开发者学习笔记【阿里云物联网助理工程师认证（ACA）：传感器功能及特性（二）】
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传感器功能及特性（二）
二、传感器的静态特性
1. 测量范围、上下线及量程的概念
每个传感器都有其测量范围，它是该仪表按规定的精度进行测量的被测变量的范围。比如我们学数学的时候，拿的尺子，我们尺子的精度是一厘米，有些尺子按照一厘米的精度，它的测量范围是20厘米，也就是说这把尺子它能够进行测量的范围为零到20厘米。有些尺子是30厘米，有些尺子是一米等等。测量范围的最小值和最大值分别称为测量的下线和测量的上限，简称下限和上限。
假如一个超声波传感器，它最大的测量距离为10米，那么它的测量范围为零到10米，上限为10米，下限为0。传感器的量程是什么?量程其实就是用来表示测量范围的大小的一个数值，是测量的上限值与下限值的代数差。
比如，我们压力传感器的测量范围为负400到正400，那么它的量程为800，在这个正负之间，如果压力发生了变化，该传感器可以得到相应的信息输出，如果超出这一范围，传感器的输出得到的结果是不确定的，无法保证输出量与机体的压力对应关系。
比如，超声波传感器，它最大的测量距离是10米，那如果这个障碍物距离超声波传感器的距离是20米，那么超声波传感器得到的距离值可能是10米，也可能是16米，也可能是16米，17米。它虽然随着这个距离变化，它的输出值也发生了变化，但是它的输出量和输入量没有保持一定的线性关系，那这个值我们是无效的值，没有任何使用价值。有些传感器标记为负50到450，这个也是可以的，那么它的量程呢，就是500，像上面标记的负400到正400，它的量程就是800。
看一下上面这个图，这个图是一个传感器的线性关系图，Xmin、Xmax为我们输入量的最小值和最大值，Ymin和Ymax是我们输出量的最小值和最大值，即这个图满足输出量和输入量的线性关系。Xmax与Xmin的差值即为量程，Ymax和Ymin的差值为满量程输出值。如果我们超了量，可能就不满足图中所示的线性关系，可能会是一个曲线，也可能是一种其他的结果关系，这个就是我们测量范围上下限及量程的相关概念讲解。
2. 零点迁移及量程迁移
什么是零点?
零点就是测量的下限值，比如压力传感器测量范围为负400到正400，那么它的零点为负四百，只要零点和量程确定了，其测量范围也就确定了。
比如，零点标记为负400，量程标记为800，那它的上限值就是正400，它的测量范围就是负400到正400。
在实际使用中，由于测量要求或测量条件的变化，我们需要改变传感器的零点或量程，对传感器的零点和量程进行调整。在这种情况下，将零点的变化称之为零点迁移，量程的变化称之为量程前移。举例：假如你拿一张A4纸画一个省的地图，图上每一厘米表示的距离为100公里，然后我们再拿同样的一张A4纸去画一个国家的地图，那这个地图上的一厘米可能就表示1万公里，同样是一厘米，由于它所处的绘画环境不一样，导致它所代表的距离值也不一样，这个是A4纸上一厘米的值的调整。假如你拿一个温度传感器去测量当前温度的变化，第一个点当前温度为20度，每次变化值为一度，最大变化不超过50度，那这个零点可设置为20，量程设置为50。假如放到第二个地方，第二个地方它的温度为200度，最高温度可达300度，那么我们可以把零点设置在200度的位置，量程变为100度。这个就是我们传感器在不同环境的条件下，对传感器零点和量程的调整。
3. 线性度
线性度是输出量与输入量之间的关系曲线偏离直线的程度，又称为非线性误差。第一个图是理想的线性特性，它的输出量与输入量成正比的对应关系，但是几乎每一种传感器都不具备此特性，由于外界环境的影响和内部电子电路生产制造工艺等因素的影响，传感器的输入量和输出量不会成第一种的理想线性特性，实际的可能就像第二幅图第三幅图。这个时候我们得到的输出量就不能够精准的反馈输入量的变化，所以我们需要对输出量进行线性处理。
例如，一个温度传感器，它在正常的环境下面，温度上升1度，检测到的输出量也上升1度，你下降10度，那检测到的输出量也下降10度。假如我们把这个温度传感器放到放射性强的地方，或者磁场比较强的地方，那它可能就会以每上升1度，输出量可能上升0.5度，或者上升2度都有可能，下降5度，输出量可能就下降2度，或者下降10度，这个时候我们就需要对输出量进行值的增减调整，让它尽可能的贴近理想的输出量值，才能得到当前环境的实时变化。这个就是我们传感器的线性静态特性。第一种是理想的，后面两种是实际的。
4. 灵敏度
灵敏度及传感器在稳态下输出增量与输入增量的比值。对于线性传感器及我们理想的传感器，灵敏度为静态特性的斜率。
第一幅图表示线性传感器灵敏度的一个计算图，当输入量由零变为X的时候，它的输出量由Y0变为Y的时候，它的命运度计算方式为Y减Y0，对X进行除法运算。
我们知道实际的传感器它并不满足线性这一特性，而是非线性的，由于外部原因和内部因素的影响，它们是非线性。对于非线性传感器灵敏度的计算，我们只取非线性途中某一个点的灵敏度来表示这个传感器的灵敏度。我们看到这个图X0为某个工作点输入量的变化值，Y0为该工作点输出量的变化值，那它的灵敏度即为Y0，对X0进行除运算。非线性传感器在某个工作点得到的灵敏度和线性传感器得到的灵敏度越贴近，则表示该传感器性能较好，如果偏离度越大，则表示该传感器性能较差，其数据价值较小。
5. 重复性
重复性是传感器在输入量按同一方向做全量程多次测试时，所得特性曲线不一致性的程度。
举例：在实验室里面控制温度从0-30度进行变化，然后多次用传感器进行测量，将测量到的温度值进行绘制成图，我们会发现每一次测量得到的结果图是不一致的，比如这里是0度、30度，然后Y坐标为输出量。第一次测量的时候，T1它随着温度的变化，我们传感器输出的值成这条曲线；在T2时刻重新将它降到零度，再升到30度，得到另外一条曲线；在T3时刻将温度重新恢复至0度，再慢慢上升到30度，得到的温度值绘制成曲线图。我们会发现同一个温度传感器在相同的温度变化范围内，它测量到的数据值是不一样的。
重复性对于我们传感器性能好坏的判断有什么帮助意义？
假如，你在不同时刻对同一个温度变化产生的数据绘制的曲线越重合，差距越小，那么该传感器它的误差也就越小。比如，你在T1时刻，你得到的这条线条，T2时刻你还是这条线条，或者说它们之间有一点点稍微的变化距离，T3时刻还是这条线条，这说明这个传感器性能非常好，它不会你这一次测量到的数据跟下一次测量的数据它是不一样的，也就是说多次按相同输入条件测试的输出特性曲线越重合，其重复性越好。每次测量到的结果它的数据都分布在一条线上，这说明它的重复性越好，误差也就越小。
导致我们传感器不同时刻测量到的数据不一致，有哪些原因？
主要有机器的磨损、间隙、松动、部件内的摩擦、积尘以及辅助电路老化和漂移等原因产生，这个我们把它称之为不重复性。
6. 迟滞现象
迟滞现象（回差滞环）是传感器在正向行程和反向行程间，输出-输入特性曲线不重合的程度。
举例：还是我们温度传感器，当它在零度上升到X度数时，它得到的输出量曲线为这条曲线。然后我们将温度进行降低，由X降低到零度，那么在降低过程中，它得到的输出数据绘制成的曲线是这条曲线，那这两条曲线的不重合程度，即为我们这个迟滞。比如在这个点，同样的一个温度值，在上升的时候，它得到的输出量为y1。在下降时，它得到的一个输出量为y2。那Y1 Y2的距离即滞环误差。按照理想的模型来说，温度上升期间某个值它对应的输出量，和温度下降时相同的某个输入量值，它得到的输出量应该是相同的。但是这里，并没有相同。那这两个值的差又称之为滞环误差，就是我们所说的的迟滞现象。迟滞误差越小，就表明这个传感器越接近理想型传感器，。不管输入量正向变化还是输入反向变化，它在某个输入量值的时候都能够得到相同的或者说误差很小的输出量，那这个传感器就比较理想。
7. 稳定性
稳定性有短期稳定性和长期稳定性之分。一般用长期稳定性来描述传感器的稳定性。
稳定性什么意思?
比如，传感器在今天相同环境下，对当前环境进行感知得到一个数据值，再过一天或者一年一个月，或者某段时间之后，你还是在相同的环境下进行感知。如果你感知的数据和之前感知的数据差异性特别大，我们就说这个传感器是不稳定的。它们之间数据差异越大，那它不稳定程度也就越大，差异越小不稳定程度也就越小。所以又可以用传感器的不稳定度来证明传感器输出的稳定程度。
8. 漂移
传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关不需要的变化。比如这个温度传感器，它变化应该是由温度的变化而产生的，而不是当前紫外线发生了变化，这个温度传感器的输出量也发生变化了，这个是不合理的。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移。零点漂移和灵敏度漂移又分为时间漂移和温度漂移。时间漂移是在规定的条件下面，零点或者灵敏度随时间的缓慢变化。温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。比如传感器，随着使用的时间越久，它可能就不稳定，它内部的电子电路可能就老化了，它不能够精准的感知输入量。比如温度传感器上升10度，输出量也应该上升10度，但是由于一些电子电路老化，得不到正确的数据值，感知不到正确的数据值，可能输出量只上升5度。温度也会影响传感器对被测量的感知。因为有些敏感元件，它只能在特定的某个温度区间之内才能正确的感知，超过了这个温度范围，它就没有感知的特性，它的感知特性就消失了，或者减弱了。
9. 静态误差
静态误差是传感器在其全量程内任意一点的输出值和理论输出值的偏离程度。我们画个图，这是一个坐标，这是它的理论的一个线性关系，但是你实际随着这个输入量的变化的，Y的变化是这个样子的，那它的静态误差是什么？是这一点X1。理想的输出值一个应该是Y1，但是实际的输出值是Y2，那么这个误差就是Y1减Y2。那这个偏离程度越小，就表示它的静态误差越小，偏离程度越大，就是Y1减Y2的值越大，表示这个静态误差也就越大，表示这个传感器它就可能不能使用了。
10. 分辨率
分辨率为传感器在规定的范围内所能检测输入量的最小变化量。比如一个温度传感器可以检测到的温度为35.32度，那最小变化量就是0.01，那有些只能检测到0.1或者说1，有些比较粗糙的温度传感器，它只能得到一个整数部分比如35度。我们一般就是0.1点精确度35.3，好一点的非常专业的，就可能得到0.01点的一个变化，那它得到的温度量可能就是35.32，更为一个精确一点，这就是我们分辨率，到此传感器静态特性就结束了。静态特性包括分辨率、静态误差、漂移、稳定性、迟滞现象、重复性、线性灵敏度等等。
