传感器的动态范围 传感器常见的技术参数

传感器常见的技术参数

随着传感器在工业生产、农业种植、环境保护等领域的渗透和广泛应用，市场上的传感器产品种类繁多，原理和结构千差万别。如何根据具体的测量目的、测量对象和测量环境合理选择传感器，是测量某个量时首先要解决的问题。在选择合适的传感器时，能够了解传感器的技术参数有助于我们正确选择和使用产品。那么，你对传感器的一些常用技术参数了解多少呢？

1.分辨率

分辨率是指传感器在指定测量范围内可以检测到的微小变化。与分辨率不同，分辨率以百分比的形式表示传感器的分辨率，这是一个相对数。分辨率是有单位的绝对值。例如，如果温度传感器的分辨率为0.1摄氏度，满量程为500摄氏度，则其分辨率为0.1/500=0.02%。

2.灵敏度

灵敏度是指稳态运行下传感器的输出变化△y与输入变化△x之比。一般在传感器的线性范围内，灵敏度越高，对应于被测变化的输出信号值越大，更有利于信号处理。但需要注意的是，传感器的灵敏度高，容易混入与测量无关的外界噪声，然后被放大系统放大，影响测量

精度。因此，要求传感器本身应该具有高信噪比，以最小化从外部引入的干扰信号。

3.线性范围

传感器的线性范围是指输出与输入成比例的范围。理论上，在这个范围内，灵敏度保持不变，传感器的线性范围越宽，其测量范围就越大。但实际上，任何传感器都不可能是绝对线性的，它的线性是相对的。当要求的测量精度比较低时，在一定范围内，非线性误差小的传感器可以视为线性，便于测量。

4.稳定性

传感器在使用一段时间后保持其性能不变的能力称为稳定性。除了传感器本身的结构之外，影响传感器稳定性的主要因素是传感器的使用环境。因此，为了使传感器具有良好的稳定性，传感器必须具有很强的环境适应性。

在传感器的选择上，要考察使用环境，根据具体的使用环境选择合适的传感器，或者采取适当的措施减少环境的影响。

5.重复性

传感器的重复性是指，在相同条件下同方向重复多次测量时，测量结果之间的差异。又称重复误差、再现误差等。重复性误差越小，重复性越好，传感器的稳定性越好。

6.精度

准确度是指真值附近正负三倍标准差的值与量程比值，是指测量值与真值的差值。如果测量的目的是定性分析，可以选择重复精度高的传感器，但不应选择绝对值精度高的传感器。如果是定量分析必须得到的测量值，就要选择精度能满足要求的传感器。

7.频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，它必须在允许的频率范围内保持不失真。其实传感器的响应总是有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。频率响应高的传感器可测信号频率范围宽，而由于结构特性的影响，机械系统的惯性大，所以频响低的传感器可测信号频率较低。

8.采样频率

采样频率是指传感器在单位时间内能够采样的测量结果的数量，反映了传感器的快速响应能力。采样频率是测量数据快速变化时必须充分考虑的技术指标。

随着采样频率的不同，传感器的精度指标也随之变化。一般来说，采样频率越高，测量精度越低。但是，传感器给出的精度往往是在采样速度下甚至是静态条件下得到的测量结果。因此，在选择传感器时，必须同时考虑精度和速度。

【视觉知识】图像传感器的动态范围

图像传感器的动态范围

什么是动态范围？

动态范围（Dynamic Range）是图像传感器重要的参数之一，它决定了图像传感器所能接收的最暗的阴影部分到最亮的高光部分的光亮强度分布范围，也就是决定了所拍摄出来的图像的细节、层次、特征。

传统胶片成像

基于光化学理论，在相机拍摄时，光线通过相机镜头达到胶片的感光晶体卤化银上，引起胶片的光学密度发生变化，曝光量越大，光学密度越小，呈现非线性关系。当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经过显彰工艺后固定于片基，成为黑白胶片。彩色胶片则是涂抹了三层卤化银来表现三原色。

数字图像成像

利用图像传感器（CCD、CMOS）把接收到的光信号通过传感器上的光敏单元离散成正比于曝光量的成千上万个像素点，并转换成模拟电压信号，再经过A/D转换处理后变成数字信号，然后经过微处理器的非线性运算转换成图像的标准存储格式。例如BMP、JPEG、TIFF等存储在物理介质上。

动态范围的定义

动态范围定义为最大可测光强与最小可测光强的比值，还可以定义为像素阱容量饱和时与无光照条件下的像素噪声电子数的比值，单位用分贝（dB）表示，表达式为：

自然场景中从无月的暗夜到太阳直射的动态范围约为180dB，而普通的图像传感器由于最大势阱容量的限制，动态范围通常在70dB左右。

真实世界中同一场景中动态范围变化很大，我们称之为高动态范围（High Dynamic Range），相对的普通图片上的动态范围为低动态范围（Low Dynamic Range）

相机的成像过程实际上就是真实世界的高动态范围到相片的低动态范围的映射（非线性），例如：

动态范围的影响因素

阱容量

普通图像传感器由于感光元件阱容量有限，存储光电荷的能力也有限，当光照强度超过一定程度时，存储的电荷达到饱和将无法再接收。一旦这些像素满载，光子便会溢出，溢出就会导致信息损失。

以红色为例，高光溢出使满载红色的像素附近的其它像素的值都变成255，但其实他们的真实值并没有达到255。换句话说，画面的细节发生了损失，这样会造成高光部分的信息缺失。如果我们以减少曝光时间来防止高光溢出，很多用来描述昏暗环境的像素则没有足够的时间接收光子量，得出的像素值为0，这样就会导致昏暗部分的信息缺失。

图像位深

目前普通的输出/显示设备受软硬件的限制，使得数字图像处理部分大多是基于8bit来进行的，只能表示出256个灰度等级，导致图像的亮度等级与真实场景的亮度等级相差较大。

因此，传统的图像传感器无论接收的图像有多大的亮度差，只要它被数字化为8位图像，那么这幅图像就只有256灰度级。若图像传感器的动态范围不同，它们提供的256级灰度反映的实际亮度差是不同的，即动态范围越大，就越能显示自然界的亮度变化。

提高动态范围的方法

阱容量调节

提供像素满阱容量或降低像素噪声水平是最直接的提高图像传感器动态范围的方法。然而现代像素的尺寸不断缩小，对于一个给定的像素架构，其具有固定的填充因子，因此，很难通过提高满阱容量的方法来扩展动态范围。

位深调节

提高图像位数是一个较为普遍的方法，能够通过将一幅图像的灰度级提高来体现更多的层次和更宽的动态范围。

对数响应技术

通过改变像素的信号输出曲线来推迟像素达到饱和时所需要的时间，从而实现增大像素电荷容量、扩展动态范围的目的。

多重曝光技术

在不改进像素光电二极管的前提下，传统低动态范围的图像传感器可以通过合成多张曝光图片来获得高动态范围图片。

【来源：Adaptive Vision公司】

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