Fem designfærdigheder og tekniske indikatorer for sensoren

Antallet af sensorer vokser over hele jordens overflade og i rummene omkring os og forsyner verden med data. Disse prisvenlige sensorer er drivkraften bag udviklingen af ​​Tingenes Internet og den digitale revolution, som vores samfund står over for, men det går ikke altid ligetil eller let at forbinde og få adgang til data fra sensorer. Denne artikel introducerer det tekniske indeks for sensorer, 5 designfærdigheder og OEM-virksomheder.

Først og fremmest er det tekniske indeks det objektive grundlag for at karakterisere et produkts ydeevne. Forstå de tekniske indikatorer, der hjælper med korrekt valg og brug af produktet. Sensorens tekniske indikatorer er opdelt i statiske indikatorer og dynamiske indikatorer. De statiske indikatorer undersøger primært sensorens ydeevne under statisk invarians, herunder opløsning, repeterbarhed, følsomhed, linearitet, returfejl, tærskelværdi, krybning, stabilitet osv. Dynamisk indeks undersøger primært sensorens ydeevne under hurtige ændringer, herunder frekvensrespons og trinrespons.

På grund af de mange tekniske indikatorer for sensoren beskrives forskellige data og litteratur fra forskellige vinkler, så forskellige mennesker har forskellige forståelser, og endda misforståelser og tvetydigheder. Med dette for øje fortolkes følgende flere hovedtekniske indikatorer for sensoren:

1, opløsning og opløsning:

Definition: Opløsning refererer til den mindste målte ændring, som en sensor kan registrere. Opløsning refererer til forholdet mellem opløsning og fuld skalaværdi.

Fortolkning 1: Opløsning er den mest grundlæggende indikator for en sensor. Den repræsenterer sensorens evne til at skelne de målte objekter. Sensorens andre tekniske specifikationer beskrives med hensyn til opløsning som minimumsenheden.

For sensorer og instrumenter med digitalt display bestemmer opløsningen det mindste antal cifre, der skal vises. For eksempel er opløsningen for en elektronisk digital skydelære 0,01 mm, og indikatorfejlen er ±0,02 mm.

Fortolkning 2: Opløsning er et absolut tal med enheder. For eksempel er opløsningen af ​​en temperatursensor 0,1 ℃, opløsningen af ​​en accelerationssensor er 0,1 g osv.

Fortolkning 3: Opløsning er et beslægtet og meget lignende koncept til opløsning, da begge repræsenterer en sensors opløsning i forhold til en måling.

Hovedforskellen er, at opløsningen udtrykkes som en procentdel af sensorens opløsning. Den er relativ og har ingen dimension. For eksempel er temperatursensorens opløsning 0,1 ℃, det fulde område er 500 ℃, og opløsningen er 0,1/500 = 0,02 %.

2. Gentagelsesnøjagtighed:

Definition: Sensorens repeterbarhed refererer til graden af ​​forskel mellem måleresultaterne, når målingen gentages flere gange i samme retning under de samme betingelser. Også kaldet gentagelsesfejl, reproduktionsfejl osv.

Fortolkning 1: En sensors repeterbarhed skal være forskellen mellem flere målinger opnået under de samme forhold. Hvis måleforholdene ændrer sig, forsvinder sammenligneligheden mellem måleresultaterne, hvilket ikke kan bruges som grundlag for vurdering af repeterbarhed.

Fortolkning 2: Sensorens repeterbarhed repræsenterer spredningen og tilfældigheden af ​​sensorens måleresultater. Årsagen til en sådan spredning og tilfældighed er, at der uundgåeligt eksisterer forskellige tilfældige forstyrrelser inden for og uden for sensoren, hvilket resulterer i, at sensorens endelige måleresultater viser karakteristika for tilfældige variabler.

Fortolkning 3: Standardafvigelsen for den stokastiske variabel kan bruges som et reproducerbart kvantitativt udtryk.

Fortolkning 4: Ved gentagne målinger kan der opnås en højere målenøjagtighed, hvis gennemsnittet af alle målinger tages som det endelige måleresultat. Standardafvigelsen for middelværdien er betydeligt mindre end standardafvigelsen for hver måling.

3. Linearitet:

Definition: Linearitet (Linearitet) refererer til afvigelsen af ​​sensorens input- og outputkurve fra den ideelle rette linje.

Fortolkning 1: Det ideelle forhold mellem sensorens input/output skal være lineært, og dens input/output-kurve skal være en lige linje (rød linje i figuren nedenfor).

Den faktiske sensor har dog mere eller mindre en række fejl, hvilket resulterer i, at den faktiske input- og outputkurve ikke er den ideelle rette linje, men en kurve (den grønne kurve i figuren nedenfor).

Linearitet er graden af ​​forskel mellem sensorens faktiske karakteristikkurve og offline-linjen, også kendt som ikke-linearitet eller ikke-lineær fejl.

Fortolkning 2: Da forskellen mellem sensorens faktiske karakteristikkurve og den ideelle linje er forskellig ved forskellige målestørrelser, anvendes forholdet mellem den maksimale værdi af forskellen og fuldområdeværdien ofte i fuldområdeområdet. Linearitet er naturligvis også en relativ størrelse.

Fortolkning 3: Da sensorens ideelle linje er ukendt i den generelle målesituation, kan den ikke opnås. Af denne grund anvendes ofte en kompromismetode, dvs. direkte brug af sensorens måleresultater til at beregne den tilpasningslinje, der er tæt på den ideelle linje. De specifikke beregningsmetoder omfatter slutpunktslinjemetoden, bedste linjemetoden, mindste kvadraters metode og så videre.

4. Stabilitet:

Definition: Stabilitet er en sensors evne til at opretholde sin ydeevne over en periode.

Fortolkning 1: Stabilitet er det primære indeks for at undersøge, om sensoren fungerer stabilt i et bestemt tidsinterval. Faktorer, der fører til sensorens ustabilitet, omfatter primært temperaturdrift og intern spændingsfrigivelse. Derfor er det nyttigt at øge temperaturkompensationen og ældningsbehandlingen for at forbedre stabiliteten.

Fortolkning 2: Stabilitet kan opdeles i kortsigtet stabilitet og langsigtet stabilitet i henhold til tidsperiodens længde. Når observationstiden er for kort, er stabiliteten og repeterbarheden tæt på hinanden. Derfor undersøger stabilitetsindekset primært den langsigtede stabilitet. Den specifikke tidsperiode bestemmes i henhold til brugen af ​​miljøet og kravene.

Fortolkning 3: Både absolut fejl og relativ fejl kan bruges til kvantitativt udtryk for stabilitetsindeks. For eksempel har en tøjningstype-kraftsensor en stabilitet på 0,02%/12t.

5. Samplingfrekvens:

Definition: Samplingfrekvens refererer til antallet af måleresultater, som sensoren kan sample pr. tidsenhed.

Fortolkning 1: Samplingfrekvensen er den vigtigste indikator for sensorens dynamiske egenskaber og afspejler sensorens hurtige reaktionsevne. Samplingfrekvensen er en af ​​de tekniske indikatorer, der skal tages fuldt ud i betragtning i tilfælde af hurtige måleændringer. I henhold til Shannons samplingslov bør sensorens samplingsfrekvens ikke være mindre end 2 gange ændringsfrekvensen for det målte.

Fortolkning 2: Ved brug af forskellige frekvenser varierer sensorens nøjagtighed også tilsvarende. Generelt set gælder det, at jo højere samplingsfrekvensen er, desto lavere er målenøjagtigheden.

Sensorens højeste nøjagtighed opnås ofte ved den laveste samplingshastighed eller endda under statiske forhold. Derfor skal præcision og hastighed tages i betragtning ved valg af sensor.

Fem designtips til sensorer

1. Start med busværktøjet

Som et første skridt bør ingeniøren først tilslutte sensoren via et busværktøj for at begrænse det ukendte. Et busværktøj forbinder en personlig computer (PC) og derefter til sensorens I2C, SPI eller anden protokol, der tillader sensoren at "tale". En pc-applikation tilknyttet et busværktøj, der leverer en kendt og fungerende kilde til at sende og modtage data, som ikke er en ukendt, uautoriseret indlejret mikrocontroller (MCU) driver. I forbindelse med busværktøjet kan udvikleren sende og modtage beskeder for at få en forståelse af, hvordan sektionen fungerer, før man forsøger at operere på det indlejrede niveau.

2. Skriv transmissionsgrænsefladekoden i Python

Når udvikleren har prøvet at bruge busværktøjets sensorer, er næste trin at skrive applikationskode til sensorerne. I stedet for at hoppe direkte til mikrocontrollerkode, skriv applikationskode i Python. Mange busværktøjer konfigurerer plugins og eksempelkode, når de skriver skrivescripts, hvilket Python normalt følger .NET, et af de sprog, der er tilgængelige i .net. Det er hurtigt og nemt at skrive applikationer i Python, og det giver en måde at teste sensorer i applikationer, der ikke er så komplekse som testning i et indlejret miljø. At have kode på højt niveau vil gøre det nemt for ikke-indlejrede ingeniører at udvinde sensorscripts og tests uden hjælp fra en indlejret softwareingeniør.

3. Test sensoren med Micro Python

En af fordelene ved at skrive den første applikationskode i Python er, at applikationskald til Bus-utility-applikationsprogrammeringsgrænsefladen (API) nemt kan udskiftes ved at kalde Micro Python. Micro Python kører i realtidsindlejret software, som har mange sensorer, som ingeniører kan bruge til at forstå dens værdi. Micro Python kører på en Cortex-M4-processor, og det er et godt miljø at debugge applikationskode fra. Det er ikke kun enkelt, der er heller ikke behov for at skrive I2C- eller SPI-drivere her, da de allerede er dækket i Micro Pythons funktionsbibliotek.

4. Brug sensorleverandørens kode

Enhver eksempelkode, der kan "scrapes" fra en sensorproducent, skal ingeniører gå langt for at forstå, hvordan sensoren fungerer. Desværre er mange sensorleverandører ikke eksperter i design af indlejret software, så forvent ikke at finde et produktionsklart eksempel på smuk arkitektur og elegance. Brug blot leverandørkoden, lær hvordan denne del fungerer, og frustrationen ved refactoring vil opstå, indtil den kan integreres rent i indlejret software. Det starter måske som "spaghetti", men at udnytte producenternes forståelse af, hvordan deres sensorer fungerer, vil hjælpe med at reducere mange ødelagte weekender, før produktet lanceres.

5. Brug et bibliotek med sensorfusionsfunktioner

Sensorens transmissionsgrænseflade er sandsynligvis ikke ny og har ikke været brugt før. Kendte biblioteker med alle funktioner, såsom "Sensor Fusion-funktionsbiblioteket", der leveres af mange chipproducenter, hjælper udviklere med at lære hurtigt, eller endda bedre, og undgå cyklussen med at genudvikle eller drastisk ændre produktarkitekturen. Mange sensorer kan integreres i generelle typer eller kategorier, og disse typer eller kategorier vil muliggøre en problemfri udvikling af drivere, der, hvis de håndteres korrekt, er næsten universelle eller mindre genanvendelige. Find disse biblioteker med sensorfusionsfunktioner, og lær deres styrker og svagheder.

Når sensorer integreres i indlejrede systemer, er der mange måder at forbedre designtiden og brugervenligheden på. Udviklere kan aldrig "gå galt i byen" ved at lære, hvordan sensorer fungerer fra et højt abstraktionsniveau i begyndelsen af ​​designet og før de integreres i et system på et lavere niveau. Mange af de ressourcer, der er tilgængelige i dag, vil hjælpe udviklere med at "komme i gang med det samme" uden at skulle starte forfra.