Cinq compétences de conception et indicateurs techniques du capteur

Les capteurs se multiplient à la surface de la Terre et dans les espaces qui nous entourent, fournissant des données au monde. Ces capteurs abordables sont le moteur du développement de l'Internet des objets et de la révolution numérique à laquelle notre société est confrontée, mais ils connectent et l'accès aux données des capteurs n'est pas toujours simple ou direct. Cet article présentera l'index technique des capteurs, 5 compétences de conception et les entreprises OEM.

Tout d'abord, l'index technique est la base objective pour caractériser les performances d'un produit. Comprendre les indicateurs techniques, aider à la sélection et à l'utilisation correctes du produit. Les indicateurs techniques du capteur sont divisés en indicateurs statiques et indicateurs dynamiques. Les indicateurs statiques examinent principalement les performances du capteur dans des conditions d'invariance statique, notamment la résolution, la répétabilité, la sensibilité, la linéarité, l'erreur de retour, le seuil, le fluage, la stabilité, etc. L'indice dynamique examine principalement les performances du capteur dans les conditions de changement rapide, y compris la réponse en fréquence et la réponse échelonnée.

En raison des nombreux indicateurs techniques du capteur, diverses données et littératures sont décrites sous différents angles, de sorte que différentes personnes ont des compréhensions différentes, voire des malentendus et des ambiguïtés. À cette fin, les principaux indicateurs techniques suivants du capteur sont interprétés :

1, résolution et résolution :

Définition : La résolution fait référence au plus petit changement mesuré qu'un capteur peut détecter. La résolution fait référence au rapport entre la résolution et la valeur à pleine échelle.

Interprétation 1 : La résolution est l'indicateur le plus élémentaire d'un capteur. Il représente la capacité du capteur à distinguer les objets mesurés. Les autres spécifications techniques du capteur sont décrites en termes de résolution comme unité minimale.

Pour les capteurs et instruments à affichage numérique, la résolution détermine le nombre minimum de chiffres à afficher. Par exemple, la résolution du pied à coulisse numérique électronique est de 0,01 mm et l'erreur de l'indicateur est de ± 0,02 mm.

Interprétation 2 : La résolution est un nombre absolu avec des unités. Par exemple, la résolution d'un capteur de température est de 0,1 ℃, la résolution d'un capteur d'accélération est de 0,1 g, etc.

Interprétation 3 : La résolution est un concept lié et très similaire à la résolution, les deux représentant la résolution d'un capteur par rapport à une mesure.

La principale différence est que la résolution est exprimée en pourcentage de la résolution du capteur. Elle est relative et n'a aucune dimension. Par exemple, la résolution du capteur de température est de 0,1 ℃, la plage complète est de 500 ℃, la résolution est de 0,1/500 = 0,02 %.

2. Répétabilité :

Définition : La répétabilité du capteur fait référence au degré de différence entre les résultats de mesure lorsque la mesure est répétée plusieurs fois dans la même direction et dans les mêmes conditions. Également appelée erreur de répétition, erreur de reproduction, etc.

Interprétation 1 : La répétabilité d'un capteur doit être le degré de différence entre plusieurs mesures obtenues dans les mêmes conditions. Si les conditions de mesure changent, la comparabilité entre les résultats de mesure disparaîtra, ce qui ne peut pas être utilisé comme base pour évaluer la répétabilité.

Interprétation 2 : La répétabilité du capteur représente la dispersion et le caractère aléatoire des résultats de mesure du capteur. La raison de cette dispersion et de ce caractère aléatoire est que diverses perturbations aléatoires existent inévitablement à l'intérieur et à l'extérieur du capteur, entraînant les résultats de mesure finaux du capteur. montrant les caractéristiques des variables aléatoires.

Interprétation 3 : L'écart type de la variable aléatoire peut être utilisé comme expression quantitative reproductible.

Interprétation 4 : Pour plusieurs mesures répétées, une précision de mesure plus élevée peut être obtenue si la moyenne de toutes les mesures est prise comme résultat de mesure final. Parce que l'écart type de la moyenne est nettement inférieur à l'écart type de chaque mesure.

3. Linéarité :

Définition : Linéarité (linéarité) fait référence à l'écart de la courbe d'entrée et de sortie du capteur par rapport à la ligne droite idéale.

Interprétation 1 : La relation entrée/sortie idéale du capteur doit être linéaire et sa courbe d'entrée/sortie doit être une ligne droite (ligne rouge dans la figure ci-dessous).

Cependant, le capteur réel présente plus ou moins diverses erreurs, ce qui fait que la courbe d'entrée et de sortie réelle n'est pas la ligne droite idéale, mais une courbe (la courbe verte dans la figure ci-dessous).

La linéarité est le degré de différence entre la courbe caractéristique réelle du capteur et la ligne hors ligne, également appelée non-linéarité ou erreur non linéaire.

Interprétation 2 : étant donné que la différence entre la courbe caractéristique réelle du capteur et la ligne idéale est différente selon les tailles de mesure, le rapport entre la valeur maximale de la différence et la valeur de la plage complète est souvent utilisé dans la plage complète. Évidemment , la linéarité est aussi une quantité relative.

Interprétation 3 : La ligne idéale du capteur étant inconnue pour la situation générale de mesure, elle ne peut pas être obtenue. Pour cette raison, une méthode de compromis est souvent adoptée, c'est-à-dire utiliser directement les résultats de mesure du capteur pour calculer la ligne d'ajustement. qui est proche de la ligne idéale. Les méthodes de calcul spécifiques incluent la méthode de la ligne du point final, la méthode de la meilleure ligne, la méthode des moindres carrés, etc.

4. Stabilité :

Définition : La stabilité est la capacité d'un capteur à maintenir ses performances sur une période de temps.

Interprétation 1 : La stabilité est le principal indice permettant de déterminer si le capteur fonctionne de manière stable dans une certaine plage de temps. Les facteurs qui conduisent à l'instabilité du capteur comprennent principalement la dérive de température et la libération des contraintes internes. Par conséquent, il est utile d'augmenter la compensation de température. et traitement de vieillissement pour améliorer la stabilité.

Interprétation 2 : La stabilité peut être divisée en stabilité à court terme et stabilité à long terme en fonction de la durée de la période. Lorsque le temps d'observation est trop court, la stabilité et la répétabilité sont proches. Par conséquent, l'indice de stabilité examine principalement le long terme. -Stabilité à terme. La durée spécifique, en fonction de l'utilisation de l'environnement et des exigences à déterminer.

Interprétation 3 : L'erreur absolue et l'erreur relative peuvent être utilisées pour l'expression quantitative de l'indice de stabilité. Par exemple, un capteur de force de type contrainte a une stabilité de 0,02 %/12 h.

5. Fréquence d'échantillonnage :

Définition : La fréquence d'échantillonnage fait référence au nombre de résultats de mesure qui peuvent être échantillonnés par le capteur par unité de temps.

Interprétation 1 : La fréquence d'échantillonnage est l'indicateur le plus important des caractéristiques dynamiques du capteur, reflétant la capacité de réponse rapide du capteur. La fréquence d'échantillonnage est l'un des indicateurs techniques qui doivent être pleinement pris en compte en cas de changement rapide de mesure. Selon la loi d'échantillonnage de Shannon, la fréquence d'échantillonnage du capteur ne doit pas être inférieure à 2 fois la fréquence de changement de la valeur mesurée.

Interprétation 2 : Avec l'utilisation de différentes fréquences, la précision du capteur varie également en conséquence. D'une manière générale, plus la fréquence d'échantillonnage est élevée, plus la précision de la mesure est faible.

La précision la plus élevée du capteur est souvent obtenue à la vitesse d'échantillonnage la plus basse ou même dans des conditions statiques. Par conséquent, la précision et la vitesse doivent être prises en compte lors de la sélection du capteur.

Cinq conseils de conception pour les capteurs

1. Commencez avec l'outil bus

Dans un premier temps, l'ingénieur doit adopter l'approche consistant à connecter d'abord le capteur via un outil de bus pour limiter l'inconnu. Un outil de bus connecte un ordinateur personnel (PC), puis au protocole I2C, SPI ou autre du capteur qui permet le capteur pour « parler ». Une application PC associée à un outil de bus qui fournit une source connue et fonctionnelle pour l'envoi et la réception de données qui n'est pas un pilote de microcontrôleur intégré (MCU) inconnu et non authentifié. Dans le contexte de l'utilitaire Bus, le développeur peut envoyer et recevoir des messages pour comprendre le fonctionnement de la section avant de tenter de fonctionner au niveau intégré.

2. Écrivez le code de l'interface de transmission en Python

Une fois que le développeur a essayé d'utiliser les capteurs de l'outil de bus, l'étape suivante consiste à écrire le code d'application pour les capteurs. Au lieu de passer directement au code du microcontrôleur, écrivez le code d'application en Python. De nombreux utilitaires de bus configurent des plug-ins et des exemples de code lors de l'écriture. scripts, que Python suit généralement.NET, l'un des langages disponibles sur.net.L'écriture d'applications en Python est rapide et facile, et elle fournit un moyen de tester des capteurs dans des applications qui ne sont pas aussi complexes que les tests dans un environnement embarqué. -le code de niveau le fera il est facile pour les ingénieurs non embarqués d'exploiter les scripts et les tests des capteurs sans l'intervention d'un ingénieur logiciel embarqué.

3. Testez le capteur avec Micro Python

L'un des avantages de l'écriture du premier code d'application en Python est que les appels d'application à l'interface de programmation (API) de l'application Bus-utility peuvent être facilement remplacés en appelant Micro Python. Micro Python s'exécute dans un logiciel embarqué en temps réel, qui a de nombreux capteurs pour que les ingénieurs comprennent sa valeur. Micro Python fonctionne sur un processeur Cortex-M4 et constitue un bon environnement pour déboguer le code d'une application. Non seulement c'est simple, mais il n'est pas nécessaire d'écrire des pilotes I2C ou SPI ici, car ils sont déjà couverts dans la fonction de Micro Python. bibliothèque.

4. Utilisez le code du fournisseur du capteur

Tout exemple de code pouvant être « gratté » auprès d'un fabricant de capteurs, les ingénieurs devront parcourir un long chemin pour comprendre le fonctionnement du capteur. Malheureusement, de nombreux fournisseurs de capteurs ne sont pas des experts en conception de logiciels embarqués, alors ne vous attendez pas à trouver un exemple prêt pour la production d'une belle architecture et d'élégance. Utilisez simplement le code du fournisseur, apprenez comment cette pièce fonctionne, et la frustration de la refactorisation surgira jusqu'à ce qu'elle puisse être proprement intégrée dans le logiciel embarqué. Cela peut commencer comme des « spaghettis », mais exploiter les fabricants ' compréhension de la façon dont le travail de leurs capteurs contribuera à réduire de nombreux week-ends gâchés avant le lancement du produit.

5.Utilisez une bibliothèque de fonctions de fusion de capteurs

Il y a de fortes chances que l'interface de transmission du capteur ne soit pas nouvelle et n'ait jamais été réalisée auparavant. Des bibliothèques connues de toutes les fonctions, telles que la « Bibliothèque de fonctions Sensor Fusion » fournie par de nombreux fabricants de puces, aident les développeurs à apprendre rapidement, voire mieux, et à éviter les cycle de redéveloppement ou de modification radicale de l'architecture du produit. De nombreux capteurs peuvent être intégrés dans des types ou catégories généraux, et ces types ou catégories permettront le développement fluide de pilotes qui, s'ils sont gérés correctement, sont presque universels ou moins réutilisables. Retrouvez ces bibliothèques de fonctions de fusion de capteurs et découvrez leurs forces et leurs faiblesses.

Lorsque les capteurs sont intégrés dans des systèmes embarqués, il existe de nombreuses façons d'améliorer le temps de conception et la facilité d'utilisation. Les développeurs ne peuvent jamais se tromper en apprenant comment fonctionnent les capteurs à partir d'un haut niveau d'abstraction au début de la conception et avant de les intégrer. dans un système de niveau inférieur. De nombreuses ressources disponibles aujourd’hui aideront les développeurs à « démarrer » sans avoir à repartir de zéro.