Fünf Designfähigkeiten und technische Indikatoren des Sensors

Die Anzahl der Sensoren nimmt auf der Erdoberfläche und in unserer Umgebung rasant zu und liefert der Welt Daten. Diese kostengünstigen Sensoren sind die treibende Kraft hinter der Entwicklung des Internets der Dinge und der digitalen Revolution, vor der unsere Gesellschaft steht. Die Anbindung und der Zugriff auf Sensordaten gestalten sich jedoch nicht immer reibungslos. Dieser Artikel stellt die technischen Kennzahlen von Sensoren, fünf wichtige Designkompetenzen und OEM-Unternehmen vor.

Zunächst einmal bilden die technischen Kennzahlen die objektive Grundlage zur Charakterisierung der Produktleistung. Das Verständnis der technischen Kennzahlen trägt zur korrekten Auswahl und Anwendung des Produkts bei. Die technischen Kennzahlen eines Sensors lassen sich in statische und dynamische Kennzahlen unterteilen. Die statischen Kennzahlen untersuchen hauptsächlich die Leistung des Sensors unter statischen Bedingungen, darunter Auflösung, Wiederholgenauigkeit, Empfindlichkeit, Linearität, Rücklauffehler, Schwellenwert, Kriechverhalten, Stabilität usw. Die dynamischen Kennzahlen untersuchen hauptsächlich die Leistung des Sensors unter Bedingungen schneller Änderungen, darunter Frequenzgang und Sprungantwort.

Aufgrund der zahlreichen technischen Indikatoren des Sensors werden verschiedene Daten und Literatur aus unterschiedlichen Blickwinkeln beschrieben, was zu unterschiedlichen Auffassungen, ja sogar zu Missverständnissen und Unklarheiten führen kann. Daher werden im Folgenden einige wichtige technische Indikatoren des Sensors erläutert:

1. Auflösung und Auflösung:

Definition: Auflösung bezeichnet die kleinste messbare Änderung, die ein Sensor erfassen kann. Auflösung bezeichnet das Verhältnis von Auflösung zu Vollausschlag.

Interpretation 1: Die Auflösung ist der grundlegendste Indikator für einen Sensor. Sie beschreibt dessen Fähigkeit, die gemessenen Objekte zu unterscheiden. Die anderen technischen Spezifikationen des Sensors werden in Bezug auf die Auflösung als kleinste Einheit beschrieben.

Bei Sensoren und Instrumenten mit Digitalanzeige bestimmt die Auflösung die minimale Anzahl der anzuzeigenden Ziffern. Beispielsweise beträgt die Auflösung eines elektronischen digitalen Messschiebers 0,01 mm und der Anzeigefehler ±0,02 mm.

Interpretation 2: Die Auflösung ist eine absolute Zahl mit Einheiten. Zum Beispiel beträgt die Auflösung eines Temperatursensors 0,1℃, die Auflösung eines Beschleunigungssensors 0,1 g usw.

Interpretation 3: Auflösung ist ein verwandtes und sehr ähnliches Konzept wie Auflösung; beide bezeichnen die Auflösung eines Sensors bei einer Messung.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Auflösung als Prozentsatz der Sensorauflösung angegeben wird. Sie ist relativ und dimensionslos. Beispielsweise beträgt die Auflösung des Temperatursensors 0,1 °C, der Messbereich 500 °C, die Auflösung also 0,1/500 = 0,02 %.

2. Wiederholbarkeit:

Definition: Die Wiederholgenauigkeit eines Sensors bezeichnet das Ausmaß der Abweichung zwischen den Messergebnissen, wenn die Messung mehrmals in derselben Richtung und unter gleichen Bedingungen wiederholt wird. Sie wird auch als Wiederholungsfehler, Reproduktionsfehler usw. bezeichnet.

Interpretation 1: Die Wiederholbarkeit eines Sensors muss das Ausmaß der Differenz zwischen mehreren Messungen sein, die unter gleichen Bedingungen durchgeführt wurden. Ändern sich die Messbedingungen, geht die Vergleichbarkeit der Messergebnisse verloren, weshalb diese nicht als Grundlage für die Beurteilung der Wiederholbarkeit herangezogen werden können.

Interpretation 2: Die Wiederholgenauigkeit des Sensors beschreibt die Streuung und Zufälligkeit der Messergebnisse. Diese Streuung und Zufälligkeit ist darauf zurückzuführen, dass innerhalb und außerhalb des Sensors unweigerlich verschiedene zufällige Störungen auftreten, die dazu führen, dass die endgültigen Messergebnisse des Sensors die Eigenschaften von Zufallsvariablen aufweisen.

Interpretation 3: Die Standardabweichung der Zufallsvariablen kann als reproduzierbarer quantitativer Ausdruck verwendet werden.

Interpretation 4: Bei mehreren wiederholten Messungen lässt sich eine höhere Messgenauigkeit erzielen, wenn der Mittelwert aller Messungen als endgültiges Messergebnis verwendet wird. Denn die Standardabweichung des Mittelwerts ist deutlich kleiner als die Standardabweichung der Einzelmessungen.

3. Linearität:

Definition: Linearität (Linearität) bezieht sich auf die Abweichung der Eingangs- und Ausgangskurve des Sensors von der idealen Geraden.

Interpretation 1: Die ideale Eingangs-/Ausgangsbeziehung des Sensors sollte linear sein, und seine Eingangs-/Ausgangskurve sollte eine Gerade sein (rote Linie in der Abbildung unten).

Allerdings weist der tatsächliche Sensor eine Vielzahl von Fehlern auf, sodass die tatsächliche Eingangs- und Ausgangskurve keine ideale Gerade, sondern eine Kurve ist (die grüne Kurve in der Abbildung unten).

Linearität ist der Grad der Abweichung zwischen der tatsächlichen Kennlinie des Sensors und der Offline-Kennlinie, auch Nichtlinearität oder nichtlinearer Fehler genannt.

Interpretation 2: Da die Abweichung zwischen der tatsächlichen Kennlinie des Sensors und der Ideallinie bei unterschiedlichen Messgrößen variiert, wird im gesamten Messbereich häufig das Verhältnis des Maximalwerts der Abweichung zum Maximalwert verwendet. Offensichtlich ist auch die Linearität eine relative Größe.

Interpretation 3: Da die ideale Messlinie des Sensors in der allgemeinen Messsituation unbekannt ist, kann sie nicht ermittelt werden. Daher wird häufig ein Kompromissverfahren angewendet, d. h. die Messergebnisse des Sensors werden direkt genutzt, um eine Ausgleichsgerade zu berechnen, die der idealen Linie möglichst nahe kommt. Zu den spezifischen Berechnungsmethoden gehören die Endpunktmethode, die Ausgleichsgerademethode, die Methode der kleinsten Quadrate usw.

4. Stabilität:

Definition: Stabilität ist die Fähigkeit eines Sensors, seine Leistungsfähigkeit über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten.

Interpretation 1: Die Stabilität ist der wichtigste Indikator, um zu untersuchen, ob der Sensor in einem bestimmten Zeitbereich stabil arbeitet. Zu den Faktoren, die zur Instabilität des Sensors führen, gehören hauptsächlich Temperaturdrift und die Freisetzung innerer Spannungen. Daher ist es hilfreich, die Temperaturkompensation und die Alterungsbehandlung zu verbessern, um die Stabilität zu erhöhen.

Interpretation 2: Stabilität lässt sich anhand der Beobachtungsdauer in Kurzzeit- und Langzeitstabilität unterteilen. Bei sehr kurzen Beobachtungszeiten sind Stabilität und Wiederholbarkeit vergleichbar. Daher untersucht der Stabilitätsindex hauptsächlich die Langzeitstabilität. Die spezifische Beobachtungsdauer richtet sich nach den Anwendungsbedingungen und Anforderungen.

Interpretation 3: Sowohl der absolute als auch der relative Fehler können zur quantitativen Darstellung des Stabilitätsindex verwendet werden. Beispielsweise weist ein Dehnungssensor eine Stabilität von 0,02 %/12 h auf.

5. Abtastfrequenz:

Definition: Die Abtastrate bezeichnet die Anzahl der Messwerte, die der Sensor pro Zeiteinheit erfassen kann.

Interpretation 1: Die Abtastfrequenz ist der wichtigste Indikator für die dynamischen Eigenschaften des Sensors und spiegelt dessen schnelle Reaktionsfähigkeit wider. Sie ist einer der technischen Indikatoren, die bei schnellen Messwertänderungen unbedingt berücksichtigt werden müssen. Gemäß dem Shannonschen Abtastgesetz sollte die Abtastfrequenz des Sensors mindestens dem Zweifachen der Änderungsfrequenz der Messgröße entsprechen.

Interpretation 2: Mit der Verwendung unterschiedlicher Frequenzen variiert auch die Genauigkeit des Sensors. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Abtastfrequenz, desto geringer die Messgenauigkeit.

Die höchste Genauigkeit des Sensors wird oft bei der niedrigsten Abtastgeschwindigkeit oder sogar unter statischen Bedingungen erreicht. Daher müssen Präzision und Geschwindigkeit bei der Sensorauswahl berücksichtigt werden.

Fünf Designtipps für Sensoren

1. Beginnen Sie mit dem Bus-Tool.

Als ersten Schritt sollte der Ingenieur den Sensor zunächst über ein Bus-Tool anschließen, um Unbekanntes zu minimieren. Ein Bus-Tool verbindet einen PC mit dem Sensor über dessen I2C-, SPI- oder ein anderes Protokoll, das die Kommunikation zwischen Sensor und System ermöglicht. Eine PC-Anwendung, die mit einem Bus-Tool verknüpft ist, stellt eine bekannte und funktionierende Datenquelle dar, die kein unbekannter, nicht authentifizierter Treiber eines eingebetteten Mikrocontrollers (MCU) ist. Mithilfe des Bus-Tools kann der Entwickler Nachrichten senden und empfangen, um die Funktionsweise des Systems zu verstehen, bevor er auf der Ebene des eingebetteten Systems arbeitet.

2. Schreiben Sie den Code für die Übertragungsschnittstelle in Python.

Nachdem der Entwickler die Sensoren des Bus-Tools getestet hat, besteht der nächste Schritt darin, Anwendungscode für die Sensoren zu schreiben. Anstatt direkt mit dem Mikrocontroller-Code zu beginnen, sollte der Anwendungscode in Python verfasst werden. Viele Bus-Tools konfigurieren Plug-ins und Beispielcode für die Skripterstellung, denen Python üblicherweise folgt. .NET ist eine der in .NET verfügbaren Sprachen. Die Entwicklung von Anwendungen in Python ist schnell und einfach und ermöglicht das Testen von Sensoren in Anwendungen, die nicht so komplex sind wie Tests in einer eingebetteten Umgebung. Hochsprachlicher Code erleichtert es auch Entwicklern ohne Erfahrung mit eingebetteten Systemen, Sensorskripte und -tests ohne die Unterstützung eines Embedded-Softwareentwicklers zu analysieren.

3. Testen Sie den Sensor mit MicroPython.

Ein Vorteil der Entwicklung des ersten Anwendungscodes in Python besteht darin, dass Aufrufe der Bus-Utility-API einfach durch MicroPython ersetzt werden können. MicroPython läuft in Echtzeit-Embedded-Software und verfügt über zahlreiche Sensoren, die es Ingenieuren ermöglichen, seinen Nutzen zu erkennen. MicroPython läuft auf einem Cortex-M4-Prozessor und bietet eine optimale Umgebung zum Debuggen von Anwendungscode. Es ist nicht nur einfach, sondern es müssen auch keine I2C- oder SPI-Treiber geschrieben werden, da diese bereits in der Funktionsbibliothek von MicroPython enthalten sind.

4. Verwenden Sie den Code des Sensorlieferanten.

Jeglicher Beispielcode, der von einem Sensorhersteller „abgegriffen“ werden kann, erfordert von Ingenieuren einen erheblichen Aufwand, um die Funktionsweise des Sensors zu verstehen. Leider sind viele Sensorhersteller keine Experten für Embedded-Software-Entwicklung. Erwarten Sie daher kein produktionsreifes Beispiel mit eleganter Architektur. Nutzen Sie einfach den Herstellercode, lernen Sie dessen Funktionsweise kennen, und die damit verbundene Frustration des Refactorings wird sich einstellen, bis der Code sauber in die Embedded-Software integriert werden kann. Anfangs mag es chaotisch wirken, aber das Verständnis der Hersteller für die Funktionsweise ihrer Sensoren hilft, viele verlorene Wochenenden vor der Produkteinführung zu vermeiden.

5. Verwenden Sie eine Bibliothek von Sensorfusionsfunktionen.

Die Übertragungsschnittstelle des Sensors ist höchstwahrscheinlich nicht neu und wurde bisher noch nicht implementiert. Bekannte Funktionsbibliotheken, wie beispielsweise die von vielen Chipherstellern bereitgestellte „Sensor Fusion Function Library“, unterstützen Entwickler beim schnellen und gründlichen Lernen und vermeiden so die Notwendigkeit, die Produktarchitektur immer wieder neu zu entwickeln oder grundlegend zu modifizieren. Viele Sensoren lassen sich in allgemeine Typen oder Kategorien einordnen. Diese Typen oder Kategorien ermöglichen die reibungslose Entwicklung von Treibern, die – bei korrekter Handhabung – nahezu universell einsetzbar oder nur schwer wiederverwendbar sind. Suchen Sie nach diesen Bibliotheken mit Sensorfusionsfunktionen und analysieren Sie deren Stärken und Schwächen.

Bei der Integration von Sensoren in eingebettete Systeme gibt es viele Möglichkeiten, die Entwicklungszeit zu verkürzen und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Entwickler können nichts falsch machen, wenn sie sich bereits zu Beginn der Entwicklung und vor der Integration in ein System niedrigerer Ebene mit der Funktionsweise von Sensoren auf einer hohen Abstraktionsebene auseinandersetzen. Viele der heute verfügbaren Ressourcen helfen Entwicklern, sofort loszulegen, ohne bei null anfangen zu müssen.