【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
  、感gan測ce範fan圍wei和he靈ling敏min度du可ke以yi提ti高gao好hao幾ji倍bei。有you些xie傳chuan感gan器qi的de輸shu出chu測ce量liang值zhi是shi以yi對dui數shu刻ke度du進jin行xing讀du取qu。因yin此ci
  ，優you化hua帶dai來lai的de潛qian在zai性xing能neng提ti升sheng可ke達da到dao十shi倍bei甚shen至zhi百bai倍bei。

• 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。

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 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

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

zaidaduoshuqingkuangxia，shiyongzhizaoshangshujushoucezhongtigongdeshujujiuzuyibachuanganqijichengdaoyonghudechanpinhuoxitongzhong。buguo，zhizaoshangdeshujushouceduiyumanzuguanjiandeshishixuqiulaishuokenengbugoujuti。zaizhezhongqingkuangxia，chanpinshejigongchengshixuyaoduichuanganqijiqichanpinjinxingduogeweidudebiaozheng。liru，genjusuoshiyongdechuanganqileixing，chuanganqidexiangyinghuisuizhewendubodongfashengbianhua。ruguochanpinxuyaozaijiaodadewendufanweineijingmiyunxing，nameduichuanganqijinxingduoweidudebiaozhenghefenxijiuzhiguanzhongyao。xiatu 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

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。

測ce試shi儀yi器qi的de穩wen定ding性xing對dui於yu傳chuan感gan器qi的de表biao征zheng也ye很hen關guan鍵jian。數shu字zi萬wan用yong表biao等deng測ce試shi儀yi器qi使shi用yong參can考kao電dian壓ya來lai提ti高gao測ce量liang準zhun確que度du。如ru果guo參can考kao值zhi發fa生sheng漂piao移yi
，測ce量liang準zhun確que度du也ye會hui隨sui之zhi漂piao移yi。因yin此ci，務wu必bi要yao選xuan擇ze具ju有you自zi校xiao準zhun功gong能neng的de測ce試shi儀yi器qi來lai減jian少shao或huo消xiao除chu此ci類lei漂piao移yi。

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。

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、航空航天與國防
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、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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