Piecas sensora dizaina prasmes un tehniskie rādītāji

Sensoru skaits strauji pieaug gan uz Zemes virsmas, gan apkārtējā vidē, nodrošinot pasauli ar datiem. Šie pieejamie sensori ir lietu interneta attīstības un digitālās revolūcijas, ar kuru saskaras mūsu sabiedrība, virzītājspēks, tomēr datu savienošana un piekļuve no sensoriem ne vienmēr notiek vienkārši vai vienkārši. Šajā rakstā tiks iepazīstināts ar sensoru tehnisko indeksu, 5 dizaina prasmēm un oriģinālā aprīkojuma ražotājiem (OEM).

Pirmkārt, tehniskais indekss ir objektīvs pamats produkta veiktspējas raksturošanai. Izprotot tehniskos rādītājus, jūs varat pareizi izvēlēties un lietot produktu. Sensora tehniskie rādītāji ir iedalīti statiskajos un dinamiskajos rādītājos. Statiskie rādītāji galvenokārt pārbauda sensora veiktspēju statiskās invariantitātes apstākļos, tostarp izšķirtspēju, atkārtojamību, jutību, linearitāti, atgriešanās kļūdu, slieksni, šļūdi, stabilitāti utt. Dinamiskais indekss galvenokārt pārbauda sensora veiktspēju strauju izmaiņu apstākļos, tostarp frekvences reakciju un soļa reakciju.

Sensora daudzo tehnisko rādītāju dēļ dažādi dati un literatūra tiek aprakstīti no dažādiem leņķiem, tāpēc dažādiem cilvēkiem ir atšķirīga izpratne un pat pārpratumi un neskaidrības. Šajā nolūkā tiek interpretēti šādi vairāki galvenie sensora tehniskie rādītāji:

1. izšķirtspēja un izšķirtspēja:

Definīcija: Izšķirtspēja attiecas uz mazāko izmērīto izmaiņu, ko sensors var noteikt. Izšķirtspēja attiecas uz izšķirtspējas attiecību pret pilnas skalas vērtību.

1. interpretācija: izšķirtspēja ir sensora visvienkāršākais rādītājs. Tā atspoguļo sensora spēju atšķirt izmērītos objektus. Pārējās sensora tehniskās specifikācijas ir aprakstītas kā izšķirtspēja kā minimālā vienība.

Sensoriem un instrumentiem ar digitālo displeju izšķirtspēja nosaka minimālo attēlojamo ciparu skaitu. Piemēram, elektroniskā digitālā suporta izšķirtspēja ir 0,01 mm, un indikatora kļūda ir ±0,02 mm.

2. interpretācija: Izšķirtspēja ir absolūts skaitlis ar mērvienībām. Piemēram, temperatūras sensora izšķirtspēja ir 0,1 ℃, paātrinājuma sensora izšķirtspēja ir 0,1 g utt.

3. interpretācija: Izšķirtspēja ir saistīts un ļoti līdzīgs jēdziens izšķirtspējai, un abi apzīmē sensora izšķirtspēju attiecībā pret mērījumu.

Galvenā atšķirība ir tā, ka izšķirtspēja tiek izteikta procentos no sensora izšķirtspējas. Tā ir relatīva un tai nav dimensijas. Piemēram, temperatūras sensora izšķirtspēja ir 0,1 ℃, pilna diapazona izšķirtspēja ir 500 ℃, izšķirtspēja ir 0,1/500 = 0,02%.

2. Atkārtojamība:

Definīcija: Sensora atkārtojamība attiecas uz mērījumu rezultātu atšķirības pakāpi, kad mērījums tiek atkārtots vairākas reizes vienā virzienā vienādos apstākļos. To sauc arī par atkārtošanās kļūdu, reproducēšanas kļūdu utt.

1. interpretācija: Sensora atkārtojamībai jābūt atšķirības pakāpei starp vairākiem mērījumiem, kas iegūti vienādos apstākļos. Ja mērīšanas apstākļi mainās, mērījumu rezultātu salīdzināmība izzūd, ko nevar izmantot par pamatu atkārtojamības novērtēšanai.

2. interpretācija: Sensora atkārtojamība atspoguļo sensora mērījumu rezultātu izkliedi un nejaušību. Šādas izkliedes un nejaušības iemesls ir tāds, ka sensora iekšpusē un ārpusē neizbēgami pastāv dažādi nejauši traucējumi, kā rezultātā sensora galīgie mērījumu rezultāti parāda nejaušo mainīgo raksturlielumus.

3. interpretācija: Nejaušā mainīgā standarta novirzi var izmantot kā reproducējamu kvantitatīvu izteiksmi.

4. interpretācija: Vairākkārtējiem atkārtotiem mērījumiem augstāku mērījumu precizitāti var iegūt, ja par galīgo mērījuma rezultātu ņem visu mērījumu vidējo vērtību. Jo vidējās vērtības standartnovirze ir ievērojami mazāka nekā katra mērījuma standartnovirze.

3. Linearitāte:

Definīcija: Linearitāte (linearitāte) attiecas uz sensora ieejas un izejas līknes novirzi no ideālās taisnes.

1. interpretācija: Ideālajai sensora ieejas/izejas attiecībai jābūt lineārai, un tā ieejas/izejas līknei jābūt taisnai līnijai (sarkanā līnija attēlā zemāk).

Tomēr faktiskajam sensoram vairāk vai mazāk ir dažādas kļūdas, kā rezultātā faktiskā ieejas un izejas līkne nav ideāla taisne, bet gan līkne (zaļā līkne attēlā zemāk).

Linearitāte ir sensora faktiskās raksturlīknes un bezsaistes līnijas atšķirības pakāpe, kas pazīstama arī kā nelinearitāte vai nelineāra kļūda.

2. interpretācija: Tā kā sensora faktiskās raksturlīknes un ideālās līnijas atšķirība dažādos mērījumu izmēros ir atšķirīga, pilna diapazona diapazonā bieži tiek izmantota starpības maksimālās vērtības attiecība pret pilna diapazona vērtību. Acīmredzot arī linearitāte ir relatīvs lielums.

3. interpretācija: Tā kā sensora ideālā līnija vispārējai mērīšanas situācijai nav zināma, to nevar iegūt. Šī iemesla dēļ bieži tiek izmantota kompromisa metode, proti, tieši izmantojot sensora mērījumu rezultātus, lai aprēķinātu piemērotāko līniju, kas ir tuvu ideālajai līnijai. Konkrētās aprēķina metodes ietver galapunkta līnijas metodi, labākās līnijas metodi, mazāko kvadrātu metodi un tā tālāk.

4. Stabilitāte:

Definīcija: Stabilitāte ir sensora spēja saglabāt savu veiktspēju noteiktā laika periodā.

1. interpretācija: stabilitāte ir galvenais rādītājs, lai pārbaudītu, vai sensors darbojas stabili noteiktā laika diapazonā. Sensora nestabilitāti galvenokārt izraisa temperatūras svārstības un iekšējās spriedzes atbrīvošanās. Tāpēc ir lietderīgi palielināt temperatūras kompensāciju un novecošanās apstrādi, lai uzlabotu stabilitāti.

2. interpretācija: Stabilitāti var iedalīt īstermiņa stabilitātē un ilgtermiņa stabilitātē atkarībā no laika perioda ilguma. Ja novērošanas laiks ir pārāk īss, stabilitāte un atkārtojamība ir tuvas. Tāpēc stabilitātes indekss galvenokārt pārbauda ilgtermiņa stabilitāti. Konkrētais laika ilgums ir atkarīgs no vides izmantošanas un prasībām.

3. interpretācija: Gan absolūto kļūdu, gan relatīvo kļūdu var izmantot stabilitātes indeksa kvantitatīvai izteikšanai. Piemēram, deformācijas tipa spēka sensoram ir stabilitāte 0,02 %/12 h.

5. Paraugu ņemšanas biežums:

Definīcija: Paraugu ņemšanas ātrums attiecas uz mērījumu rezultātu skaitu, ko sensors var iegūt laika vienībā.

1. interpretācija: paraugu ņemšanas frekvence ir vissvarīgākais sensora dinamisko raksturlielumu rādītājs, kas atspoguļo sensora ātrās reaģēšanas spēju. Paraugu ņemšanas frekvence ir viens no tehniskajiem rādītājiem, kas pilnībā jāņem vērā, ja mērījumi mainās strauji. Saskaņā ar Šenona paraugu ņemšanas likumu sensora paraugu ņemšanas frekvencei nevajadzētu būt mazākai par 2 reizēm lielākai par mērījuma izmaiņu frekvenci.

2. interpretācija: Izmantojot dažādas frekvences, attiecīgi mainās arī sensora precizitāte. Vispārīgi runājot, jo augstāka ir paraugu ņemšanas frekvence, jo zemāka ir mērījumu precizitāte.

Sensora visaugstākā precizitāte bieži tiek iegūta pie viszemākā paraugu ņemšanas ātruma vai pat statiskos apstākļos. Tāpēc sensora izvēlē jāņem vērā precizitāte un ātrums.

Pieci sensoru dizaina padomi

1. Sāciet ar kopnes rīku

Kā pirmo soli inženierim vispirms jāpievieno sensors, izmantojot kopnes rīku, lai ierobežotu nezināmo. Kopnes rīks savieno personālo datoru (PC) un pēc tam ar sensora I2C, SPI vai citu protokolu, kas ļauj sensoram "sarunāties". Datora lietojumprogramma, kas saistīta ar kopnes rīku, nodrošina zināmu un darbojošos avotu datu sūtīšanai un saņemšanai, kas nav nezināms, neautentificēts iegultā mikrokontrollera (MCU) draiveris. Kopnes utilītas kontekstā izstrādātājs var sūtīt un saņemt ziņojumus, lai izprastu sadaļas darbību, pirms mēģināt darboties iegultā līmenī.

2. Uzrakstiet pārraides saskarnes kodu Python valodā

Kad izstrādātājs ir mēģinājis izmantot kopnes rīka sensorus, nākamais solis ir rakstīt sensoru lietojumprogrammas kodu. Tā vietā, lai pārietu tieši uz mikrokontrollera kodu, rakstiet lietojumprogrammas kodu Python. Daudzas kopnes utilītas konfigurē spraudņus un parauga kodu, rakstot skriptus, ko Python parasti ievēro.NET ir viena no valodām, kas pieejama .net.Lietojumprogrammu rakstīšana Python ir ātra un vienkārša, un tā nodrošina veidu, kā testēt sensorus lietojumprogrammās, kas nav tik sarežģītas kā testēšana iegultā vidē. Augsta līmeņa koda esamība atvieglos neiegultajiem inženieriem sensoru skriptu un testu izgūšanu bez iegultā programmatūras inženiera palīdzības.

3. Pārbaudiet sensoru ar Micro Python

Viena no pirmā lietojumprogrammas koda rakstīšanas priekšrocībām Python valodā ir tā, ka lietojumprogrammu izsaukumus uz Bus-utility lietojumprogrammu programmēšanas saskarni (API) var viegli nomainīt, izsaucot Micro Python. Micro Python darbojas reāllaika iegultā programmatūrā, kurai ir daudz sensoru, lai inženieri varētu izprast tās vērtību. Micro Python darbojas ar Cortex-M4 procesoru, un tā ir laba vide, no kuras atkļūdot lietojumprogrammas kodu. Tas ir ne tikai vienkārši, bet arī nav nepieciešams rakstīt I2C vai SPI draiverus, jo tie jau ir iekļauti Micro Python funkciju bibliotēkā.

4. Izmantojiet sensora piegādātāja kodu

Jebkura parauga koda gadījumā, ko var “nokasīt” no sensoru ražotāja, inženieriem būs jāveic tāls ceļš, lai saprastu, kā sensors darbojas. Diemžēl daudzi sensoru pārdevēji nav iegultās programmatūras dizaina eksperti, tāpēc negaidiet, ka atradīsiet ražošanai gatavu skaistas arhitektūras un elegances piemēru. Vienkārši izmantojiet pārdevēja kodu, uzziniet, kā šī daļa darbojas, un refaktorēšanas vilšanās radīsies, līdz to varēs tīri integrēt iegultajā programmatūrā. Tas var sākties kā “spageti”, taču ražotāju izpratnes par to, kā darbojas viņu sensori, izmantošana palīdzēs samazināt daudzas sabojātas nedēļas nogales pirms produkta laišanas klajā.

5. Izmantojiet sensoru sapludināšanas funkciju bibliotēku

Visticamāk, sensora pārraides saskarne nav jauna un iepriekš nav izstrādāta. Zināmas visu funkciju bibliotēkas, piemēram, daudzu mikroshēmu ražotāju nodrošinātā “Sensor Fusion funkciju bibliotēka”, palīdz izstrādātājiem ātri vai pat labāk mācīties un izvairīties no produkta arhitektūras pārstrādāšanas vai krasas modificēšanas cikla. Daudzus sensorus var integrēt vispārējos tipos vai kategorijās, un šie veidi vai kategorijas nodrošinās vienmērīgu draiveru izstrādi, kas, pareizi apstrādāti, ir gandrīz universāli vai mazāk atkārtoti izmantojami. Atrodiet šīs sensoru sapludināšanas funkciju bibliotēkas un uzziniet to stiprās un vājās puses.

Kad sensori tiek integrēti iegultās sistēmās, ir daudz veidu, kā uzlabot projektēšanas laiku un lietošanas ērtumu. Izstrādātāji nekad nevar "nošaut greizi", apgūstot sensoru darbību no augsta abstrakcijas līmeņa projektēšanas sākumā un pirms to integrēšanas zemāka līmeņa sistēmā. Daudzi no mūsdienās pieejamajiem resursiem palīdzēs izstrādātājiem "uzreiz sākt darbu", nesākot no nulles.