第1章傳感器基礎知識1.1傳感器的概念1.2傳感器的分類1.3傳感器與檢測系統1.4傳感器技術1.5傳感器的基本特性

1.1傳感器的概念

1.傳感器

所謂傳感器(sensor),是指將感受到的物理量、化學量等信息,按照一定規律,轉換成便于測量和傳輸的信號的裝置。由于電信號易于傳輸和處理,因此一般概念上的傳感器是指將非電量轉換成電信號輸出的裝置。

傳感器一般由敏感元件、轉換元件和測量電路三部分組成,有時還需要加輔助電源,用方塊圖表示,如圖1－1所示。圖1－1傳感器的組成示意圖敏感元件(預變換器):能夠完成預變換的器件稱為敏感元件,又稱預變換器。如在傳感器中各種類型的彈性元件常被稱為敏感元件,并統稱為彈性敏感元件。完成非電量到電量的變換時,并非所有的非電量都能利用現有手段直接變換為電量,往往是將被測非電量預先變換為另一種易于變換成電量的非電量,然后再變換為電量。為了獲取被測變量的精確數值,不僅要求敏感元件對所測變量的響應足夠靈敏,還希望它不受或少受環境因素的影響。敏感元件與傳感器的區別在于,傳感器不但對被測變量敏感,而且能相應地以電信號,如電壓、電流、頻率等形式將其傳送出去。轉換元件:將敏感元件輸出的非電量直接轉換為電量的器件稱為轉換元件。例如應變壓力傳感器中,彈性膜片是敏感元件,它將壓力的變化轉換成應變輸出,而彈性膜片的應變施于電阻應變片上,電阻應變片將應變量轉換為電量輸出,因此電阻應變片才是轉換元件。

需要指出的是,一般的傳感器都包括敏感元件和轉換元件,但有一類傳感器,其敏感元件和轉換元件可合二為一,如壓電晶體、熱電偶等。

測量電路:將轉換元件輸出的電量變成便于顯示、記錄、控制和處理的有用電信號的電路，稱為測量電路。測量電路的類型視轉換元件的分類而定,經常采用的有電橋電路及其他特殊電路,如高阻抗輸入電路、脈沖調寬電路、振蕩回路等。

2.換能器

與傳感器相關的還有另外一個常見名詞——換能器(transducer),在有些產品介紹甚至學術文獻中，經常將它與傳感器混同使用。顧名思義,換能器的功能在于將信號從一種物理形式變換為另一種不同物理形式的相應信號。一般地,自然界中信號的物理形式有六種,即機械、熱、電、磁、化學以及輻射(包括光在內的微粒輻射和電磁輻射)。所以,將一類信號變換成另一類信號的任何裝置都可稱為換能器。從這一意義上講,換能器可以說是傳感器的另一種定義形式。不過,傳感器的含義側重于擴展人們獲取那些感官所不能察覺的物理量信息的能力,而換能器則意味著輸入量與輸出量不一樣。另外,執行器將電信號轉換為機械量等其他形式的信號,也包括在換能器的范圍內。因此,換能器實際上包括兩種形式,即輸入換能器(物理信號/電信號)與輸出換能器(電信號/執行或顯示)。前者一般稱為傳感器或探測器,專用于信息的采集;后者則以執行器為主,主要用于功率轉換。

3.變送器

變送器是從傳感器發展而來的,凡能輸出標準信號的傳感器都稱為變送器。常用標準信號為0～5V的電壓信號或4～20mA的電流信號。此外,以輸出數字量為特征的滿足某種傳輸協議(如現場總線協議)的變送器,也逐步在各種工業測控領域得到推廣應用。

有了統一的信號形式和數值范圍,就便于把各種變送器和其他儀器組成檢測系統。無論哪種儀器,只要有同樣標準的輸入電路或接口,就可以從各種變送器獲得被測量的信息。這樣大大提高了傳感器應用的兼容性和互換性,儀器的配套也極為方便,因此,在實際應用中往往變送器的需求大過傳感器的直接應用。不過，近幾年隨著采集卡的普遍應用，工程中直接使用傳感器也變得方便了。

4.轉換器

輸出為非標準信號的傳感器,必須和特定的儀器或裝置配套,才能實現檢測或調節功能。為了加強通用性和靈活性,某些傳感器的輸出可以靠轉換器將輸出由非標準信號變成標準信號,使之與帶有標準信號輸入電路或接口的儀表配套,從而實現檢測調節功能。

不同標準的信號可以借助轉換器實現相互轉換。例如,氣/電轉換、電/氣轉換,能把20～100kPa的空氣壓力與0～10mA的電流相互轉換。

電/電轉換也可以實現,如4～20mA與0～10mA電流之間的轉換。這一類轉換器也稱電量傳感器,它的出現順應了現在信號調理電路設計中模塊化的思路。

傳感器輸入量與輸出量的外延正在不斷豐富。

1.2傳感器的分類

一般來說,目前人類需要監測的被測量有多少,傳感器就應該有多少種。并且對于同一種被測參量,可能采用的傳感器有多種。同樣,同一種傳感器原理也可能被用于多種不同類型被測參量的檢測。因此,傳感器的種類繁多,分類的方法也不盡相同。

傳感器通常有按用途和按工作原理兩種分類思路，具體見表1－1。表1－1傳感器常用的兩種分類方式

1.按被測量分類

如輸入量分別為溫度、壓力、位移、速度、加速度、濕度等非電量時,則相應的傳感器稱為溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、濕度傳感器等。這種分類方法給使用者提供了方便,容易根據測量對象選擇所需要的傳感器,也便于初學者應用。

2.按測量原理分類

現有傳感器的測量原理主要是基于電磁原理和固體物理學理論。如根據變電阻的原理,相應的有電位器式、應變式傳感器;根據變磁阻的原理,相應的有電感式、差動變壓器式、電渦流式傳感器;根據半導體有關理論,相應的有半導體力敏、熱敏、光敏、氣敏等固態傳感器。這是傳感器研究人員所常用的分類方式。這種分類方式有助于減少傳感器的類別數,并使傳感器的研究與信號調理電路直接相關。

3.其他分類

根據在檢測過程中對外界激勵的需要,可以將傳感器分為無源傳感器和有源傳感器。

有源傳感器也可稱為能量轉換型傳感器或前文所述的換能器,其特點在于敏感元件本身能將非電量直接轉換成電信號,例如超聲波換能器(壓/電轉換)、熱電偶(熱/電轉換)、光電池(光/電轉換)等。與有源傳感器相反,無源傳感器的敏感元件本身無能量轉換能力,而是隨輸入信號而改變本身的電特性,因此必須采用外加激勵源對其進行激勵,才能得到輸出信號。大部分傳感器,如濕敏電容、熱敏電阻、壓敏電阻等都屬于這類傳感器。由于被測量僅能在傳感器中起能量控制作用,因此也稱為能量控制型傳感器。由于需要為敏感元件提供激勵源,無源傳感器通常需要比有源傳感器用更多的引線。傳感器的總體靈敏度也會受到激勵信號幅度的影響。此外,激勵源的存在可能增加在易燃易爆氣體環境中引起爆炸的危險,在某些特殊場合需要引起足夠的重視。根據輸出信號的類型,可以將傳感器分為模擬傳感器與數字傳感器。模擬傳感器將測量的非電學量轉換成模擬電信號,其輸出信號中的信息一般由信號的幅度表達。輸出為方波信號,其頻率或占空比隨被測參量變化而變化的傳感器稱為準數字傳感器。由于這類信號可直接輸入到微處理器內,利用微處理器內的計數器即可獲得相應的測量值,因此,準數字傳感器與數字電路具有很好的兼容性。 1.3傳感器與檢測系統

1.測控系統框圖

傳感器能將被測物體的參量轉換為電信號,從而成為檢測系統的基礎。在應用方面,傳感器與檢測系統也是密不可分的。

一個檢測系統的首要任務就是測量,而測量的目的一般無外乎兩個:其一是用于客體對象的監測,例如對室內環境溫度/濕度的測量、環境中大氣壓力及空氣污染物的測量、醫院中病人狀態的監測等;其二則是用于控制。圖1－2檢測控制系統構成示意圖

2.傳感器在系統中的作用

被測參量是指測控對象指定的物理/化學參量,如溫度、濕度、壓力等。

傳感器一般處于測控系統的兩個部分:一是位于輸入端,與被測對象接觸,采集系統監測信息;另一是位于輸出端,采集輸出量的變化并將之送回反饋通道,實現控制量的調節。

傳感器的性能好壞直接影響系統性能。如果傳感器不能靈敏地感受被測量,或者不能把感受到的被測量精確地轉換成電信號,其他儀表和裝置的精確度再高也無意義。這一點在現代儀器系統中表現尤其明顯。計算機,尤其是單片機及嵌入式系統的快速發展,測量數據的智能化快速處理及顯示存儲早已經不是什么困難的事情,但前提是系統必須由傳感器提供準確可靠的信息。如果傳感器的水平與計算機的水平不相適應,計算機便不能充分發揮應有的作用和效益。

3.信號調理

傳感器所產生的電信號一般非常弱,必須經過放大處理后才能利用電纜線傳輸到數據獲取(DAQ)模塊進行進一步處理。有些傳感器的輸出信號雖然強,但許多DAQ部件的輸入范圍固定(如±10V,0～5V等),與傳感器的輸出范圍往往不符,因此必須對傳感器的輸出范圍進行再調整。此外,傳感器信號中的無用噪聲必須盡可能過濾掉或最小化,以得到“干凈”的信號。所謂信號調理,即對傳感器的輸出信號進行再加工,使其更適合于后續的信號傳輸及處理。

信號調理單元在測量系統中的位置如圖1－3所示。實際上,信號調理與檢測電路之間的界限并不一定很清楚,有時還會合二為一,因此有些文獻中也將電阻抗-電壓轉換電路,如電阻、電感、電容等的檢測電路歸為信號調理電路。圖1－3信號調理在測量系統中的位置圖1－4典型的信號獲取系統

4.系統的模塊化和接口

實際的測量系統是通過傳感器、信號調理、數據采集、信號處理、數據顯示、數據存儲與傳輸等環節的有機組合實現的。由于傳感器種類繁多,涉及的知識面寬廣,因此要求測量系統的相關技術人員了解和掌握全部有關知識是不現實的。將系統進行模塊化、標準化,相關技術人員就可以在不必深入了解每個功能模塊的內部原理及結構的情況下,對整個系統進行設計、實現及維護,模塊化的測量系統如圖1－5所示。圖1－5模塊化的測量系統隨著集成電路技術的快速發展,在實際應用中具體的功能模塊可能并不總是被分成截然不同的部分,但在最終利用傳感器的輸出信號之前,一般都需要對其進行某種信號處理。

所謂接口,是指實現兩功能模塊之間電氣參數連接的部分。接口電路可以工作在同一電氣參數范圍,如將傳感器輸出的模擬信號調整成標準輸出信號;也可將信號從一種形式(如圖1－6所示)變換到另一個形式,如模/數轉換電路。圖1－6測量系統中可能涉及的物理量的形式在傳感器與測量系統的接口方面,傳感器的輸出阻抗決定了接口電路所需的輸入阻抗。傳感器的輸出為電壓信號時,要求接口電路有高的輸入阻抗,以便使檢測電壓接近傳感器的輸出電壓,如圖1－7(a)所示。相反,如傳感器的輸出為電流信號(如圖1－7(b)所示),則要求接口電路的輸入阻抗低,以便使輸入電流接近傳感器的輸出電流。圖1－7傳感器輸出信號形式與接口電路的阻抗

1.4傳感器技術

1.4.1傳感器技術學科特點

傳感器技術是當今世界令人矚目的迅猛發展起來的高新技術之一,也是當代科學技術發展的一個重要標志,它與負責信息傳輸的通信技術,擔負信息處理的計算機技術構成現代信息技術的三大支柱,是現代社會信息化的基礎技術。沒有傳感器提供的可靠、準確的信息,通信和計算機技術就成為無源之水。圖1－8傳感器技術學科特點1.4.2傳感器的材料

傳感器的敏感原理是一些物理現象或化學現象,而傳感器的具體實現則是依靠一些能有效表現這些現象的材料。由于制作一種傳感器有很多種材料可供選擇,同時一種材料又可能對很多信息具有敏感特性,因此傳感器所涉及的材料問題錯綜復雜,傳感器材料的定義和分類至今沒有統一和標準化。傳感器材料大致可分為敏感材料和輔助材料兩大類。例如,電阻應變計主要需要四種材料:電阻敏感柵、基底、粘結劑和引出線。電阻敏感柵材料屬敏感材料,其他三種屬輔助材料。

輔助材料是傳感器不可缺少的組成部分,對輔助材料的選擇與應用是否合理將直接影響傳感器的特性、穩定性、可靠性和壽命。應根據傳感器不同的應用場合,選擇符合特殊要求的輔助材料。例如,傳感器用的保護材料就有耐腐蝕材料、抗核輻射材料、抗高溫氧化材料、抗電磁干擾材料、耐磨抗沖刷材料、防爆材料等。

敏感材料是傳感器材料的核心,它決定了傳感器的作用機理。它的品種繁多,性能要求嚴格。按照敏感材料的材質分類,可分為半導體材料、敏感陶瓷材料、金屬與合金材料、無機材料和有機材料、生化材料等。1.4.3檢測技術

檢測技術是根據傳感器工作所依據的物理效應、化學反應、生物反應等機理,對信號采集、處理的技術。它涉及電子技術、半導體技術、激光技術、光纖技術、聲控技術、遙感技術、自動化技術、計算機應用技術等。1.4.4工藝加工技術

加工工藝是傳感器從實驗室走向實用的關鍵。由于傳感器研究的跨學科性,現代加工制造技術中的各種工藝手段在傳感器領域都有所體現。尤其是以多個零部件組裝而成的結構型傳感器,如應變電阻式傳感器、渦街流量傳感器、電渦流傳感器等,其敏感原理早已為大家所熟知,而加工工藝則各有千秋。傳感器的性能,尤其是溫度穩定性、可靠性等指標,也有很大差異。因此,各個生產廠家大都有自己獨特的加工工藝,對關鍵技術往往諱莫如深。傳感器的結構尺寸變化范圍很大,幾乎所有的現代加工技術都在傳感器領域中得到了不同程度的應用。微機械加工技術以及集成電路生產工藝在傳感器領域的應用,為傳感器的小型化、微型化乃至智能化提供了一個重要手段,可以實現大批量生產小型、可靠的傳感器,已經成為傳感器生產的重要工藝手段。圖1－9給出了迄今為止各種加工技術所能達到的精度和被加工物體的大小。從此圖中可以看出,機械加工精度最高1μm,集成電路的掩膜精度可達10m,用移動原子的處理方法精度可達零點幾納米。圖1－9應用不同加工方法得到的加工精度傳統的機械量傳感器,如位移、壓力、流量傳感器,其敏感元件的尺寸一般比較大,且往往由多個零部件組合而成,因此也有人稱之為結構型傳感器,其生產過程的自動化程度依生產批量而定。這類傳感器(即使是那些大批量生產的傳感器)的加工工藝一般都包括人工調整環節。大量的生產廠家仍然采用機械加工結合手工調整的方式進行。電阻應變式傳感器因結構、材料、選用器件、量程和用途的不同,以及生產廠家工藝裝備、檢測手段、標定設備的差異,致使其不可能有統一的工藝。但其原理和組成基本相同,都少不了彈性體、應變計和測量電路,所以有許多相似之處。總體來說,傳感器的加工工藝可概括為:原材料的物理化學分析與力學性能測試工藝→彈性體的鍛造、機加工及熱處理工藝→彈性體的穩定化處理工藝→彈性體的整體清洗,貼片面的準備工藝→應變計的篩選、配組工藝→應變計的粘貼、加壓及固化工藝→組橋、布線及性能粗測工藝→線路補償與調整工藝→傳感器整機老化處理工藝→防潮密封工藝→性能檢測與標定工藝。 1.5傳感器的基本特性

理想的傳感器應該具有如下特點:

(1)傳感器的輸出量僅對特定的輸入量敏感。(2)傳感器的輸出量與輸入量呈惟一的、穩定的對應關系,且最好是線性關系。(3)傳感器的輸出量可實時反映輸入量的變化。

在實際應用中,傳感器是在特定而具體的環境中使用的,因此傳感器本身的結構、電子電路器件、電路系統結構以及各種環境因素的存在均可能影響到傳感器的整體性能,具體如圖1－10所示。圖1－10影響傳感器性能的因素1.5.1靜態特性

傳感器的靜態特性是指在穩態條件下,傳感器的輸出與輸入的關系。典型的傳感器靜態特性曲線描述方式為

其中,y為輸出量,x為輸入量。理想的傳感器輸出輸入特性是線性的,即輸出與輸入間的關系滿足：y=f（x）y=a1x+a0其中，a0、a1為常數。這種線性特性無疑是最理想的特性。其優點在于：

(1)可大大簡化傳感器的理論分析和設計計算。

(2)為標定和數據處理帶來很大方便,只要知道線性輸出-輸入特性上的兩點(一般畫零點和滿度值)就可以確定其余各點避免了非線性補償環節,后續儀表制作、安裝、調試容易,提高了測量精度。

(3)避免了非線性補償環節,后續儀表制作、安裝、調試容易,提高了測量精度。

1．測量范圍、上下限及量程

每個傳感器都有其測量范圍,它是該儀表按規定的精度進行測量的被測變量的范圍。測量范圍的最小值和最大值分別稱為測量下限(Xmin)和測量上限(Xman),簡稱下限和上限,見圖1-11.

傳感器的量程可以用來表示其測量范圍的大小,是其測量上限值與下限值的代數差,即：量程=測量上限值-測量下限值。圖1-11測量上下限、量程、滿量程輸出值、靈敏度使用下限與上限可完全表示傳感器的測量范圍,也可確定其量程。例如,某壓力傳感器的測量范圍為-400~+400mmHg或表示為±400mmHg，其量程為800mmHg。這說明當輸入壓力在-400~+400mmHg之間變化時,該傳感器可有相應的線性輸出,超出這一范圍時,傳感器的輸出值也可能會隨壓力變化而有相應的改變,但無法保證輸出量與具體壓力之間的對應關系。實際傳感器的正負上下限也可以不相等,如某醫用血壓傳感器的下限值是-50mmHg(真空)，上限值是450mmHg，則其測量范圍可表示為-50~+450mmHg，量程可表示為450mmHg-（-50mmHg）=500mmHg。由此可見,給出儀表的測量范圍便知其上下限及量程,反之只給出量程,卻無法確定其上下限及測量范圍。

2.滿量程輸出值（YFS）

滿量程FS（FullSpan）對應的輸出值記為YFS=Ymax-Ymin(見圖1-11)

3.零點遷移和量程遷移

測量范圍的另一種表示方法是給出儀表的零點,即測量下限值及儀表的量程。由前面的分析可知,只要傳感器的零點和量程確定了,其測量范圍也就確定了。這是一種更為常用的表示方式。

在實際使用中,由于測量要求或測量條件的變化,需要改變傳感器的零點或量程,為此可以對傳感器進行零點和量程的調整。通常將零點的變化稱為零點遷移,而量程的變化則稱為量程遷移。

以被測變量值相對于量程的百分數為橫坐標,記為X,以輸出值相對滿量程輸出值的百分數為縱坐標,記為Y,可得到特性曲線圖，如圖1－12所示(假設傳感器特性是線性的)。圖1－12零點遷移和量程遷移示意圖考慮單純的零點遷移情況,如線段2所示,此時量程不變,其斜率亦保持不變,線段2只是線段1的平移,理論上零點遷移到了原輸入值的-25%處,終點遷移到了原輸入值的75%處,而量程仍為100%。考慮單純的量程遷移情況,如線段3所示,此時零點不變,線段仍通過坐標系原點,但斜率發生了變化,理論上量程遷移到了原來的70%處。

由于受傳感器測量范圍和輸入通道對輸入信號的限制,實際的特性曲線通常只限于正邊形ABCD內部,即用實線表示部分;虛線部分只是理論上的結果,無實際意義。因此,線段2的實際效果是傳感器有效使用范圍遷移到原來的25%～100%,測量范圍遷移到原來的0～75%。線段3的實際效果是傳感器有效使用范圍遷移到原來的0～100%,測量范圍遷移到原來的0～70%。同理,考慮圖中線段4所示的量程遷移情況,其理論上零點沒有遷移,量程遷移到原來的140%,而實際上只保持了原來有效范圍的0～71.4%,測量范圍則仍為原來的0～100%。

4.靈敏度和分辨率

靈敏度是傳感器的輸出增量與輸入增量之比,記為S:S=△Y/△X=YFS/量程對于線性傳感器或非線性傳感器的近似線性段,靈敏度就是傳感器特性直線段的斜率。因此,量程遷移就意味著靈敏度的改變而如果僅僅是零點遷移則靈敏度不變。靈敏度是有量綱的物理量。表示對應固定輸入量的輸出值。例如，某位移傳感器靈敏度為100mV/mm，表示該傳感器對應1mm的位移變化就有100mV的輸出電壓變化。對于非線性傳感器,靈敏度可用其一階導數形式表示，但市場上的傳感器產品一般會為用戶提供線性特性輸出。

容易與靈敏度混淆的是分辨率。它是指輸出能響應和分辨的最小輸入量。分辨率是靈敏度的一種反映,一般說儀表的靈敏度高,則其分辨率同樣也高。因此實際中主要希望提高儀表的靈敏度,從而保證其分辨率較好。

5.線性度

它是傳感器特性曲線與其規定的擬合直線之間的最大偏差△max與傳感器滿量程輸出YFS之比的百分數。

值得注意的是,線性度的具體值與具體采取的擬合直線計算方法有很大的關系,這一點從圖1－13就可以看出來。同樣的傳感器數據,采用不同的擬合直線可得到不同的線性度指標。目前擬合直線的獲得有多種標準,一般是以在標稱輸出范圍中和標定曲線的各點偏差平方之和最小(即最小二乘法原理)的直線作為擬合直線。但在研究或應用過程中,應參照具體標準進行計算。圖1－13傳感器的線性度

6.誤差

傳感器所測值稱為示值,它是被測真值的反映。嚴格地說,被測真值只是一個理論值,因為無論采用何種傳感器,測得的值都有誤差。實際中通常采用適當精度的儀表測出的(或用特定的方法確定的)約定真值代替真值。例如使用國家標準計量機構標定過的標準儀表進行測量,其測量值即可作為約定真值。

示值與公認的約定真值之差稱為絕對誤差,也就是通常所指的誤差。

絕對誤差=示值-約定真值絕對誤差與約定真值之比稱為相對誤差,常用百分數表示,即雖然用相對誤差來衡量精度比較合理,但儀表多應用在接近上限值的量,因而量程取代約定真值則得到引用誤差如下式所示：×100%×100%

可能造成傳感器誤差的來源很多,但基本上可分為五種類型:介入誤差、應用誤差、特性參數誤差、動態誤差及環境誤差。

1)介入誤差

這類誤差來源于傳感器敏感元件的介入對所測系統的環境造成的改變。實際上,幾乎所有傳感器均存在這種介入誤差,只不過影響程度不同。如流體壓力傳感器,當傳感器尺寸相對于所測系統而言太大時,傳感器的安裝就可能會影響到被測量環境的壓力分布,這種誤差就會凸現出來。再如加速度傳感器,當傳感器本身質量大到一定程度時,傳感器的存在就很可能影響到所測系統的動態響應特性。

2)應用誤差

這類誤差在實際應用中最為常見,主要問題在于使用者對具體傳感器原理缺乏了解或測量系統的設計缺陷。例如,當溫度傳感器用于測量空氣環境溫度時,傳感器的放置位置不合適或傳感器與固體之間的熱絕緣不好均可能造成誤差。

3)特性參數誤差

顧名思義,這類誤差來源于傳感器本身的特性參數,也是傳感器生產者及使用者考慮最多的誤差。由于這類誤差是傳感器本身固有的特性,因此使用者所能做的就是在選取傳感器時予以充分考慮。尤其是在量程、閾值及分辨率等方面。

4)動態誤差

大部分傳感器的特性參數是在穩態環境下通過標定測試得到的,因此當所測參數發生變化時,傳感器的反應存在滯后。人們在日常生活中體會最深的恐怕要屬體溫計。老式的水銀溫度計固然反應慢,目前市場上的電子體溫計一般也要數分鐘才能得到結果。在實際應用中,如需測量快速變化的參量,必須考慮傳感器對快變輸入信號的反應能力的動態特性參數。

5)環境誤差

各種環境參量均可能帶來誤差。最常見的為溫度,另外,振動、沖擊、電磁場、化學腐蝕、電源電壓波動等因素均可造成誤差。尤其是電源電壓波動的影響,在使用交流市電作為測量系統的電源時必須予以充分考慮。

7.滯環、死區和回差

由于傳感器內部的某些元件具有儲能效應,例如彈性變形、磁滯現象等,其作用使得檢驗所得的實際上升曲線和實際下降曲線常出現不重合的情況,從而使得傳感器的特性曲線形成環狀,如圖1－14(a)所示。該種現象即稱為滯環。顯然,在出現滯環現象時,儀表的同一輸入值常對應多個輸出值,并出現誤差。同時,由于傳感器內部的某些元件可能還具有死區效應,例如傳動機構的摩擦和間隙等,其作用亦可使得檢驗所得的實際上升曲線和實際下降曲線常出現不重合的情況。這種死區效應使得傳感器輸入在小到一定范圍后不足以引起輸出的任何變化,而這一范圍則稱為死區。考慮傳感器特性曲線呈線性關系的情況,其特性曲線如圖1－14(b)所示。因此,存在死區的儀表要求輸入值大于某一限度才能引起輸出的變化,死區也稱為不靈敏區。理想情況下,不靈敏區的寬度是靈敏區寬度的2倍。

也可能某個傳感器既具有儲能效應,也具有死區效應,其綜合效應將是以上兩者的結合。典型的特性曲線如圖1－14(c)所示。圖1－14滯環、死區、綜合效應分析在以上各種情況下,實際上升曲線和實際下降曲線間都存在差值,其最大的差值稱為回差,亦稱變差,或來回變差。而通常以回差與滿量程輸出值之比的百分數來表示這一特性參量遲滯:

8.重復性和再現性

在同一工作條件下,同方向連續多次對同一輸入值進行測量所得的多個輸出值之間相互一致的程度稱為重復性,它不包括滯環和死區。例如,在圖1－15中列出了在同一工作條件下測出的3條實際上升曲線,其重復性就是指這3條曲線在同一輸入值處的離散程度。實際上,重復性常選用上升曲線的最大離散程度和下降曲線的最大離散程度兩者中的最大值與滿量程輸出值之比的百分數來表示:圖1－15重復性和再現性