Cinco habilidades de projeto e indicadores técnicos do sensor

O número de sensores está se proliferando pela superfície da Terra e nos espaços ao nosso redor, fornecendo dados para o mundo. Esses sensores acessíveis são a força motriz por trás do desenvolvimento da Internet das Coisas e da revolução digital que nossa sociedade enfrenta. No entanto, conectar e acessar dados de sensores nem sempre é um processo direto ou fácil. Este artigo apresentará o índice técnico de sensores, cinco habilidades de projeto e empresas OEM.

Primeiramente, o índice técnico é a base objetiva para caracterizar o desempenho de um produto. Compreender os indicadores técnicos auxilia na seleção e utilização corretas do produto. Os indicadores técnicos do sensor são divididos em indicadores estáticos e indicadores dinâmicos. Os indicadores estáticos examinam principalmente o desempenho do sensor em condições de invariância estática, incluindo resolução, repetibilidade, sensibilidade, linearidade, erro de retorno, limiar, fluência, estabilidade e assim por diante. Os índices dinâmicos examinam principalmente o desempenho do sensor em condições de mudança rápida, incluindo resposta em frequência e resposta ao degrau.

Devido aos inúmeros indicadores técnicos do sensor, diversos dados e literatura são descritos sob diferentes perspectivas, o que leva a diferentes compreensões, e até mesmo a mal-entendidos e ambiguidades. Para tanto, interpretamos a seguir alguns dos principais indicadores técnicos do sensor:

1. Resolução e resolução:

Definição: Resolução refere-se à menor variação mensurável que um sensor consegue detectar. Resolução também se refere à razão entre a resolução e o valor de escala completa.

Interpretação 1: A resolução é o indicador mais básico de um sensor. Ela representa a capacidade do sensor de distinguir os objetos medidos. As demais especificações técnicas do sensor são descritas em termos de resolução como unidade mínima.

Para sensores e instrumentos com visor digital, a resolução determina o número mínimo de dígitos a serem exibidos. Por exemplo, a resolução de um paquímetro digital eletrônico é de 0,01 mm e o erro de medição é de ±0,02 mm.

Interpretação 2: Resolução é um número absoluto com unidades. Por exemplo, a resolução de um sensor de temperatura é 0,1℃, a resolução de um sensor de aceleração é 0,1g, etc.

Interpretação 3: Resolução é um conceito relacionado e muito semelhante à resolução, ambos representando a resolução de um sensor em relação a uma medição.

A principal diferença é que a resolução é expressa como uma porcentagem da resolução do sensor. É relativa e adimensional. Por exemplo, se a resolução de um sensor de temperatura for de 0,1 °C e a faixa de medição for de 500 °C, a resolução será de 0,1/500 = 0,02%.

2. Repetibilidade:

Definição: A repetibilidade do sensor refere-se ao grau de diferença entre os resultados da medição quando a medição é repetida várias vezes na mesma direção e sob as mesmas condições. Também chamada de erro de repetição, erro de reprodução, etc.

Interpretação 1: A repetibilidade de um sensor deve ser o grau de diferença entre múltiplas medições obtidas sob as mesmas condições. Se as condições de medição mudarem, a comparabilidade entre os resultados das medições desaparecerá, o que não poderá ser usado como base para avaliar a repetibilidade.

Interpretação 2: A repetibilidade do sensor representa a dispersão e a aleatoriedade dos resultados de medição do sensor. A razão para tal dispersão e aleatoriedade é que várias perturbações aleatórias existem inevitavelmente dentro e fora do sensor, resultando em resultados de medição finais que apresentam características de variáveis ​​aleatórias.

Interpretação 3: O desvio padrão da variável aleatória pode ser usado como uma expressão quantitativa reproduzível.

Interpretação 4: Para múltiplas medições repetidas, uma maior precisão de medição pode ser obtida se a média de todas as medições for considerada como o resultado final da medição. Isso ocorre porque o desvio padrão da média é significativamente menor do que o desvio padrão de cada medição.

3. Linearidade:

Definição: Linearidade refere-se ao desvio da curva de entrada e saída do sensor em relação à linha reta ideal.

Interpretação 1: A relação ideal entre entrada e saída do sensor deve ser linear, e sua curva de entrada/saída deve ser uma linha reta (linha vermelha na figura abaixo).

No entanto, o sensor real apresenta, em maior ou menor grau, uma variedade de erros, resultando em uma curva de entrada e saída que não é uma linha reta ideal, mas sim uma curva (a curva verde na figura abaixo).

A linearidade é o grau de diferença entre a curva característica real do sensor e a linha de referência, também conhecida como não linearidade ou erro não linear.

Interpretação 2: Como a diferença entre a curva característica real do sensor e a linha ideal varia em diferentes tamanhos de medição, a razão entre o valor máximo da diferença e o valor total da faixa de medição é frequentemente usada para determinar a faixa completa. Obviamente, a linearidade também é uma grandeza relativa.

Interpretação 3: Como a linha ideal do sensor é desconhecida para a situação geral de medição, ela não pode ser obtida. Por esse motivo, um método de compromisso é frequentemente adotado, ou seja, usar diretamente os resultados da medição do sensor para calcular a linha de ajuste que se aproxima da linha ideal. Os métodos de cálculo específicos incluem o método da linha final, o método da melhor linha, o método dos mínimos quadrados e outros.

4. Estabilidade:

Definição: Estabilidade é a capacidade de um sensor manter seu desempenho ao longo de um período de tempo.

Interpretação 1: A estabilidade é o principal índice para investigar se o sensor funciona de forma estável em um determinado intervalo de tempo. Os fatores que levam à instabilidade do sensor incluem principalmente a deriva térmica e a liberação de tensões internas. Portanto, é útil aumentar a compensação de temperatura e o tratamento de envelhecimento para melhorar a estabilidade.

Interpretação 2: A estabilidade pode ser dividida em estabilidade de curto prazo e estabilidade de longo prazo, de acordo com o período de tempo analisado. Quando o tempo de observação é muito curto, a estabilidade e a repetibilidade são semelhantes. Portanto, o índice de estabilidade avalia principalmente a estabilidade de longo prazo. O período específico de tempo deve ser determinado de acordo com o ambiente de uso e os requisitos.

Interpretação 3: Tanto o erro absoluto quanto o erro relativo podem ser usados ​​para a expressão quantitativa do índice de estabilidade. Por exemplo, um sensor de força do tipo deformação tem uma estabilidade de 0,02%/12h.

5. Frequência de amostragem:

Definição: A taxa de amostragem refere-se ao número de resultados de medição que podem ser amostrados pelo sensor por unidade de tempo.

Interpretação 1: A frequência de amostragem é o indicador mais importante das características dinâmicas do sensor, refletindo sua capacidade de resposta rápida. A frequência de amostragem é um dos indicadores técnicos que devem ser considerados integralmente em casos de rápida variação da medição. De acordo com a lei de amostragem de Shannon, a frequência de amostragem do sensor não deve ser inferior a duas vezes a frequência de variação da medição.

Interpretação 2: Com o uso de diferentes frequências, a precisão do sensor também varia de acordo. De modo geral, quanto maior a frequência de amostragem, menor a precisão da medição.

A maior precisão do sensor é frequentemente obtida na menor velocidade de amostragem ou mesmo em condições estáticas. Portanto, precisão e velocidade devem ser levadas em consideração na seleção do sensor.

Cinco dicas de design para sensores

1. Comece com a ferramenta de barramento.

Como primeiro passo, o engenheiro deve adotar a abordagem de conectar o sensor por meio de uma ferramenta de barramento para limitar as variáveis ​​desconhecidas. Uma ferramenta de barramento conecta um computador pessoal (PC) ao protocolo I2C, SPI ou outro protocolo do sensor, permitindo que ele "se comunique". Um aplicativo de PC associado a uma ferramenta de barramento fornece uma fonte conhecida e funcional para envio e recebimento de dados, que não seja um driver de microcontrolador (MCU) embarcado desconhecido e não autenticado. No contexto do utilitário de barramento, o desenvolvedor pode enviar e receber mensagens para entender como a seção funciona antes de tentar operar no nível embarcado.

2. Escreva o código da interface de transmissão em Python.

Após o desenvolvedor testar os sensores da ferramenta de barramento, o próximo passo é escrever o código da aplicação para esses sensores. Em vez de partir diretamente para o código do microcontrolador, escreva o código da aplicação em Python. Muitas ferramentas de barramento configuram plug-ins e fornecem código de exemplo ao escrever scripts, que geralmente são feitos em Python.NET, uma das linguagens disponíveis no .NET. Escrever aplicações em Python é rápido e fácil, e oferece uma maneira de testar sensores em aplicações que não são tão complexas quanto os testes em um ambiente embarcado. Ter um código de alto nível facilitará a análise de scripts e testes de sensores por engenheiros sem experiência em sistemas embarcados, sem a necessidade de um engenheiro de software embarcado.

3. Teste o sensor com o MicroPython

Uma das vantagens de escrever o código inicial da aplicação em Python é que as chamadas da aplicação para a API (Interface de Programação de Aplicativos) de utilitários de barramento podem ser facilmente substituídas pelo MicroPython. O MicroPython é executado em software embarcado em tempo real, que possui diversos sensores que permitem aos engenheiros compreender seu valor. O MicroPython roda em um processador Cortex-M4 e é um excelente ambiente para depurar o código da aplicação. Além da simplicidade, não há necessidade de escrever drivers I2C ou SPI, pois eles já estão contemplados na biblioteca de funções do MicroPython.

4. Utilize o código do fornecedor do sensor.

Qualquer código de exemplo que possa ser "extraído" de um fabricante de sensores exigirá que os engenheiros percorram um longo caminho para entender como o sensor funciona. Infelizmente, muitos fornecedores de sensores não são especialistas em design de software embarcado, portanto, não espere encontrar um exemplo pronto para produção com arquitetura elegante e sofisticada. Basta usar o código do fornecedor, aprender como essa parte funciona e a frustração da refatoração surgirá até que ela possa ser integrada de forma limpa ao software embarcado. Pode começar como um "emaranhado", mas aproveitar o conhecimento dos fabricantes sobre como seus sensores funcionam ajudará a evitar muitos fins de semana perdidos antes do lançamento do produto.

5. Utilize uma biblioteca de funções de fusão de sensores.

É provável que a interface de transmissão do sensor não seja nova e nunca tenha sido usada antes. Bibliotecas conhecidas de todas as funções, como a "Biblioteca de funções de fusão de sensores" fornecida por muitos fabricantes de chips, ajudam os desenvolvedores a aprender rapidamente, ou até mesmo melhor, e a evitar o ciclo de redesenvolvimento ou modificação drástica da arquitetura do produto. Muitos sensores podem ser integrados em tipos ou categorias gerais, e esses tipos ou categorias permitirão o desenvolvimento tranquilo de drivers que, se gerenciados corretamente, são quase universais ou menos reutilizáveis. Encontre essas bibliotecas de funções de fusão de sensores e aprenda sobre seus pontos fortes e fracos.

Ao integrar sensores em sistemas embarcados, existem diversas maneiras de otimizar o tempo de projeto e a facilidade de uso. Os desenvolvedores nunca erram ao aprender como os sensores funcionam a partir de um alto nível de abstração no início do projeto, antes de integrá-los a um sistema de nível inferior. Muitos dos recursos disponíveis atualmente ajudam os desenvolvedores a começarem com o pé direito, sem precisar partir do zero.