傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)及五大設(shè)計(jì)技巧

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：

1、分辨力與分辨率：

定義：分辨力（Resolution）是指?jìng)鞲衅髂軌?a target="_blank">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?jìng)鞲衅鬏斎胼敵銮€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?jìng)鞲衅髟谝欢螘r(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(zhǎng)短不同，穩(wěn)定性可以分為短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性。具體時(shí)間的長(zhǎng)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?jìng)鞲衅髟趩挝粫r(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)。