感測器術語

感測器的靈敏度定義為輸出特性曲線 (圖 1 中的 DY/DX) 的斜率，或更一般地說，將產生可偵測輸出變化的物理參數的最小輸入。在某些感測器中，靈敏度定義為輸入參數的必要變化，以產生標準化輸出變化。在其他感測器中，其定義是輸入參數特定變化所產生的輸出電壓變化。舉例來說，典型的血壓傳感器的靈敏度可能為 10 mV/V/mm Hg；也就是說，每 1 伏特的激發電位與每 1 mm Hg 的施加壓力，就會產生 10 mV 的輸出電壓。

靈敏度誤差

靈敏度誤差 (如圖 1 所示的虛線) 是與特性曲線理想斜率的偏離。舉例來說，上述壓力傳感器的實際靈敏度可能為 7.8 mV/V/mm Hg，而非 10 mV/V/mm Hg。

感測器的範圍是可量測之施加參數的最大與最小值。舉例來說，特定壓力感測器的範圍可能介於 -400 至 +400 mm Hg。或者，正向與負向範圍往往會不一致。舉例來說，特定醫療血壓傳感器的最低 (真空) 限制為 -50 mm Hg (圖 1 的 Y_min)，而最大 (壓力) 限制為 +450 mm Hg (圖 1 的 Y_max)。此外，這種規格很常見，而這也是醫師和護士在嘗試透過動脈線汲取血液時，有時會破壞血壓感測器的原因之一，因為未留意系統中液體止流閥的位置。小型注射器對封閉式系統可產生極大的真空。

圖 1.理想曲線與靈敏度誤差。來源：J.J.Carr、Sensors and Circuits Prentice Hall.

動態範圍

動態範圍是感測器從最小到最大的總範圍。就圖 1 而言，R_dyn = Y_max - l - Y_minl。

精確度的概念是指量測作業的可重現性程度。換句話說，如果將完全相同的數值量測數次，理想的感測器就會每次輸出完全相同的數值。不過，實際的感測器會輸出某種與實際正確值相關的數值範圍。舉例來說，假設對感測器施加的壓力正好是 150 mm Hg。即使施加的壓力始終不變，感測器的輸出值也會有明顯差異。當真實值與感測器的平均值彼此之間不在一定的距離內時，就會在精確度方面出現微妙問題
(例如，常態分布曲線的 1-s 範圍)。

此規格是可在輸出訊號中偵測到輸入參數的最小可偵測增量變化。解析度可以以讀數比率 (或全幅讀數) 或絕對數值來表示。

感測器準確度是實際值 (必須由原級標準或良好的次級標準量測) 與感測器輸出端指示值之間的最大差。同樣地，準確度也可以以全幅百分比或絕對數值來表示。

傳感器的偏移誤差定義為當輸出值應為零時的輸出，或者是在特定一組條件下，實際輸出值與指定的輸出值之間的差。如果特性曲線與理想的靈敏度斜率相同，但以 b 而非 0 交叉 Y 軸 (輸出)，則會是圖 1 的第一種情況範例。如圖 2 所示，pH 電極的特性曲線為另一個偏移形式的範例。理想的曲線只會在單一溫度 (通常為 25°C) 時存在，而實際的曲線則會介於最低溫度與最高溫度限制之間，這取決於樣本與電極的溫度。

傳感器線性度代表感測器實際量測曲線與理想曲線之間的偏離程度。圖 3 顯示理想或最小平方法擬合線與實際量測或校準線之間的某種誇張關係 (注意，在大多數情況下，使用靜態曲線來判斷線性，這可能與動態線性有些不同) 線性通常以非線性度百分比來表示，其定義為：

當中

非線性度 (%) 是非線性度的百分比
D_{in (max)} 為最大輸入偏差
IN_f.s. 為最大全幅輸入

方程式 6-1 所定義的靜態非線性度通常會受環境因素影響，包括溫度、振動、聲音雜訊等級與濕度。請務必了解規格的有效條件，且偏離這些條件可能不會產生線性度的線性變化。

無論改變方向為何，傳感器都應該能夠追蹤輸入參數的變化；磁滯是此屬性的量測值。圖 4 所示為典型的磁滯曲線。請注意，重要的是從哪個方向進行變更。從較高的值 (P 點) 接近固定輸入值 (圖 4 中的 B 點)，會產生不同於從較小的值 (Q 點或 0 點) 接近相同值的指示。請注意，輸入值 B 可以用 F(X)₁、 F(X)₂ 或 F(X)₃ 表示，取決於前一個值，這顯然是磁滯造成的錯誤。

當輸入參數發生變更時，感測器不會立即變更輸出狀態，而是會隨著一段時間改變為新狀態，這稱為響應時間 (圖 5 中的 T_r)。響應時間可定義為感測器輸出從先前狀態轉換為正確新值之容錯區域內的最終穩定值所需的時間。這個概念與系統的時間常數 (T) 概念有點不同。這個術語的定義類似於電容器通過電阻充電的情形，通常比響應時間短。

圖 5 的曲線顯示兩種類型的響應時間。在圖 5a 中，曲線代表輸入參數突然正向階躍變化後的響應時間。圖 5b 所示的曲線為衰減時間 (T_d，區別於 T_r，因為兩者不一定相同)，對應於輸入參數的負向階躍變化。

感測器的動態線性度是其追蹤輸入參數快速變化能力的量測指標。振幅失真特性、相位失真特性與響應時間，都是判斷動態線性度的重要條件。在低磁滯 (始終理想) 的系統中，振幅響應表示為：

在等式 6-2 中，F(X) 項是輸出訊號，X 項則代表輸入參數及其諧波，K 則為偏移常數 (如有)。當感測器動作所產生的誤差諧波落入與輸入參數動態動作所產生的自然諧波相同頻帶時，諧波就變得格外重要。所有連續波形皆以正弦波及其諧波的傅立葉級數表示。在任何非正弦波形 (包括物理參數的時間變化) 中，出現的諧波將會受到感測器動作影響。

圖 6.輸出對輸入訊號曲線，顯示 (a) 二次誤差；(b) 三次誤差。來源：J.J.Carr、Sensors and Circuits Prentice Hall.

校準曲線的非線性特性 (圖 6) 可說明有哪些諧波存在。在圖 6a 中，校準曲線 (以虛線顯示) 為非對稱，因此僅存在奇數諧波項。假設理想曲線的形式為 F(x) = mx + K，則對稱情況下的方程式 6-2 為：

在另一種校準曲線 (圖 6b)中，指示值與理想的 mx + K 曲線對稱。在此情況下，F(X) = -F(-X)，方程式 6-2 的形式為：

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