Lima keterampilan desain dan indikator teknis sensor

Jumlah sensor terus bertambah di seluruh permukaan bumi dan di ruang sekitar kita, menyediakan data bagi dunia. Sensor yang terjangkau ini merupakan kekuatan pendorong di balik pengembangan Internet of Things dan revolusi digital yang dihadapi masyarakat kita, namun menghubungkan dan mengakses data dari sensor tidak selalu berjalan lancar atau mudah. Makalah ini akan memperkenalkan indeks teknis sensor, 5 keterampilan desain, dan perusahaan OEM.

Pertama-tama, indeks teknis merupakan dasar objektif untuk mengkarakterisasi kinerja suatu produk. Memahami indikator teknis akan membantu pemilihan dan penggunaan produk yang tepat. Indikator teknis sensor dibagi menjadi indikator statis dan indikator dinamis. Indikator statis terutama memeriksa kinerja sensor dalam kondisi invariansi statis, termasuk resolusi, pengulangan, sensitivitas, linearitas, kesalahan balik, ambang batas, creep, stabilitas, dan sebagainya. Indeks dinamis terutama memeriksa kinerja sensor dalam kondisi perubahan cepat, termasuk respons frekuensi dan respons langkah.

Karena banyaknya indikator teknis sensor, berbagai data dan literatur dijelaskan dari berbagai sudut, sehingga orang yang berbeda memiliki pemahaman yang berbeda, dan bahkan kesalahpahaman dan ambiguitas. Untuk tujuan ini, beberapa indikator teknis utama berikut untuk sensor ditafsirkan:

1, resolusi dan resolusi:

Definisi: Resolusi merujuk pada perubahan terukur terkecil yang dapat dideteksi oleh sensor. Resolusi merujuk pada rasio Resolusi terhadap nilai skala penuh.

Interpretasi 1: Resolusi adalah indikator paling dasar dari sebuah sensor. Resolusi menunjukkan kemampuan sensor untuk membedakan objek yang diukur. Spesifikasi teknis sensor lainnya dijelaskan dalam istilah resolusi sebagai satuan minimum.

Untuk sensor dan instrumen dengan tampilan digital, resolusi menentukan jumlah digit minimum yang akan ditampilkan. Misalnya, resolusi jangka sorong digital elektronik adalah 0,01 mm, dan kesalahan indikator adalah ± 0,02 mm.

Interpretasi 2: Resolusi adalah angka absolut dengan satuan. Misalnya, resolusi sensor suhu adalah 0,1℃, resolusi sensor percepatan adalah 0,1g, dst.

Interpretasi 3: Resolusi adalah konsep terkait dan sangat mirip dengan resolusi, keduanya mewakili resolusi sensor terhadap pengukuran.

Perbedaan utamanya adalah resolusi dinyatakan sebagai persentase dari resolusi sensor. Resolusi bersifat relatif dan tidak berdimensi. Misalnya, resolusi sensor suhu adalah 0,1℃, rentang penuh adalah 500℃, resolusinya adalah 0,1/500 = 0,02%.

2. Pengulangan:

Definisi: Pengulangan sensor mengacu pada derajat perbedaan antara hasil pengukuran saat pengukuran diulang beberapa kali dalam arah yang sama dalam kondisi yang sama. Disebut juga kesalahan pengulangan, kesalahan reproduksi, dll.

Interpretasi 1: Pengulangan suatu sensor haruslah derajat perbedaan antara beberapa pengukuran yang diperoleh dalam kondisi yang sama. Jika kondisi pengukuran berubah, maka keterbandingan antara hasil pengukuran akan hilang, yang tidak dapat digunakan sebagai dasar untuk menilai pengulangan.

Interpretasi 2: Pengulangan sensor menunjukkan dispersi dan keacakan hasil pengukuran sensor. Alasan untuk dispersi dan keacakan tersebut adalah bahwa berbagai gangguan acak pasti ada di dalam dan di luar sensor, sehingga hasil pengukuran akhir sensor menunjukkan karakteristik variabel acak.

Interpretasi 3: Simpangan baku variabel acak dapat digunakan sebagai ekspresi kuantitatif yang dapat direproduksi.

Interpretasi 4: Untuk beberapa pengukuran yang diulang, akurasi pengukuran yang lebih tinggi dapat diperoleh jika rata-rata semua pengukuran diambil sebagai hasil pengukuran akhir. Karena simpangan baku dari mean secara signifikan lebih kecil daripada simpangan baku setiap pengukuran.

3. Linearitas:

Definisi: Linearitas (Linearitas) mengacu pada penyimpangan kurva masukan dan keluaran sensor dari garis lurus ideal.

Interpretasi 1: Hubungan masukan/keluaran sensor yang ideal haruslah linear, dan kurva masukan/keluarannya haruslah garis lurus (garis merah pada gambar di bawah).

Akan tetapi, sensor sesungguhnya kurang lebih memiliki berbagai kesalahan, sehingga kurva masukan dan keluaran sesungguhnya bukanlah garis lurus ideal, melainkan kurva (kurva hijau pada gambar di bawah).

Linearitas adalah derajat perbedaan antara kurva karakteristik aktual sensor dan garis offline, yang juga dikenal sebagai nonlinieritas atau kesalahan nonlinier.

Interpretasi 2: Karena perbedaan antara kurva karakteristik aktual sensor dan garis ideal berbeda pada ukuran pengukuran yang berbeda, rasio nilai maksimum perbedaan terhadap nilai rentang penuh sering digunakan dalam rentang rentang penuh. Jelas, linearitas juga merupakan besaran relatif.

Interpretasi 3: Karena garis ideal sensor tidak diketahui untuk situasi pengukuran umum, maka garis tersebut tidak dapat diperoleh. Oleh karena itu, metode kompromi sering kali diadopsi, yaitu langsung menggunakan hasil pengukuran sensor untuk menghitung garis yang sesuai yang mendekati garis ideal. Metode perhitungan khusus meliputi metode garis titik akhir, metode garis terbaik, metode kuadrat terkecil, dan seterusnya.

4. Stabilitas:

Definisi: Stabilitas adalah kemampuan sensor untuk mempertahankan kinerjanya selama periode waktu tertentu.

Interpretasi 1: Stabilitas merupakan indeks utama untuk menyelidiki apakah sensor bekerja secara stabil dalam rentang waktu tertentu. Faktor-faktor yang menyebabkan ketidakstabilan sensor terutama meliputi pergeseran suhu dan pelepasan tegangan internal. Oleh karena itu, sangat membantu untuk meningkatkan kompensasi suhu dan perawatan penuaan guna meningkatkan stabilitas.

Interpretasi 2: Stabilitas dapat dibagi menjadi stabilitas jangka pendek dan stabilitas jangka panjang menurut lamanya periode waktu. Ketika waktu pengamatan terlalu pendek, stabilitas dan pengulangannya dekat. Oleh karena itu, indeks stabilitas terutama memeriksa stabilitas jangka panjang. Lamanya waktu spesifik, menurut penggunaan lingkungan dan persyaratan untuk menentukan.

Interpretasi 3: Kesalahan absolut dan kesalahan relatif dapat digunakan untuk ekspresi kuantitatif indeks stabilitas. Misalnya, sensor gaya tipe regangan memiliki stabilitas 0,02%/12 jam.

5. Frekuensi pengambilan sampel:

Definisi: Laju Sampel mengacu pada jumlah hasil pengukuran yang dapat diambil sampelnya oleh sensor per satuan waktu.

Interpretasi 1: Frekuensi pengambilan sampel merupakan indikator terpenting dari karakteristik dinamis sensor, yang mencerminkan kemampuan respons cepat sensor. Frekuensi pengambilan sampel merupakan salah satu indikator teknis yang harus dipertimbangkan sepenuhnya dalam kasus perubahan pengukuran yang cepat. Menurut hukum pengambilan sampel Shannon, frekuensi pengambilan sampel sensor tidak boleh kurang dari 2 kali frekuensi perubahan yang diukur.

Interpretasi 2: Dengan penggunaan frekuensi yang berbeda, akurasi sensor juga bervariasi. Secara umum, semakin tinggi frekuensi pengambilan sampel, semakin rendah akurasi pengukuran.

Keakuratan sensor tertinggi sering diperoleh pada kecepatan pengambilan sampel terendah atau bahkan dalam kondisi statis. Oleh karena itu, presisi dan kecepatan harus diperhitungkan dalam pemilihan sensor.

Lima tips desain untuk sensor

1. Mulailah dengan alat bus

Sebagai langkah pertama, teknisi harus mengambil pendekatan dengan menghubungkan sensor terlebih dahulu melalui alat bus untuk membatasi hal yang tidak diketahui. Alat bus menghubungkan komputer pribadi (PC) lalu ke I2C, SPI, atau protokol lain milik sensor yang memungkinkan sensor untuk "berbicara". Aplikasi PC yang terkait dengan alat bus menyediakan sumber yang dikenal dan berfungsi untuk mengirim dan menerima data yang bukan merupakan driver mikrokontroler tertanam (MCU) yang tidak dikenal dan tidak diautentikasi. Dalam konteks utilitas Bus, pengembang dapat mengirim dan menerima pesan untuk memahami cara kerja bagian tersebut sebelum mencoba beroperasi pada tingkat tertanam.

2. Tulis kode antarmuka transmisi dalam Python

Setelah pengembang mencoba menggunakan sensor pada alat bus, langkah berikutnya adalah menulis kode aplikasi untuk sensor tersebut. Daripada langsung melompat ke kode mikrokontroler, tulislah kode aplikasi dalam Python. Banyak utilitas bus mengonfigurasi plug-in dan kode contoh saat menulis skrip penulisan, yang biasanya diikuti oleh Python, yaitu .NET, salah satu bahasa yang tersedia di .NET. Menulis aplikasi dalam Python cepat dan mudah, dan menyediakan cara untuk menguji sensor dalam aplikasi yang tidak serumit pengujian dalam lingkungan tertanam. Memiliki kode tingkat tinggi akan memudahkan teknisi non-tertanam untuk menambang skrip dan pengujian sensor tanpa pengawasan teknisi perangkat lunak tertanam.

3. Uji sensor dengan Micro Python

Salah satu keuntungan menulis kode aplikasi pertama dengan Python adalah panggilan aplikasi ke antarmuka pemrograman aplikasi (API) Bus-utility dapat dengan mudah diganti dengan memanggil Micro Python. Micro Python berjalan dalam perangkat lunak tertanam waktu nyata (real-time), yang memiliki banyak sensor agar para insinyur dapat memahami nilainya. Micro Python berjalan pada prosesor Cortex-M4, dan merupakan lingkungan yang baik untuk men-debug kode aplikasi. Selain sederhana, Anda tidak perlu menulis driver I2C atau SPI di sini, karena keduanya sudah tercakup dalam pustaka fungsi Micro Python.

4. Gunakan kode pemasok sensor

Kode contoh apa pun yang dapat "diambil" dari produsen sensor, para insinyur harus berusaha keras untuk memahami cara kerja sensor tersebut. Sayangnya, banyak vendor sensor bukanlah ahli dalam desain perangkat lunak tertanam, jadi jangan berharap menemukan contoh siap produksi dengan arsitektur yang indah dan elegan. Cukup gunakan kode vendor, pelajari cara kerja bagian ini, dan frustrasi refactoring akan muncul hingga dapat diintegrasikan dengan rapi ke dalam perangkat lunak tertanam. Ini mungkin dimulai sebagai "spaghetti", tetapi memanfaatkan pemahaman produsen tentang cara kerja sensor mereka akan membantu mengurangi banyak akhir pekan yang hancur sebelum produk diluncurkan.

5. Gunakan pustaka fungsi fusi sensor

Kemungkinan besar, antarmuka transmisi sensor tersebut bukanlah hal baru dan belum pernah ada sebelumnya. Pustaka umum untuk semua fungsi, seperti "Sensor Fusion Function Library" yang disediakan oleh banyak produsen chip, membantu pengembang belajar dengan cepat, atau bahkan lebih baik, dan menghindari siklus pengembangan ulang atau modifikasi arsitektur produk secara drastis. Banyak sensor dapat diintegrasikan ke dalam tipe atau kategori umum, dan tipe atau kategori ini akan memungkinkan pengembangan driver yang lancar, yang jika ditangani dengan tepat, hampir universal atau kurang dapat digunakan kembali. Temukan pustaka fungsi fusi sensor ini dan pelajari kekuatan serta kelemahannya.

Ketika sensor diintegrasikan ke dalam sistem tertanam, ada banyak cara untuk membantu meningkatkan waktu desain dan kemudahan penggunaan. Pengembang tidak akan pernah "salah" dengan mempelajari cara kerja sensor dari tingkat abstraksi yang tinggi di awal desain dan sebelum mengintegrasikannya ke dalam sistem tingkat yang lebih rendah. Banyak sumber daya yang tersedia saat ini akan membantu pengembang "mulai bekerja dengan cepat" tanpa harus memulai dari awal.