Pet dizajnerskih vještina i tehničkih indikatora senzora

Broj senzora se širi po Zemljinoj površini i u svemiru oko nas, pružajući svijetu podatke. Ovi pristupačni senzori su pokretačka snaga razvoja Interneta stvari i digitalne revolucije s kojom se naše društvo suočava, ali povezivanje i pristup podacima sa senzora ne ide uvijek ravno ili lako. Ovaj rad će predstaviti tehnički indeks senzora, 5 dizajnerskih vještina i OEM preduzeća.

Prije svega, tehnički indeks je objektivna osnova za karakterizaciju performansi proizvoda. Razumijevanje tehničkih indikatora pomaže u pravilnom odabiru i upotrebi proizvoda. Tehnički indikatori senzora podijeljeni su na statičke indikatore i dinamičke indikatore. Statički indikatori uglavnom ispituju performanse senzora pod uslovima statičke invarijantnosti, uključujući rezoluciju, ponovljivost, osjetljivost, linearnost, grešku povratka, prag, puzanje, stabilnost i tako dalje. Dinamički indeks uglavnom ispituje performanse senzora pod uslovima brzih promjena, uključujući frekventni odziv i odziv na skok.

Zbog brojnih tehničkih indikatora senzora, različiti podaci i literatura su opisani iz različitih uglova, tako da različiti ljudi imaju različita shvatanja, pa čak i nerazumijevanje i dvosmislenost. U tu svrhu, interpretira se sljedećih nekoliko glavnih tehničkih indikatora za senzor:

1, rezolucija i rezolucija:

Definicija: Rezolucija se odnosi na najmanju izmjerenu promjenu koju senzor može detektovati. Rezolucija se odnosi na odnos rezolucije i vrijednosti pune skale.

Tumačenje 1: Rezolucija je najosnovniji pokazatelj senzora. Predstavlja sposobnost senzora da razlikuje mjerene objekte. Ostale tehničke specifikacije senzora opisane su u smislu rezolucije kao minimalne jedinice.

Za senzore i instrumente s digitalnim prikazom, rezolucija određuje minimalni broj cifara koje će se prikazati. Na primjer, rezolucija elektronskog digitalnog kalipera je 0,01 mm, a greška indikatora je ±0,02 mm.

Interpretacija 2: Rezolucija je apsolutni broj s jedinicama. Na primjer, rezolucija temperaturnog senzora je 0,1℃, rezolucija senzora ubrzanja je 0,1g, itd.

Tumačenje 3: Rezolucija je povezan i vrlo sličan koncept rezoluciji, pri čemu oba predstavljaju rezoluciju senzora u odnosu na mjerenje.

Glavna razlika je u tome što se rezolucija izražava kao postotak rezolucije senzora. Ona je relativna i nema dimenziju. Na primjer, rezolucija temperaturnog senzora je 0,1℃, puni raspon je 500℃, rezolucija je 0,1/500=0,02%.

2. Ponovljivost:

Definicija: Ponovljivost senzora odnosi se na stepen razlike između rezultata mjerenja kada se mjerenje ponovi nekoliko puta u istom smjeru pod istim uslovima. Također se naziva greška ponavljanja, greška reprodukcije itd.

Tumačenje 1: Ponovljivost senzora mora biti stepen razlike između više mjerenja dobijenih pod istim uslovima. Ako se uslovi mjerenja promijene, uporedivost između rezultata mjerenja će nestati, što se ne može koristiti kao osnova za procjenu ponovljivosti.

Interpretacija 2: Ponovljivost senzora predstavlja disperziju i slučajnost rezultata mjerenja senzora. Razlog takve disperzije i slučajnosti je taj što različiti slučajni poremećaji neminovno postoje unutar i izvan senzora, što rezultira konačnim rezultatima mjerenja senzora koji pokazuju karakteristike slučajnih varijabli.

Interpretacija 3: Standardna devijacija slučajne varijable može se koristiti kao ponovljivi kvantitativni izraz.

Interpretacija 4: Za višestruka ponovljena mjerenja, veća tačnost mjerenja može se postići ako se prosjek svih mjerenja uzme kao konačni rezultat mjerenja. Jer je standardna devijacija srednje vrijednosti značajno manja od standardne devijacije svake mjere.

3. Linearnost:

Definicija: Linearnost (Linearnost) se odnosi na odstupanje ulazne i izlazne krivulje senzora od idealne ravne linije.

Interpretacija 1: Idealni odnos ulaza/izlaza senzora trebao bi biti linearan, a njegova krivulja ulaza/izlaza trebala bi biti prava linija (crvena linija na slici ispod).

Međutim, stvarni senzor manje-više ima razne greške, što rezultira time da stvarna ulazna i izlazna krivulja nije idealna ravna linija, već kriva (zelena krivulja na slici ispod).

Linearnost je stepen razlike između stvarne karakteristične krive senzora i linije van mreže, poznata i kao nelinearnost ili nelinearna greška.

Interpretacija 2: Budući da je razlika između stvarne karakteristične krive senzora i idealne linije različita pri različitim veličinama mjerenja, odnos maksimalne vrijednosti razlike i vrijednosti punog raspona često se koristi u rasponu punog raspona. Očigledno je da je linearnost također relativna veličina.

Interpretacija 3: Budući da idealna linija senzora nije poznata za opću situaciju mjerenja, ne može se dobiti. Iz tog razloga, često se usvaja kompromisna metoda, odnosno direktno korištenje rezultata mjerenja senzora za izračunavanje linije prilagođavanja koja je blizu idealne linije. Specifične metode proračuna uključuju metodu krajnje tačke linije, metodu najbolje linije, metodu najmanjih kvadrata i tako dalje.

4. Stabilnost:

Definicija: Stabilnost je sposobnost senzora da održi svoje performanse tokom određenog vremenskog perioda.

Interpretacija 1: Stabilnost je glavni indeks za ispitivanje da li senzor radi stabilno u određenom vremenskom rasponu. Faktori koji dovode do nestabilnosti senzora uglavnom uključuju temperaturno pomicanje i oslobađanje unutrašnjeg napona. Stoga je korisno povećati temperaturnu kompenzaciju i tretman starenja kako bi se poboljšala stabilnost.

Interpretacija 2: Stabilnost se može podijeliti na kratkoročnu i dugoročnu stabilnost prema dužini vremenskog perioda. Kada je vrijeme posmatranja prekratko, stabilnost i ponovljivost su bliske. Stoga, indeks stabilnosti uglavnom ispituje dugoročnu stabilnost. Specifično vremensko trajanje određuje se prema upotrebi okruženja i zahtjevima.

Interpretacija 3: I apsolutna i relativna greška mogu se koristiti za kvantitativno izražavanje indeksa stabilnosti. Na primjer, senzor sile tipa deformacije ima stabilnost od 0,02%/12h.

5. Frekvencija uzorkovanja:

Definicija: Brzina uzorkovanja odnosi se na broj rezultata mjerenja koje senzor može uzorkovati po jedinici vremena.

Interpretacija 1: Frekvencija uzorkovanja je najvažniji pokazatelj dinamičkih karakteristika senzora, koji odražava sposobnost brzog odziva senzora. Frekvencija uzorkovanja je jedan od tehničkih pokazatelja koji se mora u potpunosti uzeti u obzir u slučaju brze promjene mjerenja. Prema Shannon-ovom zakonu uzorkovanja, frekvencija uzorkovanja senzora ne smije biti manja od 2 puta veća od frekvencije promjene mjerenog.

Interpretacija 2: Korištenjem različitih frekvencija, tačnost senzora također varira shodno tome. Općenito govoreći, što je veća frekvencija uzorkovanja, to je niža tačnost mjerenja.

Najveća tačnost senzora se često postiže pri najnižoj brzini uzorkovanja ili čak u statičkim uslovima. Stoga se pri odabiru senzora moraju uzeti u obzir preciznost i brzina.

Pet savjeta za dizajn senzora

1. Počnite s alatom za autobus

Kao prvi korak, inženjer bi trebao primijeniti pristup povezivanja senzora putem bus alata kako bi ograničio nepoznato. Bus alat povezuje lični računar (PC), a zatim na I2C, SPI ili drugi protokol senzora koji omogućava senzoru da "razgovara". PC aplikacija povezana s bus alatom koja pruža poznati i radni izvor za slanje i primanje podataka koji nije nepoznati, neautentificirani upravljački program ugrađenog mikrokontrolera (MCU). U kontekstu Bus alata, programer može slati i primati poruke kako bi razumio kako sekcija radi prije nego što pokuša raditi na ugrađenom nivou.

2. Napišite kod za prijenosni interfejs u Pythonu

Nakon što programer pokuša koristiti senzore alata za magistralu, sljedeći korak je pisanje aplikacijskog koda za senzore. Umjesto direktnog prelaska na kod mikrokontrolera, napišite aplikacijski kod u Pythonu. Mnogi alati za magistralu konfigurišu dodatke i primjere koda prilikom pisanja skripti, što Python obično slijedi. NET je jedan od jezika dostupnih na .NET-u. Pisanje aplikacija u Pythonu je brzo i jednostavno, te pruža način testiranja senzora u aplikacijama koje nisu toliko složene kao testiranje u ugrađenom okruženju. Posjedovanje koda visokog nivoa olakšat će inženjerima koji nisu uključeni u ugrađeni sistem da istraže skripte i testove senzora bez brige inženjera za ugrađeni softver.

3. Testirajte senzor pomoću Micro Pythona

Jedna od prednosti pisanja prvog koda aplikacije u Pythonu je ta što se pozivi aplikacije prema programskom interfejsu (API) aplikacije Bus-utility mogu lako zamijeniti pozivanjem Micro Pythona. Micro Python radi u ugrađenom softveru u realnom vremenu, koji ima mnogo senzora pomoću kojih inženjeri mogu razumjeti njegovu vrijednost. Micro Python radi na Cortex-M4 procesoru i to je dobro okruženje za debagovanje koda aplikacije. Ne samo da je jednostavno, već nema potrebe za pisanjem I2C ili SPI drajvera ovdje, jer su oni već obuhvaćeni u biblioteci funkcija Micro Pythona.

4. Koristite kod dobavljača senzora

Za bilo koji primjer koda koji se može "izvući" od proizvođača senzora, inženjeri će morati proći dug put da bi razumjeli kako senzor radi. Nažalost, mnogi dobavljači senzora nisu stručnjaci za dizajn ugrađenog softvera, tako da ne očekujte da ćete pronaći primjer lijepe arhitekture i elegancije spreman za produkciju. Samo koristite dobavljačev kod, naučite kako ovaj dio funkcionira i frustracija refaktoriranja će se pojaviti sve dok se ne bude mogao čisto integrirati u ugrađeni softver. Možda će početi kao "špageti", ali korištenje razumijevanja proizvođača o tome kako njihovi senzori rade pomoći će u smanjenju mnogih propalih vikenda prije lansiranja proizvoda.

5. Koristite biblioteku funkcija za fuziju senzora

Vjerovatno je da prijenosni interfejs senzora nije nov i da ranije nije rađen. Poznate biblioteke svih funkcija, kao što je „Biblioteka funkcija fuzije senzora“ koju pružaju mnogi proizvođači čipova, pomažu programerima da brzo, ili čak i bolje, uče i izbjegnu ciklus ponovnog razvoja ili drastične modifikacije arhitekture proizvoda. Mnogi senzori se mogu integrirati u opće tipove ili kategorije, a ovi tipovi ili kategorije će omogućiti nesmetan razvoj drajvera koji su, ako se pravilno rukuje, gotovo univerzalni ili manje upotrebljivi. Pronađite ove biblioteke funkcija fuzije senzora i saznajte njihove snage i slabosti.

Kada se senzori integrišu u ugrađene sisteme, postoji mnogo načina da se poboljša vrijeme dizajniranja i jednostavnost korištenja. Programeri nikada ne mogu "pogriješiti" ako na početku dizajna, a prije nego što ih integrišu u sistem nižeg nivoa, nauče kako senzori rade. Mnogi resursi dostupni danas pomoći će programerima da "odmah krenu" bez potrebe da kreću od nule.