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深度剖析:傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)及五大設(shè)計(jì)技巧

發(fā)布時(shí)間:2017-01-03 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】傳感器的數(shù)量在整個(gè)地球表面和人們生活周遭空間激增,提供世界各種數(shù)據(jù)訊息。這些價(jià)格親民的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和我們的社會(huì)正面臨數(shù)字化革命背后的驅(qū)動(dòng)力,然而連接和獲取來自傳感器的數(shù)據(jù)并不總是直線前進(jìn)或那么容易。本文將介紹傳感器技術(shù)指標(biāo)、5大設(shè)計(jì)技巧及代工企業(yè)。

首先技術(shù)指標(biāo)是表征一個(gè)產(chǎn)品性能優(yōu)劣的客觀依據(jù)??炊夹g(shù)指標(biāo),有助于正確選型和使用該產(chǎn)品。

傳感器的技術(shù)指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類:靜態(tài)指標(biāo)主要考核被測(cè)靜止不變條件下傳感器的性能,具體包括分辨力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩(wěn)定性等;動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要考察被測(cè)量在快速變化條件下傳感器的性能,主要包括頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)等。

由于傳感器的技術(shù)指標(biāo)眾多,各種資料文獻(xiàn)敘述角度不同,使得不同人有不同的理解,甚至產(chǎn)生誤解和歧義。

為此,以下針對(duì)傳感器的幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行解讀:

傳感器

1、分辨力與分辨率:

定義:分辨力(ResoluTIon)是指傳感器能夠檢測(cè)出的被測(cè)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(biāo),它表征了傳感器對(duì)被測(cè)量的分辨能力。傳感器的其他技術(shù)指標(biāo)都是以分辨力作為最小單位來描述的。

對(duì)于具有數(shù)顯功能的傳感器以及儀器儀表,分辨力決定了測(cè)量結(jié)果顯示的最小位數(shù)。例如:電子數(shù)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(gè)具有單位的絕對(duì)數(shù)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(guān)而且極為相似的概念,都表征了傳感器對(duì)被測(cè)量的分辨能力。

二者主要區(qū)別在于:分辨率是以百分?jǐn)?shù)的形式表示傳感器的分辨能力,它是相對(duì)數(shù),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、重復(fù)性:

定義:傳感器的重復(fù)性(Repeatability)是指在同一條件下、對(duì)同一被測(cè)量、沿著同一方向進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果之間的差異程度。也稱重復(fù)誤差、再現(xiàn)誤差等。

解讀1:傳感器的重復(fù)性必須是在相同的條件下得到的多次測(cè)量結(jié)果之間的差異程度。如果測(cè)量條件發(fā)生變化,測(cè)量結(jié)果之間的可比性消失,不能作為考核重復(fù)性的依據(jù)。

解讀2:傳感器的重復(fù)性表征了傳感器測(cè)量結(jié)果的分散性和隨機(jī)性。而產(chǎn)生這種分散性和隨機(jī)性的原因,是因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部和外部不可避免地存在各種各樣的隨機(jī)干擾,導(dǎo)致傳感器的最終測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)為隨機(jī)變量的特性。

解讀3:重復(fù)性的定量表述方法,可以采用隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。

解讀4:對(duì)于多次重復(fù)測(cè)量情形而言,如果以全部測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終測(cè)量結(jié)果,則可以得到更高的測(cè)量精度。因?yàn)槠骄档臉?biāo)準(zhǔn)差顯著小于每個(gè)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。

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(guān)系應(yīng)該是線性,其輸入輸出曲線應(yīng)該是一條直線(如下圖中的紅色直線)。

但是,實(shí)際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差,導(dǎo)致實(shí)際的輸入輸出曲線并非是理想的直線,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(shí)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:由于在不同大小的被測(cè)量情況下傳感器實(shí)際特性曲線與理想直線之間的差異是不同的,因此常常以全量程范圍內(nèi)二者差異的最大值與滿量程值之比。顯然,線性度也是一個(gè)相對(duì)量。

解讀3:由于對(duì)于一般測(cè)量場(chǎng)合而言,傳感器的理想直線是未知的,無從獲取。為此,常常采用折中的辦法,即直接利用傳感器的測(cè)量結(jié)果計(jì)算出與理想直線較為接近的擬合直線。具體計(jì)算方法包括端點(diǎn)連線法、最佳直線法、最小二乘法等。

4、穩(wěn)定性:

定義:穩(wěn)定性(Stability)是指傳感器在一段時(shí)間內(nèi)保持其性能的能力。

解讀1:穩(wěn)定性是考察傳感器在一定時(shí)間范圍內(nèi)是否穩(wěn)定工作的主要指標(biāo)。而導(dǎo)致傳感器不穩(wěn)定的因素,主要包括溫度漂移和內(nèi)部應(yīng)力釋放等因素。因此,增加溫度補(bǔ)償、增加時(shí)效處理等措施,對(duì)提高穩(wěn)定性是有幫助的。

解讀2:根據(jù)時(shí)間段的長短不同,穩(wěn)定性可以分為短期穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。當(dāng)考察時(shí)間過短時(shí),穩(wěn)定性與重復(fù)性相接近。因此,穩(wěn)定性指標(biāo)主要考察長期穩(wěn)定性。具體時(shí)間的長短,依據(jù)使用環(huán)境和要求來確定。

解讀3:穩(wěn)定性指標(biāo)的定量表示方法,既可以采用絕對(duì)誤差,也可以使用相對(duì)誤差。例如,某應(yīng)變式力傳感器的穩(wěn)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(shí)間內(nèi)可以采樣的測(cè)量結(jié)果的多少。

解讀1:采樣頻率反映了該傳感器的快速反應(yīng)能力,是動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)中最重要的一個(gè)。對(duì)于被測(cè)量快速變化的場(chǎng)合,采樣頻率是必須要充分考慮的技術(shù)指標(biāo)之一。依據(jù)香農(nóng)采樣定律,傳感器的采樣頻率應(yīng)不低于被測(cè)量變化頻率的2倍。

解讀2:隨著采用頻率的不同,傳感器的精度指標(biāo)也相應(yīng)有所變化。一般而言,采樣頻率越高,測(cè)量精度越低。

而傳感器給出的最高精度往往是在最低采樣速度下甚至是在靜態(tài)條件下得到的測(cè)量結(jié)果。因此,在傳感器選型時(shí)必須兼顧精度與速度兩個(gè)指標(biāo)。

下面再談傳感器五大設(shè)計(jì)技巧

技巧1—先從總線工具開始

第一步,工程師應(yīng)當(dāng)采取首次介接到傳感器時(shí),是透過一個(gè)總線工具的方式以限制未知。一個(gè)總線工具連接一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC),然后到傳感器的I2C、 SPI或其他可讓傳感器可以“說話”的協(xié)議。與總線工具相關(guān)的PC應(yīng)用程序,提供了一個(gè)已知與工作來源用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù),且不是未知、未經(jīng)認(rèn)證的嵌入式微控制器(MCU)驅(qū)動(dòng)程序。在總線工具的工作環(huán)境下,開發(fā)人員可以傳送和接收訊息以得到該部分如何運(yùn)作的理解,在試圖于嵌入式等級(jí)操作之前。

技巧2—在Python編寫傳輸接口碼

一旦開發(fā)者已嘗試使用總線工具的傳感器,下一步就是為傳感器編寫應(yīng)用程序代碼。并非直接跳到微控制器的代碼,而是在Python編寫應(yīng)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)和范例碼,Python通常是隨著.NET中可用的語言之一。在Python編寫應(yīng)用程序是快速且容易的, 其并提供一個(gè)方法已在應(yīng)用程序中測(cè)試傳感器,這個(gè)方式并未如同在嵌入式環(huán)境測(cè)試的復(fù)雜。擁有高層級(jí)的代碼,將使非嵌入式工程師易于挖掘傳感器的腳本及測(cè) 試,而不需要一個(gè)嵌入式軟件工程師的照看。

技巧3—以Micro Python測(cè)試傳感器

在Python寫下第一段應(yīng)用程序代碼的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,透過調(diào)用Micro Python,應(yīng)用程序調(diào)用到總線工具應(yīng)用程序編程接口(API)可易于進(jìn)行更換。Micro Python運(yùn)作在實(shí)時(shí)嵌入式軟件內(nèi),其中有許多傳感器可供工程師來了解其價(jià)值,Micro Python運(yùn)作在一個(gè)Cortex-M4處理器,且其是一個(gè)很好的環(huán)境,以從中為應(yīng)用程序代碼除錯(cuò)。不僅是簡單的,這里也不需要去寫I2C 或SPI驅(qū)動(dòng)程序,因?yàn)樗鼈円驯缓w在Micro Python的函式庫中。

技巧4—利用傳感器供貨商代碼

任 何可以從傳感器制造商“搜括”到的范例碼,工程師需要走一段很長的路才能了解傳感器如何工作的原理。不幸的是,許多傳感器供貨商并非嵌入式軟件設(shè)計(jì)的專家,因此不要期待可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)可投入生產(chǎn)的漂亮架構(gòu)和優(yōu)雅的例子。

就使用供貨商代碼,學(xué)習(xí)這部分如何運(yùn)作,之后重構(gòu)的挫折感將出現(xiàn),直到它可以被干凈利索地整合到嵌入式軟件。它可能如“意大利面條般(spaghetTI)”開始,但利用制造商對(duì)其傳感器如何運(yùn)作的理解,在產(chǎn)品推出之前,將有助于減少許多得 被毀掉的周末時(shí)間。

技巧5—使用一個(gè)傳感器融合函式庫

機(jī)會(huì)是,傳感器的傳輸接口并不是太新,且先前沒有人這么做過。已知的所有函式庫,如由許多芯片制造商提供的“傳感器融合函式庫”,以協(xié)助開發(fā)人員快速掌握、 甚至更好,更可避免他們陷入重新開發(fā)或大幅修改產(chǎn)品架構(gòu)的輪回。

許多傳感器可以被整合至一般類型或類別,而這些類型或類別將使驅(qū)動(dòng)程序順利被開發(fā),若處理得當(dāng),幾乎是普遍或是少可重復(fù)使用。尋找這些傳感器融合函式庫,并學(xué)習(xí)它們的優(yōu)點(diǎn)和短處。

感測(cè)器被整合至嵌入式系統(tǒng)時(shí),有許多方式可以幫助提高設(shè)計(jì)時(shí)程和易用性。

開發(fā)者在開始設(shè)計(jì)時(shí),透過一個(gè)高層次抽象概念,以及在把傳感器整合進(jìn)一個(gè)較低等級(jí)的 系統(tǒng)之前,學(xué)習(xí)傳感器如何運(yùn)作,就絕對(duì)不會(huì)“走錯(cuò)路”。今天存在的眾多資源將可協(xié)助開發(fā)人員“旗開得勝”,而無須從頭開始。

最后談?wù)剛鞲衅鞔て髽I(yè)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、臺(tái)積電(TSMC)

總部:臺(tái)灣

主營:加速度/重力傳感器,麥克風(fēng)

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(fēng)

9、愛普生(Epson)

主營:陀螺儀/角速度傳感器,麥克風(fēng)

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(cè)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(dòng)傳感器/漏液傳感器/其他傳感器

12、上海先進(jìn)

總部:上海

主營:MEMS傳感器

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