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:chuanganqidezhongfuxingbiaozhenglechuanganqiceliangjieguodefensanxinghesuijixing。erchanshengzhezhongfensanxinghesuijixingdeyuanyin,shiyinweichuanganqineibuhewaibubukebimiandicunzaigezhonggeyangdesuijiganrao,daozhichuanganqidezuizhongceliangjieguobiaoxianweisuijibianliangdetexing。
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:對dui於yu多duo次ci重zhong複fu測ce量liang情qing形xing而er言yan,如ru果guo以yi全quan部bu測ce量liang結jie果guo的de平ping均jun值zhi作zuo為wei最zui終zhong測ce量liang結jie果guo,則ze可ke以yi得de到dao更geng高gao的de測ce量liang精jing度du。因yin為wei平ping均jun值zhi的de標biao準zhun差cha顯xian著zhu小xiao於yu每mei個ge測ce量liang結jie果guo的de標biao準zhun差cha。
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:wendingxingshikaochachuanganqizaiyidingshijianfanweineishifouwendinggongzuodezhuyaozhibiao。erdaozhichuanganqibuwendingdeyinsu,zhuyaobaokuowendupiaoyiheneibuyinglishifangdengyinsu。yinci,zengjiawendubuchang、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de2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”daodefanlima,gongchengshixuyaozouyiduanhenchangdelucainenglejiechuanganqiruhegongzuodeyuanli。buxingdeshi,xuduochuanganqigonghuoshangbingfeiqianrushiruanjianshejidezhuanjia,yincibuyaoqidaikeyifaxianyigeketourushengchandepiaoliangjiagouheyouyadelizi。
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。
許xu多duo傳chuan感gan器qi可ke以yi被bei整zheng合he至zhi一yi般ban類lei型xing或huo類lei別bie,而er這zhe些xie類lei型xing或huo類lei別bie將jiang使shi驅qu動dong程cheng序xu順shun利li被bei開kai發fa,若ruo處chu理li得de當dang,幾ji乎hu是shi普pu遍bian或huo是shi少shao可ke重zhong複fu使shi用yong。尋xun找zhao這zhe些xie傳chuan感gan器qi融rong合he函han式shi庫ku,並bing學xue習xi它ta們men的de優you點dian和he短duan處chu。
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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