[科普中国]-线性传感器-

当传感器的输入与输出之间成线性关系时，称该传感器为线性传感器。1

对线性传感器，其线性的优劣一般采用线性度来衡量，在讨论线性度时，由于选定的参考标准不同，往往会得到不同的线性度指标，其指标之间往往无法对比，故在实际中常采用所谓最佳直线作为参考的独立线性度来衡量传感器线性特征，而且一般认为这是最客观的标准。2

术语简介传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。

从传感器的性能角度来看，希望具有线性关系，即理想输入输出关系，但实际遇到的传感器大多为非线性。3

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化，它不仅促进了传统产业的改造和更新换代，而且还可能建立新型工业，从而成为21世纪新的经济增长点。

微型化是建立在微电子机械系统（mems）技术基础上的，已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。

线性度分析根据最佳直线的定义，可知所谓最佳直线为在传感器量程内相互靠近，而又能包含传感器所有实验点的两条平行线中间位置的一条直线，其特性是保证传感器实际平均输出特征曲线对最佳直线的最大偏差达到最小。

由其获取的方法可知：它由包含所有实验点的凸多边形中各顶点向x轴引垂直线中的最长者的中点和与凸多边形相交所在的边所决定。

由此不难看出在上图中决定最佳直线的仅有g1 、g5 和g4 ，而其他实验点只要落在凸多边形上或其内则无论如何改变，都将对最佳直线不产生影响。

这样的结果当然是无法让人满意，产生这种情况的原因是最佳直线只是由个别极端数据所决定，而在实际中，由于各种随机因素的作用，极端数据一般并不能真正说明传感器的性能特征，因此建立在由个别极端数据基础上的最佳直线亦并不能说明传感器的真实性能

选型原则测量对象与环境要进行具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。

频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器的响应总有-定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围就越宽。
在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过大的误差。

线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。

稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器阿特拉斯空压机配件。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学