Lima kemahiran reka bentuk dan petunjuk teknikal sensor

Bilangan sensor semakin meningkat di seluruh permukaan bumi dan di Angkasa di sekeliling kita, menyediakan data kepada dunia. Sensor yang berpatutan ini merupakan penggerak di sebalik pembangunan Internet untuk Segala-galanya dan revolusi digital yang dihadapi oleh masyarakat kita, namun menyambung dan mengakses data daripada sensor tidak selalunya berjalan lancar atau mudah. ​​Kertas kerja ini akan memperkenalkan indeks teknikal sensor, 5 kemahiran reka bentuk dan perusahaan OEM.

Pertama sekali, indeks teknikal merupakan asas objektif untuk mencirikan prestasi sesuatu produk. Memahami penunjuk teknikal, membantu pemilihan dan penggunaan produk yang betul. Penunjuk teknikal sensor dibahagikan kepada penunjuk statik dan penunjuk dinamik. Penunjuk statik terutamanya mengkaji prestasi sensor di bawah keadaan invarian statik, termasuk resolusi, kebolehulangan, kepekaan, kelinearan, ralat pulangan, ambang, rayapan, kestabilan dan sebagainya. Indeks dinamik terutamanya mengkaji prestasi sensor di bawah keadaan perubahan pesat, termasuk tindak balas frekuensi dan tindak balas langkah.

Disebabkan oleh pelbagai petunjuk teknikal sensor, pelbagai data dan literatur diterangkan dari sudut yang berbeza, supaya orang yang berbeza mempunyai pemahaman yang berbeza, malah salah faham dan kekaburan. Untuk tujuan ini, beberapa petunjuk teknikal utama untuk sensor ditafsirkan:

1, resolusi dan resolusi:

Definisi: Resolusi merujuk kepada perubahan terkecil yang boleh dikesan oleh sensor. Resolusi merujuk kepada nisbah Resolusi kepada nilai skala penuh.

Tafsiran 1: Resolusi ialah penunjuk paling asas bagi sesebuah sensor. Ia mewakili keupayaan sensor untuk membezakan objek yang diukur. Spesifikasi teknikal lain bagi sensor diterangkan dari segi resolusi sebagai unit minimum.

Bagi sensor dan instrumen dengan paparan digital, resolusi menentukan bilangan digit minimum yang akan dipaparkan. Contohnya, resolusi angkup digital elektronik ialah 0.01mm, dan ralat penunjuk ialah ±0.02mm.

Tafsiran 2: Resolusi ialah nombor mutlak dengan unit. Contohnya, resolusi sensor suhu ialah 0.1℃, resolusi sensor pecutan ialah 0.1g, dsb.

Tafsiran 3: Resolusi ialah konsep yang berkaitan dan sangat serupa dengan resolusi, kedua-duanya mewakili resolusi sensor kepada pengukuran.

Perbezaan utama ialah resolusi dinyatakan sebagai peratusan resolusi sensor. Ia relatif dan tidak mempunyai dimensi. Contohnya, resolusi sensor suhu ialah 0.1℃, julat penuh ialah 500℃, resolusi ialah 0.1/500=0.02%.

2. Kebolehulangan:

Definisi: Kebolehulangan sensor merujuk kepada tahap perbezaan antara keputusan pengukuran apabila pengukuran diulang beberapa kali dalam arah yang sama di bawah keadaan yang sama. Juga dipanggil ralat pengulangan, ralat pembiakan, dsb.

Tafsiran 1: Kebolehulangan sensor mestilah tahap perbezaan antara pelbagai ukuran yang diperoleh di bawah keadaan yang sama. Jika keadaan pengukuran berubah, kebolehbandingan antara keputusan pengukuran akan hilang, yang tidak boleh digunakan sebagai asas untuk menilai kebolehulangan.

Tafsiran 2: Kebolehulangan sensor mewakili penyebaran dan kerawangan hasil pengukuran sensor. Sebab penyebaran dan kerawangan sedemikian adalah kerana pelbagai gangguan rawak pasti wujud di dalam dan di luar sensor, menghasilkan keputusan pengukuran akhir sensor yang menunjukkan ciri-ciri pembolehubah rawak.

Tafsiran 3: Sisihan piawai bagi pembolehubah rawak boleh digunakan sebagai ungkapan kuantitatif yang boleh dihasilkan semula.

Tafsiran 4: Bagi pengukuran berulang berganda, ketepatan pengukuran yang lebih tinggi boleh diperolehi jika purata semua pengukuran diambil sebagai hasil pengukuran akhir. Kerana sisihan piawai min adalah jauh lebih kecil daripada sisihan piawai setiap ukuran.

3. Lineariti:

Definisi: Lineariti (Linearity) merujuk kepada sisihan lengkung input dan output sensor daripada garis lurus ideal.

Tafsiran 1: Hubungan input/output sensor yang ideal hendaklah linear, dan lengkung input/outputnya hendaklah garis lurus (garis merah dalam rajah di bawah).

Walau bagaimanapun, sensor sebenar lebih kurang mempunyai pelbagai ralat, mengakibatkan lengkung input dan output sebenar bukanlah garis lurus yang ideal, tetapi satu lengkung (lengkung hijau dalam rajah di bawah).

Lineariti ialah tahap perbezaan antara lengkung ciri sebenar sensor dan garis luar talian, juga dikenali sebagai ketaklineariti atau ralat taklinear.

Tafsiran 2: Oleh kerana perbezaan antara lengkung ciri sebenar sensor dan garis ideal adalah berbeza pada saiz pengukuran yang berbeza, nisbah nilai maksimum perbezaan kepada nilai julat penuh sering digunakan dalam julat julat penuh. Jelas sekali, kelinearan juga merupakan kuantiti relatif.

Tafsiran 3: Oleh kerana garis ideal sensor tidak diketahui untuk situasi pengukuran umum, ia tidak dapat diperoleh. Atas sebab ini, kaedah kompromi sering diguna pakai, iaitu, secara langsung menggunakan keputusan pengukuran sensor untuk mengira garis pemasangan yang hampir dengan garis ideal. Kaedah pengiraan khusus termasuk kaedah garis titik akhir, kaedah garis terbaik, kaedah kuasa dua terkecil dan sebagainya.

4. Kestabilan:

Definisi: Kestabilan ialah keupayaan sensor untuk mengekalkan prestasinya dalam tempoh masa tertentu.

Tafsiran 1: Kestabilan merupakan indeks utama untuk menyiasat sama ada sensor berfungsi secara stabil dalam julat masa tertentu. Faktor-faktor yang membawa kepada ketidakstabilan sensor terutamanya termasuk hanyutan suhu dan pembebasan tegasan dalaman. Oleh itu, adalah berguna untuk meningkatkan pampasan suhu dan rawatan penuaan untuk meningkatkan kestabilan.

Tafsiran 2: Kestabilan boleh dibahagikan kepada kestabilan jangka pendek dan kestabilan jangka panjang mengikut tempoh masa. Apabila masa pemerhatian terlalu pendek, kestabilan dan kebolehulangan adalah hampir. Oleh itu, indeks kestabilan terutamanya mengkaji kestabilan jangka panjang. Tempoh masa tertentu, mengikut penggunaan persekitaran dan keperluan untuk ditentukan.

Tafsiran 3: Kedua-dua ralat mutlak dan ralat relatif boleh digunakan untuk ungkapan kuantitatif indeks kestabilan. Contohnya, sensor daya jenis terikan mempunyai kestabilan 0.02%/12 jam.

5. Kekerapan persampelan:

Definisi: Kadar Sampel merujuk kepada bilangan keputusan pengukuran yang boleh disampel oleh sensor setiap unit masa.

Tafsiran 1: Frekuensi persampelan merupakan penunjuk yang paling penting bagi ciri-ciri dinamik sensor, yang mencerminkan keupayaan tindak balas pantas sensor. Frekuensi persampelan merupakan salah satu penunjuk teknikal yang mesti dipertimbangkan sepenuhnya dalam kes perubahan pengukuran yang pantas. Mengikut hukum persampelan Shannon, frekuensi persampelan sensor tidak boleh kurang daripada 2 kali ganda frekuensi perubahan yang diukur.

Tafsiran 2: Dengan penggunaan frekuensi yang berbeza, ketepatan sensor juga berbeza-beza. Secara amnya, semakin tinggi frekuensi persampelan, semakin rendah ketepatan pengukuran.

Ketepatan sensor tertinggi selalunya diperoleh pada kelajuan persampelan terendah atau bahkan di bawah keadaan statik. Oleh itu, ketepatan dan kelajuan mesti diambil kira dalam pemilihan sensor.

Lima petua reka bentuk untuk sensor

1. Mulakan dengan alat bas

Sebagai langkah pertama, jurutera harus mengambil pendekatan dengan menyambungkan sensor terlebih dahulu melalui alat bas untuk mengehadkan perkara yang tidak diketahui. Alat bas menghubungkan komputer peribadi (PC) dan kemudian ke I2C, SPI atau protokol lain sensor yang membolehkan sensor "bercakap". Aplikasi PC yang berkaitan dengan alat bas yang menyediakan sumber yang diketahui dan berfungsi untuk menghantar dan menerima data yang bukan pemacu mikropengawal terbenam (MCU) yang tidak diketahui dan tidak disahkan. Dalam konteks utiliti Bas, pembangun boleh menghantar dan menerima mesej untuk mendapatkan pemahaman tentang cara bahagian berfungsi sebelum cuba beroperasi pada tahap terbenam.

2. Tulis kod antara muka penghantaran dalam Python

Sebaik sahaja pembangun cuba menggunakan sensor alat bas, langkah seterusnya ialah menulis kod aplikasi untuk sensor. Daripada melompat terus ke kod mikropengawal, tulis kod aplikasi dalam Python. Banyak utiliti bas mengkonfigurasi pemalam dan kod sampel semasa menulis skrip, yang biasanya diikuti oleh Python. NET adalah salah satu bahasa yang tersedia dalam .net. Menulis aplikasi dalam Python adalah pantas dan mudah, dan ia menyediakan cara untuk menguji sensor dalam aplikasi yang tidak serumit pengujian dalam persekitaran terbenam. Mempunyai kod peringkat tinggi akan memudahkan jurutera bukan terbenam untuk melombong skrip dan ujian sensor tanpa penjagaan jurutera perisian terbenam.

3. Uji sensor dengan Micro Python

Salah satu kelebihan menulis kod aplikasi pertama dalam Python ialah panggilan aplikasi ke antara muka Pengaturcaraan aplikasi Bus-utility (API) boleh ditukar ganti dengan mudah dengan memanggil Micro Python. Micro Python berjalan dalam perisian terbenam masa nyata, yang mempunyai banyak sensor untuk jurutera memahami nilainya. Micro Python berjalan pada pemproses Cortex-M4, dan ia merupakan persekitaran yang baik untuk menyahpepijat kod aplikasi. Bukan sahaja ia mudah, malah tidak perlu menulis pemacu I2C atau SPI di sini, kerana ia telah pun diliputi dalam pustaka fungsi Micro Python.

4. Gunakan kod pembekal sensor

Mana-mana kod sampel yang boleh "dikikis" daripada pengeluar sensor, jurutera perlu berusaha jauh untuk memahami cara sensor berfungsi. Malangnya, ramai vendor sensor bukanlah pakar dalam reka bentuk perisian terbenam, jadi jangan harap untuk menemui contoh seni bina dan keanggunan yang cantik dan sedia untuk pengeluaran. Hanya gunakan kod vendor, pelajari cara bahagian ini berfungsi dan kekecewaan pemfaktoran semula akan timbul sehingga ia boleh disepadukan dengan bersih ke dalam perisian terbenam. Ia mungkin bermula sebagai "spaghetti", tetapi memanfaatkan pemahaman pengeluar tentang cara sensor mereka berfungsi akan membantu mengurangkan banyak hujung minggu yang rosak sebelum produk dilancarkan.

5. Gunakan perpustakaan fungsi gabungan sensor

Kemungkinan besar, antara muka penghantaran sensor bukanlah sesuatu yang baharu dan belum pernah dilakukan sebelum ini. Pustaka semua fungsi yang diketahui, seperti "Pustaka fungsi Sensor Fusion" yang disediakan oleh banyak pengeluar cip, membantu pembangun belajar dengan cepat, atau lebih baik lagi, dan mengelakkan kitaran pembangunan semula atau pengubahsuaian seni bina produk secara drastik. Banyak sensor boleh diintegrasikan ke dalam jenis atau kategori umum, dan jenis atau kategori ini akan membolehkan pembangunan pemacu yang lancar yang, jika dikendalikan dengan betul, hampir universal atau kurang boleh digunakan semula. Cari pustaka fungsi sensor gabungan ini dan pelajari kekuatan dan kelemahannya.

Apabila sensor disepadukan ke dalam sistem terbenam, terdapat banyak cara untuk membantu meningkatkan masa reka bentuk dan kemudahan penggunaan. Pembangun tidak akan "tersalah" dengan mempelajari cara sensor berfungsi dari tahap abstraksi yang tinggi pada permulaan reka bentuk dan sebelum mengintegrasikannya ke dalam sistem tahap yang lebih rendah. Banyak sumber yang tersedia hari ini akan membantu pembangun "bermula dengan lancar" tanpa perlu bermula dari awal.