精通传感器选择：设计约束收紧下核心考量因素

随着设备设计朝着空间约束更严苛、能效要求更高、连接性更强的方向发展（工业 4.0 趋势），科学选型传感器的重要性达到了前所未有的高度。

霍尼韦尔战略与产品组合管理高级总监普拉文・萨姆表示：“传感器选型的格局已发生根本性转变，从单纯采购测量设备，转变为为智能系统选择适配的数据源和边缘计算环境。这要求工程师必须考量未来的数据分析需求、数字孪生的集成需求以及边缘计算的兼容性。”

萨姆补充道，可持续发展如今已成为传感器选型的核心考量因素 —— 不仅包括能耗，还涵盖产品生命周期末期的可回收性。“这些正逐渐成为强制性选型标准，企业可通过降低总拥有成本、契合企业可持续发展目标形成竞争优势。在能量收集技术和超低功耗设计的推动下，电池续航达 5 年及以上的无线传感器已成为默认选择，而非特例，行业发展已迎来这一关键转折点。”

紧跟产品迭代节奏

利好的一面是，传感器制造商持续推出性能更优的新产品，这些产品能效更高、体积更紧凑、连接性更强（可对接人工智能平台、收集更多资产运行状态反馈等）。

但挑战在于，面对层出不穷的新品发布，工程师难以实时跟进所有产品信息。以往，设备设计师可通过访问传感器厂商官网，或在贸泽、得捷等分销商平台进行搜索选型，而意法半导体美洲区产品营销经理欧内斯托・曼努埃尔・坎托内指出，如今已有更便捷的新型工具可供使用。

其中一款工具是意法半导体的硬件开发套件 ——SensorTile.box PRO 多传感器智能物联网节点，该套件可与 STBLE 传感器智能手机应用程序配对使用。坎托内表示：“这是帮助工程师快速熟悉新产品的绝佳工具。借助这款即插即用的套件，工程师可直接通过手机监测压力、振动等各项数据，无需编写代码即可配置各类传感器，快速验证其是否能精准测量所需监测的工况。”

而力特公司的现场应用工程师巴里・布伦特提醒，针对特殊应用场景，定制化方案始终是可行选择。他说：“产品架构的小型化设计，有时会要求传感器采用市面无现货的外形、引线框架或磁路结构。此外，高振动、极端温度、腐蚀性化学环境或灭菌循环等工况，往往需要为应用场景量身定制传感器的材料和架构。”

他补充道，定制化方案可将传感功能与内置诊断、数字通信功能融合，减少印刷电路板的占用面积、降低布线复杂度并削减整体系统成本。此外，在工业、国防、医疗、汽车等长生命周期项目中，定制化传感器能保障性能的可预测性，降低产品停产退市的风险。

通用选型要点

布伦特建议，在今年的传感器选型工作中，需平衡传感器的能效与信号稳定性。他解释道：“低功耗对于电池供电设备、可穿戴设备和自主系统而言至关重要，但不能以阈值噪声增大或信号漂移为代价。如今的新型传感技术已能实现纳安级功耗与优异的信号稳定性兼具，既保障了长续航，又能实现稳定的性能表现。”

布伦特还强调，传感器选型需尽早针对实际工作环境开展评估。“随着产品体积不断缩小，传感器往往会更靠近电机、磁铁、热源和射频辐射源，” 他指出，“提前了解设备运行中的振动、温度波动、外壳影响和电磁干扰等因素，有助于确保最终设计的性能与原型机保持一致。”

亚德诺半导体工业传感市场负责人布赖恩・科菲也认同这一观点，他建议工程师在选型时，需验证传感器在实际工况中的性能，而非仅参考规格书参数。“在实际工作条件下对传感器进行测试，并与厂商沟通确认其是否适配你的应用场景。传感器选型不再是选择价格最低或噪声指标最优的产品，而是要考量系统级的韧性、性能的可预测性，以及通过与厂商协作保障产品的可靠性。”

科菲补充道，仅凭偏置不稳定性这类单一指标对比传感器也存在误导性。“噪声只是误差来源之一，系统级的考量才是关键，尤其是在复杂设备中，振动信号会引入难以建模的误差。例如，轴向不对中可能导致俯仰、横滚、偏航漂移量随时间的三次方递增。”

连接性为首要考量

各位专家均强调，应选择将数据质量和诊断功能融入架构设计的传感器。布伦特表示，传感器的输出数据正越来越多地用于人工智能模型、预测性维护系统和闭环控制，因此选择线性度更高、重复性更好或集成诊断功能的传感器，能降低固件开发的复杂度，提升系统的智能化水平。

萨姆对此表示认同：“工程师应选用具备物联网智能功能的传感器为设计赋能，实现未来兼容性，而非采用传统的独立式传感器。这类智能传感器可在本地处理数据，降低云端传输成本与延迟，同时为能源优化等需求提供实时决策支持。其次，设计时应面向前瞻性的连接需求，而非仅满足当前的测量需求。”

科菲也有类似观点，他建议工程师在设计初期就考量传感器的连接性和数据集成能力。“随着人工智能驱动的系统和预测性维护成为标配，应选择支持 IO-Link、以太网等数字接口并具备边缘处理能力的传感器。这能降低数据延迟，简化与自动化平台的集成流程。”

常见选型误区

除上述建议外，坎托内提醒工程师，应避免选用消费级传感器，他在工作中发现，很多场景实际需要专用型传感器产品。

在萨姆看来，一大选型失误是对边缘计算和云端连接的安装要求考量不足，尤其是信号完整性方面的要求。他解释道，在紧凑型设计中，安装方向、布线方式和电磁干扰等因素常被忽视，这类问题会尤为突出。

萨姆说：“另一项失误是未对传感器的漂移、监测和校准需求做规划，导致传感器虽能满足初始精度指标，但数月内性能就劣化至可接受范围之外，且缺乏便捷的维护方案。”

布伦特建议工程师避免过度选型，若选用的传感器分辨率或灵敏度远超应用场景需求，反而会降低产品的鲁棒性、提升噪声敏感度，同时增加不必要的成本。他还提醒，切勿想当然地认为现货标准传感器在最终产品中的表现会与测试时一致。

典型应用场景：科学选型的重要性

以下为几类典型应用场景，若工程师不了解新型传感器方案，极易做出非最优的选型决策。

1. 高强度运动监测

意法半导体的坎托内表示，针对需要更高满量程的应用场景，意法半导体现已推出双加速度满量程传感器，可精准追踪高强度的运动状态。“我们还为同一种传感技术提供多种引脚兼容的封装方案，加速度传感器标准化为 2×2 毫米封装，惯性测量单元则为 3×2.5 毫米封装。”

意法半导体：双加速度满量程传感器可精准捕捉高强度运动，同时提供多种引脚兼容的封装方案，实现灵活集成。

2. 电池供电的医疗、可穿戴及物联网设备

力特公司的布伦特指出，在位置或接近传感场景中，设备设计师往往会选用传统的霍尔效应开关，而新一代磁传感技术能大幅降低电流消耗，同时提升全温度范围内的稳定性 —— 这对超高能效、持续工作的系统而言是一项重要优势。“工程师常因熟悉而默认选用干簧管开关或基础型霍尔效应传感器，而非因其是最优选择。磁传感、热传感和电流传感技术的进步，能在相同封装尺寸内实现更优的性能、能效和使用寿命。”

力特公司近期推出了 LF21173TMR 和 LF21177TMR 两款全极磁开关，该产品将隧道磁阻（TMR）技术与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术集成于紧凑的 LGA4 封装中，功耗极低、磁灵敏度优异、响应速度快，适用于紧凑型电池供电系统。

力特公司：全新推出 LF21173TMR 和 LF21177TMR 全极磁开关，将 TMR 与 CMOS 技术集成于紧凑的 LGA4 封装，为电池供电系统提供超低功耗、高灵敏度与快速响应的性能表现。

3. 多维度数据采集

霍尼韦尔的萨姆表示，从独立式传感器升级为具备软传感能力的物联网多参数传感器，可将环境空气监测与本地数据处理功能融合，有助于精准确定设备的实际工作环境。霍尼韦尔 C7355 空气质量传感器为壁挂式或风管式安装模块，可同时监测温度、湿度、二氧化碳、颗粒物和总挥发性有机化合物指标。

霍尼韦尔：C7355 空气质量传感器为壁挂式或风管式安装模块，可同时监测温度、湿度、二氧化碳、颗粒物和总挥发性有机化合物，能轻松与楼宇管理系统集成。

4. 加速度传感器升级替代

萨姆建议，用具备边缘分析能力的电池供电无线传感器替代传统的有线加速度传感器，这类无线传感器电池续航可达 5 年以上，可在本地开展边缘分析和异常检测。

5. 自动导引车导航

亚德诺半导体的科菲指出，对于大多数直线行驶的自动导引车，简易的惯性测量单元传感器即可满足需求，但面对急避操作、坡道行驶、冷库环境切换、路面杂物及负载引发的振动等工况，传感器需具备更强的性能。他表示，自动化的投资回报率取决于设备的自主运行能力，因此配备高等级惯性测量单元至关重要，该类产品需具备可靠的校准能力和抗振动性能。

6. 新型视觉系统

如今，许多移动机器人配备红、绿、蓝（RGB）相机和二维激光雷达系统，但科菲解释道，随着任务复杂度提升，这类视觉系统的性能已显不足。在这类场景中，三维深度传感器能实现更精准的环境感知，提供更先进的功能。

7. 旋转运动检测新型传感器

科菲表示，针对旋转执行器，如今可选用亚德诺半导体 ADMT4000 这类传感器，省去直线执行器中的线性传感器、齿轮减速机构或备用电池。该产品是业内首款单芯片绝对多圈位置传感器，无需供电、无接触即可追踪多达 46 圈的旋转运动，全量程测量精度达 ±0.25°。这一特性可简化机械设计、减小产品体积和重量、降低整体方案成本，对于机器人等空间受限的应用场景极具吸引力。