П'ять навичок проектування та технічні показники датчика

Кількість датчиків зростає на поверхні Землі та в навколишньому просторі, забезпечуючи світ даними. Ці доступні датчики є рушійною силою розвитку Інтернету речей та цифрової революції, з якою стикається наше суспільство, проте підключення та доступ до даних з датчиків не завжди відбувається просто чи легко. У цій статті буде представлено технічний покажчик датчиків, 5 навичок проектування та підприємства OEM.

Перш за все, технічний показник є об'єктивною основою для характеристики продуктивності продукту. Розуміння технічних показників допомагає у правильному виборі та використанні продукту. Технічні показники датчика поділяються на статичні та динамічні. Статичні показники в основному досліджують продуктивність датчика за умови статичної інваріантності, включаючи роздільну здатність, повторюваність, чутливість, лінійність, похибку відбиття, поріг, повзучість, стабільність тощо. Динамічний показник в основному досліджує продуктивність датчика за умов швидких змін, включаючи частотну характеристику та ступінчасту характеристику.

Через численні технічні показники датчика, різні дані та література описуються з різних точок зору, так що різні люди мають різне розуміння, а навіть непорозуміння та неоднозначність. З цією метою інтерпретуються наступні кілька основних технічних показників датчика:

1, роздільна здатність та роздільна здатність:

Визначення: Роздільна здатність – це найменша виміряна зміна, яку може виявити датчик. Роздільна здатність – це відношення роздільної здатності до значення повної шкали.

Інтерпретація 1: Роздільна здатність – це найбазовіший показник датчика. Вона відображає здатність датчика розрізняти вимірювані об'єкти. Інші технічні характеристики датчика описані з точки зору роздільної здатності як мінімальної одиниці вимірювання.

Для датчиків та приладів з цифровим дисплеєм роздільна здатність визначає мінімальну кількість цифр, що відображаються. Наприклад, роздільна здатність електронного цифрового штангенциркуля становить 0,01 мм, а похибка індикатора — ±0,02 мм.

Інтерпретація 2: Роздільна здатність – це абсолютне число з одиницями вимірювання. Наприклад, роздільна здатність датчика температури становить 0,1 ℃, роздільна здатність датчика прискорення – 0,1 g тощо.

Інтерпретація 3: Роздільна здатність – це пов’язане та дуже схоже поняття з роздільною здатністю, обидва поняття представляють роздільну здатність датчика для вимірювання.

Основна відмінність полягає в тому, що роздільна здатність виражається у відсотках від роздільної здатності датчика. Вона є відносною та не має розмірності. Наприклад, роздільна здатність датчика температури становить 0,1℃, повний діапазон — 500℃, роздільна здатність 0,1/500=0,02%.

2. Повторюваність:

Визначення: Повторюваність датчика стосується ступеня різниці між результатами вимірювання, коли вимірювання повторюється кілька разів в одному напрямку за однакових умов. Також називається помилкою повторення, помилкою відтворення тощо.

Інтерпретація 1: Повторюваність датчика має бути ступенем різниці між кількома вимірюваннями, отриманими за однакових умов. Якщо умови вимірювання змінюються, порівнянність між результатами вимірювань зникає, що не може бути основою для оцінки повторюваності.

Інтерпретація 2: Повторюваність датчика відображає дисперсію та випадковість результатів вимірювань датчика. Причиною такої дисперсії та випадковості є те, що всередині та зовні датчика неминуче існують різні випадкові збурення, в результаті чого кінцеві результати вимірювань датчика демонструють характеристики випадкових величин.

Інтерпретація 3: Стандартне відхилення випадкової величини може бути використане як відтворюваний кількісний вираз.

Інтерпретація 4: Для багаторазових повторних вимірювань вищу точність вимірювання можна отримати, якщо за кінцевий результат вимірювання прийняти середнє значення всіх вимірювань. Оскільки стандартне відхилення середнього значення значно менше, ніж стандартне відхилення кожного показника.

3. Лінійність:

Визначення: Лінійність (Linearity) – це відхилення кривої вхідного та вихідного сигналів датчика від ідеальної прямої лінії.

Інтерпретація 1: Ідеальна залежність вхід/вихід датчика має бути лінійною, а його крива вхід/вихід має бути прямою лінією (червона лінія на рисунку нижче).

Однак, фактичний датчик більш-менш має різноманітні похибки, в результаті чого фактична крива входу та виходу не є ідеальною прямою лінією, а є кривою (зелена крива на малюнку нижче).

Лінійність – це ступінь різниці між фактичною характеристикою датчика та лінією поза мережею, також відома як нелінійність або нелінійна похибка.

Інтерпретація 2: Оскільки різниця між фактичною характеристичною кривою датчика та ідеальною лінією різна при різних розмірах вимірювання, у повному діапазоні часто використовується відношення максимального значення різниці до значення повного діапазону. Очевидно, що лінійність також є відносною величиною.

Інтерпретація 3: Оскільки ідеальна лінія датчика невідома для загальної ситуації вимірювання, її неможливо отримати. З цієї причини часто застосовується компромісний метод, тобто безпосереднє використання результатів вимірювання датчика для розрахунку лінії підгонки, яка близька до ідеальної лінії. Конкретні методи розрахунку включають метод лінії кінцевої точки, метод найкращої лінії, метод найменших квадратів тощо.

4. Стабільність:

Визначення: Стабільність – це здатність датчика підтримувати свою працездатність протягом певного періоду часу.

Інтерпретація 1: Стабільність – це основний показник для дослідження стабільної роботи датчика в певному часовому діапазоні. Фактори, що призводять до нестабільності датчика, включають головним чином температурний дрейф та звільнення внутрішніх напружень. Тому корисно збільшити температурну компенсацію та обробку старіння для покращення стабільності.

Інтерпретація 2: Стабільність можна розділити на короткострокову та довгострокову стабільність залежно від тривалості періоду часу. Коли час спостереження занадто короткий, стабільність та повторюваність близькі. Тому індекс стабільності переважно досліджує довгострокову стабільність. Конкретна тривалість часу визначається залежно від використання середовища та вимог.

Інтерпретація 3: Для кількісного вираження показника стабільності можна використовувати як абсолютну, так і відносну похибку. Наприклад, датчик сили тензометричного типу має стабільність 0,02%/12 год.

5. Частота дискретизації:

Визначення: Частота дискретизації – це кількість результатів вимірювання, які датчик може дискретизувати за одиницю часу.

Інтерпретація 1: Частота дискретизації є найважливішим показником динамічних характеристик датчика, що відображає здатність датчика до швидкого реагування. Частота дискретизації є одним з технічних показників, який необхідно повністю враховувати у випадку швидкої зміни вимірювання. Згідно із законом Шеннона, частота дискретизації датчика не повинна бути меншою ніж у 2 рази перевищує частоту зміни вимірюваного значення.

Інтерпретація 2: З використанням різних частот точність датчика також відповідно змінюється. Загалом кажучи, чим вища частота дискретизації, тим нижча точність вимірювання.

Найвища точність датчика часто досягається за найнижчої швидкості дискретизації або навіть у статичних умовах. Тому при виборі датчика необхідно враховувати точність і швидкість.

П'ять порад щодо проектування датчиків

1. Почніть з інструменту шини

Як перший крок, інженер повинен застосувати підхід, спочатку підключивши датчик через шинний інструмент, щоб обмежити невідоме. Шинний інструмент підключається до персонального комп'ютера (ПК), а потім до I2C, SPI або іншого протоколу датчика, який дозволяє датчику "спілкуватися". ПК-додаток, пов'язаний з шинним інструментом, який забезпечує відоме та робоче джерело для надсилання та отримання даних, яке не є невідомим, неавтентифікованим драйвером вбудованого мікроконтролера (MCU). У контексті утиліти Bus розробник може надсилати та отримувати повідомлення, щоб зрозуміти, як працює розділ, перш ніж намагатися працювати на вбудованому рівні.

2. Напишіть код інтерфейсу передачі на Python

Після того, як розробник спробував використовувати датчики інструменту шини, наступним кроком є ​​написання коду програми для датчиків. Замість того, щоб переходити безпосередньо до коду мікроконтролера, пишіть код програми на Python. Багато утиліт шини налаштовують плагіни та зразки коду під час написання скриптів, чого зазвичай дотримується Python. NET - одна з мов, доступних у .NET. Написання програм на Python є швидким і простим, і це надає спосіб тестування датчиків у застосунках, які не такі складні, як тестування у вбудованому середовищі. Наявність високорівневого коду дозволить інженерам, які не займаються вбудованими системами, легко аналізувати скрипти та тести датчиків без допомоги інженера-програміста вбудованих систем.

3. Перевірте датчик за допомогою Micro Python

Одна з переваг написання першого коду програми на Python полягає в тому, що виклики програми до інтерфейсу програмування додатків (API) Bus-utility можна легко замінити, викликавши Micro Python. Micro Python працює у вбудованому програмному забезпеченні реального часу, яке має багато датчиків, щоб інженери могли зрозуміти його цінність. Micro Python працює на процесорі Cortex-M4, і це гарне середовище для налагодження коду програми. Це не тільки просто, але й немає потреби писати тут драйвери I2C або SPI, оскільки вони вже охоплені бібліотекою функцій Micro Python.

4. Використайте код постачальника датчика

Будь-який зразок коду, який можна «витягнути» у виробника датчика, інженерам доведеться пройти довгий шлях, щоб зрозуміти, як працює датчик. На жаль, багато постачальників датчиків не є експертами в розробці вбудованого програмного забезпечення, тому не сподівайтеся знайти готовий до виробництва приклад красивої архітектури та елегантності. Просто використовуйте код постачальника, дізнайтеся, як працює ця частина, і розчарування від рефакторингу виникатиме, доки його не можна буде чисто інтегрувати у вбудоване програмне забезпечення. Це може початися як «спагетті», але використання розуміння виробниками того, як працюють їхні датчики, допоможе скоротити кількість зіпсованих вихідних до запуску продукту.

5. Використовуйте бібліотеку функцій об'єднання датчиків

Цілком ймовірно, що інтерфейс передачі даних датчика не є новим і раніше не використовувався. Відомі бібліотеки всіх функцій, такі як «Бібліотека функцій об'єднання датчиків», що надається багатьма виробниками мікросхем, допомагають розробникам швидко, або навіть краще, навчатися, та уникати циклу переробки або кардинальної зміни архітектури продукту. Багато датчиків можна інтегрувати в загальні типи або категорії, і ці типи або категорії забезпечать безперебійну розробку драйверів, які, за умови правильного використання, є майже універсальними або менш придатними для повторного використання. Знайдіть ці бібліотеки функцій об'єднання датчиків та вивчіть їхні сильні та слабкі сторони.

Коли датчики інтегруються у вбудовані системи, існує багато способів допомогти скоротити час проектування та спростити використання. Розробники ніколи не помиляться, вивчаючи, як працюють датчики, з високого рівня абстракції на початку проектування та перед тим, як інтегрувати їх у систему нижчого рівня. Багато доступних сьогодні ресурсів допоможуть розробникам «відразу почати роботу», не починаючи з нуля.