Az érzékelő öt tervezési készsége és műszaki mutatója

A Föld felszínén és a körülöttünk lévő terekben egyre több érzékelő található, amelyek adatokkal látják el a világot. Ezek a megfizethető árú érzékelők a dolgok internetének (IoT) fejlődésének és a társadalmunk előtt álló digitális forradalomnak a mozgatórugói, mégis az érzékelők adatainak összekapcsolása és az azokból származó adatokhoz való hozzáférés nem mindig megy zökkenőmentesen vagy könnyen. Ez a tanulmány bemutatja az érzékelők technikai indexét, 5 tervezési készséget és az OEM-vállalatokat.

Először is, a műszaki index objektív alap a termék teljesítményének jellemzésére. A műszaki mutatók megértése segít a termék helyes kiválasztásában és használatában. Az érzékelő műszaki mutatói statikus és dinamikus mutatókra oszthatók. A statikus mutatók elsősorban az érzékelő teljesítményét vizsgálják statikus invariancia mellett, beleértve a felbontást, az ismételhetőséget, az érzékenységet, a linearitást, a visszatérési hibát, a küszöbértéket, a kúszást, a stabilitást és így tovább. A dinamikus index elsősorban az érzékelő teljesítményét vizsgálja gyors változás mellett, beleértve a frekvenciaválaszt és az ugrásválaszt.

Az érzékelő számos műszaki mutatója miatt a különféle adatokat és szakirodalmi anyagokat különböző nézőpontokból írják le, így a különböző emberek eltérő értelmezésekkel, sőt félreértésekkel és kétértelműségekkel is szembesülhetnek. Ennek érdekében az érzékelő következő néhány fő műszaki mutatóját értelmezzük:

1, felbontás és felbontás:

Definíció: A felbontás a legkisebb mért változást jelenti, amelyet egy érzékelő képes érzékelni. A felbontás a felbontás és a teljes skálaérték aránya.

1. értelmezés: A felbontás az érzékelő legalapvetőbb mutatója. Az érzékelő azon képességét jelöli, hogy megkülönböztesse a mért objektumokat. Az érzékelő egyéb műszaki adatait a felbontásban, mint minimális egységben írják le.

Digitális kijelzővel rendelkező érzékelők és műszerek esetében a felbontás határozza meg a megjelenítendő számjegyek minimális számát. Például egy elektronikus digitális tolómérő felbontása 0,01 mm, a kijelző hibája pedig ±0,02 mm.

2. értelmezés: A felbontás egy abszolút szám mértékegységekkel. Például egy hőmérséklet-érzékelő felbontása 0,1 ℃, egy gyorsulásérzékelő felbontása 0,1 g stb.

3. értelmezés: A felbontás egy kapcsolódó és nagyon hasonló fogalom a felbontáshoz, mindkettő egy érzékelő felbontását jelenti egy méréshez képest.

A fő különbség az, hogy a felbontást az érzékelő felbontásának százalékában fejezik ki. Relatív és nincs dimenziója. Például a hőmérséklet-érzékelő felbontása 0,1 ℃, a teljes tartomány 500 ℃, a felbontás 0,1/500 = 0,02%.

2. Ismételhetőség:

Definíció: Az érzékelő ismételhetősége a mérési eredmények közötti különbség mértékére utal, amikor a mérést többször megismétlik ugyanabban az irányban, azonos feltételek mellett. Más néven ismétlési hiba, reprodukciós hiba stb.

1. értelmezés: Egy érzékelő ismételhetősége az azonos körülmények között végzett többszörös mérések közötti különbség mértéke. Ha a mérési körülmények megváltoznak, a mérési eredmények összehasonlíthatósága megszűnik, ami nem használható az ismételhetőség értékelésének alapjául.

2. értelmezés: Az érzékelő ismételhetősége az érzékelő mérési eredményeinek szórását és véletlenszerűségét jelenti. Az ilyen szórás és véletlenszerűség oka az, hogy az érzékelőn belül és kívül elkerülhetetlenül különféle véletlenszerű zavarok léteznek, aminek eredményeként az érzékelő végső mérési eredményei a véletlen változók jellemzőit mutatják.

3. értelmezés: A véletlen változó szórása reprodukálható mennyiségi kifejezésként használható.

4. értelmezés: Többször ismételt mérések esetén nagyobb mérési pontosság érhető el, ha az összes mérés átlagát vesszük végső mérési eredményként. Mivel az átlag szórása jelentősen kisebb, mint az egyes mérések szórása.

3. Linearitás:

Definíció: A linearitás (linearitás) az érzékelő bemeneti és kimeneti görbéjének az ideális egyenestől való eltérését jelenti.

1. értelmezés: Az ideális érzékelő bemeneti/kimeneti kapcsolatának lineárisnak kell lennie, és a bemeneti/kimeneti görbéjének egyenes vonalúnak kell lennie (piros vonal az alábbi ábrán).

A tényleges érzékelő azonban többé-kevésbé különféle hibákkal rendelkezik, aminek eredményeként a tényleges bemeneti és kimeneti görbe nem az ideális egyenes, hanem egy görbe (a zöld görbe az alábbi ábrán).

A linearitás az érzékelő tényleges jelleggörbéje és az offline vonal közötti különbség mértéke, más néven nemlinearitás vagy nemlineáris hiba.

2. értelmezés: Mivel az érzékelő tényleges jelleggörbéje és az ideális vonal közötti különbség a mérés különböző méreteinél eltérő, a teljes tartományban gyakran a különbség maximális értékének és a teljes tartomány értékének arányát használják. Nyilvánvaló, hogy a linearitás is relatív mennyiség.

3. értelmezés: Mivel az érzékelő ideális vonala az általános mérési helyzetben ismeretlen, azt nem lehet meghatározni. Emiatt gyakran kompromisszumos módszert alkalmaznak, azaz közvetlenül az érzékelő mérési eredményeit használják fel az ideális vonalhoz közeli illeszkedési vonal kiszámításához. A konkrét számítási módszerek közé tartozik a végpontvonal módszere, a legjobb vonal módszere, a legkisebb négyzetek módszere és így tovább.

4. Stabilitás:

Definíció: A stabilitás az érzékelő azon képessége, hogy egy adott időtartamon keresztül fenntartsa teljesítményét.

1. értelmezés: A stabilitás a fő index annak vizsgálatára, hogy az érzékelő stabilan működik-e egy bizonyos időtartományban. Az érzékelő instabilitásához vezető tényezők főként a hőmérséklet-eltolódás és a belső feszültségfelszabadulás. Ezért hasznos a hőmérséklet-kompenzáció és az öregedési kezelés növelése a stabilitás javítása érdekében.

2. értelmezés: A stabilitás az időtartam hossza szerint rövid és hosszú távú stabilitásra osztható. Ha a megfigyelési idő túl rövid, a stabilitás és az ismételhetőség közel áll egymáshoz. Ezért a stabilitási index elsősorban a hosszú távú stabilitást vizsgálja. A konkrét időtartamot a környezet felhasználása és a követelmények határozzák meg.

3. értelmezés: Mind az abszolút hiba, mind a relatív hiba használható a stabilitási index kvantitatív kifejezésére. Például egy alakváltozási típusú erőérzékelő stabilitása 0,02%/12 óra.

5. Mintavételi gyakoriság:

Definíció: A mintavételi gyakoriság az érzékelő által időegység alatt mintavételezni képes mérési eredmények számát jelenti.

1. értelmezés: A mintavételi frekvencia az érzékelő dinamikus jellemzőinek legfontosabb mutatója, amely az érzékelő gyors reagálási képességét tükrözi. A mintavételi frekvencia az egyik olyan műszaki mutató, amelyet teljes mértékben figyelembe kell venni a mérés gyors változása esetén. Shannon mintavételi törvénye szerint az érzékelő mintavételi frekvenciája nem lehet kevesebb, mint a mért érték változási frekvenciájának kétszerese.

2. értelmezés: Különböző frekvenciák használatával az érzékelő pontossága is ennek megfelelően változik. Általánosságban elmondható, hogy minél magasabb a mintavételi frekvencia, annál alacsonyabb a mérési pontosság.

Az érzékelő legnagyobb pontosságát gyakran a legalacsonyabb mintavételi sebességnél vagy akár statikus körülmények között éri el. Ezért az érzékelő kiválasztásánál figyelembe kell venni a pontosságot és a sebességet.

Öt tervezési tipp érzékelőkhöz

1. Kezdje a busz eszközzel

Első lépésként a mérnöknek először egy buszeszközön keresztül kell csatlakoztatnia az érzékelőt az ismeretlen korlátozása érdekében. Egy buszeszköz egy személyi számítógépet (PC) csatlakoztat, majd az érzékelő I2C, SPI vagy más protokolljához, amely lehetővé teszi az érzékelő „beszélgetését”. Egy buszeszközhöz társított PC-alkalmazás, amely ismert és működő forrást biztosít az adatok küldéséhez és fogadásához, és amely nem ismeretlen, nem hitelesített beágyazott mikrovezérlő (MCU) illesztőprogram. A busz segédprogram kontextusában a fejlesztő üzeneteket küldhet és fogadhat, hogy megértse a szakasz működését, mielőtt megpróbálna a beágyazott szinten működni.

2. Írd meg az átviteli interfész kódját Pythonban

Miután a fejlesztő kipróbálta a buszeszköz érzékelőinek használatát, a következő lépés az érzékelők alkalmazáskódjának megírása. Ahelyett, hogy közvetlenül a mikrokontroller kódjára ugrana, írjon alkalmazáskódot Pythonban. Számos busz segédprogram beépülő modulokat és mintakódot konfigurál szkriptek írásakor, amelyeket a Python általában követ. A .net egyik elérhető nyelve. Az alkalmazások Pythonban írása gyors és egyszerű, és lehetőséget biztosít az érzékelők tesztelésére olyan alkalmazásokban, amelyek nem olyan összetettek, mint a beágyazott környezetben történő tesztelés. A magas szintű kód megléte megkönnyíti a nem beágyazott mérnökök számára az érzékelő szkriptek és tesztek bányászását egy beágyazott szoftvermérnök gondja nélkül.

3. Tesztelje az érzékelőt Micro Pythonnal

Az első alkalmazáskód Pythonban történő megírásának egyik előnye, hogy a Bus-utility alkalmazásprogramozási felületre (API) irányuló alkalmazáshívások könnyen lecserélhetők a Micro Python meghívásával. A Micro Python valós idejű beágyazott szoftverben fut, amely számos érzékelővel rendelkezik, hogy a mérnökök megértsék az értékét. A Micro Python egy Cortex-M4 processzoron fut, és jó környezetet biztosít az alkalmazáskód hibakereséséhez. Nemcsak egyszerű, de nincs szükség I2C vagy SPI illesztőprogramok írására sem, mivel ezek már szerepelnek a Micro Python függvénykönyvtárában.

4. Használja az érzékelő szállítói kódját

Bármely érzékelőgyártótól „lemásolható” mintakód esetében a mérnököknek hosszú utat kell megtenniük, hogy megértsék az érzékelő működését. Sajnos sok érzékelőgyártó nem szakértő a beágyazott szoftverek tervezésében, ezért ne számítsunk arra, hogy egy gyártásra kész példát találunk a gyönyörű architektúrára és az eleganciára. Csak használjuk a gyártói kódot, tanuljuk meg, hogyan működik ez a rész, és a refaktorálás frusztrációja addig fog felmerülni, amíg az tisztán integrálható a beágyazott szoftverbe. Lehet, hogy „spagettiként” indul, de a gyártók érzékelőik működésével kapcsolatos ismereteinek kihasználása segít csökkenteni a tönkretett hétvégék számát a termék piacra dobása előtt.

5. Használjon érzékelőfúziós függvények könyvtárát

Valószínű, hogy az érzékelő átviteli interfésze nem új, és korábban még nem készült ilyet. Az összes függvény ismert könyvtárai, mint például a sok chipgyártó által biztosított „Sensor Fusion function Library”, segítenek a fejlesztőknek gyorsan, vagy akár jobban tanulni, és elkerülni a termékarchitektúra újrafejlesztésének vagy drasztikus módosításának ciklusát. Számos érzékelő integrálható általános típusokba vagy kategóriákba, és ezek a típusok vagy kategóriák lehetővé teszik az illesztőprogramok zökkenőmentes fejlesztését, amelyek megfelelő kezelés esetén szinte univerzálisak vagy kevésbé újrafelhasználhatók. Keresse meg ezeket az érzékelőfúziós függvénykönyvtárakat, és ismerje meg erősségeiket és gyengeségeiket.

Amikor az érzékelőket beágyazott rendszerekbe integrálják, számos módja van a tervezési idő javításának és a használat egyszerűsítésének. A fejlesztők soha nem „tévedhetnek”, ha a tervezés elején, még az alacsonyabb szintű rendszerbe való integrálás előtt megtanulják, hogyan működnek az érzékelők egy magas absztrakciós szinten. A ma elérhető források közül sok segíthet a fejlesztőknek abban, hogy „a nulláról” kezdjék a munkát.