Sensörün beş tasarım becerisi ve teknik göstergesi

Dünya yüzeyinde ve çevremizdeki uzayda sensör sayısı hızla artıyor ve dünyaya veri sağlıyor. Bu uygun fiyatlı sensörler, Nesnelerin İnterneti'nin ve toplumumuzun karşı karşıya olduğu dijital devrimin itici gücüdür; ancak sensörlerden veri almak ve bağlantı kurmak her zaman sorunsuz veya kolay olmuyor. Bu makale, sensör teknik indeksini, 5 tasarım becerisini ve OEM işletmelerini tanıtacaktır.

Öncelikle, teknik gösterge, bir ürünün performansını karakterize etmek için kullanılan objektif bir temeldir. Teknik göstergeleri anlamak, ürünün doğru seçimi ve kullanımına yardımcı olur. Sensörün teknik göstergeleri statik göstergeler ve dinamik göstergeler olmak üzere ikiye ayrılır. Statik göstergeler, çözünürlük, tekrarlanabilirlik, hassasiyet, doğrusallık, geri dönüş hatası, eşik değeri, sürünme, kararlılık vb. gibi statik değişmezlik koşullarında sensörün performansını inceler. Dinamik gösterge ise frekans tepkisi ve basamak tepkisi gibi hızlı değişim koşullarında sensörün performansını inceler.

Sensörün çok sayıda teknik göstergesi nedeniyle, çeşitli veriler ve literatür farklı açılardan ele alınmakta, bu da farklı kişilerin farklı anlayışlara, hatta yanlış anlamalara ve belirsizliklere yol açmaktadır. Bu amaçla, sensör için aşağıdaki birkaç temel teknik gösterge yorumlanmıştır:

1, çözünürlük ve çözünürlük:

Tanım: Çözünürlük, bir sensörün algılayabileceği en küçük ölçülen değişikliği ifade eder. Çözünürlük, tam ölçek değerine oranını ifade eder.

Yorum 1: Çözünürlük, bir sensörün en temel göstergesidir. Sensörün ölçülen nesneleri ayırt etme yeteneğini temsil eder. Sensörün diğer teknik özellikleri, minimum birim olarak çözünürlük cinsinden tanımlanır.

Dijital ekranlı sensörler ve cihazlar için çözünürlük, görüntülenecek minimum basamak sayısını belirler. Örneğin, elektronik dijital kumpasın çözünürlüğü 0,01 mm'dir ve gösterge hatası ±0,02 mm'dir.

Yorum 2: Çözünürlük, birimleri olan mutlak bir sayıdır. Örneğin, bir sıcaklık sensörünün çözünürlüğü 0,1℃, bir ivme sensörünün çözünürlüğü 0,1g vb.'dir.

Yorum 3: Çözünürlük, çözünürlükle ilişkili ve çok benzer bir kavramdır; her ikisi de bir sensörün bir ölçüme olan çözünürlüğünü temsil eder.

Temel fark, çözünürlüğün sensörün çözünürlüğünün yüzdesi olarak ifade edilmesidir. Görecelidir ve boyutu yoktur. Örneğin, sıcaklık sensörünün çözünürlüğü 0,1℃, tam aralığı 500℃ ise, çözünürlük 0,1/500=0,02%'dir.

2. Tekrarlanabilirlik:

Tanım: Sensörün tekrarlanabilirliği, aynı koşullar altında aynı yönde birkaç kez tekrarlanan ölçümlerde elde edilen sonuçlar arasındaki fark derecesini ifade eder. Tekrarlama hatası, yeniden üretim hatası vb. olarak da adlandırılır.

Yorum 1: Bir sensörün tekrarlanabilirliği, aynı koşullar altında elde edilen birden fazla ölçüm arasındaki fark derecesi olmalıdır. Ölçüm koşulları değişirse, ölçüm sonuçları arasındaki karşılaştırılabilirlik ortadan kalkar ve bu da tekrarlanabilirliği değerlendirmek için temel olarak kullanılamaz.

Yorum 2: Sensörün tekrarlanabilirliği, sensörün ölçüm sonuçlarının dağılımını ve rastgeleliğini temsil eder. Bu dağılım ve rastgeleliğin nedeni, sensörün içinde ve dışında kaçınılmaz olarak çeşitli rastgele bozulmaların bulunması ve bunun sonucunda sensörün nihai ölçüm sonuçlarının rastgele değişkenlerin özelliklerini göstermesidir.

Yorum 3: Rastgele değişkenin standart sapması, tekrarlanabilir bir nicel ifade olarak kullanılabilir.

Yorum 4: Birden fazla tekrarlanan ölçüm için, tüm ölçümlerin ortalaması nihai ölçüm sonucu olarak alınırsa daha yüksek bir ölçüm doğruluğu elde edilebilir. Çünkü ortalamanın standart sapması, her bir ölçümün standart sapmasından önemli ölçüde daha küçüktür.

3. Doğrusallık:

Tanım: Doğrusallık (Linearity), sensör giriş ve çıkış eğrilerinin ideal düz çizgiden sapmasını ifade eder.

Yorum 1: İdeal sensör giriş/çıkış ilişkisi doğrusal olmalı ve giriş/çıkış eğrisi düz bir çizgi olmalıdır (aşağıdaki şekilde kırmızı çizgi).

Ancak, gerçek sensörde az çok çeşitli hatalar bulunur ve bu da gerçek giriş ve çıkış eğrisinin ideal düz bir çizgi değil, bir eğri (aşağıdaki şekildeki yeşil eğri) olmasına neden olur.

Doğrusallık, sensörün gerçek karakteristik eğrisi ile çevrim dışı çizgi arasındaki fark derecesidir; bu durum doğrusal olmama veya doğrusal olmayan hata olarak da bilinir.

Yorum 2: Sensörün gerçek karakteristik eğrisi ile ideal çizgi arasındaki fark, farklı ölçüm boyutlarında farklı olduğundan, farkın maksimum değerinin tam aralık değerine oranı genellikle tam aralıkta kullanılır. Açıkçası, doğrusallık da göreceli bir niceliktir.

Yorum 3: Genel ölçüm durumunda sensörün ideal çizgisi bilinmediğinden, elde edilemez. Bu nedenle, genellikle bir uzlaşma yöntemi benimsenir; yani, sensörün ölçüm sonuçları doğrudan kullanılarak ideal çizgiye yakın bir uyum çizgisi hesaplanır. Spesifik hesaplama yöntemleri arasında uç nokta çizgisi yöntemi, en iyi çizgi yöntemi, en küçük kareler yöntemi vb. yer alır.

4. Stabilite:

Tanım: Kararlılık, bir sensörün performansını belirli bir süre boyunca koruyabilme yeteneğidir.

Yorum 1: Kararlılık, sensörün belirli bir zaman aralığında istikrarlı bir şekilde çalışıp çalışmadığını incelemek için kullanılan ana göstergedir. Sensörün kararsızlığına yol açan faktörler başlıca sıcaklık kayması ve iç gerilim boşalmasıdır. Bu nedenle, kararlılığı artırmak için sıcaklık kompanzasyonunu ve yaşlandırma işlemini artırmak faydalı olacaktır.

Yorum 2: İstikrar, zaman periyodunun uzunluğuna göre kısa vadeli istikrar ve uzun vadeli istikrar olarak ikiye ayrılabilir. Gözlem süresi çok kısa olduğunda, istikrar ve tekrarlanabilirlik birbirine yakındır. Bu nedenle, istikrar endeksi esas olarak uzun vadeli istikrarı inceler. Belirli süre, kullanım ortamına ve gereksinimlere göre belirlenir.

Yorum 3: Hem mutlak hata hem de bağıl hata, kararlılık indeksinin nicel ifadesi için kullanılabilir. Örneğin, bir gerinim tipi kuvvet sensörünün kararlılığı 0,02%/12h'dir.

5. Örnekleme frekansı:

Tanım: Örnekleme hızı, sensörün birim zamanda örnekleyebileceği ölçüm sonuçlarının sayısını ifade eder.

Yorum 1: Örnekleme frekansı, sensörün dinamik özelliklerinin en önemli göstergesidir ve sensörün hızlı tepki verme yeteneğini yansıtır. Ölçümde hızlı değişim olması durumunda, örnekleme frekansı mutlaka dikkate alınması gereken teknik göstergelerden biridir. Shannon'ın örnekleme yasasına göre, sensörün örnekleme frekansı, ölçülen değerin değişim frekansının 2 katından az olmamalıdır.

Yorum 2: Farklı frekansların kullanılmasıyla sensörün doğruluğu da buna bağlı olarak değişir. Genel olarak, örnekleme frekansı ne kadar yüksekse, ölçüm doğruluğu o kadar düşük olur.

Sensörün en yüksek doğruluğu genellikle en düşük örnekleme hızında veya hatta statik koşullar altında elde edilir. Bu nedenle, sensör seçiminde hassasiyet ve hız dikkate alınmalıdır.

Sensörler için beş tasarım ipucu

1. Otobüs aracıyla başlayın.

İlk adım olarak, mühendis bilinmeyeni sınırlamak için sensörü öncelikle bir veri yolu aracı üzerinden bağlama yaklaşımını benimsemelidir. Bir veri yolu aracı, bir kişisel bilgisayarı (PC) ve ardından sensörün "iletişim kurmasını" sağlayan I2C, SPI veya diğer protokolleri birbirine bağlar. Veri yolu aracıyla ilişkili bir PC uygulaması, bilinmeyen, kimlik doğrulaması yapılmamış gömülü mikrodenetleyici (MCU) sürücüsü olmayan, veri gönderip almak için bilinen ve çalışan bir kaynak sağlar. Veri yolu yardımcı programı bağlamında, geliştirici gömülü seviyede çalışmaya başlamadan önce bölümün nasıl çalıştığını anlamak için mesaj gönderip alabilir.

2. İletim arayüzü kodunu Python dilinde yazın.

Geliştirici, veri yolu aracının sensörlerini kullanmayı denedikten sonra, bir sonraki adım sensörler için uygulama kodu yazmaktır. Doğrudan mikrodenetleyici koduna geçmek yerine, uygulama kodunu Python'da yazın. Birçok veri yolu yardımcı programı, komut dosyaları yazarken eklentiler ve örnek kodlar yapılandırır ve Python genellikle .NET'te bulunan dillerden biridir. Python'da uygulama yazmak hızlı ve kolaydır ve gömülü bir ortamda test etmek kadar karmaşık olmayan uygulamalarda sensörleri test etmenin bir yolunu sağlar. Yüksek seviyeli kod, gömülü yazılım mühendisinin bakımına gerek kalmadan, gömülü olmayan mühendislerin sensör komut dosyalarını ve testlerini kolayca incelemesini sağlayacaktır.

3. Sensörü Micro Python ile test edin.

Python'da ilk uygulama kodunu yazmanın avantajlarından biri, Bus-utility uygulama programlama arayüzüne (API) yapılan uygulama çağrılarının Micro Python çağrılarak kolayca değiştirilebilmesidir. Micro Python, mühendislerin değerini anlamaları için birçok sensöre sahip gerçek zamanlı gömülü yazılımlarda çalışır. Micro Python, Cortex-M4 işlemcide çalışır ve uygulama kodunda hata ayıklamak için iyi bir ortamdır. Sadece basit olmakla kalmaz, I2C veya SPI sürücülerini yazmaya da gerek yoktur, çünkü bunlar zaten Micro Python'ın fonksiyon kütüphanesinde yer almaktadır.

4. Sensör tedarikçisinin kodunu kullanın.

Sensör üreticisinden "kazıyılabilecek" herhangi bir örnek kod için, mühendislerin sensörün nasıl çalıştığını anlamaları uzun zaman alacaktır. Ne yazık ki, birçok sensör satıcısı gömülü yazılım tasarımında uzman değildir, bu nedenle güzel bir mimariye ve zarafete sahip, üretime hazır bir örnek bulmayı beklemeyin. Sadece satıcı kodunu kullanın, bu parçanın nasıl çalıştığını öğrenin ve temiz bir şekilde gömülü yazılıma entegre edilene kadar yeniden düzenleme (refactoring) hayal kırıklığı ortaya çıkacaktır. Başlangıçta "karmaşık" olabilir, ancak üreticilerin sensörlerinin nasıl çalıştığına dair anlayışından yararlanmak, ürün piyasaya sürülmeden önce birçok hafta sonunun boşa gitmesini önlemeye yardımcı olacaktır.

5. Sensör füzyon fonksiyonları kütüphanesini kullanın.

Sensörün iletim arayüzünün yeni olmadığı ve daha önce yapılmadığı olasılığı yüksektir. Birçok çip üreticisi tarafından sağlanan "Sensör Füzyon Fonksiyon Kütüphanesi" gibi tüm fonksiyonların bilinen kütüphaneleri, geliştiricilerin hızlı bir şekilde öğrenmelerine, hatta daha da iyisi, ürün mimarisini yeniden geliştirme veya önemli ölçüde değiştirme döngüsünden kaçınmalarına yardımcı olur. Birçok sensör genel tiplere veya kategorilere entegre edilebilir ve bu tipler veya kategoriler, doğru şekilde ele alındığında neredeyse evrensel veya daha az yeniden kullanılabilir olan sürücülerin sorunsuz bir şekilde geliştirilmesini sağlayacaktır. Bu sensör füzyon fonksiyon kütüphanelerini bulun ve güçlü ve zayıf yönlerini öğrenin.

Gömülü sistemlere sensörler entegre edildiğinde, tasarım süresini ve kullanım kolaylığını iyileştirmeye yardımcı olacak birçok yol vardır. Geliştiriciler, tasarımın başında ve sensörleri daha düşük seviyeli bir sisteme entegre etmeden önce, sensörlerin nasıl çalıştığını yüksek bir soyutlama seviyesinden öğrenerek asla "yanlış yapmazlar". Günümüzde mevcut olan birçok kaynak, geliştiricilerin sıfırdan başlamak zorunda kalmadan "hızlı bir başlangıç ​​yapmalarına" yardımcı olacaktır.