Пет дизайнерски умения и технически индикатори на сензора

Броят на сензорите се увеличава по земната повърхност и в пространствата около нас, осигурявайки на света данни. Тези достъпни сензори са движещата сила зад развитието на Интернет на нещата и дигиталната революция, пред която е изправено нашето общество, но свързването и достъпът до данни от сензори не винаги върви гладко или лесно. Тази статия ще представи техническия индекс на сензорите, 5 дизайнерски умения и OEM предприятия.

Преди всичко, техническият индекс е обективната основа за характеризиране на производителността на даден продукт. Разбирането на техническите индикатори помага за правилния избор и употреба на продукта. Техническите индикатори на сензора се разделят на статични индикатори и динамични индикатори. Статичните индикатори изследват главно производителността на сензора при условие на статична инвариантност, включително разделителна способност, повторяемост, чувствителност, линейност, грешка на връщане, праг, пълзене, стабилност и т.н. Динамичният индекс изследва главно производителността на сензора при условие на бърза промяна, включително честотна характеристика и стъпкова характеристика.

Поради многобройните технически показатели на сензора, различни данни и литература са описани от различни ъгли, така че различните хора имат различно разбиране и дори неразбиране и неяснота. За тази цел се интерпретират следните няколко основни технически показателя за сензора:

1, резолюция и резолюция:

Определение: Разделителната способност се отнася до най-малката измерена промяна, която сензорът може да открие. Разделителната способност се отнася до съотношението на разделителната способност към стойността на пълната скала.

Интерпретация 1: Разделителната способност е най-основният показател за един сензор. Тя представлява способността на сензора да разграничава измерваните обекти. Другите технически спецификации на сензора са описани по отношение на разделителната способност като минимална единица.

За сензори и инструменти с цифров дисплей, разделителната способност определя минималния брой цифри, които ще бъдат показани. Например, разделителната способност на електронния цифров шублер е 0,01 мм, а грешката на индикатора е ±0,02 мм.

Интерпретация 2: Разделителната способност е абсолютно число с мерни единици. Например, разделителната способност на температурен сензор е 0,1℃, разделителната способност на сензор за ускорение е 0,1g и т.н.

Тълкуване 3: Разделителната способност е свързана и много подобна концепция на разделителната способност, като и двете представляват разделителната способност на сензор спрямо измерване.

Основната разлика е, че разделителната способност се изразява като процент от разделителната способност на сензора. Тя е относителна и няма измерение. Например, разделителната способност на температурния сензор е 0,1℃, за пълния обхват е 500℃, разделителната способност е 0,1/500=0,02%.

2. Повторяемост:

Определение: Повторяемостта на сензора се отнася до степента на разлика между резултатите от измерването, когато измерването се повтаря няколко пъти в една и съща посока при едни и същи условия. Нарича се още грешка на повторение, грешка на възпроизвеждане и др.

Тълкуване 1: Повторяемостта на даден сензор трябва да бъде степента на разлика между множество измервания, получени при едни и същи условия. Ако условията на измерване се променят, сравнимостта между резултатите от измерването ще изчезне, което не може да се използва като основа за оценка на повторяемостта.

Интерпретация 2: Повторяемостта на сензора представлява дисперсията и случайността на резултатите от измерванията на сензора. Причината за такава дисперсия и случайност е, че неизбежно съществуват различни случайни смущения вътре и извън сензора, което води до крайните резултати от измерванията на сензора, показващи характеристиките на случайни променливи.

Интерпретация 3: Стандартното отклонение на случайната променлива може да се използва като възпроизводим количествен израз.

Интерпретация 4: При многократни повтарящи се измервания може да се постигне по-висока точност на измерване, ако средната стойност на всички измервания се вземе като краен резултат от измерването. Тъй като стандартното отклонение на средната стойност е значително по-малко от стандартното отклонение на всяка мярка.

3. Линейност:

Определение: Линейността (Linearity) се отнася до отклонението на входната и изходната крива на сензора от идеалната права линия.

Интерпретация 1: Идеалната входно-изходна връзка между сензора трябва да е линейна, а кривата на входно-изхода трябва да е права линия (червена линия на фигурата по-долу).

Въпреки това, действителният сензор има повече или по-малко разнообразни грешки, в резултат на което действителната входна и изходна крива не е идеалната права линия, а крива (зелената крива на фигурата по-долу).

Линейността е степента на разлика между действителната характеристична крива на сензора и офлайн линията, известна още като нелинейност или нелинейна грешка.

Интерпретация 2: Тъй като разликата между действителната характеристична крива на сензора и идеалната линия е различна при различните размери на измерване, съотношението на максималната стойност на разликата към стойността на пълния диапазон често се използва в пълния диапазон. Очевидно е, че линейността също е относителна величина.

Интерпретация 3: Тъй като идеалната линия на сензора е неизвестна за общата ситуация на измерване, тя не може да бъде получена. Поради тази причина често се използва компромисен метод, т.е. директно използване на резултатите от измерванията на сензора за изчисляване на линията на съответствие, която е близка до идеалната линия. Специфичните методи за изчисление включват метод на крайната линия, метод на най-добрата линия, метод на най-малките квадрати и т.н.

4. Стабилност:

Определение: Стабилността е способността на сензора да поддържа работата си за определен период от време.

Интерпретация 1: Стабилността е основният показател за изследване дали сензорът работи стабилно в определен времеви диапазон. Факторите, които водят до нестабилност на сензора, включват главно температурен дрейф и освобождаване на вътрешно напрежение. Следователно е полезно да се увеличи температурната компенсация и обработката на стареенето, за да се подобри стабилността.

Тълкуване 2: Стабилността може да се раздели на краткосрочна стабилност и дългосрочна стабилност според продължителността на периода от време. Когато времето за наблюдение е твърде кратко, стабилността и повторяемостта са близки. Следователно, индексът на стабилност изследва главно дългосрочната стабилност. Конкретната продължителност от време се определя в зависимост от използването на средата и изискванията.

Интерпретация 3: За количествено изразяване на индекса на стабилност могат да се използват както абсолютна, така и относителна грешка. Например, сензор за сила от тип деформация има стабилност от 0,02%/12h.

5. Честота на вземане на проби:

Определение: Честотата на дискретизация се отнася до броя на резултатите от измерванията, които могат да бъдат дискретизирани от сензора за единица време.

Тълкуване 1: Честотата на дискретизация е най-важният показател за динамичните характеристики на сензора, отразяващ способността му за бърза реакция. Честотата на дискретизация е един от техническите показатели, които трябва да се вземат предвид в случай на бърза промяна на измерването. Съгласно закона за дискретизация на Шанън, честотата на дискретизация на сензора не трябва да бъде по-малка от 2 пъти честотата на промяна на измерваното.

Интерпретация 2: С използването на различни честоти, точността на сензора също варира съответно. Най-общо казано, колкото по-висока е честотата на дискретизация, толкова по-ниска е точността на измерване.

Най-високата точност на сензора често се получава при най-ниската скорост на семплиране или дори при статични условия. Следователно, прецизността и скоростта трябва да се вземат предвид при избора на сензор.

Пет съвета за проектиране на сензори

1. Започнете с инструмента за автобус

Като първа стъпка, инженерът трябва да предприеме подхода, като първо свърже сензора чрез bus инструмент, за да ограничи неизвестното. Bus инструментът свързва персонален компютър (PC) и след това към I2C, SPI или друг протокол на сензора, който позволява на сензора да „говори“. PC приложение, свързано с bus инструмент, което предоставя известен и работещ източник за изпращане и получаване на данни, който не е неизвестен, неудостоверен драйвер за вграден микроконтролер (MCU). В контекста на Bus инструмента, разработчикът може да изпраща и получава съобщения, за да разбере как работи секцията, преди да се опита да работи на вградено ниво.

2. Напишете кода на интерфейса за предаване на Python

След като разработчикът е опитал да използва сензорите на инструмента за шина, следващата стъпка е да напише код на приложение за сензорите. Вместо да преминава директно към код на микроконтролера, напишете код на приложение на Python. Много помощни програми за шина конфигурират плъгини и примерен код, когато пишат скриптове, което Python обикновено следва. NET е един от езиците, достъпни в .NET. Писането на приложения на Python е бързо и лесно и предоставя начин за тестване на сензори в приложения, които не са толкова сложни, колкото тестването във вградена среда. Наличието на код на високо ниво ще улесни инженерите, които не са вградени, да анализират скриптове и тестове на сензори, без да се налага да се грижат за софтуерен инженер за вградени системи.

3. Тествайте сензора с Micro Python

Едно от предимствата на писането на първия код на приложението на Python е, че извикванията на приложението към интерфейса за програмиране на Bus-utility (API) могат лесно да бъдат заменени чрез извикване на Micro Python. Micro Python работи в софтуер за вградени приложения в реално време, който има много сензори, за да разберат инженерите неговата стойност. Micro Python работи на процесор Cortex-M4 и е добра среда за дебъгване на код на приложението. Не само че е просто, но няма нужда да се пишат I2C или SPI драйвери тук, тъй като те вече са обхванати в библиотеката с функции на Micro Python.

4. Използвайте кода на доставчика на сензора

Всеки примерен код, който може да бъде „извлечен“ от производител на сензори, изисква от инженерите да извървят дълъг път, за да разберат как работи сензорът. За съжаление, много производители на сензори не са експерти в проектирането на вграден софтуер, така че не очаквайте да намерите готов за производство пример за красива архитектура и елегантност. Просто използвайте кода на производителя, научете как работи тази част и чувството на неудовлетвореност от рефакторирането ще се увеличи, докато не може да бъде чисто интегриран във вградения софтуер. Може да започне като „спагети“, но овладяването на разбирането на производителите за това как работят техните сензори ще помогне за намаляване на многото провалени уикенди преди пускането на продукта на пазара.

5. Използвайте библиотека от функции за сливане на сензори

Вероятно предавателният интерфейс на сензора не е нов и не е правен преди. Известни библиотеки с всички функции, като например „Библиотеката за функции на сензорното сливане“, предоставяна от много производители на чипове, помагат на разработчиците да се учат бързо или дори по-добре и да избегнат цикъла на преразработване или драстично модифициране на архитектурата на продукта. Много сензори могат да бъдат интегрирани в общи типове или категории и тези типове или категории ще позволят безпроблемното разработване на драйвери, които, ако се управляват правилно, са почти универсални или по-малко годни за повторна употреба. Намерете тези библиотеки с функции за сливане на сензори и научете техните силни и слаби страни.

Когато сензорите са интегрирани във вградени системи, има много начини да се подобри времето за проектиране и лекотата на използване. Разработчиците никога не могат да „сбъркат“, като научат как работят сензорите от високо ниво на абстракция в началото на дизайна и преди да ги интегрират в система от по-ниско ниво. Много от наличните днес ресурси ще помогнат на разработчиците да „започнат веднага“, без да се налага да започват от нулата.