優(yōu)化傳感器功能：測試特性和線性化

可穿戴傳感器市場正以 17.8% 的年復(fù)合增長率增長。然而，傳感器面臨著挑戰(zhàn)，特別是在小型化和功耗方面。在測量多種傳感器類型時，有幾個關(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：

· 市場上的各種類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)，無論其物理測量類型如何

· 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試儀器時需要考慮的關(guān)鍵因素

介紹

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

如今，人們希望能夠即時獲取信息，而傳感器在提供這種訪問方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。例如，要使用手機查看天氣，可能需要使用生物識別傳感器解鎖手機。然后，天氣應(yīng)用程序?qū)⑹褂脕碜圆煌乩砦恢玫臄?shù)百萬個傳感器(風(fēng)、濕度和溫度)獲取的數(shù)據(jù)來持續(xù)監(jiān)測天氣狀況。

傳感器市場的復(fù)合年增長率 (CAGR) 為 11%。可穿戴物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療設(shè)備等新興市場的傳感器復(fù)合年增長率 (2020 - 2027) 甚至更高，為 17.8% 。它們無處不在，包括可聽設(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型，每種類型都有子類型。例如，圖 1 的中心列出了傳感器類型。溫度傳感器是一種獨特的傳感器，但它有許多子類型，例如電阻溫度檢測器、熱電偶和熱敏電阻傳感器。傳感器類型周圍的方框代表推動傳感器使用和增長的關(guān)鍵市場。

圖 1. 不同類型傳感器和主要傳感器市場的示例

傳感器優(yōu)化的優(yōu)勢

傳感器在自然狀態(tài)下對外部參數(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，這些特性會發(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。一些傳感器輸出測量值以對數(shù)刻度讀取。因此，優(yōu)化可以帶來 10 倍或 100 倍的潛在改進。

· 傳感器還可以與整個系統(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、動態(tài)誤差補償和信號調(diào)理。

傳感器特性

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

靈敏度是傳感器的一個重要特性，它決定了傳感器在捕捉或測量物理參數(shù)的最小變化方面的能力。圖 2 顯示了兩個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范圍內(nèi)沒有線性響應(yīng)。因此，靈敏度可能會在不同范圍內(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輸出，減少進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)以階躍級變化激勵時。圖表的橫軸是傳感器響應(yīng)的測量時間。典型的傳感器輸出在與輸入?yún)?shù)的階躍級變化相對應(yīng)時，將過渡到新的級別。但是，當(dāng)它到達新級別時會出現(xiàn)一些過沖和下沖，并且需要時間才能穩(wěn)定到新的級別。

圖 3. 傳感器響應(yīng)圖

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

p –峰值時間是給定激勵首次達到最大讀數(shù)所需的時間。M p – 最大峰值是給定激勵首次的最大讀數(shù)。T s –穩(wěn)態(tài)誤差是實際穩(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)化過程，通常用于將曲線或線的噪聲邊緣轉(zhuǎn)換為長直線擬合。線性化傳感器可以輕松與整體產(chǎn)品設(shè)計師的系統(tǒng)集成。通過線性轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)計算變得更加直接和高效。

圖 4 顯示了兩個傳感器輸出圖。藍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，線性誤差是藍線和紅線之間的 F(x) 差。

圖 4. 線性動態(tài)范圍圖

傳感器動態(tài)誤差補償

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，無法滿足關(guān)鍵實施的要求。在這種情況下，產(chǎn)品設(shè)計工程師需要對傳感器及其產(chǎn)品進行廣泛的多維表征。例如，根據(jù)所用傳感器的類型，傳感器的響應(yīng)會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)精確運行，則對傳感器進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，設(shè)計工程師可能必須處理諸如傳感器滯后之類的問題。某些類型的傳感器(如溫度傳感器)在測量過程中具有滯后效應(yīng)。例如，在受控烤箱中從冷到熱測量已知溫度點，然后從熱到冷再次測量時，可以發(fā)現(xiàn)滯后效應(yīng)。兩次溫度測量之間的殘余差異代表溫度滯后效應(yīng)誤差。滯后效應(yīng)使傳感器看起來和感覺起來像是在抵抗或滯后。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。

系統(tǒng)設(shè)計工程師可以精確地模擬磁滯并實施反饋和前饋控制來實時動態(tài)地補償誤差。

傳感器信號調(diào)節(jié)

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

用于表征傳感器的測試儀器

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

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

在表征傳感器時，測試儀器的穩(wěn)定性也至關(guān)重要。數(shù)字萬用表等測試儀器使用電壓參考來確保測量精度。如果參考漂移，測量精度也會漂移。因此，選擇具有自校準(zhǔn)功能的測試儀器以減少或消除此類漂移非常重要。

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

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。對傳感器進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。

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