Cinc habilitats de disseny i indicadors tècnics del sensor

El nombre de sensors està proliferant per la superfície terrestre i pels espais que ens envolten, proporcionant dades al món. Aquests sensors assequibles són la força impulsora del desenvolupament de la Internet de les Coses i la revolució digital a la qual s'enfronta la nostra societat, però connectar i accedir a les dades dels sensors no sempre és senzill ni fàcil. Aquest document presentarà l'índex tècnic dels sensors, 5 habilitats de disseny i empreses OEM.

En primer lloc, l'índex tècnic és la base objectiva per caracteritzar el rendiment d'un producte. Comprendre els indicadors tècnics ajuda a la selecció i l'ús correctes del producte. Els indicadors tècnics del sensor es divideixen en indicadors estàtics i indicadors dinàmics. Els indicadors estàtics examinen principalment el rendiment del sensor en condicions d'invariància estàtica, incloent-hi la resolució, la repetibilitat, la sensibilitat, la linealitat, l'error de retorn, el llindar, la fluència, l'estabilitat, etc. L'índex dinàmic examina principalment el rendiment del sensor en condicions de canvi ràpid, incloent-hi la resposta de freqüència i la resposta a esglaó.

A causa dels nombrosos indicadors tècnics del sensor, diverses dades i literatura es descriuen des de diferents angles, de manera que diferents persones tenen diferents interpretacions, i fins i tot malentesos i ambigüitats. Amb aquesta finalitat, s'interpreten els següents indicadors tècnics principals del sensor:

1, resolució i resolució:

Definició: La resolució fa referència al canvi més petit mesurat que un sensor pot detectar. La resolució fa referència a la relació entre la resolució i el valor a escala completa.

Interpretació 1: La resolució és l'indicador més bàsic d'un sensor. Representa la capacitat del sensor per distingir els objectes mesurats. Les altres especificacions tècniques del sensor es descriuen en termes de resolució com a unitat mínima.

Per a sensors i instruments amb pantalla digital, la resolució determina el nombre mínim de dígits que s'han de mostrar. Per exemple, la resolució del calibre digital electrònic és de 0,01 mm i l'error de l'indicador és de ±0,02 mm.

Interpretació 2: La resolució és un nombre absolut amb unitats. Per exemple, la resolució d'un sensor de temperatura és de 0,1 ℃, la resolució d'un sensor d'acceleració és de 0,1 g, etc.

Interpretació 3: La resolució és un concepte relacionat i molt similar a la resolució, ja que tots dos representen la resolució d'un sensor respecte a una mesura.

La principal diferència és que la resolució s'expressa com un percentatge de la resolució del sensor. És relativa i no té dimensió. Per exemple, la resolució del sensor de temperatura és de 0,1 ℃, el rang complet és de 500 ℃, la resolució és de 0,1/500 = 0,02%.

2. Repetibilitat:

Definició: La repetibilitat del sensor fa referència al grau de diferència entre els resultats de la mesura quan la mesura es repeteix diverses vegades en la mateixa direcció i sota les mateixes condicions. També s'anomena error de repetició, error de reproducció, etc.

Interpretació 1: La repetibilitat d'un sensor ha de ser el grau de diferència entre múltiples mesures obtingudes en les mateixes condicions. Si les condicions de mesura canvien, la comparabilitat entre els resultats de la mesura desapareixerà, cosa que no es pot utilitzar com a base per avaluar la repetibilitat.

Interpretació 2: La repetibilitat del sensor representa la dispersió i l'aleatorietat dels resultats de mesura del sensor. La raó d'aquesta dispersió i aleatorietat és que inevitablement existeixen diverses pertorbacions aleatòries dins i fora del sensor, cosa que fa que els resultats finals de mesura del sensor mostrin les característiques de les variables aleatòries.

Interpretació 3: La desviació estàndard de la variable aleatòria es pot utilitzar com a expressió quantitativa reproduïble.

Interpretació 4: Per a múltiples mesures repetides, es pot obtenir una precisió de mesura més alta si es pren la mitjana de totes les mesures com a resultat final de la mesura. Perquè la desviació estàndard de la mitjana és significativament menor que la desviació estàndard de cada mesura.

3. Linealitat:

Definició: La linealitat (linealitat) fa referència a la desviació de la corba d'entrada i sortida del sensor respecte a la línia recta ideal.

Interpretació 1: La relació ideal d'entrada/sortida del sensor hauria de ser lineal, i la seva corba d'entrada/sortida hauria de ser una línia recta (línia vermella a la figura següent).

Tanmateix, el sensor real té més o menys diversos errors, cosa que fa que la corba d'entrada i sortida real no sigui la línia recta ideal, sinó una corba (la corba verda a la figura següent).

La linealitat és el grau de diferència entre la corba característica real del sensor i la línia fora de línia, també coneguda com a no linealitat o error no lineal.

Interpretació 2: Com que la diferència entre la corba característica real del sensor i la línia ideal és diferent en diferents mides de mesura, sovint s'utilitza la relació entre el valor màxim de la diferència i el valor del rang complet en el rang complet. Òbviament, la linealitat també és una quantitat relativa.

Interpretació 3: Com que la línia ideal del sensor és desconeguda per a la situació de mesura general, no es pot obtenir. Per aquest motiu, sovint s'adopta un mètode de compromís, és a dir, utilitzar directament els resultats de la mesura del sensor per calcular la línia d'ajust que s'acosta a la línia ideal. Els mètodes de càlcul específics inclouen el mètode de la línia del punt final, el mètode de la millor línia, el mètode dels mínims quadrats, etc.

4. Estabilitat:

Definició: L'estabilitat és la capacitat d'un sensor de mantenir el seu rendiment durant un període de temps.

Interpretació 1: L'estabilitat és l'índex principal per investigar si el sensor funciona de manera estable en un interval de temps determinat. Els factors que condueixen a la inestabilitat del sensor inclouen principalment la deriva de temperatura i l'alliberament d'estrès intern. Per tant, és útil augmentar la compensació de temperatura i el tractament d'envelliment per millorar l'estabilitat.

Interpretació 2: L'estabilitat es pot dividir en estabilitat a curt termini i estabilitat a llarg termini segons la durada del període de temps. Quan el temps d'observació és massa curt, l'estabilitat i la repetibilitat són properes. Per tant, l'índex d'estabilitat examina principalment l'estabilitat a llarg termini. La durada específica del temps, segons l'ús de l'entorn i els requisits per determinar.

Interpretació 3: Tant l'error absolut com l'error relatiu es poden utilitzar per a l'expressió quantitativa de l'índex d'estabilitat. Per exemple, un sensor de força de tipus de deformació té una estabilitat del 0,02%/12h.

5. Freqüència de mostreig:

Definició: La freqüència de mostreig fa referència al nombre de resultats de mesura que pot mostrejar el sensor per unitat de temps.

Interpretació 1: La freqüència de mostreig és l'indicador més important de les característiques dinàmiques del sensor, que reflecteix la capacitat de resposta ràpida del sensor. La freqüència de mostreig és un dels indicadors tècnics que s'han de tenir en compte completament en cas de canvis ràpids de mesura. Segons la llei de mostreig de Shannon, la freqüència de mostreig del sensor no ha de ser inferior a 2 vegades la freqüència de canvi de la mesura.

Interpretació 2: Amb l'ús de diferents freqüències, la precisió del sensor també varia en conseqüència. En general, com més alta sigui la freqüència de mostreig, menor serà la precisió de la mesura.

La màxima precisió del sensor sovint s'obté a la velocitat de mostreig més baixa o fins i tot en condicions estàtiques. Per tant, cal tenir en compte la precisió i la velocitat en la selecció del sensor.

Cinc consells de disseny per a sensors

1. Comença amb l'eina d'autobús

Com a primer pas, l'enginyer hauria d'adoptar l'enfocament de connectar primer el sensor a través d'una eina de bus per limitar el desconegut. Una eina de bus connecta un ordinador personal (PC) i després al protocol I2C, SPI o un altre del sensor que permet al sensor "parlar". Una aplicació de PC associada amb una eina de bus que proporciona una font coneguda i funcional per enviar i rebre dades que no és un controlador de microcontrolador integrat (MCU) desconegut i no autenticat. En el context de la utilitat Bus, el desenvolupador pot enviar i rebre missatges per entendre com funciona la secció abans d'intentar operar a nivell integrat.

2. Escriviu el codi de la interfície de transmissió en Python

Un cop el desenvolupador hagi provat d'utilitzar els sensors de l'eina de bus, el següent pas és escriure codi d'aplicació per als sensors. En lloc de saltar directament al codi del microcontrolador, escriviu codi d'aplicació en Python. Moltes utilitats de bus configuren complements i codi d'exemple quan escriuen scripts, cosa que Python sol seguir. NET, un dels llenguatges disponibles a .net. Escriure aplicacions en Python és ràpid i fàcil, i proporciona una manera de provar sensors en aplicacions que no són tan complexes com les proves en un entorn integrat. Tenir codi d'alt nivell facilitarà que els enginyers no integrats puguin minar scripts i proves de sensors sense la cura d'un enginyer de programari integrat.

3. Prova el sensor amb Micro Python

Un dels avantatges d'escriure el primer codi d'aplicació en Python és que les crides de l'aplicació a la interfície de programació d'aplicacions (API) de Bus-utility es poden intercanviar fàcilment cridant Micro Python. Micro Python s'executa en programari integrat en temps real, que té molts sensors perquè els enginyers entenguin el seu valor. Micro Python s'executa en un processador Cortex-M4 i és un bon entorn des del qual depurar el codi de l'aplicació. No només és senzill, sinó que no cal escriure controladors I2C o SPI aquí, ja que ja estan coberts a la biblioteca de funcions de Micro Python.

4. Utilitzeu el codi del proveïdor del sensor

Qualsevol exemple de codi que es pugui "extreure" d'un fabricant de sensors, els enginyers hauran de recórrer un llarg camí per entendre com funciona el sensor. Malauradament, molts proveïdors de sensors no són experts en disseny de programari integrat, així que no espereu trobar un exemple llest per a la producció d'una arquitectura i elegància precioses. Només cal que utilitzeu el codi del proveïdor, apreneu com funciona aquesta part i la frustració de la refactorització sorgirà fins que es pugui integrar netament al programari integrat. Pot començar com "espaguetis", però aprofitar la comprensió dels fabricants sobre com funcionen els seus sensors ajudarà a reduir molts caps de setmana arruïnats abans del llançament del producte.

5. Utilitzeu una biblioteca de funcions de fusió de sensors

El més probable és que la interfície de transmissió del sensor no sigui nova i no s'hagi fet mai abans. Les biblioteques conegudes de totes les funcions, com ara la "Sensor Fusion function Library" proporcionada per molts fabricants de xips, ajuden els desenvolupadors a aprendre ràpidament, o fins i tot millor, i eviten el cicle de redesenvolupament o modificació dràstica de l'arquitectura del producte. Molts sensors es poden integrar en tipus o categories generals, i aquests tipus o categories permetran el desenvolupament fluid de controladors que, si es gestionen correctament, són gairebé universals o menys reutilitzables. Trobeu aquestes biblioteques de funcions de fusió de sensors i apreneu els seus punts forts i febles.

Quan els sensors s'integren en sistemes encastats, hi ha moltes maneres d'ajudar a millorar el temps de disseny i la facilitat d'ús. Els desenvolupadors mai es poden "equivocar" aprenent com funcionen els sensors des d'un alt nivell d'abstracció al principi del disseny i abans d'integrar-los en un sistema de nivell inferior. Molts dels recursos disponibles avui dia ajudaran els desenvolupadors a "començar de zero" sense haver de començar de zero.