Fem designferdigheter og tekniske indikatorer for sensoren

Antallet sensorer øker over hele jordoverflaten og i verdensrommene rundt oss, og forsyner verden med data. Disse rimelige sensorene er drivkraften bak utviklingen av tingenes internett og den digitale revolusjonen som samfunnet vårt står overfor, men det går ikke alltid rett eller enkelt å koble til og få tilgang til data fra sensorer. Denne artikkelen vil introdusere den tekniske indeksen for sensorer, 5 designferdigheter og OEM-bedrifter.

Først og fremst er den tekniske indeksen det objektive grunnlaget for å karakterisere ytelsen til et produkt. Forstå de tekniske indikatorene, hjelp til riktig valg og bruk av produktet. De tekniske indikatorene for sensoren er delt inn i statiske indikatorer og dynamiske indikatorer. De statiske indikatorene undersøker hovedsakelig sensorens ytelse under forutsetning av statisk invarians, inkludert oppløsning, repeterbarhet, følsomhet, linearitet, returfeil, terskel, kryp, stabilitet og så videre. Dynamisk indeks undersøker hovedsakelig sensorens ytelse under forutsetning av rask endring, inkludert frekvensrespons og trinnrespons.

På grunn av de mange tekniske indikatorene for sensoren, beskrives diverse data og litteratur fra forskjellige vinkler, slik at forskjellige mennesker har ulik forståelse, og til og med misforståelser og tvetydigheter. For dette formålet tolkes følgende flere hovedtekniske indikatorer for sensoren:

1, oppløsning og oppløsning:

Definisjon: Oppløsning refererer til den minste målte endringen en sensor kan oppdage. Oppløsning refererer til forholdet mellom oppløsning og full skalaverdi.

Tolkning 1: Oppløsning er den mest grunnleggende indikatoren på en sensor. Den representerer sensorens evne til å skille mellom de målte objektene. De andre tekniske spesifikasjonene til sensoren er beskrevet i form av oppløsning som minimumsenhet.

For sensorer og instrumenter med digital skjerm bestemmer oppløsningen minimum antall sifre som skal vises. For eksempel er oppløsningen til en elektronisk digital skyvelær 0,01 mm, og indikatorfeilen er ±0,02 mm.

Tolkning 2: Oppløsning er et absolutt tall med enheter. For eksempel er oppløsningen til en temperatursensor 0,1 ℃, oppløsningen til en akselerasjonssensor er 0,1 g, osv.

Tolkning 3: Oppløsning er et beslektet og veldig likt konsept til oppløsning, som begge representerer oppløsningen til en sensor i forhold til en måling.

Hovedforskjellen er at oppløsningen uttrykkes som en prosentandel av sensorens oppløsning. Den er relativ og har ingen dimensjon. For eksempel er temperatursensorens oppløsning 0,1 ℃, fullt område er 500 ℃, og oppløsningen er 0,1/500 = 0,02 %.

2. Repeterbarhet:

Definisjon: Sensorens repeterbarhet refererer til graden av forskjell mellom måleresultatene når målingen gjentas flere ganger i samme retning under samme forhold. Også kalt repetisjonsfeil, reproduksjonsfeil, osv.

Tolkning 1: Repeterbarheten til en sensor må være graden av forskjell mellom flere målinger oppnådd under de samme forholdene. Hvis måleforholdene endres, vil sammenlignbarheten mellom måleresultatene forsvinne, noe som ikke kan brukes som grunnlag for å vurdere repeterbarhet.

Tolkning 2: Sensorens repeterbarhet representerer spredningen og tilfeldigheten til sensorens måleresultater. Årsaken til slik spredning og tilfeldighet er at det uunngåelig finnes ulike tilfeldige forstyrrelser i og utenfor sensoren, noe som resulterer i at sensorens endelige måleresultater viser egenskapene til tilfeldige variabler.

Tolkning 3: Standardavviket til den tilfeldige variabelen kan brukes som et reproduserbart kvantitativt uttrykk.

Tolkning 4: For flere gjentatte målinger kan man oppnå en høyere målenøyaktighet hvis gjennomsnittet av alle målingene tas som det endelige måleresultatet. Fordi standardavviket til gjennomsnittet er betydelig mindre enn standardavviket for hver måling.

3. Linearitet:

Definisjon: Linearitet (linearitet) refererer til avviket mellom sensorens inngangs- og utgangskurve og den ideelle rette linjen.

Tolkning 1: Det ideelle forholdet mellom sensorens inngangs-/utgangssignal bør være lineært, og inngangs-/utgangssignalkurven bør være en rett linje (rød linje i figuren nedenfor).

Imidlertid har den faktiske sensoren mer eller mindre en rekke feil, noe som resulterer i at den faktiske inngangs- og utgangskurven ikke er den ideelle rette linjen, men en kurve (den grønne kurven i figuren nedenfor).

Linearitet er graden av forskjell mellom sensorens faktiske karakteristikkkurve og off-line-linjen, også kjent som ikke-linearitet eller ikke-lineær feil.

Tolkning 2: Fordi forskjellen mellom sensorens faktiske karakteristikkurve og den ideelle linjen er forskjellig ved forskjellige målestørrelser, brukes ofte forholdet mellom den maksimale verdien av forskjellen og fullområdeverdien i fullområdeområdet. Linearitet er åpenbart også en relativ størrelse.

Tolkning 3: Fordi den ideelle linjen til sensoren er ukjent for den generelle målesituasjonen, kan den ikke oppnås. Av denne grunn brukes ofte en kompromissmetode, det vil si å bruke måleresultatene fra sensoren direkte til å beregne tilpasningslinjen som er nær den ideelle linjen. De spesifikke beregningsmetodene inkluderer endepunktslinjemetoden, beste linjemetoden, minste kvadraters metode og så videre.

4. Stabilitet:

Definisjon: Stabilitet er en sensors evne til å opprettholde ytelsen over en viss tidsperiode.

Tolkning 1: Stabilitet er hovedindeksen for å undersøke om sensoren fungerer stabilt i et bestemt tidsområde. Faktorene som fører til sensorens ustabilitet inkluderer hovedsakelig temperaturdrift og intern spenningsutløsning. Derfor er det nyttig å øke temperaturkompensasjonen og aldringsbehandlingen for å forbedre stabiliteten.

Tolkning 2: Stabilitet kan deles inn i kortsiktig stabilitet og langsiktig stabilitet i henhold til tidsperiodens lengde. Når observasjonstiden er for kort, er stabiliteten og repeterbarheten like. Derfor undersøker stabilitetsindeksen hovedsakelig den langsiktige stabiliteten. Den spesifikke tidsperioden bestemmes i henhold til bruken av miljøet og kravene.

Tolkning 3: Både absolutt feil og relativ feil kan brukes til kvantitativt uttrykk for stabilitetsindeksen. For eksempel har en tøyningstype kraftsensor en stabilitet på 0,02 %/12 t.

5. Samplingsfrekvens:

Definisjon: Samplingsfrekvens refererer til antall måleresultater som kan samples av sensoren per tidsenhet.

Tolkning 1: Samplingsfrekvensen er den viktigste indikatoren på sensorens dynamiske egenskaper, og gjenspeiler sensorens raske responsevne. Samplingsfrekvensen er en av de tekniske indikatorene som må tas i betraktning ved raske måleendringer. I henhold til Shannons samplingslov skal sensorens samplingsfrekvens ikke være mindre enn 2 ganger endringsfrekvensen til det målte.

Tolkning 2: Ved bruk av forskjellige frekvenser varierer også sensorens nøyaktighet tilsvarende. Generelt sett, jo høyere samplingsfrekvens, desto lavere målenøyaktighet.

Sensorens høyeste nøyaktighet oppnås ofte ved lavest samplingshastighet eller til og med under statiske forhold. Derfor må presisjon og hastighet tas i betraktning ved valg av sensor.

Fem designtips for sensorer

1. Start med bussverktøyet

Som et første steg bør ingeniøren først koble sensoren via et bussverktøy for å begrense det ukjente. Et bussverktøy kobler en personlig datamaskin (PC) og deretter til sensorens I2C-, SPI- eller annen protokoll som lar sensoren "snakke". En PC-applikasjon tilknyttet et bussverktøy som gir en kjent og fungerende kilde for å sende og motta data som ikke er en ukjent, uautorisert innebygd mikrokontroller (MCU)-driver. I forbindelse med bussverktøyet kan utvikleren sende og motta meldinger for å få en forståelse av hvordan seksjonen fungerer før den prøver å operere på innebygd nivå.

2. Skriv overføringsgrensesnittkoden i Python

Når utvikleren har prøvd å bruke bussverktøyets sensorer, er neste trinn å skrive applikasjonskode for sensorene. I stedet for å hoppe direkte til mikrokontrollerkode, skriv applikasjonskode i Python. Mange bussverktøy konfigurerer plugin-moduler og eksempelkode når de skriver skriveskript, noe Python vanligvis følger .NET, et av språkene som er tilgjengelige i .net. Å skrive applikasjoner i Python er raskt og enkelt, og det gir en måte å teste sensorer i applikasjoner som ikke er så komplekse som testing i et innebygd miljø. Å ha kode på høyt nivå vil gjøre det enkelt for ikke-innebygde ingeniører å utvinne sensorskript og tester uten omsorg fra en innebygd programvareingeniør.

3. Test sensoren med Micro Python

En av fordelene med å skrive den første applikasjonskoden i Python er at applikasjonskall til Bus-utility-applikasjonsprogrammeringsgrensesnittet (API) enkelt kan byttes ut ved å kalle Micro Python. Micro Python kjører i sanntids innebygd programvare, som har mange sensorer som ingeniører kan bruke for å forstå verdien av den. Micro Python kjører på en Cortex-M4-prosessor, og det er et godt miljø å feilsøke applikasjonskode fra. Ikke bare er det enkelt, det er ikke nødvendig å skrive I2C- eller SPI-drivere her, da de allerede er dekket i Micro Pythons funksjonsbibliotek.

4. Bruk sensorleverandørens kode

Enhver eksempelkode som kan «skrapes» fra en sensorprodusent, må ingeniører gå langt for å forstå hvordan sensoren fungerer. Dessverre er mange sensorleverandører ikke eksperter på design av innebygd programvare, så ikke forvent å finne et produksjonsklart eksempel på vakker arkitektur og eleganse. Bare bruk leverandørkoden, lær hvordan denne delen fungerer, og frustrasjonen med refaktorering vil oppstå inntil den kan integreres rent i innebygd programvare. Det kan starte som «spaghetti», men å utnytte produsentenes forståelse av hvordan sensorene deres fungerer, vil bidra til å redusere mange ødelagte helger før produktet lanseres.

5. Bruk et bibliotek med sensorfusjonsfunksjoner

Sannsynligvis er sensorens overføringsgrensesnitt ikke nytt og ikke har blitt gjort før. Kjente biblioteker med alle funksjoner, som for eksempel «Sensor Fusion-funksjonsbiblioteket» som tilbys av mange brikkeprodusenter, hjelper utviklere med å lære raskt, eller enda bedre, og unngå syklusen med å utvikle på nytt eller drastisk endre produktarkitekturen. Mange sensorer kan integreres i generelle typer eller kategorier, og disse typene eller kategoriene vil muliggjøre en smidig utvikling av drivere som, hvis de håndteres riktig, er nesten universelle eller mindre gjenbrukbare. Finn disse bibliotekene med sensorfusjonsfunksjoner og lær deres styrker og svakheter.

Når sensorer integreres i innebygde systemer, finnes det mange måter å forbedre designtiden og brukervennligheten på. Utviklere kan aldri «gå feil» ved å lære hvordan sensorer fungerer fra et høyt abstraksjonsnivå i begynnelsen av designet og før de integreres i et system på lavere nivå. Mange av ressursene som er tilgjengelige i dag, vil hjelpe utviklere med å «komme i gang med det samme» uten å måtte starte helt fra bunnen av.