Lima keterampilan desain dan indikator teknis sensor

Jumlah sensor semakin banyak di permukaan bumi dan di ruang angkasa di sekitar kita, menyediakan data bagi dunia. Sensor-sensor yang terjangkau ini merupakan kekuatan pendorong di balik perkembangan 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 adalah 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 menguji kinerja sensor dalam kondisi invariansi statis, termasuk resolusi, pengulangan, sensitivitas, linearitas, kesalahan pengembalian, ambang batas, pergeseran, stabilitas, dan sebagainya. Indeks dinamis terutama menguji kinerja sensor dalam kondisi perubahan cepat, termasuk respons frekuensi dan respons langkah.

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

1, resolusi dan resolusi:

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

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

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

Interpretasi 2: Resolusi adalah angka absolut dengan satuan. Misalnya, resolusi sensor suhu adalah 0,1℃, resolusi sensor akselerasi adalah 0,1g, dan seterusnya.

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

Perbedaan utamanya adalah resolusi dinyatakan sebagai persentase dari resolusi sensor. Ini bersifat relatif dan tidak memiliki dimensi. Misalnya, resolusi sensor suhu adalah 0,1℃, rentang penuhnya adalah 500℃, maka resolusinya adalah 0,1/500 = 0,02%.

2. Kemampuan pengulangan:

Definisi: Keterulangan sensor mengacu pada tingkat perbedaan antara hasil pengukuran ketika pengukuran diulang beberapa kali dalam arah yang sama dan kondisi yang sama. Juga disebut kesalahan pengulangan, kesalahan reproduksi, dll.

Interpretasi 1: Keterulangan suatu sensor haruslah merupakan tingkat perbedaan antara beberapa pengukuran yang diperoleh dalam kondisi yang sama. Jika kondisi pengukuran berubah, maka keterbandingan antara hasil pengukuran akan hilang, sehingga tidak dapat digunakan sebagai dasar untuk menilai keterulangan.

Interpretasi 2: Keterulangan sensor mencerminkan penyebaran dan keacakan hasil pengukuran sensor. Alasan penyebaran dan keacakan tersebut adalah karena berbagai gangguan acak pasti ada di dalam dan di luar sensor, sehingga hasil pengukuran akhir sensor menunjukkan karakteristik variabel acak.

Interpretasi 3: Deviasi standar dari variabel acak dapat digunakan sebagai ekspresi kuantitatif yang dapat direproduksi.

Interpretasi 4: Untuk beberapa pengukuran berulang, akurasi pengukuran yang lebih tinggi dapat diperoleh jika rata-rata dari semua pengukuran diambil sebagai hasil pengukuran akhir. Karena simpangan baku rata-rata jauh lebih kecil daripada simpangan baku masing-masing pengukuran.

3. Linearitas:

Definisi: Linearitas (Linearity) mengacu pada penyimpangan kurva input dan output sensor dari garis lurus ideal.

Interpretasi 1: Hubungan input/output sensor yang ideal seharusnya linier, dan kurva input/output-nya seharusnya berupa garis lurus (garis merah pada gambar di bawah).

Namun, sensor sebenarnya kurang lebih memiliki berbagai kesalahan, sehingga kurva input dan output aktual bukanlah garis lurus ideal, melainkan sebuah kurva (kurva hijau pada gambar di bawah).

Linearitas adalah tingkat perbedaan antara kurva karakteristik sebenarnya dari sensor dan garis di luar jaringan, 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 penuh. Jelas, linearitas juga merupakan besaran relatif.

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

4. Stabilitas:

Definisi: Stabilitas adalah kemampuan sensor untuk mempertahankan kinerjanya dalam jangka waktu tertentu.

Interpretasi 1: Stabilitas adalah 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, peningkatan kompensasi suhu dan perlakuan penuaan dapat membantu meningkatkan stabilitas.

Interpretasi 2: Stabilitas dapat dibagi menjadi stabilitas jangka pendek dan stabilitas jangka panjang berdasarkan lamanya periode waktu. Ketika waktu pengamatan terlalu singkat, stabilitas dan pengulangan akan berdekatan. Oleh karena itu, indeks stabilitas terutama menguji stabilitas jangka panjang. Lamanya waktu spesifik ditentukan berdasarkan lingkungan dan persyaratan penggunaan.

Interpretasi 3: Baik kesalahan absolut maupun 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: Tingkat Pengambilan Sampel mengacu pada jumlah hasil pengukuran yang dapat diambil sampelnya oleh sensor per satuan waktu.

Interpretasi 1: Frekuensi pengambilan sampel adalah indikator terpenting dari karakteristik dinamis sensor, yang mencerminkan kemampuan respons cepat sensor. Frekuensi pengambilan sampel adalah 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 pengukurannya.

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

Lima kiat desain untuk sensor

1. Mulailah dengan alat bus

Sebagai langkah pertama, insinyur harus mengambil pendekatan dengan terlebih dahulu menghubungkan sensor melalui alat bus untuk membatasi hal-hal yang tidak diketahui. Alat bus menghubungkan komputer pribadi (PC) dan kemudian ke I2C, SPI, atau protokol lain sensor yang memungkinkan sensor untuk "berkomunikasi". Aplikasi PC yang terkait dengan alat bus menyediakan sumber yang dikenal dan berfungsi untuk mengirim dan menerima data yang bukan merupakan driver mikrokontroler (MCU) tertanam yang tidak dikenal dan tidak terautentikasi. 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 alat bus, langkah selanjutnya adalah menulis kode aplikasi untuk sensor tersebut. Alih-alih langsung beralih ke kode mikrokontroler, tulis kode aplikasi dalam Python. Banyak utilitas bus mengkonfigurasi plug-in dan kode sampel saat menulis skrip, yang biasanya diikuti oleh Python, 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 di lingkungan tertanam. Memiliki kode tingkat tinggi akan memudahkan insinyur non-tertanam untuk menggali skrip dan pengujian sensor tanpa perlu bantuan insinyur perangkat lunak tertanam.

3. Uji sensor dengan Micro Python

Salah satu keuntungan menulis kode aplikasi pertama dalam 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 real-time, yang memiliki banyak sensor bagi para insinyur untuk memahami nilainya. Micro Python berjalan pada prosesor Cortex-M4, dan merupakan lingkungan yang baik untuk melakukan debugging kode aplikasi. Tidak hanya sederhana, tidak perlu menulis driver I2C atau SPI di sini, karena sudah tercakup dalam pustaka fungsi Micro Python.

4. Gunakan kode pemasok sensor

Kode sampel 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 yang siap produksi dengan arsitektur dan keanggunan yang indah. Cukup gunakan kode vendor, pelajari cara kerja bagian ini, dan frustrasi karena harus melakukan refactoring akan muncul hingga dapat diintegrasikan dengan rapi ke dalam perangkat lunak tertanam. Mungkin awalnya akan terlihat berantakan, tetapi memanfaatkan pemahaman produsen tentang cara kerja sensor mereka akan membantu mengurangi banyak akhir pekan yang terbuang sebelum produk diluncurkan.

5. Gunakan pustaka fungsi fusi sensor.

Kemungkinan besar, antarmuka transmisi sensor bukanlah hal baru dan belum pernah dilakukan sebelumnya. Pustaka fungsi yang sudah dikenal, seperti "Pustaka Fungsi Penggabungan Sensor" yang disediakan oleh banyak produsen chip, membantu pengembang belajar dengan cepat, atau bahkan lebih baik, dan menghindari siklus pengembangan ulang atau modifikasi drastis arsitektur produk. 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 benar, hampir universal atau kurang dapat digunakan kembali. Temukan pustaka fungsi penggabungan sensor ini dan pelajari kekuatan dan 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 rendah. Banyak sumber daya yang tersedia saat ini akan membantu pengembang untuk langsung memulai tanpa harus memulai dari awal.