ห้าทักษะการออกแบบและตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์

เซ็นเซอร์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ บนพื้นผิวโลกและใน Spaces รอบตัวเรา ทำให้โลกได้รับข้อมูล เซ็นเซอร์ราคาไม่แพงเหล่านี้เป็นแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังการพัฒนา Internet of Things และการปฏิวัติทางดิจิทัลที่สังคมของเรากำลังเผชิญอยู่ และการเข้าถึงข้อมูลจากเซ็นเซอร์ไม่ได้ตรงไปตรงมาหรือง่ายเสมอไป บทความนี้จะแนะนำดัชนีทางเทคนิคของเซ็นเซอร์ ทักษะการออกแบบ 5 ประการ และองค์กร OEM

ประการแรก ดัชนีทางเทคนิคเป็นพื้นฐานวัตถุประสงค์เพื่อกำหนดลักษณะประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ทำความเข้าใจตัวชี้วัดทางเทคนิค ช่วยเลือกและใช้งานผลิตภัณฑ์ที่ถูกต้อง ตัวชี้วัดทางเทคนิคของเซ็นเซอร์แบ่งออกเป็นตัวบ่งชี้แบบคงที่และตัวบ่งชี้แบบไดนามิก ตัวชี้วัดแบบคงที่ส่วนใหญ่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ภายใต้เงื่อนไขของค่าคงที่คงที่ รวมถึงความละเอียด ความสามารถในการทำซ้ำ ความไว ความเป็นเส้นตรง ข้อผิดพลาดในการส่งคืน เกณฑ์ การคืบ ความเสถียร และอื่นๆ ดัชนีไดนามิกส่วนใหญ่จะตรวจสอบประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ภายใต้เงื่อนไข ของการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว รวมทั้งการตอบสนองความถี่และการตอบสนองตามขั้นตอน

เนื่องจากตัวบ่งชี้ทางเทคนิคจำนวนมากของเซ็นเซอร์ ข้อมูลและวรรณกรรมต่างๆ จึงถูกอธิบายจากมุมที่ต่างกัน เพื่อให้แต่ละคนมีความเข้าใจที่แตกต่างกัน แม้กระทั่งความเข้าใจผิดและความคลุมเครือ ด้วยเหตุนี้ ตัวชี้วัดทางเทคนิคหลักหลายประการต่อไปนี้สำหรับเซ็นเซอร์จึงถูกตีความ:

1 ความละเอียดและความละเอียด:

คำจำกัดความ: ความละเอียดหมายถึงการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้น้อยที่สุดที่เซ็นเซอร์ตรวจจับได้ ความละเอียดหมายถึงอัตราส่วนของความละเอียดต่อค่าเต็มสเกล

การตีความที่ 1: ความละเอียดเป็นตัวบ่งชี้พื้นฐานที่สุดของเซ็นเซอร์ แสดงถึงความสามารถของเซ็นเซอร์ในการแยกแยะวัตถุที่วัดได้ ข้อกำหนดทางเทคนิคอื่นๆ ของเซ็นเซอร์ได้อธิบายไว้ในแง่ของความละเอียดเป็นหน่วยขั้นต่ำ

สำหรับเซ็นเซอร์และเครื่องมือที่มีจอแสดงผลดิจิตอล ความละเอียดจะกำหนดจำนวนหลักขั้นต่ำที่จะแสดง ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของคาลิปเปอร์ดิจิตอลอิเล็กทรอนิกส์คือ 0.01 มม. และข้อผิดพลาดของตัวบ่งชี้คือ ±0.02 มม.

การตีความที่ 2: ความละเอียดเป็นจำนวนสัมบูรณ์ที่มีหน่วยต่างๆ ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเซ็นเซอร์อุณหภูมิคือ 0.1℃ ความละเอียดของเซ็นเซอร์อัตราเร่งคือ 0.1g เป็นต้น

การตีความ 3: ความละเอียดเป็นแนวคิดที่เกี่ยวข้องและคล้ายกันมากกับความละเอียด ซึ่งทั้งสองแสดงความละเอียดของเซ็นเซอร์ต่อการวัด

ความแตกต่างที่สำคัญคือความละเอียดจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของความละเอียดของเซ็นเซอร์ เป็นญาติและไม่มีมิติ ตัวอย่างเช่น ความละเอียดของเซ็นเซอร์อุณหภูมิคือ 0.1℃ เต็มช่วงคือ 500℃ ความละเอียดคือ 0.1/500=0.02%

2. การทำซ้ำได้:

คำจำกัดความ: ความสามารถในการทำซ้ำของเซ็นเซอร์หมายถึงระดับความแตกต่างระหว่างผลการวัดเมื่อทำการวัดซ้ำหลายครั้งในทิศทางเดียวกันภายใต้สภาวะเดียวกัน เรียกอีกอย่างว่าข้อผิดพลาดในการทำซ้ำ ข้อผิดพลาดในการทำซ้ำ ฯลฯ

การตีความที่ 1: ความสามารถในการทำซ้ำของเซ็นเซอร์ต้องเป็นระดับความแตกต่างระหว่างการวัดหลายค่าที่ได้รับภายใต้สภาวะเดียวกัน หากเงื่อนไขการวัดเปลี่ยนไป ความสามารถในการเปรียบเทียบระหว่างผลการวัดจะหายไป ซึ่งไม่สามารถใช้เป็นพื้นฐานในการประเมินความสามารถในการทำซ้ำได้

การตีความที่ 2: ความสามารถในการทำซ้ำของเซ็นเซอร์แสดงถึงการกระจายตัวและการสุ่มของผลการวัดของเซ็นเซอร์ สาเหตุของการกระจัดกระจายและการสุ่มดังกล่าวก็คือการรบกวนแบบสุ่มต่างๆ มีอยู่ภายในและภายนอกเซ็นเซอร์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ส่งผลให้ผลการวัดขั้นสุดท้ายของเซ็นเซอร์ แสดงลักษณะของตัวแปรสุ่ม

การตีความ 3: ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของตัวแปรสุ่มสามารถใช้เป็นนิพจน์เชิงปริมาณที่ทำซ้ำได้

การตีความที่ 4: สำหรับการวัดซ้ำหลายครั้ง จะได้รับความแม่นยำในการวัดที่สูงขึ้น หากใช้ค่าเฉลี่ยของการวัดทั้งหมดเป็นผลการวัดขั้นสุดท้าย เนื่องจากค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของค่าเฉลี่ยนั้นน้อยกว่าค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานของแต่ละการวัดอย่างมาก

3. ความเป็นเส้นตรง:

คำนิยาม: ความเป็นเส้นตรง (Linearity) หมายถึงความเบี่ยงเบนของเส้นโค้งอินพุตและเอาต์พุตของเซนเซอร์จากเส้นตรงในอุดมคติ

การตีความที่ 1: ความสัมพันธ์อินพุต/เอาต์พุตของเซ็นเซอร์ในอุดมคติควรเป็นแบบเส้นตรง และเส้นโค้งอินพุต/เอาต์พุตควรเป็นเส้นตรง (เส้นสีแดงในรูปด้านล่าง)

อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์จริงมีข้อผิดพลาดหลายอย่าง ส่งผลให้เส้นโค้งอินพุตและเอาต์พุตจริงไม่ใช่เส้นตรงในอุดมคติ แต่เป็นเส้นโค้ง (เส้นโค้งสีเขียวในรูปด้านล่าง)

ลิเนียริตี้คือระดับความแตกต่างระหว่างเส้นโค้งลักษณะเฉพาะที่แท้จริงของเซนเซอร์กับเส้นออฟไลน์ หรือที่เรียกว่าความไม่เป็นเชิงเส้นหรือข้อผิดพลาดที่ไม่เป็นเชิงเส้น

การตีความที่ 2: เนื่องจากความแตกต่างระหว่างเส้นโค้งลักษณะที่แท้จริงของเซนเซอร์และเส้นในอุดมคตินั้นแตกต่างกันที่ขนาดต่างๆ ของการวัด อัตราส่วนของค่าสูงสุดของความแตกต่างต่อค่าเต็มช่วงจึงมักถูกใช้ในช่วงเต็มช่วงอย่างเห็นได้ชัด ลิเนียริตี้ยังเป็นปริมาณสัมพัทธ์อีกด้วย

การตีความที่ 3: เนื่องจากสถานการณ์การวัดทั่วไปไม่ทราบเส้นอุดมคติของเซ็นเซอร์ จึงไม่สามารถหาได้ ด้วยเหตุนี้ จึงมักใช้วิธีประนีประนอม กล่าวคือ ใช้ผลการวัดของเซ็นเซอร์โดยตรงในการคำนวณเส้นติดตั้ง ซึ่งใกล้เคียงกับเส้นในอุดมคติ วิธีการคำนวณเฉพาะ ได้แก่ วิธีเส้นจุดสิ้นสุด วิธีเส้นที่ดีที่สุด วิธีกำลังสองน้อยที่สุด และอื่นๆ

4. ความเสถียร:

คำนิยาม: ความเสถียรคือความสามารถของเซ็นเซอร์ในการรักษาประสิทธิภาพการทำงานในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

การตีความที่ 1: ความเสถียรเป็นดัชนีหลักในการตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์ทำงานอย่างเสถียรในช่วงเวลาหนึ่งหรือไม่ ปัจจัยที่นำไปสู่ความไม่เสถียรของเซ็นเซอร์ส่วนใหญ่รวมถึงการเบี่ยงเบนของอุณหภูมิและการปลดปล่อยความเครียดภายใน ดังนั้นจึงควรเพิ่มการชดเชยอุณหภูมิ และการรักษาความชราเพื่อเพิ่มความมั่นคง

การตีความที่ 2: ความเสถียรสามารถแบ่งออกเป็นความเสถียรระยะสั้นและความเสถียรระยะยาวตามระยะเวลา เมื่อเวลาสังเกตสั้นเกินไป ความเสถียรและการทำซ้ำจะใกล้เคียงกัน ดังนั้น ดัชนีความเสถียรส่วนใหญ่จะตรวจสอบระยะยาว -ระยะความมั่นคง ระยะเวลาที่กำหนดตามการใช้งานของสภาพแวดล้อมและข้อกำหนดในการพิจารณา

การตีความ 3: ทั้งข้อผิดพลาดแบบสัมบูรณ์และข้อผิดพลาดสัมพัทธ์สามารถใช้สำหรับการแสดงออกเชิงปริมาณของดัชนีความเสถียร ตัวอย่างเช่น เซ็นเซอร์แรงประเภทความเครียดมีความคงตัว 0.02%/12 ชม.

5. ความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง:

คำจำกัดความ: อัตราการสุ่มตัวอย่างหมายถึงจำนวนผลการวัดที่เซ็นเซอร์สามารถสุ่มตัวอย่างต่อหน่วยเวลา

การตีความที่ 1: ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญที่สุดของลักษณะไดนามิกของเซ็นเซอร์ ซึ่งสะท้อนถึงความสามารถในการตอบสนองที่รวดเร็วของเซ็นเซอร์ ความถี่การสุ่มตัวอย่างเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดทางเทคนิคที่ต้องพิจารณาอย่างเต็มที่ในกรณีที่มีการเปลี่ยนแปลงการวัดอย่างรวดเร็ว ตามกฎหมายการสุ่มตัวอย่างของแชนนอน ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างของเซ็นเซอร์ไม่ควรน้อยกว่า 2 เท่าของความถี่การเปลี่ยนแปลงของการวัด

การตีความที่ 2: ด้วยการใช้ความถี่ที่แตกต่างกัน ความแม่นยำของเซ็นเซอร์ก็แตกต่างกันไปตามนั้น กล่าวโดยทั่วไป ยิ่งความถี่สุ่มตัวอย่างสูง ความแม่นยำในการวัดก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น

ความแม่นยำสูงสุดของเซ็นเซอร์มักจะได้รับที่ความเร็วการสุ่มตัวอย่างต่ำสุดหรือแม้กระทั่งภายใต้สภาวะคงที่ ดังนั้นต้องคำนึงถึงความแม่นยำและความเร็วในการเลือกเซ็นเซอร์ด้วย

เคล็ดลับการออกแบบ 5 ข้อสำหรับเซ็นเซอร์

1. เริ่มต้นด้วยเครื่องมือบัส

ในขั้นแรก วิศวกรควรใช้แนวทางในการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ผ่านเครื่องมือบัสก่อนเพื่อจำกัดสิ่งที่ไม่รู้จัก เครื่องมือบัสจะเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PC) จากนั้นจึงเชื่อมต่อกับ I2C, SPI ของเซ็นเซอร์ หรือโปรโตคอลอื่นๆ ที่อนุญาตให้ เซ็นเซอร์เพื่อ "พูดคุย" แอปพลิเคชันพีซีที่เกี่ยวข้องกับเครื่องมือบัสที่ให้แหล่งข้อมูลที่รู้จักและใช้งานได้สำหรับการส่งและรับข้อมูลที่ไม่ใช่ไดรเวอร์ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) ที่ไม่รู้จักและไม่ได้ตรวจสอบสิทธิ์ ในบริบทของยูทิลิตี้ Bus ผู้พัฒนา สามารถส่งและรับข้อความเพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของส่วนงานก่อนที่จะพยายามดำเนินการในระดับฝังตัว

2. เขียนโค้ดอินเตอร์เฟสการส่งใน Python

เมื่อนักพัฒนาลองใช้เซ็นเซอร์ของเครื่องมือบัสแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการเขียนโค้ดแอปพลิเคชันสำหรับเซ็นเซอร์ แทนที่จะข้ามไปยังโค้ดไมโครคอนโทรลเลอร์โดยตรง ให้เขียนโค้ดแอปพลิเคชันใน Python ยูทิลิตี้บัสจำนวนมากกำหนดค่าปลั๊กอินและโค้ดตัวอย่างเมื่อเขียน สคริปต์ที่ Python มักจะตามมา NET เป็นหนึ่งในภาษาที่มีอยู่ใน.net การเขียนแอปพลิเคชันใน Python นั้นรวดเร็วและง่ายดาย และให้วิธีทดสอบเซ็นเซอร์ในแอปพลิเคชันที่ไม่ซับซ้อนเท่ากับการทดสอบในสภาพแวดล้อมแบบฝังตัว มีสูง รหัสระดับจะช่วยให้วิศวกรที่ไม่ได้ฝังตัวขุดสคริปต์และการทดสอบเซ็นเซอร์ได้โดยง่ายโดยไม่ต้องดูแลวิศวกรซอฟต์แวร์ที่ฝังตัว

3. ทดสอบเซ็นเซอร์ด้วย Micro Python

ข้อดีอย่างหนึ่งของการเขียนโค้ดโปรแกรมตัวแรกใน Python ก็คือการที่แอพพลิเคชั่นเรียกไปที่ Bus-utility application Programming interface (API) สามารถเปลี่ยนได้อย่างง่ายดายโดยการเรียก Micro Python Micro Python ทำงานในซอฟต์แวร์ฝังตัวแบบเรียลไทม์ซึ่งมีมากมาย เซ็นเซอร์สำหรับวิศวกรเพื่อให้เข้าใจถึงคุณค่าของมัน Micro Python ทำงานบนโปรเซสเซอร์ Cortex-M4 และเป็นสภาพแวดล้อมที่ดีในการดีบักโค้ดของแอปพลิเคชัน ไม่เพียงแต่จะง่ายเท่านั้น ไม่จำเป็นต้องเขียนไดรเวอร์ I2C หรือ SPI ที่นี่ เนื่องจากมีอยู่แล้วในฟังก์ชันของ Micro Python ห้องสมุด.

4. ใช้รหัสซัพพลายเออร์เซ็นเซอร์

โค้ดตัวอย่างใดๆ ที่สามารถ "ขูด" จากผู้ผลิตเซนเซอร์ได้ วิศวกรจะต้องเข้าใจวิธีการทำงานของเซนเซอร์เป็นอย่างมาก น่าเสียดายที่ผู้จำหน่ายเซนเซอร์จำนวนมากไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบซอฟต์แวร์ฝังตัว ดังนั้นอย่าคาดหวังว่าจะพบ ตัวอย่างสถาปัตยกรรมที่สวยงามและความสง่างามที่พร้อมสำหรับการผลิต เพียงแค่ใช้รหัสผู้ขาย เรียนรู้วิธีการทำงานของส่วนนี้ และความยุ่งยากในการปรับโครงสร้างใหม่จะเกิดขึ้นจนกว่าจะสามารถรวมเข้ากับซอฟต์แวร์ฝังตัวได้อย่างสมบูรณ์ อาจเริ่มด้วยคำว่า "สปาเก็ตตี้" แต่ควบคุมผู้ผลิต ' ความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซ็นเซอร์จะช่วยลดวันหยุดสุดสัปดาห์ที่เสียหายจำนวนมากก่อนที่จะเปิดตัวผลิตภัณฑ์

5.ใช้ไลบรารีของฟังก์ชันฟิวชันเซ็นเซอร์

เป็นไปได้ว่าอินเทอร์เฟซการส่งสัญญาณของเซ็นเซอร์ไม่ใช่ของใหม่และไม่เคยทำมาก่อน ไลบรารีที่เป็นที่รู้จักของฟังก์ชันทั้งหมด เช่น "ไลบรารีฟังก์ชัน Sensor Fusion" ที่ผู้ผลิตชิปหลายรายจัดหาให้ ช่วยให้นักพัฒนาเรียนรู้ได้อย่างรวดเร็วหรือดีขึ้น และหลีกเลี่ยง วงจรของการพัฒนาขื้นใหม่หรือการปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมผลิตภัณฑ์อย่างมาก เซ็นเซอร์จำนวนมากสามารถรวมเข้ากับประเภทหรือหมวดหมู่ทั่วไปได้ และประเภทหรือหมวดหมู่เหล่านี้จะช่วยให้การพัฒนาไดรเวอร์เป็นไปอย่างราบรื่น ซึ่งหากจัดการอย่างเหมาะสม แทบจะเป็นสากลหรือนำกลับมาใช้ใหม่ได้น้อยกว่า ค้นหาไลบรารีของ ฟังก์ชันฟิวชันเซ็นเซอร์และเรียนรู้จุดแข็งและจุดอ่อน

เมื่อเซ็นเซอร์ถูกรวมเข้ากับระบบฝังตัว มีหลายวิธีที่จะช่วยปรับปรุงเวลาในการออกแบบและความสะดวกในการใช้งาน นักพัฒนาจะไม่มีวัน "ผิดพลาด" โดยการเรียนรู้ว่าเซ็นเซอร์ทำงานอย่างไรจากนามธรรมระดับสูงในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบและก่อนที่จะรวมเข้าด้วยกัน เข้าสู่ระบบระดับล่าง ทรัพยากรจำนวนมากที่มีอยู่ในปัจจุบันจะช่วยให้นักพัฒนา "ใช้งานได้จริง" โดยไม่ต้องเริ่มต้นจากศูนย์