【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、車che上shang還hai是shi其qi他ta地di方fang
，人ren們men使shi用yong的de電dian子zi設she備bei中zhong都dou包bao含han了le傳chuan感gan器qi。難nan以yi想xiang象xiang沒mei有you移yi動dong設she備bei的de生sheng活huo會hui是shi什shen麼me樣yang子zi，而er支zhi撐cheng這zhe些xie設she備bei的de正zheng是shi傳chuan感gan器qi技ji術shu。

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、xiangyingshijianhezhunquedudengceliangcanshufangmian，zhizaoshangnenggoutigongyoubaozhengdezhunquedu。duiyutedingdechuanganqiheceliangleixing，zhizaoshanghuitigongjianyidedianyahuodianliupianzhi，yiquebaochuanganqizhengchanggongzuo。

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 的de比bi值zhi就jiu是shi紅hong線xian的de梯ti度du。產chan生sheng紅hong線xian輸shu出chu的de傳chuan感gan器qi比bi產chan生sheng藍lan線xian輸shu出chu的de傳chuan感gan器qi具ju有you更geng高gao的de靈ling敏min度du。典dian型xing的de傳chuan感gan器qi在zai其qi整zheng個ge範fan圍wei內nei可ke能neng不bu會hui產chan生sheng線xian性xing響xiang應ying。因yin此ci，不bu同tong範fan圍wei內nei的de靈ling敏min度du可ke能neng會hui發fa生sheng變bian化hua。

提(ti)高(gao)傳(chuan)感(gan)器(qi)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)方(fang)法(fa)有(you)很(hen)多(duo)。例(li)如(ru)，在(zai)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)中(zhong)
，提(ti)高(gao)增(zeng)益(yi)將(jiang)會(hui)增(zeng)加(jia)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)小(xiao)信(xin)號(hao)輸(shu)出(chu)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)進(jin)入(ru)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)或(huo)傳(chuan)感(gan)器(qi)內(nei)部(bu)的(de)噪(zao)聲(sheng)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)更(geng)靈(ling)敏(min)的(de)讀(du)出(chu)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)。

圖 2：靈敏度

圖 3 suoshiweizaijieyuedianpingfashengbianhuashishoudaoshurucanshujilidechuanganqizuochudeshuchuxiangying。tuzhongdehengzhoudaibiaochuanganqixiangyingdeceliangshijian。dangchuanganqishuchudianxingzhiyushurucanshudejieyuedianpingbianhuaduiyingshi
，shuchuhuiqiehuandaoxindedianping。danshi
，dangtadadaoxindianpinghou，huichuxianguochonghexiachongxianxiang，xuyaojingguoyiduanshijiancainengwendingdaoxindianping。

2.2：傳感器線性轉換

tongchanglaijiang，chuanganqishifeixianxingde。duichuanganqijinxingxianxingzhuanhuanshiyigezhongyaodechuanganqiyouhuaguocheng，tongchangyongyujiangquxianhuochanzalebianyuanzaoshengdexiantiaoniheweiyitiaozhixian。jingguoxianxingzhuanhuandechuanganqinenggouyuchanpinshejixitongqingsongjicheng。tongguoxianxingzhuanhuan，shujujisuanhuibiandegengjiajiandan、高效。

圖 4 所suo示shi為wei兩liang種zhong傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu圖tu。其qi中zhong，藍lan線xian是shi傳chuan感gan器qi的de非fei線xian性xing輸shu出chu，在zai傳chuan感gan器qi量liang程cheng的de兩liang端duan，測ce量liang精jing度du明ming顯xian變bian差cha。紅hong線xian表biao示shi傳chuan感gan器qi的de理li想xiang線xian性xing輸shu出chu。如ru圖tu所suo示shi，線xian性xing誤wu差cha是shi藍lan線xian和he紅hong線xian之zhi間jian的de 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

yuanshichuanganqixinhaodeshuchutongchangjiaoruo，bingqiedaiyoujiaodadezaosheng。yuanshichuanganqixinhaoxuyaotiaojiedaobianyuxitongceliangdexingshi。xitongzhongkeyijichengxinhaotiaojieyuanqijianhuodianlu，yibiantiaojieyuanshichuanganqixinhao。zheleibujianbaokuoxinhaoqianzhifangdaqi、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

zaiweichuanganqiceliangxuanzeheshideceshiyiqishi，xuyaokaolvjingqueduhefenbianlvzhelianggeguanjianjishuzhibiao。jingqueduyongyuhengliangceliangzhidehaohuai，fenbianlvzedaibiaolekeyiceliangdexijieshuipinghuozheshiceshiyiqixianshideyouxiaoshuziweishu。

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。

chuanganqishuyujingmiyuanqijian。zaiweichuanganqixuanzeceshiyiqishi，wubiyaoxuanzeduichuanganqideceliangganraojiaoxiaodelianghaoyiqi。xuanzebuhuijianghuanjingzaoshenghuozishenchanshengdezaoshengdairuceliangdeceshiyiqi。

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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