優(yōu)化傳感器性能的兩大利器：測(cè)試表征和線性轉(zhuǎn)換

作者：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(yùn)轉(zhuǎn)。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(shè)備中都包含了傳感器。難以想象沒(méi)有移動(dòng)設(shè)備的生活會(huì)是什么樣子，而支撐這些設(shè)備的正是傳感器技術(shù)。

  現(xiàn)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)揮著至關(guān)重要的作用。例如，用戶如果想通過(guò)手機(jī)查看天氣狀況，可能需要使用生物識(shí)別傳感器來(lái)解鎖手機(jī)。然后，查詢天氣狀況的應(yīng)用程序會(huì)使用位于不同地理位置的數(shù)百萬(wàn)個(gè)傳感器(風(fēng)力風(fēng)向、濕度和溫度)采集的數(shù)據(jù)來(lái)報(bào)告天氣情況。

  傳感器市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為 11%。在可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備等新興市場(chǎng)，傳感器的 CAGR(2020-2027 年)更是高達(dá) 17.8%[1]。它們幾乎無(wú)所不在，其中就包括智能耳機(jī)、智能服裝、頭戴式顯示器、健身手環(huán)、智能手表和持續(xù)監(jiān)測(cè)患者生命體征的便攜式醫(yī)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(zhǎng)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(duì)光、溫度、壓力值、力度和濕度等外部參數(shù)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(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(shù)(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(shè)計(jì)者需要對(duì)傳感器的電流偏置進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

  傳感器優(yōu)化帶來(lái)的效益顯而易見(jiàn)：

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

  傳感器還可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便與整個(gè)系統(tǒng)集成。由于將傳感器輸出轉(zhuǎn)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

  有幾種方法可以優(yōu)化傳感器，其中包括表征、線性轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)節(jié)。

  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(duì)他們生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行表征，并發(fā)布技術(shù)參數(shù)和數(shù)據(jù)資料，以幫助用戶更好地應(yīng)用傳感器。在動(dòng)態(tài)范圍、帶寬、響應(yīng)時(shí)間和準(zhǔn)確度等測(cè)量參數(shù)方面，制造商能夠提供有保證的準(zhǔn)確度。對(duì)于特定的傳感器和測(cè)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(cè)量物理參數(shù)中的細(xì)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(shè)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(chǎn)生紅線輸出的傳感器比產(chǎn)生藍(lán)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(gè)范圍內(nèi)可能不會(huì)產(chǎn)生線性響應(yīng)。因此，不同范圍內(nèi)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(hào)輸出，從而減少進(jìn)入傳感器的噪聲或傳感器內(nèi)部的噪聲，并且可以使用更靈敏的讀出電路設(shè)計(jì)。

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?yún)?shù)激勵(lì)的傳感器做出的輸出響應(yīng)。圖中的橫軸代表傳感器響應(yīng)的測(cè)量時(shí)間。當(dāng)傳感器輸出典型值與輸入?yún)?shù)的階躍電平變化對(duì)應(yīng)時(shí)，輸出會(huì)切換到新的電平。但是，當(dāng)它達(dá)到新電平后，會(huì)出現(xiàn)過(guò)沖和下沖現(xiàn)象，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能穩(wěn)定到新電平。

  2.2：傳感器線性轉(zhuǎn)換

  通常來(lái)講，傳感器是非線性的。對(duì)傳感器進(jìn)行線性轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要的傳感器優(yōu)化過(guò)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(jīng)過(guò)線性轉(zhuǎn)換的傳感器能夠與產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)輕松集成。通過(guò)線性轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)計(jì)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(lán)線是傳感器的非線性輸出，在傳感器量程的兩端，測(cè)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(lán)線和紅線之間的 F(x) 差值。

圖 4. 線性動(dòng)態(tài)范圍圖

  2.3：傳感器動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償

  在大多數(shù)情況下，使用制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的數(shù)據(jù)就足以把傳感器集成到用戶的產(chǎn)品或系統(tǒng)中。不過(guò)，制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)于滿足關(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(shè)計(jì)工程師需要對(duì)傳感器及其產(chǎn)品進(jìn)行多個(gè)維度的表征。例如，根據(jù)所使用的傳感器類(lèi)型，傳感器的響應(yīng)會(huì)隨著溫度波動(dòng)發(fā)生變化。如果產(chǎn)品需要在較大的溫度范圍內(nèi)精密運(yùn)行，那么對(duì)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(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)需要精確地位移或控制時(shí)，設(shè)計(jì)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(cè)量過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生遲滯效應(yīng)。例如，在受控烤箱中溫度從低到高測(cè)量某個(gè)已知溫度點(diǎn)，然后溫度從高到低再次進(jìn)行測(cè)量，我們就能發(fā)現(xiàn)遲滯效應(yīng)。兩次測(cè)量的溫度值之間的差值代表了溫度遲滯效應(yīng)誤差。遲滯效應(yīng)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(cè)元件的設(shè)計(jì)。

  系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師有辦法對(duì)遲滯進(jìn)行精準(zhǔn)建模，并實(shí)現(xiàn)反饋和前饋控制，以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償誤差。

  2.4：傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)

  原始傳感器信號(hào)的輸出通常較弱，并且?guī)в休^大的噪聲。原始傳感器信號(hào)需要調(diào)節(jié)到便于系統(tǒng)測(cè)量的形式。系統(tǒng)中可以集成信號(hào)調(diào)節(jié)元器件或電路，以便調(diào)節(jié)原始傳感器信號(hào)。這類(lèi)部件包括信號(hào)前置放大器、噪聲濾波器、衰減器或預(yù)失真電路。

  3：用于表征傳感器的測(cè)試儀器

  在為傳感器測(cè)量選擇合適的測(cè)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(biāo)。精確度用于衡量測(cè)量值的好壞，分辨率則代表了可以測(cè)量的細(xì)節(jié)水平或者是測(cè)試儀器顯示的有效數(shù)字位數(shù)。

  現(xiàn)代測(cè)試儀器通常使用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化和其他處理。在表征靈敏度較高的數(shù)據(jù)傳感器時(shí)，測(cè)試儀器的線性度非常重要。

  測(cè)試儀器的穩(wěn)定性對(duì)于傳感器的表征也很關(guān)鍵。數(shù)字萬(wàn)用表等測(cè)試儀器使用參考電壓來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。如果參考值發(fā)生漂移，測(cè)量準(zhǔn)確度也會(huì)隨之漂移。因此，務(wù)必要選擇具有自校準(zhǔn)功能的測(cè)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(cè)試儀器時(shí)，務(wù)必要選擇對(duì)傳感器的測(cè)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(cè)量的測(cè)試儀器。

  總結(jié)

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

  選擇合適的測(cè)試儀器來(lái)表征傳感器至關(guān)重要。一定要確保測(cè)試儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度、分辨率、線性度、穩(wěn)定性和極低的干擾度，以便滿足傳感器優(yōu)化要求。

  【1】《全球可穿戴設(shè)備傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)機(jī)遇》(K5CA-30 報(bào)告)，F(xiàn)rost&Sullivan，2021 年 10 月

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