優(yōu)化傳感器性能的兩大利器：測試表征和線性轉(zhuǎn)換

作者：是德科技產(chǎn)品市場經(jīng)理Bernard Ang

  引言

  傳感器推動世界運轉(zhuǎn)。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(shè)備中都包含了傳感器。難以想象沒有移動設(shè)備的生活會是什么樣子，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獲取信息，傳感器在這個過程中就發(fā)揮著至關(guān)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(yīng)用程序會使用位于不同地理位置的數(shù)百萬個傳感器(風(fēng)力風(fēng)向、濕度和溫度)采集的數(shù)據(jù)來報告天氣情況。

  傳感器市場的年復(fù)合增長率(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，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(huán)、智能手表和持續(xù)監(jiān)測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(guān)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(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(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)計者需要對傳感器的電流偏置進行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

  傳感器優(yōu)化帶來的效益顯而易見：

  準(zhǔn)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(shù)刻度進行讀取。因此，優(yōu)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(diào)節(jié)，以便與整個系統(tǒng)集成。由于將傳感器輸出轉(zhuǎn)換為有用信息所需的處理減少了，所以操作會變得更高效。

  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、動態(tài)誤差補償和信號調(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，因此制造商會對他們生產(chǎn)的傳感器進行表征，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。在動態(tài)范圍、帶寬、響應(yīng)時間和準(zhǔn)確度等測量參數(shù)方面，制造商能夠提供有保證的準(zhǔn)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(shù)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(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(nèi)可能不會產(chǎn)生線性響應(yīng)。因此，不同范圍內(nèi)的靈敏度可能會發(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(nèi)部的噪聲，并且可以使用更靈敏的讀出電路設(shè)計。

圖 2：靈敏度

  圖 3 所示為在階躍電平發(fā)生變化時受到輸入?yún)?shù)激勵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)的測量時間。當(dāng)傳感器輸出典型值與輸入?yún)?shù)的階躍電平變化對應(yīng)時，輸出會切換到新的電平。但是，當(dāng)它達到新電平后，會出現(xiàn)過沖和下沖現(xiàn)象，需要經(jīng)過一段時間才能穩(wěn)定到新電平。

  2.2：傳感器線性轉(zhuǎn)換

  通常來講，傳感器是非線性的。對傳感器進行線性轉(zhuǎn)換是一個重要的傳感器優(yōu)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(jīng)過線性轉(zhuǎn)換的傳感器能夠與產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)輕松集成。通過線性轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)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(tài)范圍圖

  2.3：傳感器動態(tài)誤差補償

  在大多數(shù)情況下，使用制造商數(shù)據(jù)手冊中提供的數(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，制造商的數(shù)據(jù)手冊對于滿足關(guān)鍵的實施需求來說可能不夠具體。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)品進行多個維度的表征。例如，根據(jù)所使用的傳感器類型，傳感器的響應(yīng)會隨著溫度波動發(fā)生變化。如果產(chǎn)品需要在較大的溫度范圍內(nèi)精密運行，那么對傳感器進行多維度的表征和分析就至關(guān)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(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)需要精確地位移或控制時，設(shè)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(chǎn)生遲滯效應(yīng)。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(fā)現(xiàn)遲滯效應(yīng)。兩次測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(shè)計。

  系統(tǒng)設(shè)計工程師有辦法對遲滯進行精準(zhǔn)建模，并實現(xiàn)反饋和前饋控制，以實時動態(tài)補償誤差。

  2.4：傳感器信號調(diào)節(jié)

  原始傳感器信號的輸出通常較弱，并且?guī)в休^大的噪聲。原始傳感器信號需要調(diào)節(jié)到便于系統(tǒng)測量的形式。系統(tǒng)中可以集成信號調(diào)節(jié)元器件或電路，以便調(diào)節(jié)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(yù)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(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。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(jié)水平或者是測試儀器顯示的有效數(shù)字位數(shù)。

  現(xiàn)代測試儀器通常使用內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來對測量數(shù)據(jù)進行數(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，測試儀器的線性度非常重要。

  測試儀器的穩(wěn)定性對于傳感器的表征也很關(guān)鍵。數(shù)字萬用表等測試儀器使用參考電壓來提高測量準(zhǔn)確度。如果參考值發(fā)生漂移，測量準(zhǔn)確度也會隨之漂移。因此，務(wù)必要選擇具有自校準(zhǔn)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(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(jié)

  優(yōu)化傳感器的好處非常之大，其中包括準(zhǔn)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(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。

  選擇合適的測試儀器來表征傳感器至關(guān)重要。一定要確保測試儀器的測量準(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)備傳感器市場的增長機遇》(K5CA-30 報告)，F(xiàn)rost&Sullivan，2021 年 10 月

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