【经验】影响传感器精度的误差分析
世强代理了多种品牌很多门类的传感器，Melexis、TE、SMI、Silicon Labs、EPSON……，涵盖了从温湿度、压力、位置、加速度、速度、角速度、电流等等，在使用传感器的过程中，通常情况下敏感元器件的输出值是比较微弱的，需要对其进行放大处理，在此过程中，不可避免会带来误差，并影响到测量精度。本文列举了一些信号调理过程中容易引入误差的原因，并进行了一些分析。
下图是TE 416系列热电偶。传感接头安装在小型金属外壳中。这样便可提高测量轴承中接触点温度变化的准确性和灵敏度。传感器可轻松安装在空间有限的位置，并且可以钻孔布设。K型比例系数为每度大约40uV，而S型的输出大约为每度10uV。在使用热电偶时还会遇到其它电路问题，如热电偶的连接需要保护电路等。在使用K型的情况下，在1250度范围内获得±1.1℃的测量精度，误差包括运算放大器的输入漂移和0.25至0.5℃的热电偶非线性误差。
图1 TE 416系列热电偶
另外在小信号处理电路中，由放大器带来的噪声是不可避免的，事实上这将决定系统可能实现的最佳信噪比。
误差影响因素
典型的误差影响因素包括参考电压误差、放大器误差、传感器误差以及噪声对测量精度的影响。
(1) 参考电压误差
参考电压是用来与实际测量值进行比较的，因此这个参考电压的实际值非常重要，需要对参考电压进行周期性校准或软件校准以修正这个基本的测量误差。而且，精心设计的参考电压可以用来最大限度地减少由于温度造成的漂移。在0℃至25℃的条件下，一个100ppm/℃的温度系数的误差会到2500ppm，或满量程范围的0.25%。
(2) 放大器误差
运算放大器因其失调零漂等原因，会引入误差。传感器信号输入运算放大器即会影响测量精度。如压力传感器，以压力传感器为例，一个20mV的满量程信号将会有5%偏移，即1mV输入偏置电压。这个输入偏置误差可以直接降低测量精度，用足够动态范围的A/D转换器就可能利用软件消除这个误差。
下图是TE MS5525的框图，比例放大模拟输出，用足够动态范围的A/D转换器。
图2 TE MS5525框图
(3) 传感器误差
传感器因为加工工艺的原因，不可能达到理想状态，会产生误差。修正传感器误差可能很困难。如压力传感器，即使在生产过程中进行线性校准，但是应用中不同设备之间的输出比例系数的变化量仍然很高。压力传感器的参考电压通常是由激励产生的，通过惠斯顿电桥产生一种比例式测量方法，该方法可一定程度消除漂移误差，但由于电桥之间不可能完全对称，故仍然会有偏置电压产生。
下图是SMI SM5470低压传感器的offset，其偏置误差很大程度是由电桥不对称导致。
图3 SM5470 offset
(4) 噪声影响
噪声有许多来源，包括来自附近高速数字逻辑电路、电源、风扇电机、电磁阀和射频EMI的耦合噪声。可以通过合适的接地设计、屏蔽方法和电路板布局等降低噪声。另外可以选择引入噪声最小、具有足够增益带宽的运算放大器。可根据引入的噪声大小评价运算放大器，噪声量根据对不受限制带宽(宽频带)或确定带宽上的信号的测量值来确定。
以下是TE MS4525压力传感器在5VDC测试下的噪声波形图。
图4 TE MS4525噪声波形图
图5 TE MS4525噪声换算
A/D转换器
使用A/D转换器时，背景噪声是可用测量精度的决定性因素。当一个器件的额定分辨率为24位时，由于噪声导致的局限性，通常转换器实现的实际精度更低。这里需要区分有效位和极低噪声值，有效位规格是由噪声电平RMS值计算出来的，极低噪声值则是基于峰-峰值，通常相当于统计RMS值的6.6倍之多。因此，极低噪声规格表示的是转换器的有效分辨率，在背景噪声以上LSB位依然保持稳定。还需要特别注意规格书中的限制条件，例如参考电压和输入范围可能因应用不同而异，数据手册上所承诺的与实际比值可能有相当大的差异。
运算放大器
对于放大器而言，同时实现低噪声和高增益很困难。那么就需要让放大器的噪声水平与其误差达到同样的范围。所有的半导体放大器都会有1/f噪声，也称为闪烁噪声(flicker noise)，它是由于材料而产生的一种基本现象。与频率相反，在一个特定的噪声拐点以下，噪声密度将呈指数增加，而且在低频时变得有非常大。很少有放大器能低成本地以单芯片实现这种低噪声和高增益的组合特性。
为了实现低噪声和高增益，可以设计混合的多放大器电路，采用一种具有高输入阻抗、输入纠错电路和第二个(或第三个)补偿放大器的输入放大器组合，以实现所需的增益。集中于一个参数的放大器经常在其他方面带来严重的问题。
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秋风扫落叶 Lv7. 资深专家 2018-05-11不错 -
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承毅 Lv8. 研究员 2018-04-08不错 -
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duanmaxie Lv8. 研究员 2018-04-08不错 -
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LouBing Lv7. 资深专家 2018-04-08学习了，非常有帮助 -
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加油小陈 Lv8. 研究员 2018-04-08学习
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