傳感器性能指標與特性分析

一、靜態特性分析

靜態特性指傳感器在穩定輸入信號下的輸出與輸入關系，通常通過以下指標評估

線性度

定義：實際輸出曲線與理想擬合直線之間的最大偏差與滿量程輸出的比值（公式：δ L= Y FSΔ max×100%）。

優化方法：常用最小二乘法擬合直線降低非線性誤差，部分高精度傳感器通過分段線性化補償算法改進

靈敏度

定義：輸出增量與輸入增量的比值（S=ΔY/ΔX），如位移傳感器靈敏度為200mV/mm

矛盾性：靈敏度越高，測量精度提升，但量程變窄且穩定性可能下降（需通過差分放大或低噪聲電路設計平衡）

遲滯性

表現：正行程與反行程輸出曲線不重合，差值稱為遲滯差值（如壓力傳感器因材料彈性滯后導致0.5%誤差）

改善措施：選用低彈性滯后材料（如硅基MEMS）或采用正反向校準算法

重復性

定義：同一輸入方向多次測量結果的一致性，反映傳感器隨機誤差水平

測試方法：全量程連續多次測量，計算標準差作為重復性指標

漂移

類型：包括零點漂移（無輸入時輸出偏移）和靈敏度漂移（溫度變化導致校準曲線斜率變化）

誘因：材料老化（如熱敏電阻）或環境溫濕度變化（需內置溫度補償模塊）

分辨力與閾值

分辨力：可檢測的最小輸入變化量（如光電傳感器分辨力達0.01lux）

閾值：從零開始輸入時，觸發輸出變化的臨界值（如接近開關的觸發距離）

二、動態特性分析

動態特性反映傳感器對時變輸入信號的響應能力，主要通過以下指標評估

階躍響應

關鍵參數：上升時間（t r）、峰值時間（t p ）、調節時間（t s）和超調量（σ%）。

應用場景：適用于檢測突變信號（如沖擊力測量），要求快速響應（如壓電傳感器響應時間<1ms）

頻率響應

帶寬：傳感器有效工作的頻率范圍，由固有頻率（ω 0）和阻尼比（ξ）決定。

優化方向：二階系統中，阻尼比取0.6-0.8可兼顧快速性和穩定性（如加速度計設計）

動態誤差來源

相位延遲：高頻信號下輸出滯后于輸入，需通過相位補償電路修正

幅值衰減：超出帶寬后信號幅值下降，需限制被測信號頻率在傳感器通頻帶內

三、綜合應用場景匹配

工業自動化：優先選擇高重復性（<0.1%）和抗干擾能力（如IP67防護）的傳感器，如電阻應變式稱重傳感器

醫療設備：需高靈敏度（如生物電信號檢測）和低漂移（<0.01%/h）特性，常用MEMS壓力傳感器

環境監測：側重分辨力（如PM2.5傳感器分辨1μg/m3）和長期穩定性（防腐蝕封裝）

總結

傳感器的性能指標需根據具體應用場景權衡選擇：

靜態精度由線性度、靈敏度主導，需結合校準技術；

動態性能取決于固有頻率和阻尼比，通過模型仿真優化；

環境適應性需通過材料工藝（如陶瓷封裝）和電路設計（如EMI濾波）實現

例如，汽車ABS系統需同時滿足高動態響應（階躍時間<5ms）和寬溫域穩定性（-40℃~125℃），通常選用硅基壓阻式壓力傳感器并集成溫度補償算法