センサに関する用語

センサの感度は、出力特性CURVE（図1のDY/DX）の勾配、またはより一般的には検出可能な出力変化を作成する物理パラメータの最小入力として定義されます。一部のセンサでは、感度は標準化された出力変化を生成するために必要な入力パラメータ変化として定義されます。または、入力パラメータの所定の変化に対する出力電圧変化として定義されます。たとえば、一般的な血圧トランスデューサの感度定格は10 mV/V/mm Hgです。つまり、励起電位の各ボルトおよび印加圧力の各mm Hgに対して10 mVの出力電圧があります。

感度エラー

感度誤差（図 1 の点線付き CURVE として表示）は、特性 CURVE の理想的な勾配からのずれです。たとえば、上記の圧力トランスデューサの実際の感度は、10 mV/V/mm Hgではなく7.8 mV/V/mm Hgである場合があります。

センサのレンジは、測定可能な適用パラメータの最大値と最小値です。たとえば、圧力センサのレンジは-400～+400 mm Hgです。また、正と負の範囲は等しくない場合もあります。たとえば、ある医療用血圧計の最小（真空）制限は-50 mm Hg（図1ではY_min）、最大（圧力）制限は+450 mm Hg（図1ではY_max）と指定されています。この仕様は偶然にも一般的であり、医師や看護師がシステム内の流体ストップコックの位置に注意せずに動脈ラインに血液を引き込もうとすると、血圧センサを破壊する原因の1つです。小さな注射器は、閉じたシステムに大きな真空効果を発揮します。

図1.理想CURVEおよび感度誤差。出典: J.J.Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

ダイナミックレンジ

ダイナミックレンジは、最小から最大までのセンサの全範囲です。つまり、図1では、R_dyn = Y_max - l - Y_minlです。

精度の概念は、測定の再現性の度合いを表します。つまり、全く同じ値を何度も測定した場合、理想的なセンサは毎回全く同じ値を出力します。しかし、実際のセンサは、実際の正しい値に対して何らかの方法で分布された値の範囲を出力します。たとえば、センサに150 mm Hgの圧力がかかったとします。印加された圧力が変わらない場合でも、センサからの出力値はかなり異なります。真の値とセンサの平均値が互いに一定の距離内にない場合、精度の問題が生じる
(例: 正規分布CURVEの1-s範囲)。

この仕様は、出力信号で検出可能な最小入力パラメータの増分変化です。分解能は、読み取り値 (またはフルスケール読み取り値) の割合または絶対値で表されます。

センサの確度は、実際の値 (プライマリまたは適切なセカンダリ標準で測定される必要があります) とセンサ出力での指定値の間に発生する最大差です。この場合も、確度はフルスケールの割合または絶対単位で表すことができます。

トランスデューサのオフセット誤差は、ゼロになるべき出力、または特定の条件下での実際の出力値と指定された出力値の差として定義されます。図 1 の最初の状況の例は、特性 CURVE の感度スロープが理想値と同じで、b でゼロではなく Y 軸 (出力) を交差する場合です。もう 1 つの形式のオフセットの例は、図 2 に示す pH 電極の特性 CURVE に示されています。理想的なCURVEは1つの温度（通常25℃）にのみ存在し、実際のCURVEはサンプルと電極の温度によって最低温度と最高温度の制限値の間にあります。

トランスデューサの線形性は、センサの実際の測定されたCURVEが理想CURVEから逸脱する範囲の表現です。図 3 は、理想的または最小二乗フィットのラインと、実際に測定されたラインまたはキャリブレーションのラインの間のやや誇張された関係を示します。(メモ: ほとんどの場合、スタティック CURVE を使用して線形性を決定し、これはダイナミック線形性から多少逸脱する可能性があります。) 線形性は、非線形の割合で指定されることが多く、次のように定義されます。

ここで、

非線形性 (%) は非線形性の割合
D_in(max)は最大入力偏差
IN_f.s.はフルスケール入力の最大値

式6-1で定義される静的非線形性は、多くの場合、温度、振動、音響騒音レベル、湿度などの環境要因の影響を受けます。仕様がどのような条件下で有効であり、それらの条件から逸脱しても線形性の変化が得られない可能性があるかを知ることが重要です。

トランスデューサは、入力パラメータの変化にどちらの方向からでも追随できる必要があります。ヒステリシスはこのプロパティの尺度です。図 4 は、一般的なヒステリシス CURVE を示します。どの方向から変更を行うかが重要であることに注意してください。高い値（ポイントP）から固定入力値（図4のポイントB）に近づくと、低い値（ポイントQまたはゼロ）から同じ値に近づくのとは異なる表示になります。入力値Bは、直前の値に応じてF(X)₁、F(X)₂、またはF(X)₃で表すことができます。明らかにヒステリシスによる誤差です。

センサは、入力パラメータが変更されてもすぐに出力状態を変更しません。代わりに、応答時間（図5のT_r）と呼ばれる一定の時間の間に新しい状態に変化します。応答時間は、センサ出力が以前の状態から正しい新しい値の許容範囲内の最終整定値に変化するのに必要な時間として定義できます。この概念は、システムの時定数 (T) の概念と多少異なります。この用語は、抵抗を介して充電するコンデンサと同様の方法で定義でき、通常は応答時間よりも短くなります。

図5の曲線は、2種類の応答時間を示しています。図5aのCURVEは、入力パラメータの正のステップ関数が突然変化した後の応答時間を示します。図5bの形式は、入力パラメータの負のステップ関数の変化に対する減衰時間（T_dはT_rと区別するため、常に同じではありません）です。

センサのダイナミック線形性は、入力パラメータの急激な変化に追従する能力の尺度です。振幅歪み特性、位相歪み特性、応答時間は、ダイナミック線形性を決定する上で重要です。ヒステリシスが低い（常に望ましい）システムの場合、振幅応答は以下のように表されます。

式6-2では、項F(X)は出力信号、項Xは入力パラメータとその高調波、Kはオフセット定数 (ある場合) を表します。高調波は、センサ動作によって生成された誤差高調波が、入力パラメータのダイナミック動作によって生成された自然高調波と同じ周波数帯域に入る場合に特に重要です。すべての連続波形は、基本正弦波のフーリエ級数とその高調波によって表されます。非正弦波形（物理パラメータの時間変化を含む）存在する高調波は、センサの動作によって影響を受ける可能性があります。

図6. (a) 2次誤差 、 ( b) 3次誤差を示す出力と入力の信号曲線。出典: J.J.Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

キャリブレーションCURVE（図6）の非線形性により、どの高調波が存在するかがわかります。図 6a では、キャリブレーション CURVE（点線で表示）は非対称なため、奇数高調波項のみが存在します。F(x) = mx + Kの理想CURVEの形式を仮定すると、式6-2は対称ケースに対して次のようになります。

もう 1 つのタイプのキャリブレーション CURVE（図 6b）では、示されている値は理想的な mx + K CURVE について対称です。この場合、F(X) = -F(-X)となり、式6-2の形式は次のようになります。

法的注意事項