優(yōu)化傳感器性能的兩大利器：測試表征和線(xiàn)性轉換

摘要

可穿戴傳感器市場(chǎng)正以17.8%的年復合增長(cháng)率迅速發(fā)展。然而，傳感器技術(shù)也面臨諸多挑戰，特別是在微型化和低功耗方面要求日益提高。在測量多種類(lèi)型的傳感器時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵參數非常重要。本文將針對傳感器領(lǐng)域展開(kāi)探討，進(jìn)而傳遞以下信息：

●   市面上各種類(lèi)型的傳感器以及傳感器如何改變人們所生活的世界

●   傳感器的關(guān)鍵參數，不受各種物理測量方式的影響

●   對傳感器進(jìn)行表征和線(xiàn)性轉換能夠帶來(lái)的裨益

●   對傳感器進(jìn)行表征和線(xiàn)性轉換，在選擇合適的測試儀器時(shí)，主要考慮哪些因素

是德科技產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Bernard Ang

引言

傳感器推動(dòng)世界運轉。無(wú)論是在家中、工作單位、車(chē)上還是其他地方，人們使用的電子設備中都包含了傳感器。難以想象沒(méi)有移動(dòng)設備的生活會(huì )是什么樣子，而支撐這些設備的正是傳感器技術(shù)。

現如今，人們都希望能夠即時(shí)獲取信息，傳感器在這個(gè)過(guò)程中就發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。例如，用戶(hù)如果想通過(guò)手機查看天氣狀況，可能需要使用生物識別傳感器來(lái)解鎖手機。然后，查詢(xún)天氣狀況的應用程序會(huì )使用位于不同地理位置的數百萬(wàn)個(gè)傳感器（風(fēng)力風(fēng)向、濕度和溫度）采集的數據來(lái)報告天氣情況。

傳感器市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率（CAGR）為 11%。在可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設備和醫療設備等新興市場(chǎng)，傳感器的 CAGR（2020-2027 年）更是高達 17.8%^[1]。它們幾乎無(wú)所不在，其中就包括智能耳機、智能服裝、頭戴式顯示器、健身手環(huán)、智能手表和持續監測患者生命體征的便攜式醫療器件。

傳感器可以分為許多類(lèi)型，其中每一類(lèi)型又包含多個(gè)子類(lèi)型。以圖 1 為例，中間部分列出了一系列傳感器類(lèi)型。溫度傳感器是其中的一種類(lèi)型，它又可以分為許多子類(lèi)型，例如電阻式溫度傳感器、熱電偶和熱敏電阻傳感器。圍繞傳感器類(lèi)型的圓圈代表了推動(dòng)傳感器使用和增長(cháng)的關(guān)鍵市場(chǎng)。

圖1 不同類(lèi)型傳感器和主要傳感器市場(chǎng)的示例

1：傳感器優(yōu)化的益處

自然狀態(tài)下的傳感器可能對光、溫度、壓力值、力度和濕度等外部參數有著(zhù)不同程度的靈敏度。傳感器的靈敏度取決于它們的材質(zhì)、制造方法和用途。例如，有些傳感器具有電容或電阻特性，在受到不同程度的外部參數（如力度或溫度）影響下，其特性會(huì )發(fā)生變化。為了從傳感器獲得有用的可讀電壓或電流輸出，設計者需要對傳感器的電流偏置進(jìn)行相應的校準。

傳感器優(yōu)化帶來(lái)的效益顯而易見(jiàn)：

●   準確度、感測范圍和靈敏度可以提高好幾倍。有些傳感器的輸出測量值是以對數刻度進(jìn)行讀取。因此，優(yōu)化帶來(lái)的潛在性能提升可達到十倍甚至百倍。

●   傳感器還可以進(jìn)行調節，以便與整個(gè)系統集成。由于將傳感器輸出轉換為有用信息所需的處理減少了，所以操作會(huì )變得更高效。

2：如何優(yōu)化傳感器

有幾種方法可以?xún)?yōu)化傳感器，其中包括表征、線(xiàn)性轉換、動(dòng)態(tài)誤差補償和信號調節。

2.1：傳感器表征

由于傳感器的靈敏度可能各不相同，因此制造商會(huì )對他們生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行表征，并發(fā)布技術(shù)參數和數據資料，以幫助用戶(hù)更好地應用傳感器。在動(dòng)態(tài)范圍、帶寬、響應時(shí)間和準確度等測量參數方面，制造商能夠提供有保證的準確度。對于特定的傳感器和測量類(lèi)型，制造商會(huì )提供建議的電壓或電流偏置，以確保傳感器正常工作。

靈敏度是傳感器的重要特性之一，它決定了傳感器在捕捉或測量物理參數中的細微變化方面具有怎樣的性能。圖 2 所示為兩個(gè)具有不同靈敏度的傳感器。假設傳感器都有線(xiàn)性輸出，輸出的梯度代表了傳感器的靈敏度。例如，Δa 和 Δb 的比值就是紅線(xiàn)的梯度。產(chǎn)生紅線(xiàn)輸出的傳感器比產(chǎn)生藍線(xiàn)輸出的傳感器具有更高的靈敏度。典型的傳感器在其整個(gè)范圍內可能不會(huì )產(chǎn)生線(xiàn)性響應。因此，不同范圍內的靈敏度可能會(huì )發(fā)生變化。

提高傳感器靈敏度的方法有很多。例如，在光電二極管中，提高增益將會(huì )增加傳感器的小信號輸出，從而減少進(jìn)入傳感器的噪聲或傳感器內部的噪聲，并且可以使用更靈敏的讀出電路設計。

圖2 靈敏度

圖3所示為在階躍電平發(fā)生變化時(shí)受到輸入參數激勵的傳感器做出的輸出響應。圖中的橫軸代表傳感器響應的測量時(shí)間。當傳感器輸出典型值與輸入參數的階躍電平變化對應時(shí)，輸出會(huì )切換到新的電平。但是，當它達到新電平后，會(huì )出現過(guò)沖和下沖現象，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能穩定到新電平。

2.2：傳感器線(xiàn)性轉換

通常來(lái)講，傳感器是非線(xiàn)性的。對傳感器進(jìn)行線(xiàn)性轉換是一個(gè)重要的傳感器優(yōu)化過(guò)程，通常用于將曲線(xiàn)或摻雜了邊緣噪聲的線(xiàn)條擬合為一條直線(xiàn)。經(jīng)過(guò)線(xiàn)性轉換的傳感器能夠與產(chǎn)品設計系統輕松集成。通過(guò)線(xiàn)性轉換，數據計算會(huì )變得更加簡(jiǎn)單、高效。

圖 4 所示為兩種傳感器的輸出圖。其中，藍線(xiàn)是傳感器的非線(xiàn)性輸出，在傳感器量程的兩端，測量精度明顯變差。紅線(xiàn)表示傳感器的理想線(xiàn)性輸出。如圖所示，線(xiàn)性誤差是藍線(xiàn)和紅線(xiàn)之間的 F(x) 差值。

圖4 線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍圖

2.3：傳感器動(dòng)態(tài)誤差補償

在大多數情況下，使用制造商數據手冊中提供的數據就足以把傳感器集成到用戶(hù)的產(chǎn)品或系統中。不過(guò)，制造商的數據手冊對于滿(mǎn)足關(guān)鍵的實(shí)施需求來(lái)說(shuō)可能不夠具體。在這種情況下，產(chǎn)品設計工程師需要對傳感器及其產(chǎn)品進(jìn)行多個(gè)維度的表征。例如，根據所使用的傳感器類(lèi)型，傳感器的響應會(huì )隨著(zhù)溫度波動(dòng)發(fā)生變化。如果產(chǎn)品需要在較大的溫度范圍內精密運行，那么對傳感器進(jìn)行多維度的表征和分析就至關(guān)重要。下圖 5 所示是一個(gè)從三個(gè)維度進(jìn)行表征的傳感器模型。

圖5 從三個(gè)維度表征的傳感器模型

當產(chǎn)品或系統需要精確地位移或控制時(shí)，設計工程師可能不得不處理傳感器遲滯等問(wèn)題。某些類(lèi)型的傳感器，如溫度傳感器，在測量過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生遲滯效應。例如，在受控烤箱中溫度從低到高測量某個(gè)已知溫度點(diǎn)，然后溫度從高到低再次進(jìn)行測量，我們就能發(fā)現遲滯效應。兩次測量的溫度值之間的差值代表了溫度遲滯效應誤差。遲滯效應看起來(lái)像是傳感器在阻擋或滯后。這種滯后取決于傳感器材質(zhì)的固有特性或感測元件的設計。

系統設計工程師有辦法對遲滯進(jìn)行精準建模，并實(shí)現反饋和前饋控制，以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補償誤差。

2.4：傳感器信號調節

原始傳感器信號的輸出通常較弱，并且帶有較大的噪聲。原始傳感器信號需要調節到便于系統測量的形式。系統中可以集成信號調節元器件或電路，以便調節原始傳感器信號。這類(lèi)部件包括信號前置放大器、噪聲濾波器、衰減器或預失真電路。

3：用于表征傳感器的測試儀器

在為傳感器測量選擇合適的測試儀器時(shí)，需要考慮精確度和分辨率這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標。精確度用于衡量測量值的好壞，分辨率則代表了可以測量的細節水平或者是測試儀器顯示的有效數字位數。

現代測試儀器通常使用內置的模數轉換器來(lái)對測量數據進(jìn)行數字化和其他處理。在表征靈敏度較高的數據傳感器時(shí)，測試儀器的線(xiàn)性度非常重要。

測試儀器的穩定性對于傳感器的表征也很關(guān)鍵。數字萬(wàn)用表等測試儀器使用參考電壓來(lái)提高測量準確度。如果參考值發(fā)生漂移，測量準確度也會(huì )隨之漂移。因此，務(wù)必要選擇具有自校準功能的測試儀器來(lái)減少或消除此類(lèi)漂移。

傳感器屬于精密元器件。在為傳感器選擇測試儀器時(shí)，務(wù)必要選擇對傳感器的測量干擾較小的良好儀器。選擇不會(huì )將環(huán)境噪聲或自身產(chǎn)生的噪聲帶入測量的測試儀器。

總結

優(yōu)化傳感器的好處非常之大，其中包括準確度、感測范圍和靈敏度的提升。表征傳感器或者是對它們進(jìn)行線(xiàn)性轉換有助于將它們集成到更大的控制系統中，提升它們的工作效率。

選擇合適的測試儀器來(lái)表征傳感器至關(guān)重要。一定要確保測試儀器的測量準確度、分辨率、線(xiàn)性度、穩定性和極低的干擾度，以便滿(mǎn)足傳感器優(yōu)化要求。

【1】《全球可穿戴設備傳感器市場(chǎng)的增長(cháng)機遇》（K5CA-30 報告），Frost&Sullivan，2021 年 10 月