感測器線性度(sensor linearity)
線性度問一個簡單問題:當你量測的東西加倍時,感測器的輸出是否也加倍?一個完美線性的感測器畫出一條直線——相等的輸入步距給相等的輸出步距,貫穿整個量程。多數真實感測器會把那條線彎一點(或彎很多),而線性度就是衡量它的反應到底有多直、或有多彎。一個夠直的感測器是種享受:一個斜率加一個失調,就把讀數變成數值。
線性度誤差通常以「對理想直線的最壞偏差」表示,並寫成滿刻度的百分比。若一個感測器標示在 0 到 10 V 範圍內線性度 0.1%,它的輸出在最壞點可能偏離完美直線達 0.01 V。有些感測器漂亮地線性(好的 RTD、電位器),有些則因其物理而強烈彎曲(熱敏電阻依類指數曲線;熱電偶會彎;光敏電阻依冪次律)。對彎曲的感測器,你事後把讀數扳直——在軟體中用主導方程或查表,或在硬體中用塑形電路——這步驟稱為線性化。
為何重要:線性度決定了把讀數變成可信數值要花多少工夫,也決定單點校準在遠離該點時表現如何。線性感測器只需兩個校準點;彎曲的則需許多點或一個模型。誠實的說法:非線性不同於雜訊、也不同於失調——它是固定、可重現的彎曲,所以只要你知道曲線就能修正,不像隨機雜訊無法修正。危險在於把不線性的感測器當成線性:對彎曲感測器做兩點校準,會在那兩點剛好正確,卻在兩點之間悄悄出錯。
只在 0 °C 與 100 °C 校準一顆熱敏電阻,並在兩點間畫一條直線。到了 50 °C,熱敏電阻真正的反應遠低於那條線——讀數可能差好幾度,即使它在 0 與 100 度都準得很。改用 Steinhart-Hart 曲線而非直線,誤差便消失。
對彎曲的感測器,兩點直線只在兩點準確、在中間出錯。
非線性是固定、可重現的彎曲,不是隨機雜訊,所以只要你知道曲線就能完全修正——但僅限於此時。把彎曲的感測器當成線性,會讓讀數在校準點完美、在其他每處悄悄出錯。