测量时其信号的产生具有滞后性,通常用时间常数т来表示。т反映了传感器信号滞后于被测量变化的时间。这一类传感器由于其输出信号跟不上被测量的变化,因而会产生动态测量误差(衰减失真)。因此,用于动态测量的传感器,要求其动态特性要好。对于整个测试仪器来说,其响应时间通常用3т或4т来表示。
2)固有频率和阻尼系数。有些传感器在动态测量时会产生放大失真,即传感器的输出信号表示的量值大于实际的被测量。这类传感器在进行动态测量时也会产生动态误差,表示其动态特性的参数是固有频率ωn和阻尼系数ζ。
3.传感器的标定。
传感器的特性标定是指通过实验的方法确定传感器特性的过程,确定传感器静态特性指标的过程称为传感器的静态标定,而确定传感器动态特性参数т或ωn、ζ的过程则称为动态标定。
在传感器的研制、产品性能评价过程中通常需要对传感器进行特性标定,当传感器与测量电路及显示装置组成测试系统时,则需要对整个测试系统进行静、动态特性的标定。
