Cinco habilidades de deseño e indicadores técnicos do sensor

O número de sensores está a proliferar pola superficie terrestre e nos espazos que nos rodean, proporcionando datos ao mundo. Estes sensores accesibles son a forza impulsora do desenvolvemento da Internet das Cousas e da revolución dixital á que se enfronta a nosa sociedade, pero conectar e acceder aos datos dos sensores non sempre é sinxelo nin sinxelo. Este documento presentará o índice técnico dos sensores, 5 habilidades de deseño e empresas OEM.

En primeiro lugar, o índice técnico é a base obxectiva para caracterizar o rendemento dun produto. Comprender os indicadores técnicos axuda a seleccionar e usar o produto correctamente. Os indicadores técnicos do sensor divídense en indicadores estáticos e indicadores dinámicos. Os indicadores estáticos examinan principalmente o rendemento do sensor en condicións de invariancia estática, incluíndo resolución, repetibilidade, sensibilidade, linealidade, erro de retorno, limiar, desviación, estabilidade, etc. O índice dinámico examina principalmente o rendemento do sensor en condicións de cambio rápido, incluíndo resposta de frecuencia e resposta a escalón.

Debido aos numerosos indicadores técnicos do sensor, descríbense diversos datos e literatura desde diferentes ángulos, de xeito que diferentes persoas teñen diferentes comprensións e mesmo malentendidos e ambigüidades. Para este fin, interprétanse os seguintes indicadores técnicos principais do sensor:

1, resolución e resolución:

Definición: A resolución refírese á menor variación medida que un sensor pode detectar. A resolución refírese á relación entre a resolución e o valor a escala completa.

Interpretación 1: A resolución é o indicador máis básico dun sensor. Representa a capacidade do sensor para distinguir os obxectos medidos. As outras especificacións técnicas do sensor descríbense en termos de resolución como unidade mínima.

Para sensores e instrumentos con pantalla dixital, a resolución determina o número mínimo de díxitos que se mostrarán. Por exemplo, a resolución dun calibre dixital electrónico é de 0,01 mm e o erro do indicador é de ±0,02 mm.

Interpretación 2: A resolución é un número absoluto con unidades. Por exemplo, a resolución dun sensor de temperatura é de 0,1 ℃, a resolución dun sensor de aceleración é de 0,1 g, etc.

Interpretación 3: A resolución é un concepto relacionado e moi semellante coa resolución, xa que ambos representan a resolución dun sensor para unha medición.

A principal diferenza é que a resolución exprésase como unha porcentaxe da resolución do sensor. É relativa e non ten dimensión. Por exemplo, a resolución do sensor de temperatura é de 0,1 ℃, o rango completo é de 500 ℃ e a resolución é de 0,1/500 = 0,02 %.

2. Repetibilidade:

Definición: A repetibilidade do sensor refírese ao grao de diferenza entre os resultados da medición cando a medición se repite varias veces na mesma dirección e nas mesmas condicións. Tamén se denomina erro de repetición, erro de reprodución, etc.

Interpretación 1: A repetibilidade dun sensor debe ser o grao de diferenza entre varias medicións obtidas nas mesmas condicións. Se as condicións de medición cambian, a comparabilidade entre os resultados da medición desaparecerá, o que non se pode usar como base para avaliar a repetibilidade.

Interpretación 2: A repetibilidade do sensor representa a dispersión e a aleatoriedade dos resultados da medición do sensor. A razón desta dispersión e aleatoriedade é que inevitablemente existen varias perturbacións aleatorias dentro e fóra do sensor, o que fai que os resultados finais da medición do sensor mostren as características das variables aleatorias.

Interpretación 3: A desviación estándar da variable aleatoria pódese empregar como unha expresión cuantitativa reproducible.

Interpretación 4: Para medicións repetidas múltiples, pódese obter unha maior precisión de medición se se toma a media de todas as medicións como resultado final da medición, xa que a desviación estándar da media é significativamente menor que a desviación estándar de cada medida.

3. Linealidade:

Definición: A linealidade (linearidade) refírese á desviación da curva de entrada e saída do sensor con respecto á liña recta ideal.

Interpretación 1: A relación ideal de entrada/saída do sensor debería ser lineal e a súa curva de entrada/saída debería ser unha liña recta (liña vermella na figura seguinte).

Non obstante, o sensor real presenta máis ou menos unha variedade de erros, o que fai que a curva de entrada e saída real non sexa a liña recta ideal, senón unha curva (a curva verde na figura seguinte).

A linealidade é o grao de diferenza entre a curva característica real do sensor e a liña fóra de liña, tamén coñecida como non linealidade ou erro non lineal.

Interpretación 2: Dado que a diferenza entre a curva característica real do sensor e a liña ideal é diferente en diferentes tamaños de medición, a relación entre o valor máximo da diferenza e o valor do rango completo adoita empregarse no rango completo. Obviamente, a linealidade tamén é unha cantidade relativa.

Interpretación 3: Dado que a liña ideal do sensor é descoñecida para a situación de medición xeral, non se pode obter. Por este motivo, adoita adoptarse un método de compromiso, é dicir, usar directamente os resultados da medición do sensor para calcular a liña de axuste que está preto da liña ideal. Os métodos de cálculo específicos inclúen o método da liña de punto final, o método da mellor liña, o método dos mínimos cadrados, etc.

4. Estabilidade:

Definición: A estabilidade é a capacidade dun sensor para manter o seu rendemento durante un período de tempo.

Interpretación 1: A estabilidade é o índice principal para investigar se o sensor funciona de forma estable nun determinado intervalo de tempo. Os factores que levan á inestabilidade do sensor inclúen principalmente a deriva da temperatura e a liberación de tensión interna. Polo tanto, é útil aumentar a compensación da temperatura e o tratamento de envellecemento para mellorar a estabilidade.

Interpretación 2: A estabilidade pódese dividir en estabilidade a curto prazo e estabilidade a longo prazo segundo a duración do período de tempo. Cando o tempo de observación é demasiado curto, a estabilidade e a repetibilidade son próximas. Polo tanto, o índice de estabilidade examina principalmente a estabilidade a longo prazo. A duración específica do tempo, segundo o uso do ambiente e os requisitos para determinar.

Interpretación 3: Tanto o erro absoluto como o erro relativo pódense empregar para a expresión cuantitativa do índice de estabilidade. Por exemplo, un sensor de forza de tipo de deformación ten unha estabilidade do 0,02 %/12 h.

5. Frecuencia de mostraxe:

Definición: A taxa de mostraxe refírese ao número de resultados de medición que pode muestrear o sensor por unidade de tempo.

Interpretación 1: A frecuencia de mostraxe é o indicador máis importante das características dinámicas do sensor, xa que reflicte a capacidade de resposta rápida do sensor. A frecuencia de mostraxe é un dos indicadores técnicos que se deben ter en conta no caso de cambios rápidos na medición. Segundo a lei de mostraxe de Shannon, a frecuencia de mostraxe do sensor non debe ser inferior a 2 veces a frecuencia de cambio da medida.

Interpretación 2: Co uso de diferentes frecuencias, a precisión do sensor tamén varía en consecuencia. En xeral, canto maior sexa a frecuencia de mostraxe, menor será a precisión da medición.

A maior precisión do sensor adoita obterse á velocidade de mostraxe máis baixa ou mesmo en condicións estáticas. Polo tanto, débese ter en conta a precisión e a velocidade á hora de seleccionar o sensor.

Cinco consellos de deseño para sensores

1. Comeza coa ferramenta de autobús

Como primeiro paso, o enxeñeiro debería adoptar a estratexia de conectar primeiro o sensor a través dunha ferramenta de bus para limitar o descoñecido. Unha ferramenta de bus conecta un ordenador persoal (PC) e despois ao protocolo I2C, SPI ou outro do sensor que permite que o sensor "comuníquese". Unha aplicación para PC asociada a unha ferramenta de bus que proporciona unha fonte coñecida e funcional para enviar e recibir datos que non son un controlador de microcontrolador integrado (MCU) descoñecido e non autenticado. No contexto da utilidade Bus, o desenvolvedor pode enviar e recibir mensaxes para comprender como funciona a sección antes de intentar operar no nivel integrado.

2. Escribe o código da interface de transmisión en Python

Unha vez que o desenvolvedor intentou usar os sensores da ferramenta de bus, o seguinte paso é escribir código de aplicación para os sensores. En lugar de saltar directamente ao código do microcontrolador, escriba código de aplicación en Python. Moitas utilidades de bus configuran complementos e código de exemplo ao escribir scripts, que Python adoita seguir. NET, unha das linguaxes dispoñibles en .net. Escribir aplicacións en Python é rápido e sinxelo, e proporciona unha forma de probar sensores en aplicacións que non son tan complexas como as probas nun ambiente integrado. Ter código de alto nivel facilitará que os enxeñeiros non integrados extraian scripts e probas de sensores sen o coidado dun enxeñeiro de software integrado.

3. Proba o sensor con Micro Python

Unha das vantaxes de escribir o primeiro código da aplicación en Python é que as chamadas da aplicación á interface de programación da aplicación (API) de Bus-utility pódense intercambiar facilmente chamando a Micro Python. Micro Python execútase en software integrado en tempo real, que ten moitos sensores para que os enxeñeiros comprendan o seu valor. Micro Python execútase nun procesador Cortex-M4 e é un bo ambiente desde o que depurar código da aplicación. Non só é sinxelo, senón que non hai necesidade de escribir controladores I2C ou SPI aquí, xa que xa están cubertos na biblioteca de funcións de Micro Python.

4. Usar o código do provedor do sensor

Calquera exemplo de código que se poida "raspar" dun fabricante de sensores, os enxeñeiros terán que percorrer un longo camiño para comprender como funciona o sensor. Desafortunadamente, moitos provedores de sensores non son expertos en deseño de software integrado, polo que non esperes atopar un exemplo listo para a produción de fermosa arquitectura e elegancia. Simplemente usa o código do provedor, aprende como funciona esta parte e a frustración da refactorización xurdirá ata que se poida integrar de forma limpa no software integrado. Pode comezar como "espaguetis", pero aproveitar a comprensión dos fabricantes sobre como funcionan os seus sensores axudará a reducir moitos fins de semana arruinados antes do lanzamento do produto.

5. Usar unha biblioteca de funcións de fusión de sensores

O máis probable é que a interface de transmisión do sensor non sexa nova nin se fixera antes. As bibliotecas coñecidas de todas as funcións, como a "Sensor Fusion function Library" proporcionada por moitos fabricantes de chips, axudan aos desenvolvedores a aprender rapidamente, ou incluso mellor, e a evitar o ciclo de redesenvolvemento ou modificación drastica da arquitectura do produto. Moitos sensores pódense integrar en tipos ou categorías xerais, e estes tipos ou categorías permitirán o desenvolvemento sen problemas de controladores que, se se manexan correctamente, son case universais ou menos reutilizables. Atopa estas bibliotecas de funcións de fusión de sensores e coñece os seus puntos fortes e débiles.

Cando se integran sensores en sistemas integrados, hai moitas maneiras de axudar a mellorar o tempo de deseño e a facilidade de uso. Os desenvolvedores nunca poden "equivocarse" aprendendo como funcionan os sensores desde un alto nivel de abstracción ao comezo do deseño e antes de integralos nun sistema de nivel inferior. Moitos dos recursos dispoñibles hoxe en día axudarán aos desenvolvedores a "comezar a traballar de cero" sen ter que comezar de cero.