Viisi anturin suunnitteluosaamista ja teknistä indikaattoria

Antureiden määrä lisääntyy maapallon pinnalla ja ympärillämme olevissa tiloissa, ja ne tarjoavat maailmalle dataa. Nämä edulliset anturit ovat esineiden internetin kehityksen ja yhteiskuntamme kohtaaman digitaalisen vallankumouksen liikkeellepaneva voima, mutta antureiden datan yhdistäminen ja käyttö ei aina ole suoraviivaista tai helppoa. Tässä artikkelissa esitellään antureiden tekninen indeksi, viisi suunnittelutaitoa ja OEM-yritykset.

Ensinnäkin tekninen indeksi on objektiivinen perusta tuotteen suorituskyvyn kuvaamiseen. Teknisten indikaattoreiden ymmärtäminen auttaa tuotteen oikeassa valinnassa ja käytössä. Anturin tekniset indikaattorit jaetaan staattisiin indikaattoreihin ja dynaamisiin indikaattoreihin. Staattiset indikaattorit tarkastelevat pääasiassa anturin suorituskykyä staattisen muuttumattomuuden olosuhteissa, mukaan lukien resoluutio, toistettavuus, herkkyys, lineaarisuus, paluuvirhe, kynnysarvo, viruminen, stabiilius ja niin edelleen. Dynaaminen indeksi tarkastelee pääasiassa anturin suorituskykyä nopean muutoksen olosuhteissa, mukaan lukien taajuusvaste ja askelvaste.

Anturin lukuisten teknisten indikaattoreiden vuoksi erilaisia ​​tietoja ja kirjallisuutta kuvataan eri näkökulmista, joten eri ihmisillä on erilaisia ​​​​ymmärryksiä ja jopa väärinkäsityksiä ja epäselvyyksiä. Tätä varten tulkitaan seuraavat anturin tärkeimmät tekniset indikaattorit:

1, resoluutio ja resoluutio:

Määritelmä: Resoluutio viittaa pienimpään mitattuun muutokseen, jonka anturi pystyy havaitsemaan. Resoluutio viittaa resoluution ja täyden asteikon arvon suhteeseen.

Tulkinta 1: Resoluutio on anturin perusindikaattori. Se kuvaa anturin kykyä erottaa mitatut kohteet. Anturin muut tekniset tiedot on kuvattu resoluution avulla vähimmäisyksikkönä.

Digitaalinäytöllä varustetuissa antureissa ja instrumenteissa resoluutio määrittää näytettävien numeroiden vähimmäismäärän. Esimerkiksi elektronisen digitaalisen paksuusmittarin resoluutio on 0,01 mm ja indikaattorin virhe on ±0,02 mm.

Tulkinta 2: Resoluutio on absoluuttinen luku yksiköillä. Esimerkiksi lämpötila-anturin resoluutio on 0,1 ℃, kiihtyvyysanturin resoluutio on 0,1 g jne.

Tulkinta 3: Resoluutio on resoluutioon liittyvä ja hyvin samankaltainen käsite, jotka molemmat edustavat anturin resoluutiota mittaukseen nähden.

Tärkein ero on, että resoluutio ilmaistaan ​​prosentteina anturin resoluutiosta. Se on suhteellinen eikä sillä ole dimensiota. Esimerkiksi lämpötila-anturin resoluutio on 0,1 ℃, koko alue on 500 ℃, resoluutio on 0,1/500 = 0,02 %.

2. Toistettavuus:

Määritelmä: Anturin toistettavuus viittaa mittaustulosten eroavaisuuteen, kun mittaus toistetaan useita kertoja samaan suuntaan samoissa olosuhteissa. Kutsutaan myös toistovirheeksi, lisääntymisvirheeksi jne.

Tulkinta 1: Anturin toistettavuuden on oltava useiden samoissa olosuhteissa saatujen mittausten välinen ero. Jos mittausolosuhteet muuttuvat, mittaustulosten vertailukelpoisuus katoaa, eikä sitä voida käyttää toistettavuuden arvioinnin perustana.

Tulkinta 2: Anturin toistettavuus kuvaa anturin mittaustulosten hajontaa ja satunnaisuutta. Tällaisen hajonnan ja satunnaisuuden syynä on se, että anturin sisällä ja ulkopuolella on väistämättä erilaisia ​​satunnaisia ​​häiriöitä, jotka johtavat siihen, että anturin lopulliset mittaustulokset osoittavat satunnaismuuttujien ominaisuuksia.

Tulkinta 3: Satunnaismuuttujan keskihajontaa voidaan käyttää toistettavana kvantitatiivisena lausekkeena.

Tulkinta 4: Useissa toistetuissa mittauksissa voidaan saavuttaa suurempi mittaustarkkuus, jos kaikkien mittausten keskiarvo otetaan lopulliseksi mittaustulokseksi. Koska keskiarvon keskihajonta on merkittävästi pienempi kuin kunkin mittauksen keskihajonta.

3. Lineaarisuus:

Määritelmä: Lineaarisuus (Lineaarisuus) viittaa anturin tulo- ja lähtökäyrän poikkeamaan ihanteellisesta suorasta viivasta.

Tulkinta 1: Ihanteellisen anturin tulo-/lähtösuhteen tulisi olla lineaarinen ja sen tulo-/lähtökäyrän tulisi olla suora viiva (punainen viiva alla olevassa kuvassa).

Varsinaisessa anturissa on kuitenkin enemmän tai vähemmän erilaisia ​​virheitä, minkä seurauksena todellinen tulo- ja lähtökäyrä ei ole ihanteellinen suora viiva, vaan käyrä (vihreä käyrä alla olevassa kuvassa).

Lineaarisuus on anturin todellisen ominaiskäyrän ja offline-linjan välinen ero, joka tunnetaan myös epälineaarisuutena tai epälineaarisena virheenä.

Tulkinta 2: Koska anturin todellisen ominaiskäyrän ja ihanteellisen viivan välinen ero on erilainen eri mittauskoilla, koko mittausalueella käytetään usein erotuksen maksimiarvon suhdetta koko mittausalueen arvoon. Lineaarisuus on luonnollisesti myös suhteellinen suure.

Tulkinta 3: Koska anturin ihanteellinen viiva on yleisessä mittaustilanteessa tuntematon, sitä ei voida saada. Tästä syystä käytetään usein kompromissimenetelmää, eli anturin mittaustulosten perusteella lasketaan sovitusviiva, joka on lähellä ihanteellista viivaa. Erityisiä laskentamenetelmiä ovat päätepisteviivan menetelmä, parhaan viivan menetelmä, pienimmän neliösumman menetelmä ja niin edelleen.

4. Vakaus:

Määritelmä: Stabiilisuus on anturin kyky säilyttää suorituskykynsä tietyn ajanjakson ajan.

Tulkinta 1: Stabiilisuus on tärkein mittari, jolla tutkitaan, toimiiko anturi vakaasti tietyllä aikavälillä. Anturin epävakauteen johtavia tekijöitä ovat pääasiassa lämpötilan vaihtelu ja sisäisen jännityksen vapautuminen. Siksi on hyödyllistä lisätä lämpötilakompensaatiota ja vanhentamiskäsittelyä vakauden parantamiseksi.

Tulkinta 2: Stabiilisuus voidaan jakaa lyhytaikaiseen ja pitkäaikaiseen stabiilisuuteen ajanjakson pituuden mukaan. Kun havaintoaika on liian lyhyt, stabiilius ja toistettavuus ovat lähellä toisiaan. Siksi stabiiliusindeksi tarkastelee pääasiassa pitkän aikavälin stabiilisuutta. Tarkka ajanjakson pituus määritetään ympäristön käytön ja vaatimusten mukaan.

Tulkinta 3: Sekä absoluuttista että suhteellista virhettä voidaan käyttää stabiiliusindeksin kvantitatiiviseen ilmaisemiseen. Esimerkiksi venymätyyppisen voima-anturin stabiilius on 0,02 %/12 h.

5. Näytteenottotaajuus:

Määritelmä: Näytteenottotaajuus viittaa mittaustulosten määrään, jotka anturi voi ottaa näytteitä aikayksikköä kohden.

Tulkinta 1: Näytteenottotaajuus on anturin dynaamisten ominaisuuksien tärkein indikaattori, joka heijastaa anturin nopeaa reagointikykyä. Näytteenottotaajuus on yksi teknisistä indikaattoreista, jotka on otettava täysin huomioon mittauksen nopean muutoksen tapauksessa. Shannonin näytteenottolain mukaan anturin näytteenottotaajuuden ei tulisi olla alle kaksi kertaa mitatun muutoksen taajuus.

Tulkinta 2: Eri taajuuksia käytettäessä myös anturin tarkkuus vaihtelee vastaavasti. Yleisesti ottaen mitä suurempi näytteenottotaajuus, sitä pienempi mittaustarkkuus.

Anturin paras tarkkuus saavutetaan usein alhaisimmalla näytteenottonopeudella tai jopa staattisissa olosuhteissa. Siksi tarkkuus ja nopeus on otettava huomioon anturia valittaessa.

Viisi vinkkiä antureiden suunnitteluun

1. Aloita väylätyökalulla

Ensimmäisenä askeleena insinöörin tulisi ensin kytkeä anturi väylätyökalun kautta tuntemattoman rajoittamiseksi. Väylätyökalu yhdistää henkilökohtaisen tietokoneen (PC) ja sitten anturin I2C-, SPI- tai muuhun protokollaan, jonka avulla anturi voi "keskustella". Väylätyökaluun liittyvä PC-sovellus tarjoaa tunnetun ja toimivan lähteen datan lähettämiseen ja vastaanottamiseen, joka ei ole tuntematon, todentamaton sulautetun mikrokontrollerin (MCU) ajuri. Väylätyökalun yhteydessä kehittäjä voi lähettää ja vastaanottaa viestejä saadakseen käsityksen osan toiminnasta ennen kuin yrittää toimia sulautetulla tasolla.

2. Kirjoita lähetysrajapinnan koodi Pythonilla

Kun kehittäjä on kokeillut väylätyökalun antureita, seuraava vaihe on kirjoittaa sovelluskoodi antureille. Sen sijaan, että hypättäisiin suoraan mikrokontrollerikoodiin, kirjoita sovelluskoodi Pythonilla. Monet väyläapuohjelmat konfiguroivat laajennuksia ja esimerkkikoodia kirjoittaessaan kirjoitusskriptejä, joita Python yleensä noudattaa. NET on yksi .netissä saatavilla olevista kielistä. Sovellusten kirjoittaminen Pythonilla on nopeaa ja helppoa, ja se tarjoaa tavan testata antureita sovelluksissa, jotka eivät ole yhtä monimutkaisia ​​kuin testaus sulautetussa ympäristössä. Korkean tason koodin avulla ei-sulautettujen insinöörien on helppo louhia anturiskriptejä ja -testejä ilman sulautetun ohjelmistokehittäjän huolenpitoa.

3. Testaa anturi Micro Pythonilla

Yksi ensimmäisen sovelluskoodin kirjoittamisen eduista Pythonilla on, että sovelluskutsuja Bus-utility-sovellusliittymään (API) voidaan helposti vaihtaa kutsumalla Micro Pythonia. Micro Python toimii reaaliaikaisessa sulautetussa ohjelmistossa, jossa on monia antureita, joiden avulla insinöörit voivat ymmärtää sen arvon. Micro Python toimii Cortex-M4-prosessorilla, ja se on hyvä ympäristö sovelluskoodin virheenkorjaukseen. Se ei ole vain yksinkertaista, vaan I2C- tai SPI-ajureita ei tarvitse kirjoittaa, koska ne sisältyvät jo Micro Pythonin funktiokirjastoon.

4. Käytä anturin toimittajan koodia

Jos anturivalmistajalta voidaan "kaapata" esimerkkikoodi, insinöörien on nähtävä paljon vaivaa ymmärtääkseen, miten anturi toimii. Valitettavasti monet anturitoimittajat eivät ole sulautettujen ohjelmistojen suunnittelun asiantuntijoita, joten älä odota löytäväsi tuotantovalmista esimerkkiä kauniista arkkitehtuurista ja eleganssista. Käytä vain toimittajan koodia, opi, miten tämä osa toimii, ja refaktoroinnin turhautuminen syntyy, kunnes se voidaan integroida siististi sulautettuun ohjelmistoon. Se voi alkaa "spagettina", mutta valmistajien ymmärryksen hyödyntäminen antureidensa toiminnasta auttaa vähentämään monia pilalle menneitä viikonloppuja ennen tuotteen lanseerausta.

5. Käytä anturifuusiofunktioiden kirjastoa

On todennäköistä, että anturin tiedonsiirtoliitäntä ei ole uusi eikä sellaista ole aiemmin tehty. Tunnetut kaikkien funktioiden kirjastot, kuten monien siruvalmistajien tarjoama "Sensor Fusion function Library", auttavat kehittäjiä oppimaan nopeasti tai jopa paremmin ja välttämään uudelleenkehityksen tai tuotearkkitehtuurin radikaalin muokkaamisen kierteen. Monet anturit voidaan integroida yleisiin tyyppeihin tai luokkiin, ja nämä tyypit tai luokat mahdollistavat ajureiden sujuvan kehittämisen, jotka oikein käsiteltyinä ovat lähes yleismaailmallisia tai vähemmän uudelleenkäytettäviä. Löydä nämä anturifuusiofunktioiden kirjastot ja opi niiden vahvuudet ja heikkoudet.

Kun antureita integroidaan sulautettuihin järjestelmiin, on monia tapoja parantaa suunnitteluaikaa ja helppokäyttöisyyttä. Kehittäjät eivät voi koskaan "mennä vikaan" oppimalla antureiden toiminnan korkealta abstraktiotasolta suunnittelun alussa ja ennen niiden integrointia alemman tason järjestelmään. Monet nykyään saatavilla olevista resursseista auttavat kehittäjiä "pääsemään vauhtiin" ilman, että heidän tarvitsee aloittaa alusta.