傳感器主要技術(shù)指標(biāo)及五大設(shè)計(jì)技巧

傳感器主要技術(shù)指標(biāo)及五大設(shè)計(jì)技巧導(dǎo)語(yǔ)：傳感器的技術(shù)指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類：靜態(tài)指標(biāo)主要考核被測(cè)靜止不變條件下傳感器的性能，具體包括分辨力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩(wěn)定性等；動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要考察被測(cè)量在快速變化條件下傳感器的性能，主要包括頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)等。傳感器的數(shù)量在整個(gè)地球外表和人們生活周遭空間激增，提供世界各種數(shù)據(jù)訊息。這些價(jià)格親民的傳感器是物聯(lián)網(wǎng)開展和我們的社會(huì)正面臨數(shù)字化革命背后的驅(qū)動(dòng)力，然而連接和獲取來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)并不總是直線前進(jìn)或那么容易。本文將介紹傳感器技術(shù)指標(biāo)、5大設(shè)計(jì)技巧及代工企業(yè)。首先技術(shù)指標(biāo)是表征一個(gè)產(chǎn)品性能優(yōu)劣的客觀依據(jù)?？炊夹g(shù)指標(biāo)，有助于正確選型和使用該產(chǎn)品。傳感器的技術(shù)指標(biāo)分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類：靜態(tài)指標(biāo)主要考核被測(cè)靜止不變條件下傳感器的性能，具體包括分辨力、重復(fù)性、靈敏度、線性度、回程誤差、閾值、蠕變、穩(wěn)定性等；動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要考察被測(cè)量在快速變化條件下傳感器的性能，主要包括頻率響應(yīng)和階躍響應(yīng)等。由于傳感器的技術(shù)指標(biāo)眾多，各種資料文獻(xiàn)表達(dá)角度不同，使得不同人有不同的理解，甚至產(chǎn)生誤解和歧義。為此，以下針對(duì)傳感器的幾個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行解讀：1、分辨力與分辨率：定義：分辨力(ResoluTIon)是指?jìng)鞲衅髂軌驒z測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量。分辨率(ResoluTIon)是指分辨力與滿量程值之比。解讀1：分辨力是傳感器的最基本的指標(biāo)，它表征了傳感器對(duì)被測(cè)量的分辨能力。傳感器的其他技術(shù)指標(biāo)都是以分辨力作為最小單位來(lái)描述的。對(duì)于具有數(shù)顯功能的傳感器以及儀器儀表，分辨力決定了測(cè)量結(jié)果顯示的最小位數(shù)。例如：電子數(shù)顯卡尺的分辨力是0.01mm,其示指誤差為±0.02mm。解讀2：分辨力是一個(gè)具有單位的絕對(duì)數(shù)值。例如，某溫度傳感器的分辨力為01℃,某加速度傳感器的分辨力是0.1g等。解讀3：分辨率是與分辨力相關(guān)而且極為相似的概念，都表征了傳感器對(duì)被測(cè)量的分辨能力。二者主要區(qū)別在于：分辨率是以百分?jǐn)?shù)的形式表示傳感器的分辨能力，它是相對(duì)數(shù),沒(méi)有量綱。例如上述溫度傳感器的分辨力為0.1℃,滿量程為500℃,那么其分辨率為0.1/500=0.02%。2、重復(fù)性：定義：傳感器的重復(fù)性(Repeatability)是指在同一條件下、對(duì)同一被測(cè)量、沿著同一方向進(jìn)行屢次重復(fù)測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果之間的差異程度。也稱重復(fù)誤差、再現(xiàn)誤差等。解讀1：傳感器的重復(fù)性必須是在相同的條件下得到的屢次測(cè)量結(jié)果之間的差異程度。如果測(cè)量條件發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果之間的可比性消失，不能作為考核重復(fù)性的依據(jù)。解讀2：傳感器的重復(fù)性表征了傳感器測(cè)量結(jié)果的分散性和隨機(jī)性。而產(chǎn)生這種分散性和隨機(jī)性的原因，是因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部和外部不可防止地存在各種各樣的隨機(jī)干擾，導(dǎo)致傳感器的最終測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)為隨機(jī)變量的特性。解讀3：重復(fù)性的定量表述方法，可以采用隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)差。解讀4：對(duì)于屢次重復(fù)測(cè)量情形而言，如果以全部測(cè)量結(jié)果的平均值作為最終測(cè)量結(jié)果，那么可以得到更高的測(cè)量精度。因?yàn)槠骄档臉?biāo)準(zhǔn)差顯著小于每個(gè)測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差。3、線性度：定義：線性度（Linearity）是指?jìng)鞲衅鬏斎胼敵銮€與理想直線的偏離程度。解讀1：理想的傳感器輸入輸出關(guān)系應(yīng)該是線性，其輸入輸出曲線應(yīng)該是一條直線（如下列圖中的紅色直線）。但是，實(shí)際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差，導(dǎo)致實(shí)際的輸入輸出曲線并非是理想的直線，而是一條曲線（如下列圖中綠色曲線）。線性度就是表征了傳感器實(shí)際特性曲線與離線直線之間的差異程度，也稱非線性度或非線性誤差。解讀2：由于在不同大小的被測(cè)量情況下傳感器實(shí)際特性曲線與理想直線之間的差異是不同的，因此常常以全量程范圍內(nèi)二者差異的最大值與滿量程值之比。顯然，線性度也是一個(gè)相對(duì)量。解讀3：由于對(duì)于一般測(cè)量場(chǎng)合而言，傳感器的理想直線是未知的，無(wú)從獲取。為此，常常采用折中的方法，即直接利用傳感器的測(cè)量結(jié)果計(jì)算出與理想直線較為接近的擬合直線。具體計(jì)算方法包括端點(diǎn)連線法、最正確直線法、最小二乘法等。4、穩(wěn)定性：定義：穩(wěn)定性(Stability)是指?jìng)鞲衅髟谝欢螘r(shí)間內(nèi)保持其性能的能力。解讀1：穩(wěn)定性是考察傳感器在一定時(shí)間范圍內(nèi)是否穩(wěn)定工作的主要指標(biāo)。而導(dǎo)致傳感器不穩(wěn)定的因素，主要包括溫度漂移和內(nèi)部應(yīng)力釋放等因素。因此，增加溫度補(bǔ)償、增加時(shí)效處理等措施，對(duì)提高穩(wěn)定性是有幫助的。解讀2：根據(jù)時(shí)間段的長(zhǎng)短不同，穩(wěn)定性可以分為短期穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。當(dāng)考察時(shí)間過(guò)短時(shí)，穩(wěn)定性與重復(fù)性相接近。因此，穩(wěn)定性指標(biāo)主要考察長(zhǎng)期穩(wěn)定性。具體時(shí)間的長(zhǎng)短，依據(jù)使用環(huán)境和要求來(lái)確定。解讀3：穩(wěn)定性指標(biāo)的定量表示方法，既可以采用絕對(duì)誤差，也可以使用相對(duì)誤差。例如，某應(yīng)變式力傳感器的穩(wěn)定性為0.02%/12h。5、采樣頻率：定義：采樣頻率(SampleRate)是指?jìng)鞲衅髟趩挝粫r(shí)間內(nèi)可以采樣的測(cè)量結(jié)果的多少。解讀1：采樣頻率反映了該傳感器的快速反響能力，是動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)中最重要的一個(gè)。對(duì)于被測(cè)量快速變化的場(chǎng)合，采樣頻率是必須要充分考慮的技術(shù)指標(biāo)之一。依據(jù)香農(nóng)采樣定律，傳感器的采樣頻率應(yīng)不低于被測(cè)量變化頻率的2倍。解讀2：隨著采用頻率的不同，傳感器的精度指標(biāo)也相應(yīng)有所變化。一般而言，采樣頻率越高，測(cè)量精度越低。而傳感器給出的最高精度往往是在最低采樣速度下甚至是在靜態(tài)條件下得到的測(cè)量結(jié)果。因此，在傳感器選型時(shí)必須兼顧精度與速度兩個(gè)指標(biāo)。下面再談傳感器五大設(shè)計(jì)技巧技巧l—先從總線工具開始第一步，工程師應(yīng)當(dāng)采取首次介接到傳感器時(shí)，是透過(guò)一個(gè)總線工具的方式以限制未知。一個(gè)總線工具連接一臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC),然后到傳感器的I2C>SPI或其他可讓傳感器可以“說(shuō)話”的協(xié)議。與總線工具相關(guān)的PC應(yīng)用程序，提供了一個(gè)與工作來(lái)源用以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，且不是未知、未經(jīng)認(rèn)證的嵌入式微控制器(MCU)驅(qū)動(dòng)程序。在總線工具的工作環(huán)境下，開發(fā)人員可以傳送和接收訊息以得到該局部如何運(yùn)作的理解，在試圖于嵌入式等級(jí)操作之前。技巧2—在Python編寫傳輸接口碼一旦開發(fā)者已嘗試使用總線工具的傳感器，下一步就是為傳感器編寫應(yīng)用程序代碼。并非直接跳到微控制器的代碼，而是在Python編寫應(yīng)用程序代碼。許多總線工具在編寫腳本(wriTIngscripts)配置了插件(plug-in)和范例碼，Python通常是隨著.NET中可用的語(yǔ)言之一。在Python編寫應(yīng)用程序是快速且容易的，其并提供一個(gè)方法已在應(yīng)用程序中測(cè)試傳感器，這個(gè)方式并未如同在嵌入式環(huán)境測(cè)試的復(fù)雜。擁有高層級(jí)的代碼，將使非嵌入式工程師易于挖掘傳感器的腳本及測(cè)試，而不需要一個(gè)嵌入式軟件工程師的照看。技巧3—以MicroPython測(cè)試傳感器在Python寫下第一段應(yīng)用程序代碼的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，透過(guò)調(diào)用MicroPython,應(yīng)用程序調(diào)用到總線工具應(yīng)用程序編程接口(API)可易于進(jìn)行更換。MicroPython運(yùn)作在實(shí)時(shí)嵌入式軟件內(nèi)，其中有許多傳感器可供工程師來(lái)了解其價(jià)值,MicroPython運(yùn)作在一個(gè)Cortex-M4處理器，且其是一個(gè)很好的環(huán)境，以從中為應(yīng)用程序代碼除錯(cuò)。不僅是簡(jiǎn)單的，這里也不需要去寫12c或SPI驅(qū)動(dòng)程序，因?yàn)樗鼈円驯缓w在MicroPython的函式庫(kù)中。技巧4—利用傳感器供貨商代碼任何可以從傳感器制造商“搜括”到的范例碼，工程師需要走一段很長(zhǎng)的路才能了解傳感器如何工作的原理。不幸的是，許多傳感器供貨商并非嵌入式軟件設(shè)計(jì)的專家，因此不要期待可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)可投入生產(chǎn)的漂亮架構(gòu)和優(yōu)雅的例子。就使用供貨商代碼，學(xué)習(xí)這局部如何運(yùn)作，之后重構(gòu)的挫折感將出現(xiàn)，直到它可以被干凈利索地整合到嵌入式軟件。它可能如“意大利面條般(spaghetTI)”開始，但利用制造商對(duì)其傳感器如何運(yùn)作的理解，在產(chǎn)品推出之前，將有助于減少許多得被毀掉的周末時(shí)間。技巧5—使用一個(gè)傳感器融合函式庫(kù)機(jī)會(huì)是，傳感器的傳輸接口并不是太新，且先前沒(méi)有人這么做過(guò)。的所有函式庫(kù)，如由許多芯片制造商提供的“傳感器融合函式庫(kù)”,以協(xié)助開發(fā)人員快速掌握、甚至更好，更可防止他們陷入重新開發(fā)或大幅修改產(chǎn)品架構(gòu)的輪回。許多傳感器可以被整合至一般類型或類別，而這些類型或類別將使驅(qū)動(dòng)程序順利被開發(fā)，假設(shè)處理得當(dāng)，幾乎是普遍或是少可重復(fù)使用。尋找這些傳感器融合函