Päť dizajnérskych zručností a technických ukazovateľov senzora

Počet senzorov sa rozširuje po celom zemskom povrchu a v priestoroch okolo nás a poskytuje svetu dáta. Tieto cenovo dostupné senzory sú hnacou silou rozvoja internetu vecí a digitálnej revolúcie, ktorej naša spoločnosť čelí, no pripojenie a prístup k dátam zo senzorov nie je vždy jednoduchý a priamy. Tento článok predstaví technický index senzorov, 5 dizajnérskych zručností a podniky OEM.

V prvom rade je technický index objektívnym základom pre charakterizáciu výkonu produktu. Pochopenie technických ukazovateľov pomáha pri správnom výbere a používaní produktu. Technické ukazovatele senzora sa delia na statické a dynamické. Statické ukazovatele skúmajú najmä výkon senzora za podmienok statickej invariantnosti vrátane rozlíšenia, opakovateľnosti, citlivosti, linearity, návratovej chyby, prahu, tečenia, stability atď. Dynamický index skúma najmä výkon senzora za podmienok rýchlych zmien vrátane frekvenčnej odozvy a skokovej odozvy.

Vzhľadom na početné technické ukazovatele senzora sú rôzne údaje a literatúra opísané z rôznych uhlov pohľadu, takže rôzni ľudia majú rôzne chápanie, a dokonca aj nedorozumenia a nejednoznačnosti. Na tento účel sa interpretuje niekoľko hlavných technických ukazovateľov senzora:

1, rozlíšenie a rozlíšenie:

Definícia: Rozlíšenie sa vzťahuje na najmenšiu nameranú zmenu, ktorú dokáže senzor detekovať. Rozlíšenie sa vzťahuje na pomer rozlíšenia k hodnote na plnom rozsahu.

Interpretácia 1: Rozlíšenie je najzákladnejším ukazovateľom senzora. Predstavuje schopnosť senzora rozlišovať merané objekty. Ostatné technické špecifikácie senzora sú opísané z hľadiska rozlíšenia ako minimálnej jednotky.

Pri senzoroch a prístrojoch s digitálnym displejom určuje rozlíšenie minimálny počet zobrazených číslic. Napríklad rozlíšenie elektronického digitálneho posuvného meradla je 0,01 mm a chyba indikátora je ±0,02 mm.

Interpretácia 2: Rozlíšenie je absolútne číslo v jednotkách. Napríklad rozlíšenie teplotného senzora je 0,1 ℃, rozlíšenie akceleračného senzora je 0,1 g atď.

Interpretácia 3: Rozlíšenie je súvisiaci a veľmi podobný pojem ako rozlíšenie, pričom oba predstavujú rozlíšenie senzora na meranie.

Hlavný rozdiel spočíva v tom, že rozlíšenie je vyjadrené ako percento rozlíšenia senzora. Je relatívne a nemá žiadny rozmer. Napríklad rozlíšenie teplotného senzora je 0,1 ℃, pre plný rozsah je 500 ℃, rozlíšenie je 0,1/500 = 0,02 %.

2. Opakovateľnosť:

Definícia: Opakovateľnosť senzora sa vzťahuje na stupeň rozdielu medzi výsledkami merania, keď sa meranie opakuje niekoľkokrát v rovnakom smere za rovnakých podmienok. Nazýva sa aj chyba opakovania, chyba reprodukcie atď.

Interpretácia 1: Opakovateľnosť senzora musí byť mierou rozdielu medzi viacerými meraniami získanými za rovnakých podmienok. Ak sa podmienky merania zmenia, porovnateľnosť medzi výsledkami merania zmizne, čo nemožno použiť ako základ pre posúdenie opakovateľnosti.

Interpretácia 2: Opakovateľnosť senzora predstavuje rozptyl a náhodnosť výsledkov merania senzora. Dôvodom takéhoto rozptylu a náhodnosti je, že vo vnútri aj mimo senzora nevyhnutne existujú rôzne náhodné poruchy, čo vedie k tomu, že konečné výsledky merania senzora vykazujú charakteristiky náhodných premenných.

Interpretácia 3: Štandardná odchýlka náhodnej premennej sa môže použiť ako reprodukovateľný kvantitatívny výraz.

Interpretácia 4: Pri viacerých opakovaných meraniach možno dosiahnuť vyššiu presnosť merania, ak sa ako konečný výsledok merania vezme priemer všetkých meraní. Pretože štandardná odchýlka priemeru je výrazne menšia ako štandardná odchýlka každého merania.

3. Linearita:

Definícia: Linearita (linearita) označuje odchýlku vstupnej a výstupnej krivky snímača od ideálnej priamky.

Interpretácia 1: Ideálny vzťah medzi vstupom a výstupom senzora by mal byť lineárny a jeho krivka vstupu/výstupu by mala byť priamka (červená čiara na obrázku nižšie).

Skutočný senzor však má viac-menej rôzne chyby, čo má za následok, že skutočná vstupná a výstupná krivka nie je ideálna priamka, ale krivka (zelená krivka na obrázku nižšie).

Linearita je stupeň rozdielu medzi skutočnou charakteristickou krivkou senzora a offline krivkou, známa aj ako nelinearita alebo nelineárna chyba.

Interpretácia 2: Pretože rozdiel medzi skutočnou charakteristickou krivkou senzora a ideálnou čiarou je pri rôznych veľkostiach merania odlišný, pomer maximálnej hodnoty rozdielu k hodnote v plnom rozsahu sa často používa v plnom rozsahu. Linearita je samozrejme tiež relatívna veličina.

Interpretácia 3: Pretože ideálna čiara senzora nie je pre všeobecnú meraciu situáciu známa, nemožno ju získať. Z tohto dôvodu sa často používa kompromisná metóda, ktorá znamená priame použitie výsledkov merania senzora na výpočet prispôsobovacej čiary, ktorá je blízko ideálnej čiary. Medzi špecifické metódy výpočtu patrí metóda koncovej čiary, metóda najlepšej čiary, metóda najmenších štvorcov atď.

4. Stabilita:

Definícia: Stabilita je schopnosť senzora udržiavať si svoj výkon počas určitého časového obdobia.

Interpretácia 1: Stabilita je hlavným ukazovateľom na skúmanie, či senzor pracuje stabilne v určitom časovom rozsahu. Medzi faktory, ktoré vedú k nestabilite senzora, patrí najmä teplotný drift a uvoľnenie vnútorného napätia. Preto je užitočné zvýšiť teplotnú kompenzáciu a úpravu proti starnutiu, aby sa zlepšila stabilita.

Interpretácia 2: Stabilitu možno rozdeliť na krátkodobú a dlhodobú stabilitu podľa dĺžky časového obdobia. Ak je čas pozorovania príliš krátky, stabilita a opakovateľnosť sú si blízke. Index stability preto skúma najmä dlhodobú stabilitu. Konkrétna dĺžka času sa určuje podľa používania prostredia a požiadaviek.

Interpretácia 3: Na kvantitatívne vyjadrenie indexu stability možno použiť absolútnu aj relatívnu chybu. Napríklad snímač sily typu deformácie má stabilitu 0,02 %/12 h.

5. Frekvencia vzorkovania:

Definícia: Vzorkovacia frekvencia sa vzťahuje na počet výsledkov merania, ktoré dokáže senzor vzorkovať za jednotku času.

Interpretácia 1: Vzorkovacia frekvencia je najdôležitejším ukazovateľom dynamických charakteristík senzora, ktorý odráža schopnosť rýchlej odozvy senzora. Vzorkovacia frekvencia je jedným z technických ukazovateľov, ktoré je potrebné plne zohľadniť v prípade rýchlej zmeny merania. Podľa Shannonovho zákona vzorkovania by vzorkovacia frekvencia senzora nemala byť menšia ako dvojnásobok frekvencie zmeny meranej hodnoty.

Interpretácia 2: Pri použití rôznych frekvencií sa zodpovedajúcim spôsobom mení aj presnosť senzora. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým nižšia je presnosť merania.

Najvyššia presnosť senzora sa často dosiahne pri najnižšej rýchlosti vzorkovania alebo dokonca za statických podmienok. Preto je potrebné pri výbere senzora zohľadniť presnosť a rýchlosť.

Päť tipov pre dizajn senzorov

1. Začnite s nástrojom pre autobusy

Ako prvý krok by mal inžinier zvoliť prístup, pri ktorom najprv pripojí senzor cez zbernicový nástroj, aby obmedzil neznáme. Zbernicový nástroj pripája osobný počítač (PC) a potom k I2C, SPI alebo inému protokolu senzora, ktorý umožňuje senzoru „rozprávať sa“. Počítačová aplikácia spojená so zbernicovým nástrojom, ktorá poskytuje známy a funkčný zdroj na odosielanie a prijímanie údajov, ktorý nie je neznámym, neovereným ovládačom vstavaného mikrokontroléra (MCU). V kontexte zbernicového nástroja môže vývojár odosielať a prijímať správy, aby pochopil, ako sekcia funguje, predtým, ako sa pokúsi pracovať na vstavanej úrovni.

2. Napíšte kód prenosového rozhrania v jazyku Python

Keď vývojár vyskúša použitie senzorov nástroja bus, ďalším krokom je napísanie aplikačného kódu pre senzory. Namiesto priameho prechodu na kód mikrokontroléra napíšte aplikačný kód v Pythone. Mnohé utility bus konfigurujú pluginy a vzorový kód pri písaní skriptov, ktoré Python zvyčajne používa. NET je jeden z jazykov dostupných v .NET. Písanie aplikácií v Pythone je rýchle a jednoduché a poskytuje spôsob, ako testovať senzory v aplikáciách, ktoré nie sú také zložité ako testovanie v embedded prostredí. Kód na vysokej úrovni uľahčí inžinierom bez embedded softvéru ťažbu skriptov a testov senzorov bez starostlivosti embedded softvérového inžiniera.

3. Otestujte senzor pomocou Micro Pythonu

Jednou z výhod písania prvého aplikačného kódu v Pythone je, že volania aplikácie do aplikačného programovacieho rozhrania (API) zbernice je možné jednoducho nahradiť volaním Micro Python. Micro Python beží v reálnom čase vstavaného softvéru, ktorý má mnoho senzorov, aby inžinieri pochopili jeho hodnotu. Micro Python beží na procesore Cortex-M4 a je to dobré prostredie na ladenie aplikačného kódu. Nielenže je to jednoduché, ale nie je potrebné písať ovládače I2C alebo SPI, pretože sú už zahrnuté v knižnici funkcií Micro Pythonu.

4. Použite kód dodávateľa senzora

Akýkoľvek vzorový kód, ktorý sa dá „zoškrabať“ od výrobcu senzora, inžinieri budú musieť prejsť dlhú cestu, aby pochopili, ako senzor funguje. Bohužiaľ, mnohí dodávatelia senzorov nie sú expertmi na návrh vstavaného softvéru, takže neočakávajte, že nájdete príklad krásnej architektúry a elegancie pripravený na produkciu. Stačí použiť kód dodávateľa, naučiť sa, ako táto časť funguje, a frustrácia z refaktoringu sa bude objavovať, kým sa nebude dať čisto integrovať do vstavaného softvéru. Môže to začať ako „špagety“, ale využitie znalostí výrobcov o tom, ako ich senzory fungujú, pomôže znížiť počet zničených víkendov pred uvedením produktu na trh.

5. Použite knižnicu funkcií fúzie senzorov

Je pravdepodobné, že prenosové rozhranie senzora nie je nové a doteraz nebolo vytvorené. Známe knižnice všetkých funkcií, ako napríklad „Knižnica funkcií fúzie senzorov“, ktorú poskytujú mnohí výrobcovia čipov, pomáhajú vývojárom učiť sa rýchlo, alebo dokonca lepšie, a vyhnúť sa cyklu prepracovania alebo drastickej úpravy architektúry produktu. Mnohé senzory je možné integrovať do všeobecných typov alebo kategórií a tieto typy alebo kategórie umožnia plynulý vývoj ovládačov, ktoré sú pri správnom zaobchádzaní takmer univerzálne alebo menej opakovane použiteľné. Nájdite tieto knižnice funkcií fúzie senzorov a spoznajte ich silné a slabé stránky.

Keď sú senzory integrované do vstavaných systémov, existuje mnoho spôsobov, ako skrátiť čas návrhu a zjednodušiť používanie. Vývojári sa nikdy nemôžu „pomýliť“, ak sa naučia, ako senzory fungujú, z vysokej úrovne abstrakcie na začiatku návrhu a pred ich integráciou do systému nižšej úrovne. Mnohé zdroje, ktoré sú dnes k dispozícii, pomôžu vývojárom „pustiť sa do práce okamžite“ bez toho, aby museli začínať od nuly.