Cinco habilidades de diseño e indicadores técnicos del sensor

El número de sensores se está multiplicando en la superficie terrestre y en los espacios que nos rodean, proporcionando datos al mundo. Estos sensores asequibles son el motor del desarrollo del Internet de las Cosas y de la revolución digital a la que se enfrenta nuestra sociedad; sin embargo, conectar y acceder a los datos de los sensores no siempre es sencillo. Este documento presentará el índice técnico de los sensores, 5 habilidades de diseño y las empresas OEM.

En primer lugar, el índice técnico es la base objetiva para caracterizar el rendimiento de un producto. Comprender los indicadores técnicos ayuda a seleccionar y utilizar correctamente el producto. Los indicadores técnicos del sensor se dividen en indicadores estáticos e indicadores dinámicos. Los indicadores estáticos examinan principalmente el rendimiento del sensor en condiciones de invariancia estática, incluyendo resolución, repetibilidad, sensibilidad, linealidad, error de retorno, umbral, fluencia, estabilidad, etc. El índice dinámico examina principalmente el rendimiento del sensor en condiciones de cambio rápido, incluyendo respuesta en frecuencia y respuesta escalón.

Debido a la gran cantidad de indicadores técnicos del sensor, diversos datos y bibliografía se describen desde diferentes perspectivas, lo que da lugar a diferentes interpretaciones, e incluso a malentendidos y ambigüedades. Con este fin, se interpretan los siguientes indicadores técnicos principales del sensor:

1, resolución y resolución:

Definición: La resolución se refiere al cambio de medición más pequeño que un sensor puede detectar. La resolución se refiere a la relación entre la resolución y el valor de escala completa.

Interpretación 1: La resolución es el indicador más básico de un sensor. Representa la capacidad del sensor para distinguir los objetos medidos. Las demás especificaciones técnicas del sensor se describen en términos de resolución como unidad mínima.

En el caso de sensores e instrumentos con pantalla digital, la resolución determina el número mínimo de dígitos que se mostrarán. Por ejemplo, la resolución de un calibrador digital electrónico es de 0,01 mm y el margen de error del indicador es de ±0,02 mm.

Interpretación 2: La resolución es un número absoluto con unidades. Por ejemplo, la resolución de un sensor de temperatura es de 0,1 ℃, la resolución de un sensor de aceleración es de 0,1 g, etc.

Interpretación 3: La resolución es un concepto relacionado y muy similar a la resolución, ya que ambos representan la resolución de un sensor con respecto a una medición.

La principal diferencia radica en que la resolución se expresa como un porcentaje de la resolución del sensor. Es relativa y no tiene dimensiones. Por ejemplo, si la resolución del sensor de temperatura es de 0,1 ℃ y el rango completo es de 500 ℃, la resolución es de 0,1/500 = 0,02 %.

2. Repetibilidad:

Definición: La repetibilidad del sensor se refiere al grado de diferencia entre los resultados de la medición cuando esta se repite varias veces en la misma dirección y bajo las mismas condiciones. También se denomina error de repetición, error de reproducción, etc.

Interpretación 1: La repetibilidad de un sensor debe ser el grado de diferencia entre múltiples mediciones obtenidas bajo las mismas condiciones. Si las condiciones de medición cambian, la comparabilidad entre los resultados de la medición desaparecerá, lo que no puede utilizarse como base para evaluar la repetibilidad.

Interpretación 2: La repetibilidad del sensor representa la dispersión y aleatoriedad de los resultados de medición del sensor. La razón de dicha dispersión y aleatoriedad es que inevitablemente existen diversas perturbaciones aleatorias dentro y fuera del sensor, lo que da como resultado que los resultados de medición finales del sensor muestren las características de variables aleatorias.

Interpretación 3: La desviación estándar de la variable aleatoria puede utilizarse como una expresión cuantitativa reproducible.

Interpretación 4: Para múltiples mediciones repetidas, se puede obtener una mayor precisión de medición si se toma el promedio de todas las mediciones como resultado final de la medición. Porque la desviación estándar de la media es significativamente menor que la desviación estándar de cada medición.

3. Linealidad:

Definición: La linealidad se refiere a la desviación de la curva de entrada y salida del sensor con respecto a la línea recta ideal.

Interpretación 1: La relación ideal entre la entrada y la salida de un sensor debe ser lineal, y su curva de entrada/salida debe ser una línea recta (línea roja en la figura siguiente).

Sin embargo, el sensor real presenta diversos errores, lo que provoca que la curva de entrada y salida real no sea una línea recta ideal, sino una curva (la curva verde en la figura siguiente).

La linealidad es el grado de diferencia entre la curva característica real del sensor y la línea fuera de línea, también conocida como no linealidad o error no lineal.

Interpretación 2: Debido a que la diferencia entre la curva característica real del sensor y la línea ideal es diferente para diferentes tamaños de medición, la relación entre el valor máximo de la diferencia y el valor de rango completo se usa a menudo en el rango completo. Obviamente, la linealidad también es una cantidad relativa.

Interpretación 3: Debido a que la línea ideal del sensor es desconocida para la situación de medición general, no se puede obtener. Por esta razón, a menudo se adopta un método de compromiso, que consiste en utilizar directamente los resultados de medición del sensor para calcular la línea de ajuste que se aproxime a la línea ideal. Los métodos de cálculo específicos incluyen el método de la línea del punto final, el método de la mejor línea, el método de mínimos cuadrados, etc.

4. Estabilidad:

Definición: La estabilidad es la capacidad de un sensor para mantener su rendimiento durante un período de tiempo.

Interpretación 1: La estabilidad es el índice principal para investigar si el sensor funciona de manera estable en un rango de tiempo determinado. Los factores que provocan la inestabilidad del sensor incluyen principalmente la deriva de temperatura y la liberación de tensiones internas. Por lo tanto, es útil aumentar la compensación de temperatura y el tratamiento de envejecimiento para mejorar la estabilidad.

Interpretación 2: La estabilidad se puede dividir en estabilidad a corto plazo y estabilidad a largo plazo según la duración del período de tiempo. Cuando el tiempo de observación es demasiado corto, la estabilidad y la repetibilidad son similares. Por lo tanto, el índice de estabilidad examina principalmente la estabilidad a largo plazo. La duración específica se determina según el entorno de uso y los requisitos.

Interpretación 3: Tanto el error absoluto como el error relativo pueden utilizarse para la expresión cuantitativa del índice de estabilidad. Por ejemplo, un sensor de fuerza de tipo deformación tiene una estabilidad de 0,02 %/12 h.

5. Frecuencia de muestreo:

Definición: La frecuencia de muestreo se refiere al número de resultados de medición que el sensor puede muestrear por unidad de tiempo.

Interpretación 1: La frecuencia de muestreo es el indicador más importante de las características dinámicas del sensor, que refleja la capacidad de respuesta rápida del mismo. La frecuencia de muestreo es uno de los indicadores técnicos que deben considerarse plenamente en caso de cambios rápidos en la medición. Según la ley de muestreo de Shannon, la frecuencia de muestreo del sensor no debe ser inferior a 2 veces la frecuencia de cambio de la medida.

Interpretación 2: Con el uso de diferentes frecuencias, la precisión del sensor también varía en consecuencia. En general, cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, menor será la precisión de la medición.

La máxima precisión del sensor se suele obtener a la velocidad de muestreo más baja o incluso en condiciones estáticas. Por lo tanto, la precisión y la velocidad deben tenerse en cuenta al seleccionar un sensor.

Cinco consejos de diseño para sensores

1. Comience con la herramienta de bus.

Como primer paso, el ingeniero debe conectar el sensor mediante una herramienta de bus para limitar la incertidumbre. Una herramienta de bus conecta un ordenador personal (PC) con el protocolo I2C, SPI u otro protocolo del sensor que le permite comunicarse. Una aplicación de PC asociada a una herramienta de bus proporciona una fuente conocida y funcional para enviar y recibir datos, que no es un controlador de microcontrolador (MCU) integrado desconocido y no autenticado. En el contexto de la utilidad de bus, el desarrollador puede enviar y recibir mensajes para comprender cómo funciona la sección antes de intentar operar a nivel integrado.

2. Escribe el código de la interfaz de transmisión en Python.

Una vez que el desarrollador haya probado los sensores de la herramienta de bus, el siguiente paso es escribir el código de la aplicación para los sensores. En lugar de saltar directamente al código del microcontrolador, escriba el código de la aplicación en Python. Muchas utilidades de bus configuran complementos y código de ejemplo al escribir scripts, que Python suele seguir, siendo .NET uno de los lenguajes disponibles en .NET. Escribir aplicaciones en Python es rápido y fácil, y proporciona una forma de probar sensores en aplicaciones que no son tan complejas como las pruebas en un entorno embebido. Tener código de alto nivel facilitará a los ingenieros no embebidos el análisis de scripts y pruebas de sensores sin la atención de un ingeniero de software embebido.

3. Prueba el sensor con Micro Python.

Una de las ventajas de escribir el primer código de la aplicación en Python es que las llamadas a la interfaz de programación de aplicaciones (API) de la utilidad Bus se pueden reemplazar fácilmente llamando a Micro Python. Micro Python se ejecuta en software embebido en tiempo real, que cuenta con numerosos sensores que permiten a los ingenieros comprender su valor. Micro Python se ejecuta en un procesador Cortex-M4 y es un buen entorno para depurar el código de la aplicación. Además de su simplicidad, no es necesario escribir controladores I2C o SPI, ya que están incluidos en la biblioteca de funciones de Micro Python.

4. Utilice el código del proveedor del sensor.

Cualquier código de ejemplo que se pueda obtener de un fabricante de sensores requerirá un gran esfuerzo por parte de los ingenieros para comprender su funcionamiento. Desafortunadamente, muchos proveedores de sensores no son expertos en diseño de software embebido, por lo que no espere encontrar un ejemplo de arquitectura elegante y listo para producción. Simplemente utilice el código del proveedor, aprenda cómo funciona esta parte y surgirá la frustración de la refactorización hasta que se pueda integrar correctamente en el software embebido. Puede que comience como un código desordenado, pero aprovechar el conocimiento de los fabricantes sobre el funcionamiento de sus sensores ayudará a evitar muchos fines de semana frustrados antes del lanzamiento del producto.

5. Utilice una biblioteca de funciones de fusión de sensores.

Es probable que la interfaz de transmisión del sensor no sea nueva y que no se haya utilizado antes. Las bibliotecas conocidas de todas las funciones, como la "Biblioteca de funciones de fusión de sensores" que ofrecen muchos fabricantes de chips, ayudan a los desarrolladores a aprender rápidamente, o incluso mejor, y a evitar el ciclo de rediseño o modificación drástica de la arquitectura del producto. Muchos sensores se pueden integrar en tipos o categorías generales, y estos tipos o categorías permitirán el desarrollo fluido de controladores que, si se manejan correctamente, son casi universales o menos reutilizables. Encuentre estas bibliotecas de funciones de fusión de sensores y conozca sus fortalezas y debilidades.

Cuando se integran sensores en sistemas embebidos, existen muchas maneras de mejorar el tiempo de diseño y la facilidad de uso. Los desarrolladores nunca se equivocan al aprender cómo funcionan los sensores desde un alto nivel de abstracción al inicio del diseño y antes de integrarlos en un sistema de nivel inferior. Muchos de los recursos disponibles hoy en día ayudarán a los desarrolladores a ponerse en marcha de inmediato sin tener que empezar desde cero.