传感器的静态特性

静态特性的定义与稳态条件

传感器的基本特性是指其输入-输出关系特性，是敏感材料特性和内部结构参数作用关系的外部表现。按被测量随时间变化的快慢，传感器所测量的量基本上有两种形式：稳态（静态或准静态）和动态（周期变化或瞬态）。静态特性是传感器在稳态信号作用下的输入-输出关系，所描述的输入-输出关系式中不含时间变量。

静态特性的多项式模型

在不考虑迟滞、蠕变和摩擦等外部因素，且输入 $x$ 为固定值时，传感器的静态特性可用多项式方程表示：

式中 $y$ 为输出量，$x$ 为输入量，$a_0$ 为零位输出，$a_1$ 为线性系数，$a_2$ 及更高次项系数为非线性系数。理想线性特性为过原点的直线 $y=a_{1}x$；全部奇次项（包括一次项）为零、仅含常数与偶次幂项时曲线关于 $y$ 轴对称；常数项和全部偶次项为零、仅含奇次幂项时曲线关于原点反对称；实际特性曲线通常包含多种非线性成分。静态特性曲线一般通过实际测试获得。

线性度

线性度（Linearity）是指传感器的输出与输入间成线性关系的程度，即实际关系曲线偏离直线的程度。理想输入-输出特性应为线性，因为这有助于简化传感器的理论分析、设计计算、数据处理、制作标定和测试，并使模拟仪表的仪表盘可做成均匀刻度。实际特性大都具有一定程度的非线性，若非线性项的方次不高且输入量变化范围不大，可用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等近似代表实际曲线的一段，多数情况下用最小二乘法求出拟合直线，这一过程称为非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线，实际特性曲线与拟合直线间的偏差称为非线性误差，取其最大值与输出满量程之比作为线性度指标：

式中 ${\gamma }_{\mathrm{L}}$ 为非线性误差（线性度指标），$\mathrm{\Delta }{L}_{\max }$ 为最大非线性绝对误差，$Y_{\mathrm{F}\mathrm{S}}$ 为输出满量程（Full Scale，FS）。

灵敏度

灵敏度（Sensitivity）是传感器在稳态下输出量变化对输入量变化的比值，通常用 $S_{\mathrm{n}}$ 或 $K$ 表示：

式中 $\mathrm{\Delta }y$ 为输出变化量，$\mathrm{\Delta }x$ 为输入变化量。线性特性时灵敏度为常数；非线性特性时灵敏度随工作点变化。

分辨力与阈值

分辨力表征测量装置检测出被测信号最小变化的能力，有时也称分辨能力。当输入量连续变化时，某些传感器输出作阶梯状变化，此时分辨力即为每个阶梯的宽度（输入量大小范围），也可用阶梯宽度与满量程刻度的百分比表示。

阈值（灵敏限，又称最小检测量）指测量装置输入量从零开始缓慢增加时，引起输出量发生变化的最小输入增量。在输入量从零到阈值 $x_t$ 的区间内输出保持为零，当输入超过阈值后输出随输入增长。该参数受传感器内部噪声等多种因素影响，一般难以明确测定。

迟滞

迟滞（滞后）是指在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间，测量装置输出-输入特性曲线的不重合程度。正向与反向行程曲线形成闭合的滞后环。

重复性

重复性是指测量装置在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线不一致的程度。

漂移

零点漂移是传感器在无输入状态下，每隔一段时间进行的读数输出偏离零值的现象，又称稳定性，其计算式为：

式中 $\mathrm{\Delta }{Y}_0$ 为最大零点偏差输出，$Y_{\mathrm{F}\mathrm{S}}$ 为满量程输出。

温度漂移是温度变化时传感器输出值的偏离程度，通常以温度变化 $1{}^{\circ }\mathrm{C}$ 时输出最大偏差与满量程的百分比表示：

式中 ${\mathrm{\Delta }}_{\max }$ 为输出最大偏差，$\mathrm{\Delta }T$ 为温度变化范围，$Y_{\mathrm{F}\mathrm{S}}$ 为满量程输出。

精度

精度指传感器在满量程内任意一点，测量输出值相对被测量理论值（真值）的偏离（或逼近）程度，也称为静态误差。真值是被测量本身所具有的真正值，通常是一个理想的概念，一般不可知；但在特定情况下（如圆周角为 ${360}^{\circ }$）真值是已知的。