Pet oblikovalskih veščin in tehničnih kazalnikov senzorja

Število senzorjev se povečuje po zemeljski površini in v vesolju okoli nas ter svetu zagotavlja podatke. Ti cenovno dostopni senzorji so gonilna sila razvoja interneta stvari in digitalne revolucije, s katero se sooča naša družba, vendar povezovanje in dostop do podatkov iz senzorjev ne poteka vedno gladko ali enostavno. Ta članek bo predstavil tehnični indeks senzorjev, 5 oblikovalskih veščin in podjetja OEM.

Najprej je tehnični indeks objektivna osnova za karakterizacijo delovanja izdelka. Razumevanje tehničnih indikatorjev pomaga pri pravilni izbiri in uporabi izdelka. Tehnični indikatorji senzorja so razdeljeni na statične indikatorje in dinamične indikatorje. Statični indikatorji v glavnem preučujejo delovanje senzorja v pogojih statične invariantnosti, vključno z ločljivostjo, ponovljivostjo, občutljivostjo, linearnostjo, povratno napako, pragom, lezenje, stabilnostjo in tako naprej. Dinamični indeks v glavnem preučuje delovanje senzorja v pogojih hitrih sprememb, vključno s frekvenčnim odzivom in odzivom na korak.

Zaradi številnih tehničnih kazalnikov senzorja so različni podatki in literatura opisani z različnih zornih kotov, tako da imajo različni ljudje različna razumevanja in celo nesporazume ter dvoumnosti. V ta namen je interpretiranih naslednjih nekaj glavnih tehničnih kazalnikov za senzor:

1, ločljivost in ločljivost:

Definicija: Ločljivost se nanaša na najmanjšo izmerjeno spremembo, ki jo senzor lahko zazna. Ločljivost se nanaša na razmerje med ločljivostjo in vrednostjo polne skale.

Interpretacija 1: Ločljivost je najosnovnejši pokazatelj senzorja. Predstavlja sposobnost senzorja, da razloči merjene objekte. Druge tehnične specifikacije senzorja so opisane z vidika ločljivosti kot minimalne enote.

Pri senzorjih in instrumentih z digitalnim prikazovalnikom ločljivost določa najmanjše število prikazanih števk. Na primer, ločljivost elektronskega digitalnega pomično merila je 0,01 mm, napaka indikatorja pa ±0,02 mm.

Interpretacija 2: Ločljivost je absolutno število z enotami. Na primer, ločljivost temperaturnega senzorja je 0,1 ℃, ločljivost senzorja pospeška je 0,1 g itd.

Interpretacija 3: Ločljivost je soroden in zelo podoben koncept ločljivosti, saj oba predstavljata ločljivost senzorja glede na meritev.

Glavna razlika je v tem, da je ločljivost izražena kot odstotek ločljivosti senzorja. Je relativna in nima dimenzije. Na primer, ločljivost temperaturnega senzorja je 0,1 ℃, polnega obsega pa 500 ℃, ločljivost pa je 0,1/500 = 0,02 %.

2. Ponovljivost:

Definicija: Ponovljivost senzorja se nanaša na stopnjo razlike med rezultati meritev, ko se meritev večkrat ponovi v isti smeri pod enakimi pogoji. Imenuje se tudi napaka ponavljanja, napaka reprodukcije itd.

Razlaga 1: Ponovljivost senzorja mora biti stopnja razlike med več meritvami, pridobljenimi pod enakimi pogoji. Če se merilni pogoji spremenijo, primerljivost med rezultati meritev izgine, kar ne more biti osnova za oceno ponovljivosti.

Interpretacija 2: Ponovljivost senzorja predstavlja razpršenost in naključnost merilnih rezultatov senzorja. Razlog za takšno razpršenost in naključnost je, da znotraj in zunaj senzorja neizogibno obstajajo različne naključne motnje, zaradi česar končni merilni rezultati senzorja kažejo značilnosti naključnih spremenljivk.

Interpretacija 3: Standardni odklon naključne spremenljivke se lahko uporabi kot ponovljiv kvantitativni izraz.

Interpretacija 4: Pri večkrat ponovljenih meritvah je mogoče doseči večjo natančnost meritev, če se kot končni rezultat meritve vzame povprečje vseh meritev, ker je standardni odklon povprečja bistveno manjši od standardnega odklona posamezne meritve.

3. Linearnost:

Definicija: Linearnost (linearnost) se nanaša na odstopanje vhodne in izhodne krivulje senzorja od idealne ravne črte.

Interpretacija 1: Idealno vhodno/izhodno razmerje senzorja mora biti linearno, njegova vhodno/izhodna krivulja pa ravna črta (rdeča črta na spodnji sliki).

Vendar pa ima dejanski senzor bolj ali manj različne napake, zaradi česar dejanska vhodna in izhodna krivulja ni idealna ravna črta, temveč krivulja (zelena krivulja na spodnji sliki).

Linearnost je stopnja razlike med dejansko karakteristično krivuljo senzorja in linijo brez povezave, znana tudi kot nelinearnost ali nelinearna napaka.

Interpretacija 2: Ker se razlika med dejansko karakteristično krivuljo senzorja in idealno črto razlikuje pri različnih velikostih meritev, se v celotnem območju pogosto uporablja razmerje med največjo vrednostjo razlike in vrednostjo celotnega območja. Očitno je tudi linearnost relativna količina.

Interpretacija 3: Ker idealna linija senzorja za splošno merilno situacijo ni znana, je ni mogoče dobiti. Zaradi tega se pogosto uporablja kompromisna metoda, to je neposredna uporaba merilnih rezultatov senzorja za izračun linije prilagajanja, ki je blizu idealne linije. Specifične metode izračuna vključujejo metodo končne točke, metodo najboljše linije, metodo najmanjših kvadratov in tako naprej.

4. Stabilnost:

Definicija: Stabilnost je sposobnost senzorja, da ohrani svojo zmogljivost v določenem časovnem obdobju.

Interpretacija 1: Stabilnost je glavni kazalnik za preučevanje, ali senzor deluje stabilno v določenem časovnem območju. Dejavniki, ki vodijo do nestabilnosti senzorja, vključujejo predvsem temperaturni drift in sproščanje notranjih napetosti. Zato je koristno povečati temperaturno kompenzacijo in obdelavo staranja, da se izboljša stabilnost.

Interpretacija 2: Stabilnost lahko glede na dolžino časovnega obdobja razdelimo na kratkoročno in dolgoročno stabilnost. Ko je čas opazovanja prekratek, sta stabilnost in ponovljivost blizu. Zato indeks stabilnosti preučuje predvsem dolgoročno stabilnost. Specifično časovno obdobje se določi glede na uporabo okolja in zahteve.

Interpretacija 3: Za kvantitativno izražanje indeksa stabilnosti se lahko uporabita tako absolutna kot relativna napaka. Na primer, senzor sile deformacijskega tipa ima stabilnost 0,02 %/12 h.

5. Frekvenca vzorčenja:

Definicija: Frekvenca vzorčenja se nanaša na število merilnih rezultatov, ki jih lahko senzor vzorči na enoto časa.

Interpretacija 1: Frekvenca vzorčenja je najpomembnejši kazalnik dinamičnih lastnosti senzorja, ki odraža sposobnost hitrega odziva senzorja. Frekvenca vzorčenja je eden od tehničnih kazalnikov, ki ga je treba v celoti upoštevati pri hitrih spremembah meritev. V skladu s Shannonovim zakonom vzorčenja frekvenca vzorčenja senzorja ne sme biti manjša od dvakratnika frekvence sprememb merjene vrednosti.

Interpretacija 2: Z uporabo različnih frekvenc se ustrezno spreminja tudi natančnost senzorja. Na splošno velja, da višja kot je frekvenca vzorčenja, nižja je natančnost merjenja.

Najvišja natančnost senzorja se pogosto doseže pri najnižji hitrosti vzorčenja ali celo v statičnih pogojih. Zato je treba pri izbiri senzorja upoštevati natančnost in hitrost.

Pet nasvetov za oblikovanje senzorjev

1. Začnite z orodjem za avtobuse

Kot prvi korak bi moral inženir najprej povezati senzor prek orodja za upravljanje vodila, da bi omejil neznano. Orodje za upravljanje vodila najprej poveže osebni računalnik (PC) in nato s protokolom senzorja I2C, SPI ali drugim protokolom, ki omogoča senzorju, da se "pogovarja". Aplikacija za osebni računalnik, povezana z orodjem za upravljanje vodila, ki zagotavlja znan in delujoč vir za pošiljanje in prejemanje podatkov, ki ni neznan, nepreverjen gonilnik vgrajenega mikrokrmilnika (MCU). V kontekstu pripomočka za upravljanje vodila lahko razvijalec pošilja in prejema sporočila, da bi razumel, kako odsek deluje, preden poskuša delovati na vgrajeni ravni.

2. Napišite kodo vmesnika za prenos v Pythonu

Ko razvijalec poskusi uporabiti senzorje orodja za vodila, je naslednji korak pisanje aplikacijske kode za senzorje. Namesto da bi skočili neposredno na kodo mikrokrmilnika, napišite aplikacijsko kodo v Pythonu. Številna orodja za vodila konfigurirajo vtičnike in vzorčno kodo pri pisanju skriptov, čemur Python običajno sledi. NET je eden od jezikov, ki so na voljo v .NET. Pisanje aplikacij v Pythonu je hitro in enostavno ter omogoča način testiranja senzorjev v aplikacijah, ki niso tako zapletene kot testiranje v vgrajenem okolju. Koda na visoki ravni bo inženirjem, ki niso vgrajeni, olajšala rudarjenje skriptov in testov senzorjev brez skrbi inženirja programske opreme za vgrajene sisteme.

3. Preizkusite senzor z Micro Pythonom

Ena od prednosti pisanja prve kode aplikacije v Pythonu je, da je mogoče klice aplikacije do vmesnika za programiranje aplikacij (API) Bus-utility enostavno zamenjati s klicem Micro Python. Micro Python deluje v vgrajeni programski opremi v realnem času, ki ima veliko senzorjev, da inženirji razumejo njeno vrednost. Micro Python deluje na procesorju Cortex-M4 in je dobro okolje za odpravljanje napak v kodi aplikacije. Ne le, da je preprosto, ampak tukaj ni treba pisati gonilnikov I2C ali SPI, saj so že zajeti v knjižnici funkcij Micro Pythona.

4. Uporabite kodo dobavitelja senzorja

Inženirji bodo morali prehoditi dolgo pot, da bodo razumeli delovanje katerega koli vzorčnega kodnega koda, ki ga je mogoče »postrgati« od proizvajalca senzorjev. Žal mnogi prodajalci senzorjev niso strokovnjaki za načrtovanje vgrajene programske opreme, zato ne pričakujte, da boste našli primer lepe arhitekture in elegance, pripravljen za produkcijo. Samo uporabite kodo prodajalca, se naučite, kako ta del deluje, in frustracije zaradi refaktoriranja se bodo pojavljale, dokler ga ne bo mogoče čisto integrirati v vgrajeno programsko opremo. Morda se bo začelo kot »špageti«, toda izkoriščanje razumevanja proizvajalcev o delovanju njihovih senzorjev bo pomagalo zmanjšati številne uničene vikende pred lansiranjem izdelka.

5. Uporabite knjižnico funkcij za združevanje senzorjev

Verjetno je, da prenosni vmesnik senzorja ni nov in še ni bil uporabljen. Znane knjižnice vseh funkcij, kot je »Knjižnica funkcij za združevanje senzorjev«, ki jo ponujajo številni proizvajalci čipov, pomagajo razvijalcem, da se hitro ali celo bolje učijo in se izognejo ciklu ponovnega razvoja ali drastične spremembe arhitekture izdelka. Številne senzorje je mogoče integrirati v splošne tipe ali kategorije, te vrste ali kategorije pa bodo omogočile nemoten razvoj gonilnikov, ki so, če se z njimi pravilno ravna, skoraj univerzalni ali manj ponovno uporabni. Poiščite te knjižnice funkcij za združevanje senzorjev in spoznajte njihove prednosti in slabosti.

Ko so senzorji integrirani v vgrajene sisteme, obstaja veliko načinov za izboljšanje časa načrtovanja in enostavnost uporabe. Razvijalci se nikoli ne morejo »zmotiti«, če se na začetku načrtovanja in preden jih integrirajo v sistem nižje ravni naučijo delovanja senzorjev z visoko stopnjo abstrakcije. Številni viri, ki so danes na voljo, bodo razvijalcem pomagali, da se »zaženejo«, ne da bi morali začeti iz nič.