Vijf ontwerpvaardigheden en technische indicatoren van de sensor

Het aantal sensoren neemt exponentieel toe, zowel op het aardoppervlak als in de ruimte om ons heen, en voorziet de wereld van data. Deze betaalbare sensoren vormen de drijvende kracht achter de ontwikkeling van het Internet der Dingen en de digitale revolutie waarmee onze samenleving wordt geconfronteerd. Het verbinden met sensoren en het verkrijgen van toegang tot data verloopt echter niet altijd even soepel. Dit artikel introduceert de technische index van sensoren, 5 ontwerpvaardigheden en OEM-bedrijven.

Allereerst vormen de technische indicatoren de objectieve basis om de prestaties van een product te karakteriseren. Inzicht in de technische indicatoren helpt bij de juiste selectie en het juiste gebruik van het product. De technische indicatoren van een sensor worden onderverdeeld in statische en dynamische indicatoren. De statische indicatoren onderzoeken voornamelijk de prestaties van de sensor onder statische omstandigheden, zoals resolutie, herhaalbaarheid, gevoeligheid, lineariteit, retourfout, drempelwaarde, kruip, stabiliteit, enzovoort. De dynamische indicatoren onderzoeken voornamelijk de prestaties van de sensor onder omstandigheden van snelle verandering, zoals frequentierespons en staprespons.

Vanwege de vele technische kenmerken van de sensor worden diverse gegevens en literatuur vanuit verschillende invalshoeken beschreven, waardoor verschillende mensen verschillende inzichten hebben en zelfs misverstanden en onduidelijkheden kunnen ontstaan. Daarom worden de volgende belangrijke technische kenmerken van de sensor toegelicht:

1, resolutie en resolutie:

Definitie: Resolutie verwijst naar de kleinste gemeten verandering die een sensor kan detecteren. Resolutie verwijst naar de verhouding tussen de resolutie en de volledige schaalwaarde.

Interpretatie 1: Resolutie is de meest fundamentele indicator van een sensor. Het geeft het vermogen van de sensor weer om de gemeten objecten te onderscheiden. De overige technische specificaties van de sensor worden beschreven in termen van resolutie als minimale eenheid.

Bij sensoren en instrumenten met een digitaal display bepaalt de resolutie het minimale aantal cijfers dat wordt weergegeven. De resolutie van een elektronische digitale schuifmaat is bijvoorbeeld 0,01 mm en de meetfout bedraagt ​​±0,02 mm.

Interpretatie 2: Resolutie is een absoluut getal met eenheden. De resolutie van een temperatuursensor is bijvoorbeeld 0,1 °C, de resolutie van een acceleratiesensor is 0,1 g, enzovoort.

Interpretatie 3: Resolutie is een verwant en zeer vergelijkbaar concept als resolutie; beide geven de resolutie van een sensor ten opzichte van een meting weer.

Het belangrijkste verschil is dat de resolutie wordt uitgedrukt als een percentage van de resolutie van de sensor. Het is relatief en heeft geen dimensie. Bijvoorbeeld: de resolutie van de temperatuursensor is 0,1℃, het volledige bereik is 500℃, de resolutie is 0,1/500 = 0,02%.

2. Herhaalbaarheid:

Definitie: Herhaalbaarheid van de sensor verwijst naar de mate van verschil tussen de meetresultaten wanneer de meting meerdere malen in dezelfde richting en onder dezelfde omstandigheden wordt herhaald. Ook wel herhalingsfout, reproductiefout, enz. genoemd.

Interpretatie 1: De herhaalbaarheid van een sensor moet de mate van verschil zijn tussen meerdere metingen die onder dezelfde omstandigheden zijn verkregen. Als de meetomstandigheden veranderen, verdwijnt de vergelijkbaarheid tussen de meetresultaten, waardoor deze niet langer als basis kunnen dienen voor het beoordelen van de herhaalbaarheid.

Interpretatie 2: De herhaalbaarheid van de sensor vertegenwoordigt de spreiding en willekeurigheid van de meetresultaten van de sensor. De reden voor deze spreiding en willekeurigheid is dat er onvermijdelijk diverse willekeurige verstoringen binnen en buiten de sensor aanwezig zijn, waardoor de uiteindelijke meetresultaten van de sensor de kenmerken van willekeurige variabelen vertonen.

Interpretatie 3: De standaarddeviatie van de willekeurige variabele kan worden gebruikt als een reproduceerbare kwantitatieve uitdrukking.

Interpretatie 4: Bij meerdere herhaalde metingen kan een hogere meetnauwkeurigheid worden verkregen door het gemiddelde van alle metingen als eindresultaat te nemen. Dit komt doordat de standaardafwijking van het gemiddelde aanzienlijk kleiner is dan de standaardafwijking van elke afzonderlijke meting.

3. Lineariteit:

Definitie: Lineariteit verwijst naar de afwijking van de ingangs- en uitgangscurve van de sensor ten opzichte van de ideale rechte lijn.

Interpretatie 1: De ideale relatie tussen sensorinput en -output zou lineair moeten zijn, en de input/output-curve zou een rechte lijn moeten vormen (rode lijn in de onderstaande afbeelding).

De sensor zelf vertoont echter min of meer diverse fouten, waardoor de werkelijke input-outputcurve geen ideale rechte lijn is, maar een curve (de groene curve in de onderstaande afbeelding).

Lineariteit is de mate van verschil tussen de werkelijke karakteristieke curve van de sensor en de offline curve, ook wel bekend als niet-lineariteit of niet-lineaire fout.

Interpretatie 2: Omdat het verschil tussen de werkelijke karakteristieke curve van de sensor en de ideale lijn verschilt bij verschillende meetgroottes, wordt vaak de verhouding tussen de maximale waarde van het verschil en de waarde over het volledige bereik gebruikt. Lineariteit is uiteraard ook een relatieve grootheid.

Interpretatie 3: Omdat de ideale lijn van de sensor in de algemene meetsituatie onbekend is, kan deze niet worden verkregen. Om die reden wordt vaak een compromismethode toegepast, namelijk het direct gebruiken van de meetresultaten van de sensor om een ​​passende lijn te berekenen die dicht bij de ideale lijn ligt. Specifieke berekeningsmethoden omvatten de eindpuntlijnmethode, de beste lijnmethode, de kleinste-kwadratenmethode, enzovoort.

4. Stabiliteit:

Definitie: Stabiliteit is het vermogen van een sensor om zijn prestaties gedurende een bepaalde periode te behouden.

Interpretatie 1: Stabiliteit is de belangrijkste indicator om te bepalen of de sensor stabiel functioneert binnen een bepaald tijdsbereik. Factoren die leiden tot instabiliteit van de sensor zijn onder andere temperatuurdrift en interne spanningsontlading. Daarom is het nuttig om de temperatuurcompensatie en verouderingsbehandeling te verbeteren om de stabiliteit te verhogen.

Interpretatie 2: Stabiliteit kan worden onderverdeeld in stabiliteit op korte termijn en stabiliteit op lange termijn, afhankelijk van de lengte van de observatieperiode. Wanneer de observatietijd te kort is, liggen stabiliteit en herhaalbaarheid dicht bij elkaar. Daarom meet de stabiliteitsindex voornamelijk de stabiliteit op lange termijn. De specifieke tijdsduur wordt bepaald aan de hand van de gebruiksomgeving en de vereisten.

Interpretatie 3: Zowel absolute fouten als relatieve fouten kunnen worden gebruikt voor de kwantitatieve uitdrukking van de stabiliteitsindex. Een krachtsensor van het rektype heeft bijvoorbeeld een stabiliteit van 0,02%/12 uur.

5. Bemonsteringsfrequentie:

Definitie: De bemonsteringsfrequentie verwijst naar het aantal meetresultaten dat de sensor per tijdseenheid kan vastleggen.

Interpretatie 1: De bemonsteringsfrequentie is de belangrijkste indicator van de dynamische eigenschappen van de sensor en weerspiegelt het snelle reactievermogen van de sensor. De bemonsteringsfrequentie is een van de technische indicatoren waarmee volledig rekening moet worden gehouden bij snelle veranderingen in de meting. Volgens de wet van Shannon mag de bemonsteringsfrequentie van de sensor niet lager zijn dan tweemaal de veranderingsfrequentie van de gemeten waarde.

Interpretatie 2: Door het gebruik van verschillende frequenties varieert ook de nauwkeurigheid van de sensor. Over het algemeen geldt: hoe hoger de bemonsteringsfrequentie, hoe lager de meetnauwkeurigheid.

De hoogste nauwkeurigheid van de sensor wordt vaak bereikt bij de laagste bemonsteringsfrequentie of zelfs onder statische omstandigheden. Daarom moet bij de sensorselectie rekening worden gehouden met zowel precisie als snelheid.

Vijf ontwerptips voor sensoren

1. Begin met het busgereedschap

Als eerste stap moet de engineer de sensor eerst via een bustool aansluiten om de onbekende factoren te beperken. Een bustool verbindt een pc met de sensor via I2C, SPI of een ander protocol waarmee de sensor kan communiceren. Een pc-applicatie die gekoppeld is aan een bustool biedt een bekende en werkende bron voor het verzenden en ontvangen van gegevens, in plaats van een onbekende, niet-geauthenticeerde embedded microcontroller (MCU)-driver. Met behulp van de bustool kan de ontwikkelaar berichten verzenden en ontvangen om inzicht te krijgen in de werking van het onderdeel voordat hij of zij op embedded niveau aan de slag gaat.

2. Schrijf de code voor de transmissie-interface in Python.

Nadat de ontwikkelaar de sensoren van de bustool heeft uitgeprobeerd, is de volgende stap het schrijven van applicatiecode voor de sensoren. In plaats van direct over te stappen op microcontrollercode, is het raadzaam om applicatiecode in Python te schrijven. Veel bustools bieden plug-ins en voorbeeldcode aan voor het schrijven van scripts, waarbij Python doorgaans een van de talen is die beschikbaar zijn in .NET. Het schrijven van applicaties in Python is snel en eenvoudig en biedt een manier om sensoren te testen in applicaties die minder complex zijn dan testen in een embedded omgeving. Dankzij de code op hoog niveau kunnen ontwikkelaars zonder embedded expertise eenvoudig sensorscripts en -tests analyseren zonder de hulp van een embedded software engineer.

3. Test de sensor met Micro Python

Een van de voordelen van het schrijven van de eerste applicatiecode in Python is dat aanroepen naar de API (Application Programming Interface) van de bus eenvoudig kunnen worden vervangen door MicroPython. MicroPython draait in realtime embedded software, die veel sensoren bevat waarmee engineers de waarde ervan kunnen inschatten. MicroPython draait op een Cortex-M4-processor en is een goede omgeving om applicatiecode te debuggen. Het is niet alleen eenvoudig, maar het is ook niet nodig om I2C- of SPI-drivers te schrijven, aangezien deze al in de functiebibliotheek van MicroPython zijn opgenomen.

4. Gebruik de code van de sensorleverancier.

Zelfs als je voorbeeldcode van een sensorfabrikant kunt 'schrapen', zullen engineers veel moeite moeten doen om te begrijpen hoe de sensor werkt. Helaas zijn veel sensorleveranciers geen experts in het ontwerpen van embedded software, dus verwacht geen productieklaar voorbeeld van een prachtige architectuur en elegantie. Gebruik gewoon de code van de leverancier, leer hoe dit onderdeel werkt, en de frustratie van het herstructureren zal volgen totdat het netjes in de embedded software kan worden geïntegreerd. Het begint misschien als een wirwar, maar door gebruik te maken van de kennis van fabrikanten over hoe hun sensoren werken, kun je veel verloren weekenden voorkomen voordat het product wordt gelanceerd.

5. Gebruik een bibliotheek met sensorfusiefuncties

De kans is groot dat de transmissie-interface van de sensor niet nieuw is en nog niet eerder is gebruikt. Bekende bibliotheken met alle functies, zoals de "Sensor Fusion Function Library" die door veel chipfabrikanten wordt aangeboden, helpen ontwikkelaars snel te leren, of zelfs beter, en voorkomen dat ze de productarchitectuur steeds opnieuw moeten ontwikkelen of drastisch moeten aanpassen. Veel sensoren kunnen worden geïntegreerd in algemene typen of categorieën, en deze typen of categorieën maken de ontwikkeling van drivers mogelijk die, mits correct toegepast, bijna universeel of minder vaak herbruikbaar zijn. Zoek deze bibliotheken met sensorfusiefuncties op en leer hun sterke en zwakke punten kennen.

Bij de integratie van sensoren in embedded systemen zijn er veel manieren om de ontwerptijd te verkorten en het gebruiksgemak te verbeteren. Ontwikkelaars kunnen nooit de mist ingaan door aan het begin van het ontwerp, voordat ze sensoren in een systeem op een lager niveau integreren, vanuit een hoog abstractieniveau te leren hoe ze werken. Veel van de beschikbare bronnen helpen ontwikkelaars om direct aan de slag te gaan zonder helemaal opnieuw te hoeven beginnen.