【導讀】現xian如ru今jin，人ren們men都dou希xi望wang能neng夠gou即ji時shi獲huo取qu信xin息xi
，傳chuan感gan器qi在zai這zhe個ge過guo程cheng中zhong就jiu發fa揮hui著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong。例li如ru，用yong戶hu如ru果guo想xiang通tong過guo手shou機ji查zha看kan天tian氣qi狀zhuang況kuang，可ke能neng需xu要yao使shi用yong生sheng物wu識shi別bie傳chuan感gan器qi來lai解jie鎖suo手shou機ji。然ran後hou
，查zha詢xun天tian氣qi狀zhuang況kuang的de應ying用yong程cheng序xu會hui使shi用yong位wei於yu不bu同tong地di理li位wei置zhi的de數shu百bai萬wan個ge傳chuan感gan器qi（風力風向、濕度和溫度）采集的數據來報告天氣情況。

摘要

可穿戴傳感器市場正以17.8%的(de)年(nian)複(fu)合(he)增(zeng)長(chang)率(lv)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)。然(ran)而(er)，傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)也(ye)麵(mian)臨(lin)諸(zhu)多(duo)挑(tiao)戰(zhan)
，特(te)別(bie)是(shi)在(zai)微(wei)型(xing)化(hua)和(he)低(di)功(gong)耗(hao)方(fang)麵(mian)要(yao)求(qiu)日(ri)益(yi)提(ti)高(gao)。在(zai)測(ce)量(liang)多(duo)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)時(shi)，有(you)幾(ji)個(ge)關(guan)鍵(jian)參(can)數(shu)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。本(ben)文(wen)將(jiang)針(zhen)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)領(ling)域(yu)展(zhan)開(kai)探(tan)討(tao)，進(jin)而(er)傳(chuan)遞(di)以(yi)下(xia)信(xin)息(xi)：

• 市麵上各種類型的傳感器以及傳感器如何改變人們所生活的世界

• 傳感器的關鍵參數，不受各種物理測量方式的影響

• 對傳感器進行表征和線性轉換能夠帶來的裨益

• 對傳感器進行表征和線性轉換，在選擇合適的測試儀器時
  ，主要考慮哪些因素

引言

傳感器推動世界運轉。無論是在家中、工作單位、cheshanghaishiqitadifang，renmenshiyongdedianzishebeizhongdoubaohanlechuanganqi。nanyixiangxiangmeiyouyidongshebeideshenghuohuishishenmeyangzi，erzhichengzhexieshebeidezhengshichuanganqijishu。

現xian如ru今jin，人ren們men都dou希xi望wang能neng夠gou即ji時shi獲huo取qu信xin息xi，傳chuan感gan器qi在zai這zhe個ge過guo程cheng中zhong就jiu發fa揮hui著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong。例li如ru
，用yong戶hu如ru果guo想xiang通tong過guo手shou機ji查zha看kan天tian氣qi狀zhuang況kuang
，可ke能neng需xu要yao使shi用yong生sheng物wu識shi別bie傳chuan感gan器qi來lai解jie鎖suo手shou機ji。然ran後hou
，查zha詢xun天tian氣qi狀zhuang況kuang的de應ying用yong程cheng序xu會hui使shi用yong位wei於yu不bu同tong地di理li位wei置zhi的de數shu百bai萬wan個ge傳chuan感gan器qi（風力風向、濕度和溫度）采集的數據來報告天氣情況。

傳感器市場的年複合增長率（CAGR）為 11%。在可穿戴物聯網設備和醫療設備等新興市場，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、智能手表和持續監測患者生命體征的便攜式醫療器件。

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
，中間部分列出了一係列傳感器類型。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：傳感器優化的益處

自然狀態下的傳感器可能對光、溫度、壓力值
、力度和濕度等外部參數有著不同程度的靈敏度。傳感器的靈敏度取決於它們的材質、製造方法和用途。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（如力度或溫度）影響下，其特性會發生變化。為了從傳感器獲得有用的可讀電壓或電流輸出
，設計者需要對傳感器的電流偏置進行相應的校準。

傳感器優化帶來的效益顯而易見：

• 準確度
  、gancefanweihelingmindukeyitigaohaojibei。youxiechuanganqideshuchuceliangzhishiyiduishukedujinxingduqu。yinci
  ，youhuadailaideqianzaixingnengtishengkedadaoshibeishenzhibaibei。

• 傳感器還可以進行調節，以便與整個係統集成。由於將傳感器輸出轉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：如何優化傳感器

有幾種方法可以優化傳感器，其中包括表征
、線性轉換、動態誤差補償和信號調節。

2.1：傳感器表征

由(you)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)可(ke)能(neng)各(ge)不(bu)相(xiang)同(tong)，因(yin)此(ci)製(zhi)造(zao)商(shang)會(hui)對(dui)他(ta)們(men)生(sheng)產(chan)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)表(biao)征(zheng)，並(bing)發(fa)布(bu)技(ji)術(shu)參(can)數(shu)和(he)數(shu)據(ju)資(zi)料(liao)，以(yi)幫(bang)助(zhu)用(yong)戶(hu)更(geng)好(hao)地(di)應(ying)用(yong)傳(chuan)感(gan)器(qi)。在(zai)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)、帶寬、響xiang應ying時shi間jian和he準zhun確que度du等deng測ce量liang參can數shu方fang麵mian，製zhi造zao商shang能neng夠gou提ti供gong有you保bao證zheng的de準zhun確que度du。對dui於yu特te定ding的de傳chuan感gan器qi和he測ce量liang類lei型xing
，製zhi造zao商shang會hui提ti供gong建jian議yi的de電dian壓ya或huo電dian流liu偏pian置zhi，以yi確que保bao傳chuan感gan器qi正zheng常chang工gong作zuo。

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中的細微變化方麵具有怎樣的性能。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 debizhijiushihongxiandetidu。chanshenghongxianshuchudechuanganqibichanshenglanxianshuchudechuanganqijuyougenggaodelingmindu。dianxingdechuanganqizaiqizhenggefanweineikenengbuhuichanshengxianxingxiangying。yinci
，butongfanweineidelingmindukenenghuifashengbianhua。

tigaochuanganqilingmindudefangfayouhenduo。liru，zaiguangdianerjiguanzhong，tigaozengyijianghuizengjiachuanganqidexiaoxinhaoshuchu
，congerjianshaojinruchuanganqidezaoshenghuochuanganqineibudezaosheng
，bingqiekeyishiyonggenglingmindeduchudianlusheji。

圖 2：靈敏度

圖 3 所(suo)示(shi)為(wei)在(zai)階(jie)躍(yue)電(dian)平(ping)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)受(shou)到(dao)輸(shu)入(ru)參(can)數(shu)激(ji)勵(li)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)做(zuo)出(chu)的(de)輸(shu)出(chu)響(xiang)應(ying)。圖(tu)中(zhong)的(de)橫(heng)軸(zhou)代(dai)表(biao)傳(chuan)感(gan)器(qi)響(xiang)應(ying)的(de)測(ce)量(liang)時(shi)間(jian)。當(dang)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)典(dian)型(xing)值(zhi)與(yu)輸(shu)入(ru)參(can)數(shu)的(de)階(jie)躍(yue)電(dian)平(ping)變(bian)化(hua)對(dui)應(ying)時(shi)
，輸(shu)出(chu)會(hui)切(qie)換(huan)到(dao)新(xin)的(de)電(dian)平(ping)。但(dan)是(shi)，當(dang)它(ta)達(da)到(dao)新(xin)電(dian)平(ping)後(hou)
，會(hui)出(chu)現(xian)過(guo)衝(chong)和(he)下(xia)衝(chong)現(xian)象(xiang)，需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)才(cai)能(neng)穩(wen)定(ding)到(dao)新(xin)電(dian)平(ping)。

2.2：傳感器線性轉換

通tong常chang來lai講jiang，傳chuan感gan器qi是shi非fei線xian性xing的de。對dui傳chuan感gan器qi進jin行xing線xian性xing轉zhuan換huan是shi一yi個ge重zhong要yao的de傳chuan感gan器qi優you化hua過guo程cheng
，通tong常chang用yong於yu將jiang曲qu線xian或huo摻chan雜za了le邊bian緣yuan噪zao聲sheng的de線xian條tiao擬ni合he為wei一yi條tiao直zhi線xian。經jing過guo線xian性xing轉zhuan換huan的de傳chuan感gan器qi能neng夠gou與yu產chan品pin設she計ji係xi統tong輕qing鬆song集ji成cheng。通tong過guo線xian性xing轉zhuan換huan
，數shu據ju計ji算suan會hui變bian得de更geng加jia簡jian單dan
、高效。

圖 4 suoshiweiliangzhongchuanganqideshuchutu。qizhong，lanxianshichuanganqidefeixianxingshuchu，zaichuanganqiliangchengdeliangduan，celiangjingdumingxianbiancha。hongxianbiaoshichuanganqidelixiangxianxingshuchu。rutusuoshi，xianxingwuchashilanxianhehongxianzhijiande F(x) 差值。

圖 4. 線性動態範圍圖

2.3：傳感器動態誤差補償

在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，使(shi)用(yong)製(zhi)造(zao)商(shang)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)中(zhong)提(ti)供(gong)的(de)數(shu)據(ju)就(jiu)足(zu)以(yi)把(ba)傳(chuan)感(gan)器(qi)集(ji)成(cheng)到(dao)用(yong)戶(hu)的(de)產(chan)品(pin)或(huo)係(xi)統(tong)中(zhong)。不(bu)過(guo)
，製(zhi)造(zao)商(shang)的(de)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)對(dui)於(yu)滿(man)足(zu)關(guan)鍵(jian)的(de)實(shi)施(shi)需(xu)求(qiu)來(lai)說(shuo)可(ke)能(neng)不(bu)夠(gou)具(ju)體(ti)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，產(chan)品(pin)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)需(xu)要(yao)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)其(qi)產(chan)品(pin)進(jin)行(xing)多(duo)個(ge)維(wei)度(du)的(de)表(biao)征(zheng)。例(li)如(ru)，根(gen)據(ju)所(suo)使(shi)用(yong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)類(lei)型(xing)，傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)會(hui)隨(sui)著(zhe)溫(wen)度(du)波(bo)動(dong)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。如(ru)果(guo)產(chan)品(pin)需(xu)要(yao)在(zai)較(jiao)大(da)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)精(jing)密(mi)運(yun)行(xing)，那(na)麼(me)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)多(duo)維(wei)度(du)的(de)表(biao)征(zheng)和(he)分(fen)析(xi)就(jiu)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。下(xia)圖(tu) 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(dang)產(chan)品(pin)或(huo)係(xi)統(tong)需(xu)要(yao)精(jing)確(que)地(di)位(wei)移(yi)或(huo)控(kong)製(zhi)時(shi)，設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)能(neng)不(bu)得(de)不(bu)處(chu)理(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)遲(chi)滯(zhi)等(deng)問(wen)題(ti)。某(mou)些(xie)類(lei)型(xing)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，如(ru)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，在(zai)測(ce)量(liang)過(guo)程(cheng)中(zhong)會(hui)產(chan)生(sheng)遲(chi)滯(zhi)效(xiao)應(ying)。例(li)如(ru)，在(zai)受(shou)控(kong)烤(kao)箱(xiang)中(zhong)溫(wen)度(du)從(cong)低(di)到(dao)高(gao)測(ce)量(liang)某(mou)個(ge)已(yi)知(zhi)溫(wen)度(du)點(dian)
，然(ran)後(hou)溫(wen)度(du)從(cong)高(gao)到(dao)低(di)再(zai)次(ci)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)
，我(wo)們(men)就(jiu)能(neng)發(fa)現(xian)遲(chi)滯(zhi)效(xiao)應(ying)。兩(liang)次(ci)測(ce)量(liang)的(de)溫(wen)度(du)值(zhi)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)值(zhi)代(dai)表(biao)了(le)溫(wen)度(du)遲(chi)滯(zhi)效(xiao)應(ying)誤(wu)差(cha)。遲(chi)滯(zhi)效(xiao)應(ying)看(kan)起(qi)來(lai)像(xiang)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)阻(zu)擋(dang)或(huo)滯(zhi)後(hou)。這(zhe)種(zhong)滯(zhi)後(hou)取(qu)決(jue)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)材(cai)質(zhi)的(de)固(gu)有(you)特(te)性(xing)或(huo)感(gan)測(ce)元(yuan)件(jian)的(de)設(she)計(ji)。

係統設計工程師有辦法對遲滯進行精準建模，並實現反饋和前饋控製，以實時動態補償誤差。

2.4：傳感器信號調節

原yuan始shi傳chuan感gan器qi信xin號hao的de輸shu出chu通tong常chang較jiao弱ruo，並bing且qie帶dai有you較jiao大da的de噪zao聲sheng。原yuan始shi傳chuan感gan器qi信xin號hao需xu要yao調tiao節jie到dao便bian於yu係xi統tong測ce量liang的de形xing式shi。係xi統tong中zhong可ke以yi集ji成cheng信xin號hao調tiao節jie元yuan器qi件jian或huo電dian路lu，以yi便bian調tiao節jie原yuan始shi傳chuan感gan器qi信xin號hao。這zhe類lei部bu件jian包bao括kuo信xin號hao前qian置zhi放fang大da器qi
、噪聲濾波器、衰減器或預失真電路。

3：用於表征傳感器的測試儀器

在zai為wei傳chuan感gan器qi測ce量liang選xuan擇ze合he適shi的de測ce試shi儀yi器qi時shi，需xu要yao考kao慮lv精jing確que度du和he分fen辨bian率lv這zhe兩liang個ge關guan鍵jian技ji術shu指zhi標biao。精jing確que度du用yong於yu衡heng量liang測ce量liang值zhi的de好hao壞huai，分fen辨bian率lv則ze代dai表biao了le可ke以yi測ce量liang的de細xi節jie水shui平ping或huo者zhe是shi測ce試shi儀yi器qi顯xian示shi的de有you效xiao數shu字zi位wei數shu。

現xian代dai測ce試shi儀yi器qi通tong常chang使shi用yong內nei置zhi的de模mo數shu轉zhuan換huan器qi來lai對dui測ce量liang數shu據ju進jin行xing數shu字zi化hua和he其qi他ta處chu理li。在zai表biao征zheng靈ling敏min度du較jiao高gao的de數shu據ju傳chuan感gan器qi時shi，測ce試shi儀yi器qi的de線xian性xing度du非fei常chang重zhong要yao。

ceshiyiqidewendingxingduiyuchuanganqidebiaozhengyehenguanjian。shuziwanyongbiaodengceshiyiqishiyongcankaodianyalaitigaoceliangzhunquedu。ruguocankaozhifashengpiaoyi，celiangzhunqueduyehuisuizhipiaoyi。yinci，wubiyaoxuanzejuyouzixiaozhungongnengdeceshiyiqilaijianshaohuoxiaochucileipiaoyi。

傳(chuan)感(gan)器(qi)屬(shu)於(yu)精(jing)密(mi)元(yuan)器(qi)件(jian)。在(zai)為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)擇(ze)測(ce)試(shi)儀(yi)器(qi)時(shi)，務(wu)必(bi)要(yao)選(xuan)擇(ze)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)測(ce)量(liang)幹(gan)擾(rao)較(jiao)小(xiao)的(de)良(liang)好(hao)儀(yi)器(qi)。選(xuan)擇(ze)不(bu)會(hui)將(jiang)環(huan)境(jing)噪(zao)聲(sheng)或(huo)自(zi)身(shen)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲(sheng)帶(dai)入(ru)測(ce)量(liang)的(de)測(ce)試(shi)儀(yi)器(qi)。

總結

優化傳感器的好處非常之大

，其中包括準確度、感測範圍和靈敏度的提升。表征傳感器或者是對它們進行線性轉換有助於將它們集成到更大的控製係統中
，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重要。一定要確保測試儀器的測量準確度、分辨率、線性度、穩定性和極低的幹擾度，以便滿足傳感器優化要求。

關於是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪並賦能創新者，助力他們將改變世界的技術帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數公司，我們提供先進的設計
、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產品生命周期中更快地完成開發和部署
，同時控製好風險。我們的客戶遍及全球通信、工業自動化
、航空航天與國防、汽車
、半導體和通用電子等市場。我們與客戶攜手
，加速創新，創造一個安全互聯的世界。

[1] 《全球可穿戴設備傳感器市場的增長機遇》（K5CA-30 報告），Frost&Sullivan
，2021 年 10 月

（作者：是德科技產品市場經理Bernard Ang）

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