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傳感器的主要技術指标及五大設計技巧 [2017/1/11]

液位計液位變送器的傳感器的數量在整個地球表面和人們生活周遭空間激增,提供世界各種數據訊息。這些價格親民的傳感器是物聯網發展和我們的社會正面臨數字化革命背後的驅動力,然而連接和獲取來自傳感器的數據并不總是直線前進或那麼容易。本文将介紹傳感器技術指标、5大設計技巧及代工企業。
    首先技術指标是表征一個産品性能優劣的客觀依據。看懂技術指标,有助于正确選型和使用該産品。
    傳感器的技術指标分為靜态指标和動态指标兩類:靜态指标主要考核被測靜止不變條件下傳感器的性能,具體包括分辨力、重複性、靈敏度、線性度、回程誤差、阈值、蠕變、穩定性等;動态指标主要考察被測量在快速變化條件下傳感器的性能,主要包括頻率響應和階躍響應等。
由于傳感器的技術指标衆多,各種資料文獻叙述角度不同,使得不同人有不同的理解,甚至産生誤解和歧義。
    為此,以下針對傳感器的幾個主要技術指标進行解讀:


1、分辨力與分辨率:
定義:分辨力(ResoluTIon)是指傳感器能夠檢測出的被測量的最小變化量。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标,它表征了傳感器對被測量的分辨能力。傳感器的其他技術指标都是以分辨力作為最小單位來描述的。
對于具有數顯功能的傳感器以及儀器儀表,分辨力決定了測量結果顯示的最小位數。例如:電子數顯卡尺的分辨力是0.01mm,其示指誤差為±0.02mm。
解讀2:分辨力是一個具有單位的絕對數值。例如,某溫度傳感器的分辨力為0.1℃,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而且極為相似的概念,都表征了傳感器對被測量的分辨能力。
二者主要區别在于:分辨率是以百分數的形式表示傳感器的分辨能力,它是相對數,沒有量綱。例如上述溫度傳感器的分辨力為0.1℃,滿量程為500℃,則其分辨率為0.1/500=0.02%。
2、重複性:
定義:傳感器的重複性(Repeatability)是指在同一條件下、對同一被測量、沿着同一方向進行多次重複測量時,測量結果之間的差異程度。也稱重複誤差、再現誤差等。
解讀1:傳感器的重複性必須是在相同的條件下得到的多次測量結果之間的差異程度。如果測量條件發生變化,測量結果之間的可比性消失,不能作為考核重複性的依據。
解讀2:傳感器的重複性表征了傳感器測量結果的分散性和随機性。而産生這種分散性和随機性的原因,是因為傳感器内部和外部不可避免地存在各種各樣的随機幹擾,導緻傳感器的最終測量結果表現為随機變量的特性。
解讀3:重複性的定量表述方法,可以采用随機變量的标準差。
解讀4:對于多次重複測量情形而言,如果以全部測量結果的平均值作為最終測量結果,則可以得到更高的測量精度。因為平均值的标準差顯著小于每個測量結果的标準差。
3、線性度:
定義:線性度(Linearity)是指傳感器輸入輸出曲線與理想直線的偏離程度。
解讀1:理想的傳感器輸入輸出關系應該是線性,其輸入輸出曲線應該是一條直線(如下圖中的紅色直線)。
但是,實際上的傳感器或多或少都存在各種各樣的誤差,導緻實際的輸入輸出曲線并非是理想的直線,而是一條曲線(如下圖中綠色曲線)。
線性度就是表征了傳感器實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量情況下傳感器實際特性曲線與理想直線之間的差異是不同的,因此常常以全量程範圍内二者差異的最大值與滿量程值之比。顯然,線性度也是一個相對量。
解讀3:由于對于一般測量場合而言,傳感器的理想直線是未知的,無從獲取。為此,常常采用折中的辦法,即直接利用傳感器的測量結果計算出與理想直線較為接近的拟合直線。具體計算方法包括端點連線法、最佳直線法、最小二乘法等。
4、穩定性:
定義:穩定性(Stability)是指傳感器在一段時間内保持其性能的能力。
解讀1:穩定性是考察傳感器在一定時間範圍内是否穩定工作的主要指标。而導緻傳感器不穩定的因素,主要包括溫度漂移和内部應力釋放等因素。因此,增加溫度補償、增加時效處理等措施,對提高穩定性是有幫助的。
解讀2:根據時間段的長短不同,穩定性可以分為短期穩定性和長期穩定性。當考察時間過短時,穩定性與重複性相接近。因此,穩定性指标主要考察長期穩定性。具體時間的長短,依據使用環境和要求來确定。
解讀3:穩定性指标的定量表示方法,既可以采用絕對誤差,也可以使用相對誤差。例如,某應變式力傳感器的穩定性為0.02%/12h。
5、采樣頻率:
定義:采樣頻率(Sample Rate)是指傳感器在單位時間内可以采樣的測量結果的多少。
解讀1:采樣頻率反映了該傳感器的快速反應能力,是動态特性指标中最重要的一個。對于被測量快速變化的場合,采樣頻率是必須要充分考慮的技術指标之一。依據香農采樣定律,傳感器的采樣頻率應不低于被測量變化頻率的2倍。
解讀2:随着采用頻率的不同,傳感器的精度指标也相應有所變化。一般而言,采樣頻率越高,測量精度越低。
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态條件下得到的測量結果。因此,在傳感器選型時必須兼顧精度與速度兩個指标。
下面再談傳感器五大設計技巧

技巧1—先從總線工具開始
第一步,工程師應當采取首次介接到傳感器時,是透過一個總線工具的方式以限制未知。一個總線工具連接一台個人計算機(PC),然後到傳感器的I2C、 SPI或其他可讓傳感器可以“說話”的協議。與總線工具相關的PC應用程序,提供了一個已知與工作來源用以發送和接收數據,且不是未知、未經認證的嵌入式微控制器(MCU)驅動程序。在總線工具的工作環境下,開發人員可以傳送和接收訊息以得到該部分如何運作的理解,在試圖于嵌入式等級操作之前。
技巧2—在Python編寫傳輸接口碼
一旦開發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編寫應用程序代碼。許多總線 工具在編寫腳本(wriTIng s)配置了插件(plug-in)和範例碼,Python通常是随着.NET中可用的語言之一。在Python編寫應用程序是快速且容易的, 其并提供一個方法已在應用程序中測試傳感器,這個方式并未如同在嵌入式環境測試的複雜。擁有高層級的代碼,将使非嵌入式工程師易于挖掘傳感器的腳本及測 試,而不需要一個嵌入式軟件工程師的照看。
技巧3—以Micro Python測試傳感器
在Python寫下第一段應用程序代碼的其中一個優勢是,透過調用Micro Python,應用程序調用到總線工具應用程序編程接口(API)可易于進行更換。Micro Python運作在實時嵌入式軟件内,其中有許多傳感器可供工程師來了解其價值,Micro Python運作在一個Cortex-M4處理器,且其是一個很好的環境,以從中為應用程序代碼除錯。不僅是簡單的,這裡也不需要去寫I2C 或SPI驅動程序,因為它們已被涵蓋在Micro Python的函式庫中。
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”到的範例碼,工程師需要走一段很長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計的專家,因此不要期待可以發現一個可投入生産的漂亮架構和優雅的例子。
就使用供貨商代碼,學習這部分如何運作,之後重構的挫折感将出現,直到它可以被幹淨利索地整合到嵌入式軟件。它可能如“意大利面條般(spaghetTI)”開始,但利用制造商對其傳感器如何運作的理解,在産品推出之前,将有助于減少許多得 被毀掉的周末時間。
技巧5—使用一個傳感器融合函式庫
機會是,傳感器的傳輸接口并不是太新,且先前沒有人這麼做過。已知的所有函式庫,如由許多芯片制造商提供的“傳感器融合函式庫”,以協助開發人員快速掌握、 甚至更好,更可避免他們陷入重新開發或大幅修改産品架構的輪回。
許多傳感器可以被整合至一般類型或類别,而這些類型或類别将使驅動程序順利被開發,若處理得當,幾乎是普遍或是少可重複使用。尋找這些傳感器融合函式庫,并學習它們的優點和短處。
感測器被整合至嵌入式系統時,有許多方式可以幫助提高設計時程和易用性。
開發者在開始設計時,透過一個高層次抽象概念,以及在把傳感器整合進一個較低等級的 系統之前,學習電容式液位計電容式液位變送器物位開關的傳感器如何運作,就絕對不會“走錯路”。今天存在的衆多資源将可協助開發人員“旗開得勝”,而無須從頭開始。