Fem designfärdigheter och tekniska indikatorer för sensorn

Antalet sensorer ökar över hela jordens yta och i rymden omkring oss, vilket förser världen med data. Dessa prisvärda sensorer är drivkraften bakom utvecklingen av sakernas internet och den digitala revolution som vårt samhälle står inför, men det går inte alltid rakt eller enkelt att ansluta och komma åt data från sensorer. Denna artikel introducerar sensorernas tekniska index, 5 designfärdigheter och OEM-företag.

Först och främst är det tekniska indexet den objektiva grunden för att karakterisera en produkts prestanda. Att förstå de tekniska indikatorerna hjälper till med korrekt val och användning av produkten. Sensorns tekniska indikatorer är indelade i statiska indikatorer och dynamiska indikatorer. De statiska indikatorerna undersöker huvudsakligen sensorns prestanda under förutsättningar av statisk invarians, inklusive upplösning, repeterbarhet, känslighet, linjäritet, returfel, tröskelvärde, krypning, stabilitet och så vidare. Dynamiskt index undersöker huvudsakligen sensorns prestanda under förutsättningar av snabb förändring, inklusive frekvensrespons och stegrespons.

På grund av sensorns många tekniska indikatorer beskrivs olika data och litteratur från olika vinklar, vilket leder till olika uppfattningar, och till och med missförstånd och tvetydigheter. För detta ändamål tolkas följande flera huvudsakliga tekniska indikatorer för sensorn:

1, upplösning och upplösning:

Definition: Upplösning avser den minsta uppmätta förändringen som en sensor kan detektera. Upplösning avser förhållandet mellan upplösning och fullskalevärde.

Tolkning 1: Upplösning är den mest grundläggande indikatorn på en sensor. Den representerar sensorns förmåga att urskilja de uppmätta objekten. Sensorns övriga tekniska specifikationer beskrivs i termer av upplösning som den minsta enheten.

För sensorer och instrument med digital display avgör upplösningen det minsta antalet siffror som ska visas. Till exempel är upplösningen för ett elektroniskt digitalt skjutmått 0,01 mm och indikatorfelet är ±0,02 mm.

Tolkning 2: Upplösning är ett absolut tal med enheter. Till exempel är upplösningen för en temperatursensor 0,1 ℃, upplösningen för en accelerationssensor är 0,1 g, etc.

Tolkning 3: Upplösning är ett relaterat och mycket likt koncept till upplösning, där båda representerar en sensors upplösning i förhållande till en mätning.

Den största skillnaden är att upplösningen uttrycks som en procentandel av sensorns upplösning. Den är relativ och har ingen dimension. Till exempel är temperatursensorns upplösning 0,1 ℃, hela intervallet är 500 ℃, upplösningen är 0,1/500 = 0,02 %.

2. Repeterbarhet:

Definition: Sensorns repeterbarhet avser graden av skillnad mellan mätresultaten när mätningen upprepas flera gånger i samma riktning under samma förhållanden. Även kallat repetitionsfel, reproduktionsfel etc.

Tolkning 1: En sensors repeterbarhet måste vara graden av skillnad mellan flera mätningar som erhållits under samma förhållanden. Om mätförhållandena ändras försvinner jämförbarheten mellan mätresultaten, vilket inte kan användas som grund för att bedöma repeterbarhet.

Tolkning 2: Sensorns repeterbarhet representerar spridningen och slumpmässigheten i sensorns mätresultat. Anledningen till sådan spridning och slumpmässighet är att olika slumpmässiga störningar oundvikligen existerar inom och utanför sensorn, vilket resulterar i att sensorns slutliga mätresultat visar egenskaperna hos slumpmässiga variabler.

Tolkning 3: Standardavvikelsen för den stokastiska variabeln kan användas som ett reproducerbart kvantitativt uttryck.

Tolkning 4: För flera upprepade mätningar kan en högre mätnoggrannhet erhållas om medelvärdet av alla mätningar tas som slutligt mätresultat. Eftersom standardavvikelsen för medelvärdet är betydligt mindre än standardavvikelsen för varje mätning.

3. Linjäritet:

Definition: Linjäritet (Linearitet) avser avvikelsen hos sensorns in- och utgångskurva från den ideala räta linjen.

Tolkning 1: Det ideala förhållandet mellan sensorns in- och utgångar bör vara linjärt, och dess in- och utgångskurva bör vara en rak linje (röd linje i figuren nedan).

Emellertid har den faktiska sensorn mer eller mindre en mängd olika fel, vilket resulterar i att den faktiska in- och utgångskurvan inte är den ideala raka linjen, utan en kurva (den gröna kurvan i figuren nedan).

Linjäritet är graden av skillnad mellan sensorns faktiska karakteristiska kurva och off-line-linjen, även känd som icke-linjäritet eller icke-linjärt fel.

Tolkning 2: Eftersom skillnaden mellan sensorns faktiska karakteristiska kurva och den ideala linjen är olika vid olika mätstorlekar, används ofta förhållandet mellan skillnadens maximala värde och hela intervallvärdet i hela intervallet. Linjäritet är givetvis också en relativ kvantitet.

Tolkning 3: Eftersom sensorns ideallinje är okänd för den allmänna mätsituationen kan den inte erhållas. Av denna anledning används ofta en kompromissmetod, det vill säga att direkt använda sensorns mätresultat för att beräkna den passande linje som ligger nära den ideala linjen. De specifika beräkningsmetoderna inkluderar ändpunktslinjemetoden, bästa linjemetoden, minstakvadratmetoden och så vidare.

4. Stabilitet:

Definition: Stabilitet är en sensors förmåga att bibehålla sin prestanda över en tidsperiod.

Tolkning 1: Stabilitet är det viktigaste indexet för att undersöka om sensorn fungerar stabilt inom ett visst tidsintervall. Faktorer som leder till sensorns instabilitet inkluderar främst temperaturdrift och intern stressavlastning. Därför är det bra att öka temperaturkompensationen och åldringsbehandlingen för att förbättra stabiliteten.

Tolkning 2: Stabilitet kan delas in i kortsiktig stabilitet och långsiktig stabilitet beroende på tidsperiodens längd. När observationstiden är för kort är stabiliteten och repeterbarheten nära varandra. Därför undersöker stabilitetsindexet huvudsakligen den långsiktiga stabiliteten. Den specifika tidslängden bestäms beroende på miljöns användning och krav.

Tolkning 3: Både absolut fel och relativt fel kan användas för kvantitativt uttryck av stabilitetsindex. Till exempel har en kraftsensor av töjningstyp en stabilitet på 0,02 %/12 timmar.

5. Samplingsfrekvens:

Definition: Samplingsfrekvens avser antalet mätresultat som kan samplas av sensorn per tidsenhet.

Tolkning 1: Samplingsfrekvensen är den viktigaste indikatorn på sensorns dynamiska egenskaper och återspeglar sensorns snabba responsförmåga. Samplingsfrekvensen är en av de tekniska indikatorer som måste beaktas fullt ut vid snabba mätförändringar. Enligt Shannons samplingslag bör sensorns samplingsfrekvens inte vara mindre än 2 gånger mätvärdets ändringsfrekvens.

Tolkning 2: Med användning av olika frekvenser varierar även sensorns noggrannhet därefter. Generellt sett gäller att ju högre samplingsfrekvens, desto lägre mätnoggrannhet.

Sensorns högsta noggrannhet uppnås ofta vid lägsta samplingshastighet eller till och med under statiska förhållanden. Därför måste precision och hastighet beaktas vid val av sensor.

Fem designtips för sensorer

1. Börja med bussverktyget

Som ett första steg bör ingenjören först ansluta sensorn via ett bussverktyg för att begränsa det okända. Ett bussverktyg ansluter en persondator (PC) och sedan till sensorns I2C, SPI eller annat protokoll som tillåter sensorn att "prata". En PC-applikation associerad med ett bussverktyg som tillhandahåller en känd och fungerande källa för att skicka och ta emot data som inte är en okänd, oautentiserad drivrutin för inbäddad mikrokontroller (MCU). I samband med bussverktyget kan utvecklaren skicka och ta emot meddelanden för att få en förståelse för hur sektionen fungerar innan man försöker arbeta på inbäddad nivå.

2. Skriv överföringsgränssnittskoden i Python

När utvecklaren har provat att använda bussverktygets sensorer är nästa steg att skriva applikationskod för sensorerna. Istället för att hoppa direkt till mikrokontrollerkod, skriv applikationskod i Python. Många bussverktyg konfigurerar plugin-program och exempelkod när de skriver skript, vilket Python vanligtvis följer .NET, ett av språken som finns tillgängliga i .net. Att skriva applikationer i Python är snabbt och enkelt, och det ger ett sätt att testa sensorer i applikationer som inte är lika komplexa som att testa i en inbäddad miljö. Att ha kod på hög nivå gör det enkelt för icke-inbäddade ingenjörer att utvinna sensorskript och tester utan att behöva ta hand om en inbäddad mjukvaruingenjör.

3. Testa sensorn med Micro Python

En av fördelarna med att skriva den första applikationskoden i Python är att applikationsanrop till Bus-utility-applikationsprogrammeringsgränssnittet (API) enkelt kan bytas ut genom att anropa Micro Python. Micro Python körs i realtidsinbyggd programvara, som har många sensorer för ingenjörer att förstå dess värde. Micro Python körs på en Cortex-M4-processor, och det är en bra miljö för att felsöka applikationskod. Det är inte bara enkelt, det finns inget behov av att skriva I2C- eller SPI-drivrutiner här, eftersom de redan täcks i Micro Pythons funktionsbibliotek.

4. Använd sensorleverantörskoden

All exempelkod som kan "skrapas" från en sensortillverkare måste ingenjörer gå långt för att förstå hur sensorn fungerar. Tyvärr är många sensorleverantörer inte experter på design av inbäddad programvara, så förvänta dig inte att hitta ett produktionsklart exempel på vacker arkitektur och elegans. Använd bara leverantörskoden, lär dig hur den här delen fungerar, och frustrationen med refactoring kommer att uppstå tills den kan integreras snyggt i inbäddad programvara. Det kanske börjar som "spaghetti", men att utnyttja tillverkarnas förståelse för hur deras sensorer fungerar kommer att bidra till att minska många förstörda helger innan produkten lanseras.

5. Använd ett bibliotek med sensorfusionsfunktioner

Sannolikheten är stor att sensorns överföringsgränssnitt inte är nytt och inte har använts tidigare. Kända bibliotek med alla funktioner, såsom "Sensor Fusion-funktionsbiblioteket" som tillhandahålls av många chiptillverkare, hjälper utvecklare att lära sig snabbt, eller till och med bättre, och undvika cykeln av att omutveckla eller drastiskt modifiera produktarkitekturen. Många sensorer kan integreras i allmänna typer eller kategorier, och dessa typer eller kategorier möjliggör en smidig utveckling av drivrutiner som, om de hanteras korrekt, är nästan universella eller mindre återanvändbara. Hitta dessa bibliotek med sensorfusionsfunktioner och lär dig deras styrkor och svagheter.

När sensorer integreras i inbyggda system finns det många sätt att förbättra designtiden och användarvänligheten. Utvecklare kan aldrig "gå fel" genom att lära sig hur sensorer fungerar från en hög abstraktionsnivå i början av designen och innan de integreras i ett system på lägre nivå. Många av de resurser som finns tillgängliga idag hjälper utvecklare att "komma igång direkt" utan att behöva börja om från början.