優(yōu)化傳感器功能：測(cè)試特性和線性化

可穿戴傳感器市場(chǎng)正以 17.8% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。然而，傳感器面臨著挑戰(zhàn)，特別是在小型化和功耗方面。在測(cè)量多種傳感器類(lèi)型時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)很重要。本文探討了傳感器的世界，以解釋以下內(nèi)容：

· 市場(chǎng)上的各種類(lèi)型的傳感器以及它們?nèi)绾胃淖兾覀兊氖澜?

· 傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，無(wú)論其物理測(cè)量類(lèi)型如何

· 表征和線性化傳感器的好處

· 選擇適合傳感器特性和線性化的測(cè)試儀器時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素

介紹

傳感器讓世界運(yùn)轉(zhuǎn)。它們存在于家庭、工作場(chǎng)所、汽車(chē)以及幾乎所有其他地方使用的所有電子設(shè)備中。很難想象沒(méi)有移動(dòng)設(shè)備的生活，而傳感器正是支持這些設(shè)備的技術(shù)。

如今，人們希望能夠即時(shí)獲取信息，而傳感器在提供這種訪問(wèn)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，要使用手機(jī)查看天氣，可能需要使用生物識(shí)別傳感器解鎖手機(jī)。然后，天氣應(yīng)用程序?qū)⑹褂脕?lái)自不同地理位置的數(shù)百萬(wàn)個(gè)傳感器(風(fēng)、濕度和溫度)獲取的數(shù)據(jù)來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)天氣狀況。

傳感器市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 為 11%?？纱┐魑锫?lián)網(wǎng)和醫(yī)療設(shè)備等新興市場(chǎng)的傳感器復(fù)合年增長(zhǎng)率 (2020 - 2027) 甚至更高，為 17.8% 。它們無(wú)處不在，包括可聽(tīng)設(shè)備、智能服裝、頭戴式顯示器、健身帶、智能手表和持續(xù)監(jiān)測(cè)患者生命體征的便攜式醫(yī)療設(shè)備。

傳感器有很多不同的類(lèi)型，每種類(lèi)型都有子類(lèi)型。例如，圖 1 的中心列出了傳感器類(lèi)型。溫度傳感器是一種獨(dú)特的傳感器，但它有許多子類(lèi)型，例如電阻溫度檢測(cè)器、熱電偶和熱敏電阻傳感器。傳感器類(lèi)型周?chē)姆娇虼硗苿?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

傳感器優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)

傳感器在自然狀態(tài)下對(duì)外部參數(shù)(例如光、溫度、壓力、力和濕度)的敏感度可能各不相同。它們的敏感度取決于材料、制造方法和用途。例如，某些傳感器具有電容或電阻特性，當(dāng)受到力或溫度等不同程度的外部參數(shù)的影響時(shí)，這些特性會(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，傳感器需要適當(dāng)?shù)碾娖脜⒖肌?

傳感器優(yōu)化的好處非常顯著：

· 精度、范圍和靈敏度可以提高很多倍。一些傳感器輸出測(cè)量值以對(duì)數(shù)刻度讀取。因此，優(yōu)化可以帶來(lái) 10 倍或 100 倍的潛在改進(jìn)。

· 傳感器還可以與整個(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更少，因此操作變得更加高效。

如何優(yōu)化傳感器

優(yōu)化傳感器的方法有很多種，包括特性化、線性化、動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理。

傳感器特性

由于傳感器的靈敏度可能各不相同，因此制造商會(huì)對(duì)其生產(chǎn)的傳感器進(jìn)行特性描述并發(fā)布數(shù)據(jù)表，以幫助用戶有效地在應(yīng)用中使用它們。制造商可以為測(cè)量參數(shù)(例如動(dòng)態(tài)范圍、帶寬、響應(yīng)時(shí)間和精度)提供有保證的精度。對(duì)于特定的傳感器和測(cè)量類(lèi)型，制造商將提供建議的電壓或電流偏置，以確保其正常運(yùn)行。

靈敏度是傳感器的一個(gè)重要特性，它決定了傳感器在捕捉或測(cè)量物理參數(shù)的最小變化方面的能力。圖 2 顯示了兩個(gè)具有不同靈敏度的傳感器。假設(shè)傳感器具有線性輸出，則其輸出的梯度代表傳感器的靈敏度。例如，Δa 和 Δb 的比率是紅線的梯度。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。典型的傳感器可能在整個(gè)范圍內(nèi)沒(méi)有線性響應(yīng)。因此，靈敏度可能會(huì)在不同范圍內(nèi)發(fā)生變化。

有很多方法可以提高傳感器的靈敏度。例如，在光電二極管中，增加增益將增加傳感器的小信號(hào)輸出，減少進(jìn)入傳感器或傳感器內(nèi)的噪聲，并使用更靈敏的讀出電路。

圖 2. 敏感度圖

圖 3 顯示了傳感器輸出響應(yīng)，當(dāng)輸入?yún)?shù)以階躍級(jí)變化激勵(lì)時(shí)。圖表的橫軸是傳感器響應(yīng)的測(cè)量時(shí)間。典型的傳感器輸出在與輸入?yún)?shù)的階躍級(jí)變化相對(duì)應(yīng)時(shí)，將過(guò)渡到新的級(jí)別。但是，當(dāng)它到達(dá)新級(jí)別時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些過(guò)沖和下沖，并且需要時(shí)間才能穩(wěn)定到新的級(jí)別。

圖 3. 傳感器響應(yīng)圖

T d –延遲時(shí)間是首次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 50% 所需的時(shí)間。T

p –峰值時(shí)間是給定激勵(lì)首次達(dá)到最大讀數(shù)所需的時(shí)間。M p – 最大峰值是給定激勵(lì)首次的最大讀數(shù)。T s –穩(wěn)態(tài)誤差是實(shí)際穩(wěn)態(tài)值與期望值的偏差。校準(zhǔn)可以糾正它

。

傳感器線性化

傳感器通常具有非線性特性。傳感器線性化是一種重要的傳感器優(yōu)化過(guò)程，通常用于將曲線或線的噪聲邊緣轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)直線擬合。線性化傳感器可以輕松與整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的系統(tǒng)集成。通過(guò)線性轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)計(jì)算變得更加直接和高效。

圖 4 顯示了兩個(gè)傳感器輸出圖。藍(lán)線是傳感器的非線性輸出，在傳感器范圍的兩端明顯變差。紅線顯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。

圖 4. 線性動(dòng)態(tài)范圍圖

傳感器動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償

在許多情況下，制造商的數(shù)據(jù)表足以將傳感器集成到用戶的產(chǎn)品或系統(tǒng)中。但是，制造商的數(shù)據(jù)表可能不夠具體，無(wú)法滿足關(guān)鍵實(shí)施的要求。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)行廣泛的多維表征。例如，根據(jù)所用傳感器的類(lèi)型，傳感器的響應(yīng)會(huì)隨著溫度變化而變化。如果產(chǎn)品需要在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)精確運(yùn)行，則對(duì)傳感器進(jìn)行多維表征是必不可少的。下圖 5 顯示了三維表征的傳感器模型。

圖 5. 三維特征傳感器模型

當(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)需要精確的位移或控制時(shí)，設(shè)計(jì)工程師可能必須處理諸如傳感器滯后之類(lèi)的問(wèn)題。某些類(lèi)型的傳感器(如溫度傳感器)在測(cè)量過(guò)程中具有滯后效應(yīng)。例如，在受控烤箱中從冷到熱測(cè)量已知溫度點(diǎn)，然后從熱到冷再次測(cè)量時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)滯后效應(yīng)。兩次溫度測(cè)量之間的殘余差異代表溫度滯后效應(yīng)誤差。滯后效應(yīng)使傳感器看起來(lái)和感覺(jué)起來(lái)像是在抵抗或滯后。這種滯后取決于傳感器材料的固有特性或傳感元件的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以精確地模擬磁滯并實(shí)施反饋和前饋控制來(lái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償誤差。

傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)

通常，原始傳感器信號(hào)輸出較弱且噪聲較大。原始傳感器信號(hào)需要調(diào)節(jié)為系統(tǒng)可以輕松測(cè)量的形式。系統(tǒng)可以結(jié)合信號(hào)調(diào)節(jié)組件或電路來(lái)調(diào)節(jié)原始傳感器信號(hào)。這些組件可以是信號(hào)前置放大器、噪聲濾波器、衰減器或預(yù)失真電路。

用于表征傳感器的測(cè)試儀器

在選擇適合傳感器測(cè)量的測(cè)試儀器時(shí)，準(zhǔn)確度和分辨率是需要考慮的關(guān)鍵規(guī)格。準(zhǔn)確度衡量測(cè)量數(shù)字的準(zhǔn)確性，而分辨率則是可測(cè)量的細(xì)節(jié)水平或測(cè)試儀器顯示屏上的有效數(shù)字的數(shù)量。

現(xiàn)代測(cè)試儀器通常使用內(nèi)置模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器來(lái)數(shù)字化和處理測(cè)量數(shù)據(jù)。在表征高靈敏度數(shù)據(jù)傳感器時(shí)，測(cè)試儀器的線性度非常重要。

在表征傳感器時(shí)，測(cè)試儀器的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。數(shù)字萬(wàn)用表等測(cè)試儀器使用電壓參考來(lái)確保測(cè)量精度。如果參考漂移，測(cè)量精度也會(huì)漂移。因此，選擇具有自校準(zhǔn)功能的測(cè)試儀器以減少或消除此類(lèi)漂移非常重要。

傳感器是精密的元件。選擇一款對(duì)傳感器測(cè)量干擾較小的優(yōu)質(zhì)測(cè)試儀器至關(guān)重要。選擇不會(huì)將環(huán)境噪聲或自帶噪聲帶入測(cè)量的測(cè)試儀器。

概括

優(yōu)化傳感器的好處很多，包括提高其精度、范圍和靈敏度。對(duì)傳感器進(jìn)行特性化和線性化可以幫助將其集成到更大的控制系統(tǒng)中，并使它們更高效地工作。

選擇合適的測(cè)試儀器來(lái)表征傳感器至關(guān)重要。確保測(cè)試儀器具有測(cè)量精度、分辨率、線性度、穩(wěn)定性和極低的測(cè)量侵入性，以滿足傳感器優(yōu)化要求。