傳感器的主要技術指標及五大設計技巧

傳感器的數量在整個地球表面和人們生活周遭空間激增，提供世界各種數據訊息。這些價格親民的傳感器是物聯網發展和我們的社會正面臨數字化革命背后的驅動力，然而連接和獲取來自傳感器的數據并不總是直線前進或那么容易。本文將介紹傳感器技術指標、5大設計技巧及代工企業。

首先技術指標是表征一個產品性能優劣的客觀依據?？炊夹g指標，有助于正確選型和使用該產品。

傳感器的技術指標分為靜態指標和動態指標兩類：靜態指標主要考核被測靜止不變條件下傳感器的性能，具體包括分辨力、重復性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩定性等；動態指標主要考察被測量在快速變化條件下傳感器的性能，主要包括頻率響應和階躍響應等。

由于傳感器的技術指標眾多，各種資料文獻敘述角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至產生誤解和歧義。

為此，以下針對傳感器的幾個主要技術指標進行解讀：

1、分辨力與分辨率：

定義：分辨力（Resolution）是指傳感器能夠檢測出的被測量的最小變化量。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，它表征了傳感器對被測量的分辨能力。傳感器的其他技術指標都是以分辨力作為最小單位來描述的。

對于具有數顯功能的傳感器以及儀器儀表，分辨力決定了測量結果顯示的最小位數。例如：電子數顯卡尺的分辨力是0.01mm，其示指誤差為±0.02mm。

解讀2：分辨力是一個具有單位的絕對數值。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而且極為相似的概念，都表征了傳感器對被測量的分辨能力。

二者主要區別在于：分辨率是以百分數的形式表示傳感器的分辨能力，它是相對數，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、重復性：

定義：傳感器的重復性（Repeatability）是指在同一條件下、對同一被測量、沿著同一方向進行多次重復測量時，測量結果之間的差異程度。也稱重復誤差、再現誤差等。

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

解讀2：傳感器的重復性表征了傳感器測量結果的分散性和隨機性。而產生這種分散性和隨機性的原因，是因為傳感器內部和外部不可避免地存在各種各樣的隨機干擾，導致傳感器的最終測量結果表現為隨機變量的特性。

解讀3：重復性的定量表述方法，可以采用隨機變量的標準差。

解讀4：對于多次重復測量情形而言，如果以全部測量結果的平均值作為最終測量結果，則可以得到更高的測量精度。因為平均值的標準差顯著小于每個測量結果的標準差。

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系應該是線性，其輸入輸出曲線應該是一條直線（如下圖中的紅色直線）。

但是，實際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差，導致實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量情況下傳感器實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二者差異的最大值與滿量程值之比。顯然，線性度也是一個相對量。

解讀3：由于對于一般測量場合而言，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量結果計算出與理想直線較為接近的擬合直線。具體計算方法包括端點連線法、最佳直線法、最小二乘法等。

4、穩定性：

定義：穩定性（Stability）是指傳感器在一段時間內保持其性能的能力。

解讀1：穩定性是考察傳感器在一定時間范圍內是否穩定工作的主要指標。而導致傳感器不穩定的因素，主要包括溫度漂移和內部應力釋放等因素。因此，增加溫度補償、增加時效處理等措施，對提高穩定性是有幫助的。

解讀2：根據時間段的長短不同，穩定性可以分為短期穩定性和長期穩定性。當考察時間過短時，穩定性與重復性相接近。因此，穩定性指標主要考察長期穩定性。具體時間的長短，依據使用環境和要求來確定。

解讀3：穩定性指標的定量表示方法，既可以采用絕對誤差，也可以使用相對誤差。例如，某應變式力傳感器的穩定性為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間內可以采樣的測量結果的多少。

解讀1：采樣頻率反映了該傳感器的快速反應能力，是動態特性指標中最重要的一個。對于被測量快速變化的場合，采樣頻率是必須要充分考慮的技術指標之一。依據香農采樣定律，傳感器的采樣頻率應不低于被測量變化頻率的2倍。

解讀2：隨著采用頻率的不同，傳感器的精度指標也相應有所變化。一般而言，采樣頻率越高，測量精度越低。

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條件下得到的測量結果。因此，在傳感器選型時必須兼顧精度與速度兩個指標。