優化傳感器性能的兩大利器：測試表征和線性轉換

摘要

可穿戴傳感器市場正以17.8%的年復合增長率迅速發展。然而，傳感器技術也面臨諸多挑戰，特別是在微型化和低功耗方面要求日益提高。在測量多種類型的傳感器時，有幾個關鍵參數非常重要。本文將針對傳感器領域展開探討，進而傳遞以下信息：

●   市面上各種類型的傳感器以及傳感器如何改變人們所生活的世界

●   傳感器的關鍵參數，不受各種物理測量方式的影響

●   對傳感器進行表征和線性轉換能夠帶來的裨益

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

是德科技產品市場經理Bernard Ang

引言

傳感器推動世界運轉。無論是在家中、工作單位、車上還是其他地方，人們使用的電子設備中都包含了傳感器。難以想象沒有移動設備的生活會是什么樣子，而支撐這些設備的正是傳感器技術。

現如今，人們都希望能夠即時獲取信息，傳感器在這個過程中就發揮著至關重要的作用。例如，用戶如果想通過手機查看天氣狀況，可能需要使用生物識別傳感器來解鎖手機。然后，查詢天氣狀況的應用程序會使用位于不同地理位置的數百萬個傳感器（風力風向、濕度和溫度）采集的數據來報告天氣情況。

傳感器市場的年復合增長率（CAGR）為 11%。在可穿戴物聯網設備和醫療設備等新興市場，傳感器的 CAGR（2020-2027 年）更是高達 17.8%^[1]。它們幾乎無所不在，其中就包括智能耳機、智能服裝、頭戴式顯示器、健身手環、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型，其中每一類型又包含多個子類型。以圖 1 為例，中間部分列出了一系列傳感器類型。溫度傳感器是其中的一種類型，它又可以分為許多子類型，例如電阻式溫度傳感器、熱電偶和熱敏電阻傳感器。圍繞傳感器類型的圓圈代表了推動傳感器使用和增長的關鍵市場。

圖1 不同類型傳感器和主要傳感器市場的示例

1：傳感器優化的益處

自然狀態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不同程度的靈敏度。傳感器的靈敏度取決于它們的材質、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，其特性會發生變化。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行相應的校準。

傳感器優化帶來的效益顯而易見：

●   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行讀取。因此，優化帶來的潛在性能提升可達到十倍甚至百倍。

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

2：如何優化傳感器

有幾種方法可以優化傳感器，其中包括表征、線性轉換、動態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，因此制造商會對他們生產的傳感器進行表征，并發布技術參數和數據資料，以幫助用戶更好地應用傳感器。在動態范圍、帶寬、響應時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型，制造商會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 所示為兩個具有不同靈敏度的傳感器。假設傳感器都有線性輸出，輸出的梯度代表了傳感器的靈敏度。例如，Δa 和 Δb 的比值就是紅線的梯度。產生紅線輸出的傳感器比產生藍線輸出的傳感器具有更高的靈敏度。典型的傳感器在其整個范圍內可能不會產生線性響應。因此，不同范圍內的靈敏度可能會發生變化。

提高傳感器靈敏度的方法有很多。例如，在光電二極管中，提高增益將會增加傳感器的小信號輸出，從而減少進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生變化時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，輸出會切換到新的電平。但是，當它達到新電平后，會出現過沖和下沖現象，需要經過一段時間才能穩定到新電平。

2.2：傳感器線性轉換

通常來講，傳感器是非線性的。對傳感器進行線性轉換是一個重要的傳感器優化過程，通常用于將曲線或摻雜了邊緣噪聲的線條擬合為一條直線。經過線性轉換的傳感器能夠與產品設計系統輕松集成。通過線性轉換，數據計算會變得更加簡單、高效。

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

圖4 線性動態范圍圖

2.3：傳感器動態誤差補償

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的產品或系統中。不過，制造商的數據手冊對于滿足關鍵的實施需求來說可能不夠具體。在這種情況下，產品設計工程師需要對傳感器及其產品進行多個維度的表征。例如，根據所使用的傳感器類型，傳感器的響應會隨著溫度波動發生變化。如果產品需要在較大的溫度范圍內精密運行，那么對傳感器進行多維度的表征和分析就至關重要。下圖 5 所示是一個從三個維度進行表征的傳感器模型。

圖5 從三個維度表征的傳感器模型

當產品或系統需要精確地位移或控制時，設計工程師可能不得不處理傳感器遲滯等問題。某些類型的傳感器，如溫度傳感器，在測量過程中會產生遲滯效應。例如，在受控烤箱中溫度從低到高測量某個已知溫度點，然后溫度從高到低再次進行測量，我們就能發現遲滯效應。兩次測量的溫度值之間的差值代表了溫度遲滯效應誤差。遲滯效應看起來像是傳感器在阻擋或滯后。這種滯后取決于傳感器材質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行精準建模，并實現反饋和前饋控制，以實時動態補償誤差。

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，需要考慮精確度和分辨率這兩個關鍵技術指標。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對測量數據進行數字化和其他處理。在表征靈敏度較高的數據傳感器時，測試儀器的線性度非常重要。

測試儀器的穩定性對于傳感器的表征也很關鍵。數字萬用表等測試儀器使用參考電壓來提高測量準確度。如果參考值發生漂移，測量準確度也會隨之漂移。因此，務必要選擇具有自校準功能的測試儀器來減少或消除此類漂移。

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

總結

優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行線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表征傳感器至關重要。一定要確保測試儀器的測量準確度、分辨率、線性度、穩定性和極低的干擾度，以便滿足傳感器優化要求。

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