深度剖析:傳感器的主要技術指標及五大設計技巧
發布時間:2017-01-03 責任編輯:sherry
首先技術指標是表征一個產品性能優劣的客觀依據。看懂技術指標,有助於正確選型和使用該產品。
傳感器的技術指標分為靜態指標和動態指標兩類:靜態指標主要考核被測靜止不變條件下傳感器的性能,具體包括分辨力、重複性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩定性等;動態指標主要考察被測量在快速變化條件下傳感器的性能,主要包括頻率響應和階躍響應等。
由於傳感器的技術指標眾多,各種資料文獻敘述角度不同,使得不同人有不同的理解,甚至產生誤解和歧義。
為此,以下針對傳感器的幾個主要技術指標進行解讀:

1、分辨力與分辨率:
定義:分辨力(ResoluTIon)是指傳感器能夠檢測出的被測量的最小變化量。分辨率(ResoluTIon) 是指分辨力與滿量程值之比。
解讀1:分辨力是傳感器的最基本的指標,它表征了傳感器對被測量的分辨能力。傳感器的其他技術指標都是以分辨力作為最小單位來描述的。
對於具有數顯功能的傳感器以及儀器儀表,分辨力決定了測量結果顯示的最小位數。例如:電子數顯卡尺的分辨力是0.01mm,其示指誤差為±0.02mm。
解讀2:分辨力是一個具有單位的絕對數值。例如,某溫度傳感器的分辨力為0.1℃,某加速度傳感器的分辨力是0.1g等。
解讀3:分辨率是與分辨力相關而且極為相似的概念,都表征了傳感器對被測量的分辨能力。
二者主要區別在於:分辨率是以百分數的形式表示傳感器的分辨能力,它是相對數,沒有量綱。例如上述溫度傳感器的分辨力為0.1℃,滿量程為500℃,則其分辨率為0.1/500=0.02%。
2、重複性:
定義:傳感器的重複性(Repeatability)是指在同一條件下、對同一被測量、沿著同一方向進行多次重複測量時,測量結果之間的差異程度。也稱重複誤差、再現誤差等。
解讀1:傳chuan感gan器qi的de重zhong複fu性xing必bi須xu是shi在zai相xiang同tong的de條tiao件jian下xia得de到dao的de多duo次ci測ce量liang結jie果guo之zhi間jian的de差cha異yi程cheng度du。如ru果guo測ce量liang條tiao件jian發fa生sheng變bian化hua,測ce量liang結jie果guo之zhi間jian的de可ke比bi性xing消xiao失shi,不bu能neng作zuo為wei考kao核he重zhong複fu性xing的de依yi據ju。
解讀2:傳chuan感gan器qi的de重zhong複fu性xing表biao征zheng了le傳chuan感gan器qi測ce量liang結jie果guo的de分fen散san性xing和he隨sui機ji性xing。而er產chan生sheng這zhe種zhong分fen散san性xing和he隨sui機ji性xing的de原yuan因yin,是shi因yin為wei傳chuan感gan器qi內nei部bu和he外wai部bu不bu可ke避bi免mian地di存cun在zai各ge種zhong各ge樣yang的de隨sui機ji幹gan擾rao,導dao致zhi傳chuan感gan器qi的de最zui終zhong測ce量liang結jie果guo表biao現xian為wei隨sui機ji變bian量liang的de特te性xing。
解讀3:重複性的定量表述方法,可以采用隨機變量的標準差。
解讀4:duiyuduocizhongfuceliangqingxingeryan,ruguoyiquanbuceliangjieguodepingjunzhizuoweizuizhongceliangjieguo,zekeyidedaogenggaodeceliangjingdu。yinweipingjunzhidebiaozhunchaxianzhuxiaoyumeigeceliangjieguodebiaozhuncha。
3、線性度:
定義:線性度(Linearity)是指傳感器輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度。
解讀1:理想的傳感器輸入輸出關係應該是線性,其輸入輸出曲線應該是一條直線(如下圖中的紅色直線)。
但是,實際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差,導致實際的輸入輸出曲線並非是理想的直線,而是一條曲線(如下圖中綠色曲線)。
線性度就是表征了傳感器實際特性曲線與離線直線之間的差異程度,也稱非線性度或非線性誤差。
解讀2:由you於yu在zai不bu同tong大da小xiao的de被bei測ce量liang情qing況kuang下xia傳chuan感gan器qi實shi際ji特te性xing曲qu線xian與yu理li想xiang直zhi線xian之zhi間jian的de差cha異yi是shi不bu同tong的de,因yin此ci常chang常chang以yi全quan量liang程cheng範fan圍wei內nei二er者zhe差cha異yi的de最zui大da值zhi與yu滿man量liang程cheng值zhi之zhi比bi。顯xian然ran,線xian性xing度du也ye是shi一yi個ge相xiang對dui量liang。
解讀3:由you於yu對dui於yu一yi般ban測ce量liang場chang合he而er言yan,傳chuan感gan器qi的de理li想xiang直zhi線xian是shi未wei知zhi的de,無wu從cong獲huo取qu。為wei此ci,常chang常chang采cai用yong折zhe中zhong的de辦ban法fa,即ji直zhi接jie利li用yong傳chuan感gan器qi的de測ce量liang結jie果guo計ji算suan出chu與yu理li想xiang直zhi線xian較jiao為wei接jie近jin的de擬ni合he直zhi線xian。具ju體ti計ji算suan方fang法fa包bao括kuo端duan點dian連lian線xian法fa、最佳直線法、最小二乘法等。
4、穩定性:
定義:穩定性(Stability)是指傳感器在一段時間內保持其性能的能力。
解讀1:穩wen定ding性xing是shi考kao察cha傳chuan感gan器qi在zai一yi定ding時shi間jian範fan圍wei內nei是shi否fou穩wen定ding工gong作zuo的de主zhu要yao指zhi標biao。而er導dao致zhi傳chuan感gan器qi不bu穩wen定ding的de因yin素su,主zhu要yao包bao括kuo溫wen度du漂piao移yi和he內nei部bu應ying力li釋shi放fang等deng因yin素su。因yin此ci,增zeng加jia溫wen度du補bu償chang、增加時效處理等措施,對提高穩定性是有幫助的。
解讀2:根(gen)據(ju)時(shi)間(jian)段(duan)的(de)長(chang)短(duan)不(bu)同(tong),穩(wen)定(ding)性(xing)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)短(duan)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)。當(dang)考(kao)察(cha)時(shi)間(jian)過(guo)短(duan)時(shi),穩(wen)定(ding)性(xing)與(yu)重(zhong)複(fu)性(xing)相(xiang)接(jie)近(jin)。因(yin)此(ci),穩(wen)定(ding)性(xing)指(zhi)標(biao)主(zhu)要(yao)考(kao)察(cha)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)。具(ju)體(ti)時(shi)間(jian)的(de)長(chang)短(duan),依(yi)據(ju)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)和(he)要(yao)求(qiu)來(lai)確(que)定(ding)。
解讀3:穩定性指標的定量表示方法,既可以采用絕對誤差,也可以使用相對誤差。例如,某應變式力傳感器的穩定性為0.02%/12h。
5、采樣頻率:
定義:采樣頻率(Sample Rate)是指傳感器在單位時間內可以采樣的測量結果的多少。
解讀1:采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)反(fan)映(ying)了(le)該(gai)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)快(kuai)速(su)反(fan)應(ying)能(neng)力(li),是(shi)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)指(zhi)標(biao)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)一(yi)個(ge)。對(dui)於(yu)被(bei)測(ce)量(liang)快(kuai)速(su)變(bian)化(hua)的(de)場(chang)合(he),采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)是(shi)必(bi)須(xu)要(yao)充(chong)分(fen)考(kao)慮(lv)的(de)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)之(zhi)一(yi)。依(yi)據(ju)香(xiang)農(nong)采(cai)樣(yang)定(ding)律(lv),傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)采(cai)樣(yang)頻(pin)率(lv)應(ying)不(bu)低(di)於(yu)被(bei)測(ce)量(liang)變(bian)化(hua)頻(pin)率(lv)的(de)2倍。
解讀2:隨著采用頻率的不同,傳感器的精度指標也相應有所變化。一般而言,采樣頻率越高,測量精度越低。
而er傳chuan感gan器qi給gei出chu的de最zui高gao精jing度du往wang往wang是shi在zai最zui低di采cai樣yang速su度du下xia甚shen至zhi是shi在zai靜jing態tai條tiao件jian下xia得de到dao的de測ce量liang結jie果guo。因yin此ci,在zai傳chuan感gan器qi選xuan型xing時shi必bi須xu兼jian顧gu精jing度du與yu速su度du兩liang個ge指zhi標biao。
下麵再談傳感器五大設計技巧
技巧1—先從總線工具開始
第一步,工程師應當采取首次介接到傳感器時,是透過一個總線工具的方式以限製未知。一個總線工具連接一台個人計算機(PC),然後到傳感器的I2C、 SPI或其他可讓傳感器可以“說話”的協議。與總線工具相關的PC應用程序,提供了一個已知與工作來源用以發送和接收數據,且不是未知、未經認證的嵌入式微控製器(MCU)驅動程序。在總線工具的工作環境下,開發人員可以傳送和接收訊息以得到該部分如何運作的理解,在試圖於嵌入式等級操作之前。
技巧2—在Python編寫傳輸接口碼
一旦開發者已嚐試使用總線工具的傳感器,下一步就是為傳感器編寫應用程序代碼。並非直接跳到微控製器的代碼,而是在Python編寫應用程序代碼。許多總線 工具在編寫腳本(wriTIng s)配置了插件(plug-in)和範例碼,Python通常是隨著.NET中可用的語言之一。在Python編寫應用程序是快速且容易的, 其qi並bing提ti供gong一yi個ge方fang法fa已yi在zai應ying用yong程cheng序xu中zhong測ce試shi傳chuan感gan器qi,這zhe個ge方fang式shi並bing未wei如ru同tong在zai嵌qian入ru式shi環huan境jing測ce試shi的de複fu雜za。擁yong有you高gao層ceng級ji的de代dai碼ma,將jiang使shi非fei嵌qian入ru式shi工gong程cheng師shi易yi於yu挖wa掘jue傳chuan感gan器qi的de腳jiao本ben及ji測ce 試,而不需要一個嵌入式軟件工程師的照看。
技巧3—以Micro Python測試傳感器
在Python寫下第一段應用程序代碼的其中一個優勢是,透過調用Micro Python,應用程序調用到總線工具應用程序編程接口(API)可易於進行更換。Micro Python運作在實時嵌入式軟件內,其中有許多傳感器可供工程師來了解其價值,Micro Python運作在一個Cortex-M4處理器,且其是一個很好的環境,以從中為應用程序代碼除錯。不僅是簡單的,這裏也不需要去寫I2C 或SPI驅動程序,因為它們已被涵蓋在Micro Python的函式庫中。
技巧4—利用傳感器供貨商代碼
任 何可以從傳感器製造商“搜括”到dao的de範fan例li碼ma,工gong程cheng師shi需xu要yao走zou一yi段duan很hen長chang的de路lu才cai能neng了le解jie傳chuan感gan器qi如ru何he工gong作zuo的de原yuan理li。不bu幸xing的de是shi,許xu多duo傳chuan感gan器qi供gong貨huo商shang並bing非fei嵌qian入ru式shi軟ruan件jian設she計ji的de專zhuan家jia,因yin此ci不bu要yao期qi待dai可ke以yi發fa現xian一yi個ge可ke投tou入ru生sheng產chan的de漂piao亮liang架jia構gou和he優you雅ya的de例li子zi。
就使用供貨商代碼,學習這部分如何運作,之後重構的挫折感將出現,直到它可以被幹淨利索地整合到嵌入式軟件。它可能如“意大利麵條般(spaghetTI)”開始,但利用製造商對其傳感器如何運作的理解,在產品推出之前,將有助於減少許多得 被毀掉的周末時間。
技巧5—使用一個傳感器融合函式庫
機會是,傳感器的傳輸接口並不是太新,且先前沒有人這麼做過。已知的所有函式庫,如由許多芯片製造商提供的“傳感器融合函式庫”,以協助開發人員快速掌握、 甚至更好,更可避免他們陷入重新開發或大幅修改產品架構的輪回。
xuduochuanganqikeyibeizhenghezhiyibanleixinghuoleibie,erzhexieleixinghuoleibiejiangshiqudongchengxushunlibeikaifa,ruochulidedang,jihushipubianhuoshishaokezhongfushiyong。xunzhaozhexiechuanganqironghehanshiku,bingxuexitamendeyoudianheduanchu。
感測器被整合至嵌入式係統時,有許多方式可以幫助提高設計時程和易用性。
開發者在開始設計時,透過一個高層次抽象概念,以及在把傳感器整合進一個較低等級的 係統之前,學習傳感器如何運作,就絕對不會“走錯路”。今天存在的眾多資源將可協助開發人員“旗開得勝”,而無須從頭開始。
最後談談傳感器代工企業簡介
1、Micralyne
主營:加速度/重力傳感器,生物芯片/材料芯片,壓力傳感器
2、台積電(TSMC)
總部:台灣
主營:加速度/重力傳感器,麥克風
3、Tronics
主營:加速度/重力傳感器,陀螺儀/角速度傳感器
4、X-Fab
主營:加速度/重力傳感器,陀螺儀/角速度傳感器,壓力傳感器
5、Teledyne DALSA
主營:加速度/重力傳感器,陀螺儀/角速度傳感器
6、Silex
主營:加速度/重力傳感器,陀螺儀/角速度傳感器
7、IMT
主營:加速度/重力傳感器,陀螺儀/角速度傳感器
8、華潤上華(CSMC)
總部:無錫
主營:加速度/重力傳感器,壓力傳感器,麥克風
9、愛普生(Epson)
主營:陀螺儀/角速度傳感器,麥克風
10、GE Measurement & Control Solutions
主營:壓力傳感器
11、歐姆龍(Omron)
主營:光纖傳感器,光電傳感器,位移傳感器/測長傳感器,圖像傳感器,接近傳感器,微型光電傳感器,超聲波傳感器,壓力傳感器,振動傳感器/漏液傳感器/其他傳感器
12、上海先進
總部:上海
主營:MEMS傳感器
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