Numărul de senzori proliferează pe suprafața Pământului și în spațiile din jurul nostru, furnizând lumii date. Acești senzori accesibili sunt forța motrice din spatele dezvoltării Internetului Lucrurilor și a revoluției digitale cu care se confruntă societatea noastră, însă conectarea și accesarea datelor de la senzori nu sunt întotdeauna simple sau ușoare. Această lucrare va introduce indexul tehnic al senzorilor, 5 abilități de proiectare și întreprinderile OEM.
În primul rând, indicele tehnic este baza obiectivă pentru caracterizarea performanței unui produs. Înțelegerea indicatorilor tehnici ajută la selectarea și utilizarea corectă a produsului. Indicatorii tehnici ai senzorului sunt împărțiți în indicatori statici și indicatori dinamici. Indicatorii statici examinează în principal performanța senzorului în condiții de invarianță statică, inclusiv rezoluția, repetabilitatea, sensibilitatea, liniaritatea, eroarea de retur, pragul, deviația bruscă, stabilitatea și așa mai departe. Indicele dinamic examinează în principal performanța senzorului în condiții de schimbare rapidă, inclusiv răspunsul în frecvență și răspunsul la treaptă.
Datorită numeroșilor indicatori tehnici ai senzorului, diverse date și literatură sunt descrise din unghiuri diferite, astfel încât persoane diferite au interpretări diferite și chiar neînțelegeri și ambiguități. În acest scop, sunt interpretați următorii indicatori tehnici principali ai senzorului:
1, rezoluție și rezoluție:
Definiție: Rezoluția se referă la cea mai mică modificare măsurată pe care o poate detecta un senzor. Rezoluția se referă la raportul dintre rezoluție și valoarea la scară completă.
Interpretarea 1: Rezoluția este indicatorul cel mai elementar al unui senzor. Reprezintă capacitatea senzorului de a distinge obiectele măsurate. Celelalte specificații tehnice ale senzorului sunt descrise în termeni de rezoluție ca unitate minimă.
Pentru senzorii și instrumentele cu afișaj digital, rezoluția determină numărul minim de cifre care trebuie afișate. De exemplu, rezoluția unui șubler digital electronic este de 0,01 mm, iar eroarea indicatorului este de ±0,02 mm.
Interpretarea 2: Rezoluția este un număr absolut cu unități de măsură. De exemplu, rezoluția unui senzor de temperatură este de 0,1 ℃, rezoluția unui senzor de accelerație este de 0,1 g etc.
Interpretarea 3: Rezoluția este un concept înrudit și foarte similar cu rezoluția, ambele reprezentând rezoluția unui senzor la o măsurătoare.
Principala diferență este că rezoluția este exprimată ca procent din rezoluția senzorului. Este relativă și nu are dimensiune. De exemplu, rezoluția senzorului de temperatură este de 0,1 ℃, intervalul complet este de 500 ℃, rezoluția este 0,1/500 = 0,02%.
2. Repetabilitate:
Definiție: Repetabilitatea senzorului se referă la gradul de diferență dintre rezultatele măsurătorii atunci când măsurarea este repetată de mai multe ori în aceeași direcție și în aceleași condiții. Se mai numește și eroare de repetiție, eroare de reproducere etc.
Interpretarea 1: Repetabilitatea unui senzor trebuie să fie gradul de diferență dintre mai multe măsurători obținute în aceleași condiții. Dacă condițiile de măsurare se schimbă, comparabilitatea dintre rezultatele măsurătorilor va dispărea, ceea ce nu poate fi utilizat ca bază pentru evaluarea repetabilității.
Interpretarea 2: Repetabilitatea senzorului reprezintă dispersia și caracterul aleatoriu al rezultatelor măsurătorilor efectuate de acesta. Motivul acestei dispersii și caractere aleatorii este că, inevitabil, există diverse perturbații aleatorii în interiorul și în exteriorul senzorului, ceea ce duce la faptul că rezultatele finale ale măsurătorilor senzorului prezintă caracteristicile variabilelor aleatorii.
Interpretarea 3: Abaterea standard a variabilei aleatoare poate fi utilizată ca o expresie cantitativă reproductibilă.
Interpretarea 4: Pentru măsurători repetate multiple, se poate obține o precizie de măsurare mai mare dacă media tuturor măsurătorilor este luată ca rezultat final al măsurării. Deoarece abaterea standard a mediei este semnificativ mai mică decât abaterea standard a fiecărei măsurători.
3. Liniaritate:
Definiție: Liniaritatea (Liniaritatea) se referă la abaterea curbei de intrare și ieșire a senzorului de la linia dreaptă ideală.
Interpretarea 1: Relația ideală intrare/ieșire a senzorului ar trebui să fie liniară, iar curba sa intrare/ieșire ar trebui să fie o linie dreaptă (linia roșie din figura de mai jos).
Totuși, senzorul real prezintă mai mult sau mai puțin o varietate de erori, ceea ce duce la faptul că curba de intrare și ieșire reală nu este linia dreaptă ideală, ci o curbă (curba verde din figura de mai jos).
Linearitatea este gradul de diferență dintre curba caracteristică reală a senzorului și linia off-line, cunoscută și sub denumirea de neliniaritate sau eroare neliniară.
Interpretarea 2: Deoarece diferența dintre curba caracteristică reală a senzorului și linia ideală este diferită la diferite dimensiuni ale măsurătorilor, raportul dintre valoarea maximă a diferenței și valoarea intervalului complet este adesea utilizat în intervalul complet. Evident, liniaritatea este, de asemenea, o mărime relativă.
Interpretarea 3: Deoarece linia ideală a senzorului este necunoscută pentru situația generală de măsurare, aceasta nu poate fi obținută. Din acest motiv, adesea se adoptă o metodă de compromis, adică utilizarea directă a rezultatelor măsurătorilor senzorului pentru a calcula linia de ajustare care este apropiată de linia ideală. Metodele specifice de calcul includ metoda liniei punctului final, metoda celei mai bune linii, metoda celor mai mici pătrate și așa mai departe.
4. Stabilitate:
Definiție: Stabilitatea este capacitatea unui senzor de a-și menține performanța pe o perioadă de timp.
Interpretarea 1: Stabilitatea este principalul indice pentru a investiga dacă senzorul funcționează stabil într-un anumit interval de timp. Factorii care duc la instabilitatea senzorului includ în principal deviația de temperatură și eliberarea de stres intern. Prin urmare, este util să se crească compensarea temperaturii și tratamentul de îmbătrânire pentru a îmbunătăți stabilitatea.
Interpretarea 2: Stabilitatea poate fi împărțită în stabilitate pe termen scurt și stabilitate pe termen lung, în funcție de durata perioadei de timp. Atunci când timpul de observare este prea scurt, stabilitatea și repetabilitatea sunt apropiate. Prin urmare, indicele de stabilitate examinează în principal stabilitatea pe termen lung. Durata specifică de timp, în funcție de utilizarea mediului și de cerințele de determinat.
Interpretarea 3: Atât eroarea absolută, cât și eroarea relativă pot fi utilizate pentru exprimarea cantitativă a indicelui de stabilitate. De exemplu, un senzor de forță de tip deformare are o stabilitate de 0,02%/12h.
5. Frecvența de eșantionare:
Definiție: Rata de eșantionare se referă la numărul de rezultate ale măsurătorilor care pot fi eșantionate de senzor pe unitatea de timp.
Interpretarea 1: Frecvența de eșantionare este cel mai important indicator al caracteristicilor dinamice ale senzorului, reflectând capacitatea de răspuns rapid a acestuia. Frecvența de eșantionare este unul dintre indicatorii tehnici care trebuie luați în considerare în cazul schimbării rapide a măsurătorii. Conform legii de eșantionare a lui Shannon, frecvența de eșantionare a senzorului nu trebuie să fie mai mică de 2 ori frecvența de schimbare a măsurătorii.
Interpretarea 2: Odată cu utilizarea unor frecvențe diferite, precizia senzorului variază și ea în mod corespunzător. În general, cu cât frecvența de eșantionare este mai mare, cu atât precizia măsurării este mai mică.
Cea mai mare precizie a senzorului se obține adesea la cea mai mică viteză de eșantionare sau chiar în condiții statice. Prin urmare, precizia și viteza trebuie luate în considerare la alegerea senzorului.
Cinci sfaturi de proiectare pentru senzori
1. Începeți cu instrumentul de autobuz
Ca prim pas, inginerul ar trebui să adopte abordarea conectării senzorului printr-un instrument de magistrală pentru a limita necunoscutul. Un instrument de magistrală conectează un computer personal (PC) și apoi la protocolul I2C, SPI sau alt protocol al senzorului care permite senzorului să „comunică”. O aplicație PC asociată cu un instrument de magistrală care oferă o sursă cunoscută și funcțională pentru trimiterea și primirea de date care nu este un driver de microcontroler încorporat (MCU) necunoscut și neautentificat. În contextul utilitarului Magistrală, dezvoltatorul poate trimite și primi mesaje pentru a înțelege cum funcționează secțiunea înainte de a încerca să opereze la nivel încorporat.
2. Scrieți codul interfeței de transmisie în Python
Odată ce dezvoltatorul a încercat să utilizeze senzorii instrumentului de magistrală, următorul pas este să scrie codul aplicației pentru senzori. În loc să treacă direct la codul microcontrolerului, scrieți codul aplicației în Python. Multe utilitare de magistrală configurează plugin-uri și cod exemplu atunci când scriu scripturi, ceea ce Python urmează de obicei. NET, unul dintre limbajele disponibile în .net. Scrierea aplicațiilor în Python este rapidă și ușoară și oferă o modalitate de a testa senzorii în aplicații care nu sunt la fel de complexe ca testarea într-un mediu încorporat. Codul de nivel înalt va facilita minarea de scripturi și teste pentru senzori de către inginerii neîncorporați fără grija unui inginer de software încorporat.
3. Testați senzorul cu Micro Python
Unul dintre avantajele scrierii primului cod al aplicației în Python este că apelurile aplicației către interfața de programare a aplicației (API) Bus-utility pot fi ușor înlocuite prin apelarea Micro Python. Micro Python rulează în software încorporat în timp real, care are mulți senzori pentru ca inginerii să înțeleagă valoarea acestuia. Micro Python rulează pe un procesor Cortex-M4 și este un mediu bun din care se poate depana codul aplicației. Nu numai că este simplu, dar nu este nevoie să se scrie drivere I2C sau SPI aici, deoarece acestea sunt deja acoperite în biblioteca de funcții Micro Python.
4. Folosiți codul furnizorului senzorului
Orice exemplu de cod care poate fi „extras” de la un producător de senzori, inginerii vor trebui să parcurgă un drum lung pentru a înțelege cum funcționează senzorul. Din păcate, mulți furnizori de senzori nu sunt experți în proiectarea de software încorporat, așa că nu vă așteptați să găsiți un exemplu gata de producție de arhitectură frumoasă și eleganță. Folosiți doar codul furnizorului, învățați cum funcționează această parte și frustrarea refactorizării va apărea până când poate fi integrată perfect în software-ul încorporat. Poate începe ca „spaghete”, dar valorificarea înțelegerii producătorilor despre modul în care funcționează senzorii lor va ajuta la reducerea multor weekenduri stricate înainte de lansarea produsului.
5. Utilizați o bibliotecă de funcții de fuziune a senzorilor
Probabil că interfața de transmisie a senzorului nu este nouă și nu a mai fost realizată până acum. Bibliotecile cunoscute ale tuturor funcțiilor, cum ar fi „Sensor Fusion function Library” furnizată de mulți producători de cipuri, ajută dezvoltatorii să învețe rapid sau chiar mai bine și să evite ciclul de redezvoltare sau modificare drastică a arhitecturii produsului. Mulți senzori pot fi integrați în tipuri sau categorii generale, iar aceste tipuri sau categorii vor permite dezvoltarea fără probleme a driverelor care, dacă sunt gestionate corect, sunt aproape universale sau mai puțin reutilizabile. Găsiți aceste biblioteci de funcții de fuziune a senzorilor și aflați punctele lor forte și punctele slabe.
Atunci când senzorii sunt integrați în sisteme integrate, există numeroase modalități de a îmbunătăți timpul de proiectare și ușurința în utilizare. Dezvoltatorii nu pot niciodată „greși” învățând cum funcționează senzorii de la un nivel ridicat de abstractizare la începutul proiectării și înainte de a-i integra într-un sistem de nivel inferior. Multe dintre resursele disponibile astăzi îi vor ajuta pe dezvoltatori să „înceapă imediat să lucreze de la zero” fără a fi nevoiți să o ia de la capăt.
