Cinque competenze di progettazione e indicatori tecnici del sensore

Il numero di sensori si sta moltiplicando sulla superficie terrestre e negli spazi che ci circondano, fornendo al mondo dati preziosi. Questi sensori, accessibili a tutti, sono la forza trainante dello sviluppo dell'Internet delle cose e della rivoluzione digitale che la nostra società sta vivendo; tuttavia, la connessione e l'accesso ai dati provenienti dai sensori non sono sempre semplici o immediati. Questo articolo presenterà l'indice tecnico dei sensori, le 5 competenze di progettazione e le aziende OEM.

Innanzitutto, l'indice tecnico rappresenta la base oggettiva per caratterizzare le prestazioni di un prodotto. La comprensione degli indicatori tecnici aiuta nella corretta selezione e nell'utilizzo del prodotto. Gli indicatori tecnici del sensore si dividono in indicatori statici e indicatori dinamici. Gli indicatori statici esaminano principalmente le prestazioni del sensore in condizioni di invarianza statica, tra cui risoluzione, ripetibilità, sensibilità, linearità, errore di ritorno, soglia, creep, stabilità e così via. Gli indicatori dinamici esaminano principalmente le prestazioni del sensore in condizioni di rapida variazione, tra cui risposta in frequenza e risposta al gradino.

A causa dei numerosi indicatori tecnici del sensore, i vari dati e la letteratura vengono descritti da diverse angolazioni, il che può generare interpretazioni differenti, nonché incomprensioni e ambiguità. A tal fine, vengono interpretati i seguenti indicatori tecnici principali del sensore:

1, risoluzione e risoluzione:

Definizione: La risoluzione si riferisce alla più piccola variazione misurata che un sensore può rilevare. La risoluzione si riferisce al rapporto tra la risoluzione e il valore di fondo scala.

Interpretazione 1: La risoluzione è l'indicatore più elementare di un sensore. Rappresenta la capacità del sensore di distinguere gli oggetti misurati. Le altre specifiche tecniche del sensore sono descritte in termini di risoluzione come unità minima.

Per i sensori e gli strumenti con display digitale, la risoluzione determina il numero minimo di cifre da visualizzare. Ad esempio, la risoluzione di un calibro digitale elettronico è di 0,01 mm e l'errore dell'indicatore è di ±0,02 mm.

Interpretazione 2: La risoluzione è un numero assoluto con unità di misura. Ad esempio, la risoluzione di un sensore di temperatura è 0,1℃, la risoluzione di un sensore di accelerazione è 0,1g, ecc.

Interpretazione 3: La risoluzione è un concetto correlato e molto simile alla risoluzione, entrambi rappresentano la risoluzione di un sensore rispetto a una misurazione.

La differenza principale è che la risoluzione viene espressa come percentuale della risoluzione del sensore. È relativa e adimensionale. Ad esempio, se la risoluzione del sensore di temperatura è di 0,1 °C e il range di misurazione è di 500 °C, la risoluzione è pari a 0,1/500 = 0,02%.

2. Ripetibilità:

Definizione: La ripetibilità del sensore si riferisce al grado di differenza tra i risultati di misurazione quando la misurazione viene ripetuta più volte nella stessa direzione e nelle stesse condizioni. È anche chiamata errore di ripetizione, errore di riproduzione, ecc.

Interpretazione 1: La ripetibilità di un sensore deve essere il grado di differenza tra più misurazioni ottenute nelle stesse condizioni. Se le condizioni di misurazione cambiano, la comparabilità tra i risultati delle misurazioni scompare, e ciò non può essere utilizzato come base per valutare la ripetibilità.

Interpretazione 2: La ripetibilità del sensore rappresenta la dispersione e la casualità dei risultati di misurazione del sensore. La ragione di tale dispersione e casualità risiede nel fatto che diverse perturbazioni casuali sono inevitabilmente presenti all'interno e all'esterno del sensore, con la conseguenza che i risultati di misurazione finali del sensore mostrano le caratteristiche di variabili casuali.

Interpretazione 3: La deviazione standard della variabile casuale può essere utilizzata come espressione quantitativa riproducibile.

Interpretazione 4: Per misurazioni multiple ripetute, è possibile ottenere una maggiore accuratezza di misurazione se si considera la media di tutte le misurazioni come risultato finale. Questo perché la deviazione standard della media è significativamente inferiore alla deviazione standard di ciascuna misurazione.

3. Linearità:

Definizione: La linearità si riferisce alla deviazione della curva di ingresso e di uscita del sensore dalla linea retta ideale.

Interpretazione 1: La relazione ideale tra ingresso e uscita del sensore dovrebbe essere lineare e la sua curva di ingresso/uscita dovrebbe essere una linea retta (linea rossa nella figura sottostante).

Tuttavia, il sensore reale presenta più o meno una serie di errori, per cui la curva di ingresso e di uscita effettiva non è una linea retta ideale, bensì una curva (la curva verde nella figura sottostante).

La linearità è il grado di differenza tra la curva caratteristica effettiva del sensore e la linea di riferimento, nota anche come non linearità o errore non lineare.

Interpretazione 2: Poiché la differenza tra la curva caratteristica effettiva del sensore e la linea ideale è diversa a seconda delle dimensioni della misurazione, il rapporto tra il valore massimo della differenza e il valore a fondo scala viene spesso utilizzato nell'intervallo a fondo scala. Ovviamente, anche la linearità è una grandezza relativa.

Interpretazione 3: Poiché la linea ideale del sensore è sconosciuta per la situazione di misurazione generale, non è possibile ottenerla. Per questo motivo, si adotta spesso un metodo di compromesso, ovvero si utilizza direttamente il risultato della misurazione del sensore per calcolare la linea di adattamento più vicina alla linea ideale. I metodi di calcolo specifici includono il metodo della linea del punto finale, il metodo della linea migliore, il metodo dei minimi quadrati e così via.

4. Stabilità:

Definizione: La stabilità è la capacità di un sensore di mantenere le proprie prestazioni per un determinato periodo di tempo.

Interpretazione 1: La stabilità è l'indice principale per valutare se il sensore funziona in modo stabile in un determinato intervallo di tempo. I fattori che portano all'instabilità del sensore includono principalmente la deriva termica e il rilascio delle tensioni interne. Pertanto, è utile aumentare la compensazione della temperatura e il trattamento di invecchiamento per migliorare la stabilità.

Interpretazione 2: La stabilità può essere suddivisa in stabilità a breve termine e stabilità a lungo termine in base alla durata del periodo di tempo. Quando il tempo di osservazione è troppo breve, stabilità e ripetibilità sono simili. Pertanto, l'indice di stabilità esamina principalmente la stabilità a lungo termine. La durata specifica viene determinata in base all'ambiente di utilizzo e ai requisiti.

Interpretazione 3: Sia l'errore assoluto che l'errore relativo possono essere utilizzati per l'espressione quantitativa dell'indice di stabilità. Ad esempio, un sensore di forza di tipo estensimetrico ha una stabilità dello 0,02%/12h.

5. Frequenza di campionamento:

Definizione: La frequenza di campionamento si riferisce al numero di risultati di misurazione che possono essere campionati dal sensore per unità di tempo.

Interpretazione 1: La frequenza di campionamento è l'indicatore più importante delle caratteristiche dinamiche del sensore, in quanto riflette la sua capacità di risposta rapida. La frequenza di campionamento è uno degli indicatori tecnici che devono essere presi in piena considerazione in caso di rapida variazione della misurazione. Secondo la legge di campionamento di Shannon, la frequenza di campionamento del sensore non dovrebbe essere inferiore a 2 volte la frequenza di variazione della grandezza misurata.

Interpretazione 2: Con l'utilizzo di frequenze diverse, anche la precisione del sensore varia di conseguenza. In generale, maggiore è la frequenza di campionamento, minore è la precisione della misurazione.

La massima precisione del sensore si ottiene spesso alla velocità di campionamento più bassa o addirittura in condizioni statiche. Pertanto, precisione e velocità devono essere prese in considerazione nella scelta del sensore.

Cinque consigli di progettazione per i sensori

1. Inizia con lo strumento bus

Come primo passo, l'ingegnere dovrebbe adottare l'approccio di collegare il sensore tramite uno strumento bus per limitare le incognite. Uno strumento bus collega un personal computer (PC) al sensore tramite il protocollo I2C, SPI o altro protocollo che consente al sensore di "comunicare". Un'applicazione per PC associata a uno strumento bus fornisce una fonte nota e funzionante per l'invio e la ricezione dei dati, a differenza di un driver di microcontrollore (MCU) embedded sconosciuto e non autenticato. Nel contesto dell'utility bus, lo sviluppatore può inviare e ricevere messaggi per comprendere il funzionamento della sezione prima di tentare di operare a livello embedded.

2. Scrivere il codice dell'interfaccia di trasmissione in Python

Una volta che lo sviluppatore ha provato a utilizzare i sensori dello strumento bus, il passo successivo è scrivere il codice applicativo per i sensori. Invece di passare direttamente al codice del microcontrollore, è consigliabile scrivere il codice applicativo in Python. Molte utility bus configurano plug-in e forniscono codice di esempio per la scrittura di script, e Python solitamente segue questo approccio. .NET è uno dei linguaggi disponibili in .NET. Scrivere applicazioni in Python è facile e veloce e offre un modo per testare i sensori in applicazioni meno complesse rispetto ai test in un ambiente embedded. Avere codice di alto livello faciliterà l'analisi degli script e dei test dei sensori da parte di ingegneri non esperti di sistemi embedded, senza la necessità della supervisione di un ingegnere del software embedded.

3. Testa il sensore con Micro Python

Uno dei vantaggi di scrivere il primo codice applicativo in Python è che le chiamate all'API (Application Programming Interface) di Bus-utility possono essere facilmente sostituite richiamando MicroPython. MicroPython viene eseguito in un software embedded in tempo reale, che dispone di numerosi sensori che consentono agli ingegneri di comprenderne il valore. MicroPython viene eseguito su un processore Cortex-M4 ed è un ambiente ideale per il debug del codice applicativo. Oltre alla semplicità, non è necessario scrivere driver I2C o SPI, poiché sono già inclusi nella libreria di funzioni di MicroPython.

4. Utilizzare il codice del fornitore del sensore

Qualsiasi codice di esempio che si possa "recuperare" da un produttore di sensori richiederà agli ingegneri un lungo lavoro per comprenderne il funzionamento. Sfortunatamente, molti fornitori di sensori non sono esperti nella progettazione di software embedded, quindi non aspettatevi di trovare un esempio pronto per la produzione con un'architettura impeccabile ed elegante. Basterà utilizzare il codice del fornitore, imparare come funziona quella parte e affrontare la frustrazione del refactoring fino a quando non sarà possibile integrarlo correttamente nel software embedded. Potrebbe iniziare come un "spaghetti" di codice, ma sfruttare la conoscenza dei produttori sul funzionamento dei loro sensori contribuirà a ridurre al minimo i weekend rovinati prima del lancio del prodotto.

5. Utilizzare una libreria di funzioni di fusione dei sensori

È probabile che l'interfaccia di trasmissione del sensore non sia nuova e non sia mai stata realizzata prima. Librerie note di tutte le funzioni, come la "Libreria di funzioni di fusione dei sensori" fornita da molti produttori di chip, aiutano gli sviluppatori ad apprendere rapidamente, o addirittura meglio, ed evitare il ciclo di riprogettazione o di modifica drastica dell'architettura del prodotto. Molti sensori possono essere integrati in tipologie o categorie generali, e queste tipologie o categorie consentiranno uno sviluppo agevole di driver che, se gestiti correttamente, saranno quasi universali o meno riutilizzabili. Trova queste librerie di funzioni di fusione dei sensori e scopri i loro punti di forza e di debolezza.

Quando i sensori vengono integrati nei sistemi embedded, esistono molti modi per migliorare i tempi di progettazione e la facilità d'uso. Gli sviluppatori non possono sbagliare imparando come funzionano i sensori a un livello di astrazione elevato fin dalle prime fasi della progettazione, prima di integrarli in un sistema di livello inferiore. Molte delle risorse oggi disponibili consentono agli sviluppatori di essere subito operativi, senza dover partire da zero.