Πέντε δεξιότητες σχεδιασμού και τεχνικοί δείκτες του αισθητήρα

Ο αριθμός των αισθητήρων πολλαπλασιάζεται σε όλη την επιφάνεια της γης και στους χώρους γύρω μας, παρέχοντας στον κόσμο δεδομένα. Αυτοί οι οικονομικοί αισθητήρες αποτελούν την κινητήρια δύναμη πίσω από την ανάπτυξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων και την ψηφιακή επανάσταση που αντιμετωπίζει η κοινωνία μας, ωστόσο η σύνδεση και η πρόσβαση σε δεδομένα από αισθητήρες δεν είναι πάντα εύκολη ή απλή. Αυτή η εργασία θα εισαγάγει τον τεχνικό δείκτη αισθητήρων, 5 δεξιότητες σχεδιασμού και τις επιχειρήσεις OEM.

Πρώτα απ 'όλα, ο τεχνικός δείκτης είναι η αντικειμενική βάση για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης ενός προϊόντος. Η κατανόηση των τεχνικών δεικτών βοηθά στην σωστή επιλογή και χρήση του προϊόντος. Οι τεχνικοί δείκτες του αισθητήρα χωρίζονται σε στατικούς δείκτες και δυναμικούς δείκτες. Οι στατικοί δείκτες εξετάζουν κυρίως την απόδοση του αισθητήρα υπό συνθήκες στατικής σταθερότητας, συμπεριλαμβανομένης της ανάλυσης, της επαναληψιμότητας, της ευαισθησίας, της γραμμικότητας, του σφάλματος επιστροφής, του κατωφλίου, του ερπυσμού, της σταθερότητας και ούτω καθεξής. Ο δυναμικός δείκτης εξετάζει κυρίως την απόδοση του αισθητήρα υπό συνθήκες ταχείας αλλαγής, συμπεριλαμβανομένης της απόκρισης συχνότητας και της βηματικής απόκρισης.

Λόγω των πολυάριθμων τεχνικών δεικτών του αισθητήρα, διάφορα δεδομένα και βιβλιογραφία περιγράφονται από διαφορετικές οπτικές γωνίες, με αποτέλεσμα διαφορετικοί άνθρωποι να έχουν διαφορετικές αντιλήψεις, ακόμη και παρεξηγήσεις και ασάφειες. Για το σκοπό αυτό, ερμηνεύονται οι ακόλουθοι κύριοι τεχνικοί δείκτες για τον αισθητήρα:

1, ανάλυση και ανάλυση:

Ορισμός: Η ανάλυση αναφέρεται στη μικρότερη μετρούμενη αλλαγή που μπορεί να ανιχνεύσει ένας αισθητήρας. Η ανάλυση αναφέρεται στον λόγο της ανάλυσης προς την τιμή πλήρους κλίμακας.

Ερμηνεία 1: Η ανάλυση είναι ο πιο βασικός δείκτης ενός αισθητήρα. Αντιπροσωπεύει την ικανότητα του αισθητήρα να διακρίνει τα μετρούμενα αντικείμενα. Οι άλλες τεχνικές προδιαγραφές του αισθητήρα περιγράφονται με βάση την ανάλυση ως την ελάχιστη μονάδα.

Για αισθητήρες και όργανα με ψηφιακή οθόνη, η ανάλυση καθορίζει τον ελάχιστο αριθμό ψηφίων που θα εμφανίζονται. Για παράδειγμα, η ανάλυση του ηλεκτρονικού ψηφιακού παχύμετρου είναι 0,01 mm και το σφάλμα ένδειξης είναι ±0,02 mm.

Ερμηνεία 2: Η ανάλυση είναι ένας απόλυτος αριθμός με μονάδες. Για παράδειγμα, η ανάλυση ενός αισθητήρα θερμοκρασίας είναι 0,1℃, η ανάλυση ενός αισθητήρα επιτάχυνσης είναι 0,1g, κ.λπ.

Ερμηνεία 3: Η ανάλυση είναι μια σχετική και πολύ παρόμοια έννοια με την ανάλυση, καθώς και οι δύο αντιπροσωπεύουν την ανάλυση ενός αισθητήρα σε μια μέτρηση.

Η κύρια διαφορά είναι ότι η ανάλυση εκφράζεται ως ποσοστό της ανάλυσης του αισθητήρα. Είναι σχετική και δεν έχει διάσταση. Για παράδειγμα, η ανάλυση του αισθητήρα θερμοκρασίας είναι 0,1℃, το πλήρες εύρος είναι 500℃, η ανάλυση είναι 0,1/500=0,02%.

2. Επαναληψιμότητα:

Ορισμός: Η επαναληψιμότητα του αισθητήρα αναφέρεται στον βαθμό διαφοράς μεταξύ των αποτελεσμάτων μέτρησης όταν η μέτρηση επαναλαμβάνεται αρκετές φορές στην ίδια κατεύθυνση υπό τις ίδιες συνθήκες. Ονομάζεται επίσης σφάλμα επανάληψης, σφάλμα αναπαραγωγής κ.λπ.

Ερμηνεία 1: Η επαναληψιμότητα ενός αισθητήρα πρέπει να είναι ο βαθμός διαφοράς μεταξύ πολλαπλών μετρήσεων που λαμβάνονται υπό τις ίδιες συνθήκες. Εάν αλλάξουν οι συνθήκες μέτρησης, η συγκρισιμότητα μεταξύ των αποτελεσμάτων μέτρησης θα εξαφανιστεί, γεγονός που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την αξιολόγηση της επαναληψιμότητας.

Ερμηνεία 2: Η επαναληψιμότητα του αισθητήρα αντιπροσωπεύει τη διασπορά και την τυχαιότητα των αποτελεσμάτων μέτρησης του αισθητήρα. Ο λόγος για αυτή τη διασπορά και τυχαιότητα είναι ότι αναπόφευκτα υπάρχουν διάφορες τυχαίες διαταραχές εντός και εκτός του αισθητήρα, με αποτέλεσμα τα τελικά αποτελέσματα μέτρησης του αισθητήρα να δείχνουν τα χαρακτηριστικά των τυχαίων μεταβλητών.

Ερμηνεία 3: Η τυπική απόκλιση της τυχαίας μεταβλητής μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αναπαραγώγιμη ποσοτική έκφραση.

Ερμηνεία 4: Για πολλαπλές επαναλαμβανόμενες μετρήσεις, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη ακρίβεια μέτρησης εάν ο μέσος όρος όλων των μετρήσεων ληφθεί ως το τελικό αποτέλεσμα μέτρησης. Επειδή η τυπική απόκλιση του μέσου όρου είναι σημαντικά μικρότερη από την τυπική απόκλιση κάθε μέτρησης.

3. Γραμμικότητα:

Ορισμός: Η γραμμικότητα (Linearity) αναφέρεται στην απόκλιση της καμπύλης εισόδου και εξόδου του αισθητήρα από την ιδανική ευθεία γραμμή.

Ερμηνεία 1: Η ιδανική σχέση εισόδου/εξόδου αισθητήρα θα πρέπει να είναι γραμμική και η καμπύλη εισόδου/εξόδου του θα πρέπει να είναι μια ευθεία γραμμή (κόκκινη γραμμή στο παρακάτω σχήμα).

Ωστόσο, ο πραγματικός αισθητήρας παρουσιάζει λίγο-πολύ μια ποικιλία σφαλμάτων, με αποτέλεσμα η πραγματική καμπύλη εισόδου και εξόδου να μην είναι η ιδανική ευθεία γραμμή, αλλά μια καμπύλη (η πράσινη καμπύλη στο παρακάτω σχήμα).

Η γραμμικότητα είναι ο βαθμός διαφοράς μεταξύ της πραγματικής χαρακτηριστικής καμπύλης του αισθητήρα και της γραμμής εκτός γραμμής, γνωστή και ως μη γραμμικότητα ή μη γραμμικό σφάλμα.

Ερμηνεία 2: Επειδή η διαφορά μεταξύ της πραγματικής χαρακτηριστικής καμπύλης του αισθητήρα και της ιδανικής γραμμής είναι διαφορετική σε διαφορετικά μεγέθη μέτρησης, ο λόγος της μέγιστης τιμής της διαφοράς προς την τιμή πλήρους εύρους χρησιμοποιείται συχνά στο εύρος πλήρους εύρους. Προφανώς, η γραμμικότητα είναι επίσης μια σχετική ποσότητα.

Ερμηνεία 3: Επειδή η ιδανική γραμμή του αισθητήρα είναι άγνωστη για τη γενική κατάσταση μέτρησης, δεν μπορεί να επιτευχθεί. Για αυτόν τον λόγο, συχνά υιοθετείται μια συμβιβαστική μέθοδος, δηλαδή η άμεση χρήση των αποτελεσμάτων μέτρησης του αισθητήρα για τον υπολογισμό της γραμμής προσαρμογής που είναι κοντά στην ιδανική γραμμή. Οι συγκεκριμένες μέθοδοι υπολογισμού περιλαμβάνουν τη μέθοδο της γραμμής τελικού σημείου, τη μέθοδο της βέλτιστης γραμμής, τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων και ούτω καθεξής.

4. Σταθερότητα:

Ορισμός: Σταθερότητα είναι η ικανότητα ενός αισθητήρα να διατηρεί την απόδοσή του για μια χρονική περίοδο.

Ερμηνεία 1: Η σταθερότητα είναι ο κύριος δείκτης για να διερευνηθεί εάν ο αισθητήρας λειτουργεί σταθερά σε ένα συγκεκριμένο χρονικό εύρος. Οι παράγοντες που οδηγούν στην αστάθεια του αισθητήρα περιλαμβάνουν κυρίως τη μετατόπιση της θερμοκρασίας και την εσωτερική απελευθέρωση τάσης. Επομένως, είναι χρήσιμο να αυξηθεί η αντιστάθμιση θερμοκρασίας και η επεξεργασία γήρανσης για να βελτιωθεί η σταθερότητα.

Ερμηνεία 2: Η σταθερότητα μπορεί να χωριστεί σε βραχυπρόθεσμη σταθερότητα και μακροπρόθεσμη σταθερότητα ανάλογα με τη διάρκεια της χρονικής περιόδου. Όταν ο χρόνος παρατήρησης είναι πολύ σύντομος, η σταθερότητα και η επαναληψιμότητα είναι κοντά. Επομένως, ο δείκτης σταθερότητας εξετάζει κυρίως τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, ανάλογα με τη χρήση του περιβάλλοντος και τις απαιτήσεις, καθορίζεται.

Ερμηνεία 3: Τόσο το απόλυτο όσο και το σχετικό σφάλμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ποσοτική έκφραση του δείκτη σταθερότητας. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας δύναμης τύπου παραμόρφωσης έχει σταθερότητα 0,02%/12h.

5. Συχνότητα δειγματοληψίας:

Ορισμός: Ο ρυθμός δειγματοληψίας αναφέρεται στον αριθμό των αποτελεσμάτων μέτρησης που μπορούν να ληφθούν από τον αισθητήρα ανά μονάδα χρόνου.

Ερμηνεία 1: Η συχνότητα δειγματοληψίας είναι ο πιο σημαντικός δείκτης των δυναμικών χαρακτηριστικών του αισθητήρα, αντανακλώντας την ικανότητα ταχείας απόκρισης του αισθητήρα. Η συχνότητα δειγματοληψίας είναι ένας από τους τεχνικούς δείκτες που πρέπει να λαμβάνονται πλήρως υπόψη σε περίπτωση ταχείας αλλαγής της μέτρησης. Σύμφωνα με τον νόμο δειγματοληψίας του Shannon, η συχνότητα δειγματοληψίας του αισθητήρα δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 2 φορές τη συχνότητα αλλαγής της μετρούμενης τιμής.

Ερμηνεία 2: Με τη χρήση διαφορετικών συχνοτήτων, η ακρίβεια του αισθητήρα ποικίλλει επίσης ανάλογα. Γενικά, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα δειγματοληψίας, τόσο χαμηλότερη είναι η ακρίβεια μέτρησης.

Η υψηλότερη ακρίβεια του αισθητήρα επιτυγχάνεται συχνά με τη χαμηλότερη ταχύτητα δειγματοληψίας ή ακόμα και υπό στατικές συνθήκες. Επομένως, η ακρίβεια και η ταχύτητα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την επιλογή του αισθητήρα.

Πέντε συμβουλές σχεδιασμού για αισθητήρες

1. Ξεκινήστε με το εργαλείο διαύλου

Ως πρώτο βήμα, ο μηχανικός θα πρέπει να ακολουθήσει την προσέγγιση της σύνδεσης του αισθητήρα μέσω ενός εργαλείου διαύλου για τον περιορισμό του άγνωστου. Ένα εργαλείο διαύλου συνδέει έναν προσωπικό υπολογιστή (PC) και στη συνέχεια με το I2C, SPI ή άλλο πρωτόκολλο του αισθητήρα που επιτρέπει στον αισθητήρα να "μιλήσει". Μια εφαρμογή υπολογιστή που σχετίζεται με ένα εργαλείο διαύλου που παρέχει μια γνωστή και λειτουργική πηγή για την αποστολή και λήψη δεδομένων που δεν είναι ένα άγνωστο, μη εξουσιοδοτημένο πρόγραμμα οδήγησης ενσωματωμένου μικροελεγκτή (MCU). Στο πλαίσιο του βοηθητικού προγράμματος Bus, ο προγραμματιστής μπορεί να στέλνει και να λαμβάνει μηνύματα για να κατανοήσει τον τρόπο λειτουργίας της ενότητας πριν επιχειρήσει να λειτουργήσει σε ενσωματωμένο επίπεδο.

2. Γράψτε τον κώδικα διεπαφής μετάδοσης σε Python

Μόλις ο προγραμματιστής δοκιμάσει να χρησιμοποιήσει τους αισθητήρες του εργαλείου bus, το επόμενο βήμα είναι να γράψει κώδικα εφαρμογής για τους αισθητήρες. Αντί να μεταβείτε απευθείας στον κώδικα μικροελεγκτή, γράψτε κώδικα εφαρμογής σε Python. Πολλά βοηθητικά προγράμματα bus διαμορφώνουν πρόσθετα και δείγματα κώδικα κατά τη σύνταξη σεναρίων, τα οποία η Python συνήθως ακολουθεί.NET μία από τις γλώσσες που είναι διαθέσιμες στο.net.Η σύνταξη εφαρμογών σε Python είναι γρήγορη και εύκολη και παρέχει έναν τρόπο δοκιμής αισθητήρων σε εφαρμογές που δεν είναι τόσο περίπλοκες όσο οι δοκιμές σε ένα ενσωματωμένο περιβάλλον.Η ύπαρξη κώδικα υψηλού επιπέδου θα διευκολύνει τους μη ενσωματωμένους μηχανικούς να εξορύσσουν σενάρια και δοκιμές αισθητήρων χωρίς τη φροντίδα ενός ενσωματωμένου μηχανικού λογισμικού.

3. Δοκιμάστε τον αισθητήρα με το Micro Python

Ένα από τα πλεονεκτήματα της σύνταξης του πρώτου κώδικα εφαρμογής σε Python είναι ότι οι κλήσεις εφαρμογών στη διεπαφή προγραμματισμού εφαρμογών (API) του Bus-utility μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν καλώντας το Micro Python. Το Micro Python εκτελείται σε ενσωματωμένο λογισμικό πραγματικού χρόνου, το οποίο διαθέτει πολλούς αισθητήρες για να κατανοήσουν οι μηχανικοί την αξία του. Το Micro Python εκτελείται σε επεξεργαστή Cortex-M4 και είναι ένα καλό περιβάλλον από το οποίο μπορείτε να εντοπίσετε σφάλματα στον κώδικα εφαρμογής. Δεν είναι μόνο απλό, αλλά δεν χρειάζεται να γράψετε προγράμματα οδήγησης I2C ή SPI εδώ, καθώς καλύπτονται ήδη στη βιβλιοθήκη συναρτήσεων του Micro Python.

4. Χρησιμοποιήστε τον κωδικό προμηθευτή αισθητήρων

Για οποιοδήποτε δείγμα κώδικα που μπορεί να «απομακρυνθεί» από έναν κατασκευαστή αισθητήρων, οι μηχανικοί θα πρέπει να καταβάλουν μεγάλη προσπάθεια για να κατανοήσουν πώς λειτουργεί ο αισθητήρας. Δυστυχώς, πολλοί προμηθευτές αισθητήρων δεν είναι ειδικοί στο σχεδιασμό ενσωματωμένου λογισμικού, οπότε μην περιμένετε να βρείτε ένα έτοιμο για παραγωγή παράδειγμα όμορφης αρχιτεκτονικής και κομψότητας. Απλώς χρησιμοποιήστε τον κώδικα του προμηθευτή, μάθετε πώς λειτουργεί αυτό το μέρος και η απογοήτευση της αναδιάρθρωσης θα προκύψει μέχρι να μπορέσει να ενσωματωθεί καθαρά στο ενσωματωμένο λογισμικό. Μπορεί να ξεκινήσει ως «σπαγγέτι», αλλά η αξιοποίηση της κατανόησης των κατασκευαστών για το πώς λειτουργούν οι αισθητήρες τους θα βοηθήσει στη μείωση πολλών κατεστραμμένων Σαββατοκύριακων πριν από την κυκλοφορία του προϊόντος.

5. Χρησιμοποιήστε μια βιβλιοθήκη συναρτήσεων σύντηξης αισθητήρων

Το πιθανότερο είναι ότι η διεπαφή μετάδοσης του αισθητήρα δεν είναι καινούργια και δεν έχει ξαναγίνει. Γνωστές βιβλιοθήκες όλων των λειτουργιών, όπως η «Βιβλιοθήκη συναρτήσεων σύντηξης αισθητήρων» που παρέχεται από πολλούς κατασκευαστές τσιπ, βοηθούν τους προγραμματιστές να μαθαίνουν γρήγορα, ή ακόμα καλύτερα, και να αποφεύγουν τον κύκλο της αναδιαμόρφωσης ή της δραστικής τροποποίησης της αρχιτεκτονικής του προϊόντος. Πολλοί αισθητήρες μπορούν να ενσωματωθούν σε γενικούς τύπους ή κατηγορίες, και αυτοί οι τύποι ή οι κατηγορίες θα επιτρέψουν την ομαλή ανάπτυξη προγραμμάτων οδήγησης που, εάν χειριστούν σωστά, είναι σχεδόν καθολικοί ή λιγότερο επαναχρησιμοποιήσιμοι. Βρείτε αυτές τις βιβλιοθήκες συναρτήσεων σύντηξης αισθητήρων και μάθετε τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία τους.

Όταν οι αισθητήρες ενσωματώνονται σε ενσωματωμένα συστήματα, υπάρχουν πολλοί τρόποι για να βελτιωθεί ο χρόνος σχεδιασμού και η ευκολία χρήσης. Οι προγραμματιστές δεν μπορούν ποτέ να «κάνουν λάθος» μαθαίνοντας πώς λειτουργούν οι αισθητήρες από ένα υψηλό επίπεδο αφαίρεσης στην αρχή του σχεδιασμού και πριν τους ενσωματώσουν σε ένα σύστημα χαμηλότερου επιπέδου. Πολλοί από τους πόρους που είναι διαθέσιμοι σήμερα θα βοηθήσουν τους προγραμματιστές να «ξεκινήσουν δυναμικά» χωρίς να χρειάζεται να ξεκινήσουν από το μηδέν.