خمس مهارات تصميمية ومؤشرات فنية لجهاز الاستشعار

يتكاثر عدد المستشعرات عبر سطح الأرض وفي الفضاءات من حولنا ، مما يزود العالم بالبيانات ، هذه المستشعرات ذات الأسعار المعقولة هي القوة الدافعة وراء تطور إنترنت الأشياء والثورة الرقمية التي يواجهها مجتمعنا ، ولكنها متصلة ببعضها البعض. والوصول إلى البيانات من أجهزة الاستشعار لا يتم دائمًا بشكل مباشر أو سهل. ستعرض هذه الورقة المؤشر الفني للمستشعر و 5 مهارات تصميم ومؤسسات تصنيع المعدات الأصلية.

بادئ ذي بدء ، المؤشر الفني هو الأساس الموضوعي لتوصيف أداء المنتج. فهم المؤشرات الفنية ، والمساعدة في الاختيار الصحيح للمنتج واستخدامه ، وتنقسم المؤشرات الفنية للمستشعر إلى مؤشرات ثابتة ومؤشرات ديناميكية. تدرس المؤشرات الثابتة بشكل أساسي أداء المستشعر في ظل حالة الثبات الثابت ، بما في ذلك الدقة والتكرار والحساسية والخطية وخطأ الإرجاع والعتبة والزحف والاستقرار وما إلى ذلك. يفحص المؤشر الديناميكي بشكل أساسي أداء المستشعر تحت الشرط للتغير السريع ، بما في ذلك الاستجابة الترددية والاستجابة خطوة.

نظرًا للمؤشرات الفنية العديدة لجهاز الاستشعار ، تم وصف العديد من البيانات والأدبيات من زوايا مختلفة ، بحيث يكون لدى الأشخاص المختلفين مفاهيم مختلفة ، وحتى سوء فهم وغموض ، ولهذا الغرض ، يتم تفسير المؤشرات الفنية الرئيسية العديدة التالية لجهاز الاستشعار:

1 ، القرار والقرار:

التعريف: يشير القرار إلى أصغر تغيير تم قياسه يمكن أن يكتشفه المستشعر. يشير القرار إلى نسبة الدقة إلى قيمة المقياس الكامل.

التفسير 1: الدقة هي المؤشر الأساسي لجهاز الاستشعار. وهو يمثل قدرة المستشعر على تمييز الأشياء المقاسة ، والمواصفات الفنية الأخرى للحساس موصوفة من حيث الدقة على أنها الحد الأدنى للوحدة.

بالنسبة لأجهزة الاستشعار والأدوات ذات العرض الرقمي ، تحدد الدقة الحد الأدنى لعدد الأرقام المراد عرضها ، على سبيل المثال ، دقة الفرجار الرقمي الإلكتروني هي 0.01 مم ، وخطأ المؤشر ± 0.02 مم.

التفسير 2: الدقة هي رقم مطلق بالوحدات ، على سبيل المثال ، دقة مستشعر درجة الحرارة هي 0.1 ℃ ، ودقة مستشعر التسارع 0.1g ، وما إلى ذلك.

التفسير 3: القرار هو مفهوم مرتبط ومشابه للغاية للقرار ، وكلاهما يمثل دقة جهاز استشعار للقياس.

الفرق الرئيسي هو أن الدقة يتم التعبير عنها كنسبة مئوية من دقة المستشعر. إنه نسبي وليس له بعد ، على سبيل المثال ، دقة مستشعر درجة الحرارة 0.1 ℃ ، النطاق الكامل 500 ℃ ، الدقة 0.1 / 500 = 0.02٪.

2. التكرار:

التعريف: يشير تكرار المستشعر إلى درجة الاختلاف بين نتائج القياس عند تكرار القياس عدة مرات في نفس الاتجاه تحت نفس الحالة ، ويسمى أيضًا خطأ التكرار ، وخطأ الاستنساخ ، وما إلى ذلك.

التفسير 1: يجب أن تكون قابلية تكرار المستشعر هي درجة الاختلاف بين القياسات المتعددة التي تم الحصول عليها في ظل نفس الظروف ، وإذا تغيرت ظروف القياس ، فستختفي المقارنة بين نتائج القياس ، والتي لا يمكن استخدامها كأساس لتقييم التكرار.

التفسير 2: تمثل قابلية تكرار المستشعر تشتت وعشوائية نتائج قياس المستشعر ، وسبب هذا التشتت والعشوائية هو وجود اضطرابات عشوائية مختلفة داخل وخارج المستشعر ، مما ينتج عنه نتائج القياس النهائية للحساس تبين خصائص المتغيرات العشوائية.

التفسير 3: يمكن استخدام الانحراف المعياري للمتغير العشوائي كتعبير كمي قابل للتكرار.

التفسير 4: بالنسبة للقياسات المتكررة المتعددة ، يمكن الحصول على دقة قياس أعلى إذا تم أخذ متوسط ​​جميع القياسات كنتيجة قياس نهائية ، لأن الانحراف المعياري للمتوسط ​​أصغر بكثير من الانحراف المعياري لكل مقياس.

3. الخطية:

التعريف: يشير الخطي (الخطي) إلى انحراف منحنى إدخال وإخراج المستشعر عن الخط المستقيم المثالي.

التفسير 1: يجب أن تكون علاقة الإدخال / الإخراج المثالية لجهاز الاستشعار خطيًا ، ويجب أن يكون منحنى الإدخال / الإخراج خطًا مستقيمًا (خط أحمر في الشكل أدناه).

ومع ذلك ، يحتوي المستشعر الفعلي إلى حد ما على مجموعة متنوعة من الأخطاء ، مما يؤدي إلى أن منحنى الإدخال والإخراج الفعلي ليس هو الخط المستقيم المثالي ، ولكنه منحنى (المنحنى الأخضر في الشكل أدناه).

الخطية هي درجة الاختلاف بين منحنى الخصائص الفعلي لجهاز الاستشعار والخط غير المتصل ، والمعروف أيضًا باسم الخطية اللاخطية أو الخطأ غير الخطي.

التفسير 2: نظرًا لاختلاف منحنى الخصائص الفعلية للمستشعر والخط المثالي باختلاف أحجام القياس ، غالبًا ما يتم استخدام نسبة الحد الأقصى لقيمة الاختلاف إلى قيمة النطاق الكامل في النطاق الكامل. ، الخطية هي أيضًا كمية نسبية.

التفسير 3: نظرًا لأن الخط المثالي للمستشعر غير معروف لحالة القياس العامة ، فلا يمكن الحصول عليه ، ولهذا السبب ، غالبًا ما يتم اعتماد طريقة حل وسط ، أي استخدام نتائج قياس المستشعر مباشرةً لحساب خط التركيب التي هي قريبة من الخط المثالي. تشمل طرق الحساب المحددة طريقة خط نقطة النهاية ، وأفضل طريقة للخط ، وطريقة المربع الصغرى ، وما إلى ذلك.

4. الاستقرار:

التعريف: الاستقرار هو قدرة المستشعر على الحفاظ على أدائه خلال فترة زمنية.

التفسير 1: الاستقرار هو المؤشر الرئيسي لمعرفة ما إذا كان المستشعر يعمل بثبات في نطاق زمني معين ، وتشمل العوامل التي تؤدي إلى عدم استقرار المستشعر بشكل أساسي الانحراف في درجة الحرارة وتحرير الضغط الداخلي ، لذلك من المفيد زيادة تعويض درجة الحرارة وعلاج الشيخوخة لتحسين الاستقرار.

التفسير 2: يمكن تقسيم الاستقرار إلى استقرار قصير المدى واستقرار طويل المدى وفقًا لطول الفترة الزمنية ، وعندما يكون وقت المراقبة قصيرًا جدًا ، يكون الثبات والتكرار قريبين ، لذلك فإن مؤشر الاستقرار يفحص بشكل أساسي المدى الطويل - ثبات المدة: المدة الزمنية المحددة ، حسب استخدام البيئة ومتطلبات تحديدها.

التفسير 3: يمكن استخدام كل من الخطأ المطلق والخطأ النسبي للتعبير الكمي لمؤشر الاستقرار ، على سبيل المثال ، مستشعر القوة من نوع الضغط لديه ثبات قدره 0.02٪ / 12 ساعة.

5. تكرار أخذ العينات:

التعريف: معدل العينة يشير إلى عدد نتائج القياس التي يمكن أخذ عينات منها بواسطة المستشعر لكل وحدة زمنية.

التفسير 1: يعد تكرار أخذ العينات أهم مؤشر للخصائص الديناميكية للحساس ، مما يعكس قدرة المستشعر على الاستجابة السريعة ، ويعد تردد أخذ العينات أحد المؤشرات الفنية التي يجب مراعاتها بشكل كامل في حالة التغيير السريع للقياس. وفقًا لقانون أخذ العينات الخاص بشانون ، يجب ألا يقل تردد أخذ العينات عن المستشعر عن ضعف تكرار تغيير القياس الذي تم قياسه.

التفسير 2: مع استخدام ترددات مختلفة ، تختلف دقة المستشعر أيضًا وفقًا لذلك ، بشكل عام ، كلما زاد تردد أخذ العينات ، انخفضت دقة القياس.

غالبًا ما يتم الحصول على أعلى دقة للمستشعر عند أدنى سرعة لأخذ العينات أو حتى في ظل ظروف ثابتة ، لذلك يجب مراعاة الدقة والسرعة عند اختيار المستشعر.

خمس نصائح تصميمية لأجهزة الاستشعار

1. ابدأ بأداة الحافلة

كخطوة أولى ، يجب على المهندس اتباع نهج توصيل المستشعر أولاً من خلال أداة ناقل للحد من المجهول. تقوم أداة ناقل بتوصيل جهاز كمبيوتر شخصي (PC) ثم بجهاز الاستشعار I2C أو SPI أو بروتوكول آخر يسمح باستخدام مستشعر "للتحدث". تطبيق كمبيوتر مرتبط بأداة ناقل توفر مصدرًا معروفًا وعمليًا لإرسال واستقبال البيانات غير المعروفة وغير المصادق عليها من خلال برنامج تشغيل متحكم (MCU). يمكنه إرسال واستقبال الرسائل لفهم كيفية عمل القسم قبل محاولة العمل على المستوى المضمن.

2. اكتب كود واجهة الإرسال في بايثون

بمجرد أن يحاول المطور استخدام مستشعرات أداة الناقل ، فإن الخطوة التالية هي كتابة كود تطبيق لأجهزة الاستشعار ، فبدلاً من القفز مباشرة إلى كود وحدة التحكم الدقيقة ، اكتب كود التطبيق بلغة Python ، حيث تقوم العديد من أدوات النقل بتكوين المكونات الإضافية وعينة التعليمات البرمجية عند الكتابة البرامج النصية التي تتبعها لغة Python عادةً ، وهي إحدى اللغات المتوفرة في .NET ، وتتميز كتابة التطبيقات بلغة Python بالسرعة والسهولة وتوفر طريقة لاختبار المستشعرات في التطبيقات التي ليست معقدة مثل الاختبار في بيئة مضمنة. ستسهل التعليمات البرمجية ذات المستوى على المهندسين غير المضمنين استخراج نصوص واختبارات المستشعرات دون رعاية مهندس برمجيات مضمن.

3. اختبر المستشعر باستخدام Micro Python

تتمثل إحدى مزايا كتابة أول كود تطبيق في Python في أنه يمكن استبدال استدعاءات التطبيقات بواجهة برمجة تطبيقات Bus-Utility (API) بسهولة عن طريق استدعاء Micro Python. أجهزة استشعار للمهندسين لفهم قيمتها. يعمل Micro Python على معالج Cortex-M4 ، وهو بيئة جيدة يمكن من خلالها تصحيح أخطاء كود التطبيق. ليس الأمر بسيطًا فحسب ، فلا داعي لكتابة برامج تشغيل I2C أو SPI هنا ، حيث إنها مغطاة بالفعل في وظيفة Micro Python مكتبة.

4. استخدم كود مزود جهاز الاستشعار

أي رمز نموذج يمكن "كشطه" من الشركة المصنعة لأجهزة الاستشعار ، سيتعين على المهندسين قطع شوط طويل لفهم كيفية عمل المستشعر. لسوء الحظ ، العديد من بائعي أجهزة الاستشعار ليسوا خبراء في تصميم البرامج المضمنة ، لذلك لا تتوقع العثور على مثال جاهز للإنتاج للهندسة المعمارية الجميلة والأناقة. ما عليك سوى استخدام رمز البائع ، وتعرف على كيفية عمل هذا الجزء ، وسيظهر إحباط إعادة البناء حتى يمكن دمجه بشكل نظيف في البرامج المضمنة. قد يبدأ باسم "معكرونة" ، ولكن يسخر الشركات المصنعة سيساعد فهم كيفية عمل أجهزة الاستشعار في تقليل العديد من عطلات نهاية الأسبوع المدمرة قبل إطلاق المنتج.

5- استخدم مكتبة لوظائف اندماج المستشعرات

هناك احتمالات ، أن واجهة نقل المستشعر ليست جديدة ولم يتم إجراؤها من قبل. المكتبات المعروفة لجميع الوظائف ، مثل "مكتبة وظائف Sensor Fusion" التي يوفرها العديد من مصنعي الرقائق ، تساعد المطورين على التعلم بسرعة ، أو حتى أفضل ، وتجنب دورة إعادة تطوير بنية المنتج أو تعديلها بشكل جذري. يمكن دمج العديد من أجهزة الاستشعار في أنواع أو فئات عامة ، وستتيح هذه الأنواع أو الفئات التطوير السلس للمحركات التي ، إذا تم التعامل معها بشكل صحيح ، تكون عالمية تقريبًا أو أقل قابلية لإعادة الاستخدام. وظائف اندماج أجهزة الاستشعار ومعرفة نقاط قوتها وضعفها.

عندما يتم دمج المستشعرات في أنظمة مدمجة ، هناك العديد من الطرق للمساعدة في تحسين وقت التصميم وسهولة الاستخدام. لا يمكن للمطورين أن "يخطئوا" أبدًا من خلال تعلم كيفية عمل المستشعرات من مستوى عالٍ من التجريد في بداية التصميم وقبل دمجها إلى نظام مستوى أدنى. العديد من الموارد المتاحة اليوم ستساعد المطورين على "بدء التشغيل" دون الحاجة إلى البدء من نقطة الصفر.