Пять проектных навыков и технических показателей датчика

Количество датчиков стремительно растет по всей поверхности Земли и в окружающем нас космическом пространстве, предоставляя миру данные. Эти доступные по цене датчики являются движущей силой развития Интернета вещей и цифровой революции, с которой сталкивается наше общество, однако подключение и доступ к данным с датчиков не всегда происходит быстро и легко. В данной статье будут представлены технические показатели датчиков, 5 навыков проектирования и предприятия-производители оригинального оборудования (OEM).

Прежде всего, технический показатель является объективной основой для характеристики характеристик продукта. Понимание технических показателей помогает правильно выбрать и использовать продукт. Технические показатели датчика делятся на статические и динамические. Статические показатели в основном оценивают характеристики датчика в условиях статической инвариантности, включая разрешение, повторяемость, чувствительность, линейность, ошибку возврата, пороговое значение, ползучесть, стабильность и т. д. Динамические показатели в основном оценивают характеристики датчика в условиях быстрого изменения, включая частотную характеристику и переходную характеристику.

В связи с многочисленными техническими показателями датчика, различные данные и литература описываются с разных точек зрения, что приводит к различным представлениям, а иногда и к недопониманию и неоднозначности. В связи с этим, ниже приводится интерпретация нескольких основных технических показателей датчика:

1. Разрешение и разрешение:

Определение: Разрешение — это наименьшее измеренное изменение, которое может обнаружить датчик. Разрешение — это отношение разрешения к значению полной шкалы.

Интерпретация 1: Разрешение — это наиболее основной показатель датчика. Оно отражает способность датчика различать измеряемые объекты. Другие технические характеристики датчика описываются с помощью разрешения как минимальной единицы измерения.

Для датчиков и приборов с цифровым дисплеем разрешение определяет минимальное количество отображаемых цифр. Например, разрешение электронного цифрового штангенциркуля составляет 0,01 мм, а погрешность индикации — ±0,02 мм.

Интерпретация 2: Разрешение — это абсолютное число с единицами измерения. Например, разрешение датчика температуры составляет 0,1 ℃, разрешение акселерометра — 0,1 g и т. д.

Интерпретация 3: Разрешение — это связанное и очень похожее понятие на разрешение, оба представляют собой разрешение датчика при измерении.

Основное отличие заключается в том, что разрешение выражается в процентах от разрешения датчика. Оно относительно и не имеет размерности. Например, разрешение датчика температуры составляет 0,1 ℃, полный диапазон — 500 ℃, разрешение равно 0,1/500 = 0,02%.

2. Повторяемость:

Определение: Повторяемость датчика — это степень расхождения между результатами измерений при многократном повторении измерения в одном и том же направлении в одинаковых условиях. Также называется ошибкой повторения, ошибкой воспроизведения и т. д.

Интерпретация 1: Повторяемость датчика определяется степенью различия между несколькими измерениями, полученными в одинаковых условиях. Если условия измерения изменяются, сопоставимость результатов измерений исчезает, и это не может служить основанием для оценки повторяемости.

Интерпретация 2: Повторяемость датчика отражает дисперсию и случайность результатов измерений датчика. Причиной такой дисперсии и случайности является неизбежное наличие различных случайных возмущений внутри и вне датчика, в результате чего конечные результаты измерений датчика демонстрируют характеристики случайных величин.

Интерпретация 3: Стандартное отклонение случайной величины может использоваться в качестве воспроизводимого количественного выражения.

Интерпретация 4: При многократных повторных измерениях более высокая точность измерения может быть достигнута, если в качестве окончательного результата измерения взять среднее значение всех измерений. Это связано с тем, что стандартное отклонение среднего значения значительно меньше стандартного отклонения каждого измерения в отдельности.

3. Линейность:

Определение: Линейность (Linearity) — это отклонение кривой входного и выходного сигнала датчика от идеальной прямой линии.

Интерпретация 1: Идеальная зависимость входного/выходного сигнала датчика должна быть линейной, а кривая входного/выходного сигнала должна представлять собой прямую линию (красная линия на рисунке ниже).

Однако реальный датчик в той или иной степени имеет ряд погрешностей, в результате чего фактическая кривая входных и выходных данных представляет собой не идеальную прямую линию, а кривую (зеленая кривая на рисунке ниже).

Линейность — это степень расхождения между фактической характеристической кривой датчика и линией, полученной вне линии измерения, также известная как нелинейность или нелинейная ошибка.

Интерпретация 2: Поскольку разница между фактической характеристической кривой датчика и идеальной линией различна при разных размерах измерения, в диапазоне измерений часто используется отношение максимального значения разницы к значению во всем диапазоне. Очевидно, что линейность также является относительной величиной.

Интерпретация 3: Поскольку идеальная линия датчика неизвестна в обычных условиях измерения, ее невозможно получить. По этой причине часто используется компромиссный метод, а именно, прямое использование результатов измерений датчика для расчета линии аппроксимации, близкой к идеальной линии. Конкретные методы расчета включают метод конечной точки, метод наилучшей линии, метод наименьших квадратов и так далее.

4. Стабильность:

Определение: Стабильность — это способность датчика сохранять свои рабочие характеристики в течение определенного периода времени.

Интерпретация 1: Стабильность является основным показателем для оценки работоспособности датчика в определенном временном диапазоне. Факторы, приводящие к нестабильности датчика, в основном включают температурный дрейф и снятие внутренних напряжений. Поэтому для повышения стабильности целесообразно увеличить температурную компенсацию и провести старение.

Интерпретация 2: Стабильность можно разделить на краткосрочную и долгосрочную в зависимости от длительности периода наблюдения. Когда период наблюдения слишком короткий, стабильность и повторяемость близки. Поэтому показатель стабильности в основном оценивает долгосрочную стабильность. Конкретная длительность периода определяется в зависимости от условий эксплуатации и требований.

Интерпретация 3: Для количественного выражения индекса стабильности можно использовать как абсолютную, так и относительную погрешность. Например, датчик силы тензометрического типа имеет стабильность 0,02%/12 ч.

5. Частота выборки:

Определение: Частота дискретизации — это количество результатов измерений, которые датчик может получить за единицу времени.

Интерпретация 1: Частота дискретизации является наиболее важным показателем динамических характеристик датчика, отражающим его способность к быстрому реагированию. Частота дискретизации — один из технических показателей, который необходимо в полной мере учитывать в случае быстрого изменения измеряемых параметров. Согласно закону дискретизации Шеннона, частота дискретизации датчика не должна быть меньше, чем в 2 раза превышающая частоту изменения измеряемых параметров.

Интерпретация 2: При использовании разных частот точность датчика также соответственно меняется. В целом, чем выше частота дискретизации, тем ниже точность измерения.

Наивысшая точность датчика часто достигается при самой низкой скорости дискретизации или даже в статических условиях. Поэтому при выборе датчика необходимо учитывать точность и скорость.

Пять советов по проектированию датчиков

1. Начните с инструмента "Шина".

В качестве первого шага инженеру следует сначала подключить датчик через шинный инструмент, чтобы ограничить количество неизвестных параметров. Шинный инструмент подключает персональный компьютер (ПК) к интерфейсу I2C, SPI или другому протоколу датчика, который позволяет датчику «общаться». Приложение для ПК, связанное с шинным инструментом, предоставляет известный и работающий источник для отправки и получения данных, который не является неизвестным, неаутентифицированным драйвером встроенного микроконтроллера (MCU). В контексте утилиты «Шина» разработчик может отправлять и получать сообщения, чтобы понять, как работает данный раздел, прежде чем пытаться работать на встроенном уровне.

2. Напишите код интерфейса передачи данных на языке Python.

После того, как разработчик попробовал использовать датчики инструмента шины, следующим шагом является написание кода приложения для этих датчиков. Вместо того, чтобы сразу переходить к коду микроконтроллера, напишите код приложения на Python. Многие утилиты шины настраивают плагины и примеры кода при написании скриптов, чему обычно следует Python. .NET — один из языков, доступных в .NET. Написание приложений на Python быстро и легко, и это предоставляет способ тестирования датчиков в приложениях, которые не так сложны, как тестирование во встроенной среде. Наличие высокоуровневого кода упростит для инженеров, не работающих со встроенными системами, поиск скриптов и тестов для датчиков без необходимости вмешательства инженера по встроенному программному обеспечению.

3. Проверьте работу датчика с помощью Micro Python.

Одно из преимуществ написания первого прикладного кода на Python заключается в том, что вызовы API приложения Bus-utility можно легко заменить вызовами Micro Python. Micro Python работает в среде разработки встроенного программного обеспечения реального времени, которая включает множество датчиков, позволяющих инженерам оценивать их значение. Micro Python работает на процессоре Cortex-M4, что делает его удобной средой для отладки прикладного кода. Кроме того, здесь нет необходимости писать драйверы I2C или SPI, поскольку они уже реализованы в библиотеке функций Micro Python.

4. Используйте код поставщика датчика.

Любой пример кода, который можно «собрать» у производителя датчиков, потребует от инженеров значительных усилий для понимания принципа работы датчика. К сожалению, многие поставщики датчиков не являются экспертами в разработке встроенного программного обеспечения, поэтому не стоит ожидать найти готовый к производству пример красивой архитектуры и элегантности. Просто используйте код поставщика, изучите, как работает эта часть, и разочарование от рефакторинга возникнет только тогда, когда ее можно будет аккуратно интегрировать во встроенное программное обеспечение. Поначалу это может выглядеть как «спагетти-код», но понимание производителями принципов работы своих датчиков поможет сократить количество испорченных выходных перед запуском продукта.

5. Используйте библиотеку функций для объединения данных с датчиков.

Вполне вероятно, что интерфейс передачи данных датчика не является новым и ранее не использовался. Известные библиотеки всех функций, такие как «Библиотека функций слияния данных с датчиков», предоставляемая многими производителями микросхем, помогают разработчикам быстро, а то и лучше, избежать цикла перепроектирования или кардинальной модификации архитектуры продукта. Многие датчики могут быть объединены в общие типы или категории, и эти типы или категории обеспечат беспроблемную разработку драйверов, которые при правильном подходе практически универсальны или менее пригодны для повторного использования. Найдите эти библиотеки функций слияния данных с датчиков и изучите их сильные и слабые стороны.

При интеграции датчиков во встроенные системы существует множество способов сократить время проектирования и упростить использование. Разработчики никогда не ошибутся, если на начальном этапе проектирования, до интеграции датчиков в систему более низкого уровня, изучат принцип их работы на высоком уровне абстракции. Многие из доступных сегодня ресурсов помогут разработчикам «сразу же приступить к работе», не начиная с нуля.