参数型传感器 干货 带你认识基本的传感器特性参数

干货 带你认识基本的传感器特性参数

传感器的关键性能参数有多种，其中最为基本的特性参数有：量程、灵敏度、线性度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、带宽，本文将对这些参数进行一一介绍。

量程

每个传感器都有自身的测量范围，被测量处在这个范围内时，传感器的输出信号才是有一定的准确性的。

传感器的量程XFS、满量程输出值YFS、测量上限Xmax、测量下限Xmin的关系见下图。

灵敏度

传感器的灵敏度是指其输出变化量ΔY与输入变化量ΔX的比值，可以用k表示。对于一个线性度非常高的传感器来说，也可认为等于其满量程输出值YFS与量程XFS的比值。

灵敏度高通常意味着传感器的信噪比高，这将会方便信号的传递、调理及计算。

线性度

传感器的线性度又称非线性误差，是指传感器的输出与输入之间的线性程度。理想的传感器输入-输出关系应该是呈线性的，这样使用起来才最为方便。但实际中的传感器都不具备这种特性，只是不同程度的接近这种线性关系。

实际中有些传感器的输入-输出关系非常接近线性，在其量程范围内可以直接用一条直线来拟合其输入-输出关系。有些传感器则有很大的偏离，但通过进行非线性补偿、差动使用等方式，也可以在工作点附近一定的范围内用直线来拟合其输入-输出关系。

选取拟合直线的方法很多，上图表示的是用最小二乘法求得的拟合直线，这是拟合精度最高的一种方法。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称之为传感器的非线性误差δ,其最大值与满量程输出值YFS的比值即为线性度γL。

迟滞

当输入量从小变大或从大变小时，所得到的传感器输出曲线通常是不重合的。也就是说，对于同样大小的输入信号，当传感器处于正行程或反行程时，其输出值是不一样大的，会有一个差值ΔH，这种现象称为传感器的迟滞。

产生迟滞现象的主要原因包括传感器敏感元件的材料特性、机械结构特性等，例如运动部件的摩擦、传动机构间隙、磁性敏感元件的磁滞等等。

迟滞误差γH的具体数值一般由实验方法得到，用正反行程最大输出差值ΔHmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

重复性

一个传感器即便是在工作条件不变的情况下，若其输入量连续多次地按同一方向（从小到大或从大到小）做满量程变化，所得到的输出曲线也是会有不同的，可以用重复性误差γR来表示。

重复性误差是一种随机误差，常用正行程或反行程中的最大偏差ΔYmax的一半对其满量程输出值YFS的比值来表示。

精度

在测试测量过程中，出现误差是不可避免的。误差主要有系统误差和随机误差这两种。

引起系统误差的原因诸如测量原理及算法固有的误差、仪表标定不准确、环境温度影响、材料缺陷等，可以用准确度来反映系统误差的影响程度。

引起随机误差的原因有：传动部件间隙、电子元件老化等，可以用精密度来反映随机误差的影响程度。

精度则是一种反应系统误差和随机误差的综合指标，精度高意味着准确度和精密度都高。

一种较为常用的评定传感器精度方法是用线性度、迟滞和重复性这三项误差值的方根来表示。

分辨率

传感器的分辨率代表它能探测到的输入量变化的最小值。比如一把直尺，它的最小刻度为1mm，那么它是无法分辨出两个长度相差小于1mm的物体的区别的。

有些采用离散计数方式工作的传感器，例如光栅尺、旋转编码器等，它们的工作原理就决定了其分辨率的大小。有些采用模拟量变化原理工作的传感器，例如热电偶、倾角传感器等，它们在内部集成了A/D功能，可以直接输出数字信号，因此其A/D的分辨率也就限制了传感器的分辨率。

有些采用模拟量变化原理工作的传感器，例如电流传感器、电涡流位移传感器等，其输出为模拟信号，从理论上来讲它们的分辨率为无限小。但实际上，当被测量的变化值小到一定程度时，其输出量的变化值和噪声是处于同一水平的，已没有意义了，这也相当于限制了传感器的分辨率。

零点漂移

在传感器的输入量恒为零的情况下，传感器的输出值仍然会有一定程度的小幅变化，这就是零点漂移。引起零点漂移的原因有很多，比如传感器内敏感元件的特性随时间而变化、应力释放、元件老化、电荷泄露、环境温度变化等。其中，环境温度变化引起的零点漂移是最为常见的现象。

带宽

在实际应用中，大量的被测量是时间变化的动态信号，比如电流值的变化、物体位移的变化、加速度的变化等。这就要求传感器的输出量不仅要能够精确地反映被测量的大小，还要能跟得上被测量变化的快慢，这就是指传感器的动态特性。

从传递函数的角度来看，大多数传感器都可以简化为一个一阶或二阶环节，因此，通常可以用带宽来大概反映出其动态特性。

如下图所示，在传感器的带宽范围内，其输出量的幅值在一定范围内有个小幅变化（最大衰减为0.707）。因此，当输入值做正弦变化时，通常认为输出值是可以正确反映输入值的，但是当输入值变化的频率更高时，输出值将会产生明显的衰减，导致较大的测量失真。

底大一级压死人！一英寸超大底的索尼IMX989传感器有多强？

我们都知道，智能手机的拍照/摄影效果受到“几驾马车”的影响，也就是CMOS影像传感器、光学镜头和ISP影像处理器，此外还会得到SoC芯片内集成的NPU和AI成像算法的增益调优。

相对来说，CMOS影像传感器是最容易被数字量化从而方便比对的“马车”，比如传感器尺寸、像素值、单像素面积、对焦技术、多像素合一等等，都是衡量一颗CMOS强弱的参数指标。

其中，传感器尺寸又是最容易被普通大众所接受和理解的关键参数。

早期的智能手机始终无法媲美卡片相机，就是因为前者受限于纤薄的身材无法容纳太大的感光元件。然而，在CMOS传感器领域一直有个“底大一级压死人”的传说，而这里的“底”指的就是传感器尺寸这个参数，传感器尺寸越大意味着相机在拍摄时就能接收到更多的光线。

传感器尺寸的单位为1/x，由于分子都是1，所以分母“X”对应的数字越大，代表传感器尺寸越小。比如1/1.5英寸传感器尺寸的就要大于1/2.0英寸，选择前者往往可以取得更好的拍照底蕴。

不过，传感器尺寸越大，意味着由其封装而成的镜头模组也越大，会占用更多手机内部的空间，还会导致镜头进一步凸出于后盖表面。

最近，小米开始预热小米12S系列手机，其中小米12S Ultra的最大特色之一，就是全球首发索尼IMX989，拥有破天荒的1英寸超级大底。

根据官方的科普，索尼IMX989传感器采用了4:3比例，而不是常规的3:2比例，没有做任何裁切，拥有完整的1英寸超级大底（实际为1.02 英寸，对角线长度约16.32mm）。

这颗CMOS采用了先进的制程和四拜耳色彩阵列，单像素面积为1.6μm，四像素合一的融合像素面积可以达到3.2um，不容易饱和溢出，这意味着单帧捕捉即可拥有足够的动态范围，小米可以将 HDR的触发率大幅降低，这将带来拍摄速度上的极大提升。

索尼IMX989传感器支持可以让每个子像素都拥有对焦能力的Octa-PD相位检测对焦系统，可以适当提升快门速度，并针对性地调整夜景模式的触发策略，得益于此，小米12S Ultra拥有了强大的暗光抓拍能力。

据悉，索尼IMX989相比iPhone 13 Pro Max的主摄，其感光面积提升172%，感光能力提升 76%，同时拍照速度提升32.5%，启动速度提升 11%。用雷军的话说，索尼IMX989+徕卡+小米影像大脑，珠联璧合相得益彰，是目前手机影像硬件的天花板。

那么，你期待索尼IMX989的实际成像表现吗？

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