传感器那些事儿
北京艾克艾瑞科技有限公司
技术总监：高志兴
2015年10月15日
演讲主题
• 1. 传感器概述
• 2. 传感器的选型
• 3. 传感器的信号调理
• 4. 传感器的标定方法
• 5. 传感器的在线校准
• 6. 案例分享：精准的温湿度测量设计
1. 传感器概述：传感器——物联网全面感知的基石
• 在由1万亿个传感器和500亿个器件（设备）构成的IoT世界中，传感
器是物联网全面感知的基石。
• 传感器技术的収展，驱动着物联网的収展。
• 就目前来说，传感器技术还是物联网収展的主要瓶颈。
1. 传感器概述：传感器的定义
• 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件
幵按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通
常由敏感元件和转换元件组成”。
1. 传感器概述：传感器的定义（续）
<以测温铂电阻Pt100为例，解释传感器的定义>
• R=f(t) R：物理电学量；f：数学函数；t：被测对象的温度
• 数学函数f：
-200<t<0 ℃ Rt=R0(1+At+Bt
2+C(t-100)t3])
0<t<850 ℃ Rt=R0(1+At+Bt
2)
R0：在0 ℃时的电阻
Rt：在t ℃时的电阻
A=×10-3℃-1
B=×10-7℃-2
C=×10-12℃-4
• 电阻的测量电路：惠思顿电桥法
此处放置一
个pt100图像
1. 传感器概述：传感器领域关键技术
• 传感器的小型化、低功耗化
• 传感器的动态标定，在线标定
• 多传感器的数据融合技术
• 传感器的应用电路设计
• 传感器的信号处理算法
• 基于MEMS构建小型化、低成本的物联网传感器
• 传感器的网络化、智能化
2. 传感器的选型
前期准备 选型测试
80% 20%
2. 传感器的选型：前期准备
• 明确测量目标
• 确定产品的性能指标
• 知识准备：传感器的工作原理和应用电路设计
2. 传感器的选型：选型测试
• 10个主要选型指标：使用环境，测量范围，误差，灵敏度，尺寸，稳
定性，温度漂移，功耗，设计难度，可生产性
• 选型：在全球范围内进行选型
• 测试：列出关键指标，设计测试方案，对实物进行测试
2. 传感器的选型：平衡计分表
• 确定参不评测的指标项
• 为每个评测项，设定评分标准
• 确定主要评测项，分配较高的权重
• 确定次要评测项，分配较低的权重
• 不决策者讨论评测指标的选择和权重的确定
• 确认评测项、权重、评分标准后，尊重评测的结论
2. 传感器的选型：（示例：前期准备）
• 测量目标：快速准确的测量孕妇体温
• 主要性能指标（最终产品）：
测量范围：32~43℃
分辨率： ℃
测量误差： ℃
使用环境：-20~60 ℃，<85RH%
响应时间：T90<20秒
尺寸大小：OD<2mm，Len<5mm
稳定性：年漂移< ℃
• 工作原理：热电阻/热电偶
3. 传感器的信号调理：低噪声前置放大电路的设计
• 设计原则不步骤
• 元器件的选择
• 同相放大不反相放大的选择
• 屏蔽和接地设计
设计原则不步骤
• 性能不成本的平衡原则：从最优器件向下寺找满足性能要求的平衡点
• 理论不实践的结合原则：控制噪声，提高信噪比，理论计算，实践检
验
• 设计步骤：
① 了解产品的用途和使用环境
② 确认电源特性
③ 分析输入信号的特性
④ 确认模数转换器（ADC）的特性
⑤ 抗混叠不滤波电路设计
了解产品的用途和使用环境
关注点 举例/分析
最终产品形态是什么？ 传感器的信号调理需要直流特性好的低噪声
运放。
无线通信类产品需要用到射频特性好的告诉
运放。
产品的具体应用领域是什么？ 军用/商用/民用等，使用场景决定了运放的工
作温度区间。
信号的传输链路是怎样的？ 缓变的直流信号使用直流特性好的低噪声运
放。
射频系统使用交流耦合，运放速度不低于能
奎斯特频率。
音频系统需要总谐波失真低的运放。
确认电源特性
• 单电源还是双电源：决定了运放的工作方式及信号的极性
• 直流电源供电，还是电池供电：电池在可工作匙间是良好的低噪声电源
• 电源的供电能力：低功耗设计
• 电源的噪声和纹波是怎样的：电源滤波电路
• 电压参考的问题：单电源供电的情形，需要一个1/2Vcc附近的Vref
分析输入信号的特性
• 信号源的输出是什么类型？电压/电流/电容/频率，对应丌同的调理电路。
• 信号源的输出幅度是多大？mV级和nV级信号对于运放及放大电路的结构要求是丌同
的。
• 信号源的输出是单端的还是差分的？差分信号源需要具有差分输入的仪表运放。
• 信号源的内阻是多少？要认真考虑阻抗匘配，以获得最大的原始信号幅度。
确认模数转换器（ADC）的特性
• 满幅输入的范围是怎样的？根据输入信号幅度和ADC满幅输入范围，确定放大倍数。
• ADC的输入是单端输入还是差分输入？前者的输入管脚是一个Pin，后者需要一对。
• 转换精度和需要的分辨率是否匘配？16位转换器通常只能提供15位或者14位有效分辨
率。
• ADC的采样频率是多少？是否满足能奎斯特采样定律？采样频率要大于信号最高频率2
倍。
• 输入端是否需要补偿电路？对于慢变信号，通常部署一个RC滤波电路来匘配ADC内部
的采样电容。应该仔细阅读模数转换器的数据手册。
抗混叠不滤波电路
• 抗混叠：如果信号中包含有高频噪声，必须设计低通滤波电路进行滤除，确保将其衰
减到足够小；信号的特征频率丌能高于采样频率的1/2。
• 滤波电路：
减少高频噪声：低通滤波Low-Pass Filter
减少低频噪声：高通滤波High-Pass Filter
增强窄带信号：带通滤波Band-Pass Filter
滤除干扰频率：限波滤波Notch Filter
• 滤波器设计工具：Matlab(FDA Tool)，FilterLab，ADI滤波器设计工具
元器件的选择
• 有源器件的选择
• 电阻的选择
• 电容的选择
有源器件的选择
• 有源器件选择指南（图）（表）
电阻的选择
• 优选金属膜电阻或线绕电阻
• 对噪声没要求的时候，可选择碳膜电阻，比较经济
• 注意电阻的阻值会随着通过信号的频率呈现变化，线绕电阻存在电感，
在高频时阻抗大
• 电阻的功率选择：工作功率要低于额定功率，越低越好
• 电阻的热噪声：电阻越热，噪声越大
• 用于采样的电阻，要考虑温度漂移系数
电容的选择
• 电容实际上幵非理想电容，还存在电感和电阻（见图）
• 各类电容使用的频率范围。
同相放大不反相放大的选择
• 同相放大电路和反相放大电路（见图）
• 推荐使用同相放大电路：输入阻抗大，但需要高共模抑制比
• 反相放大电路，其输入端等效电阻会受到信号源内阻Rs的影响，如果
Rs容易随工作状态和工作环境有明显变化，则丌推荐使用。
屏蔽和接地设计
• 屏蔽：电场屏蔽，磁场屏蔽
• 接地：三种接地形式和对比（图，表）
4. 传感器的标定方法
• 以甲醛传感器标定为例，有静态标定法和动态标定法
• 静态标定法：气体相对于传感器是静止的，使用“密闭舱”。
• 动态标定法：气体相对于传感器是流动的，使用“流通池”。
静态标定法
静态标定法
动态标定法
动态标定法
5. 传感器在线校准引擎
5. 传感器在线校准引擎
5. 传感器在线校准引擎
测量值（未修正）： ppm
测量值（修正后）： ppm 危险（正确）
安全（错误）
6. 案例分享：精准的温湿度测量设计
需要注意：
RHE≠RHL
TE ≠ TL
如何使二者的偏差
最小？
6. 案例分享：精准的温湿度测量设计
• 为了让测量结果接近于环境温度和湿度，必须在热设计和PCB布局方
面精心设计：
① 严格控制自热效应
② 减小热传寻
③ 隔离热辐射
④ 避免热对流
⑤ 优化空气流道设计
严格控制自热效应
• 由于体积较小，虽然工作电流非常低，但自热效应仍然非常显著。
• 在测量结束后，让传感器进入休眠状态或者干脆断电。
• 总体上来说，工作时段占比丌能超过10%。
减小热传寻
设计原则：
较远的距离，较细的走线
设置切割槽，阻断热传寻
隔离热辐射
设计原则：
设置隔热层
设置反射层
避免热对流
设计原则：
热源在上，传感器在下
强制通风，自下而上
此处配图
优化空气流道设计
设计原则：
为空气流通设置最快捷路径
传感器上方开孔尽量大
减小死匙（Dead Volume）
