Năm kỹ năng thiết kế và chỉ số kỹ thuật của cảm biến

Số lượng cảm biến đang gia tăng nhanh chóng trên bề mặt trái đất và trong không gian xung quanh chúng ta, cung cấp dữ liệu cho thế giới. Những cảm biến giá cả phải chăng này là động lực thúc đẩy sự phát triển của Internet vạn vật và cuộc cách mạng kỹ thuật số mà xã hội chúng ta đang đối mặt, tuy nhiên việc kết nối và truy cập dữ liệu từ cảm biến không phải lúc nào cũng diễn ra suôn sẻ hoặc dễ dàng. Bài báo này sẽ giới thiệu chỉ số kỹ thuật của cảm biến, 5 kỹ năng thiết kế và các doanh nghiệp OEM.

Trước hết, chỉ số kỹ thuật là cơ sở khách quan để đặc trưng hóa hiệu suất của sản phẩm. Hiểu rõ các chỉ số kỹ thuật giúp lựa chọn và sử dụng sản phẩm đúng cách. Các chỉ số kỹ thuật của cảm biến được chia thành chỉ số tĩnh và chỉ số động. Chỉ số tĩnh chủ yếu kiểm tra hiệu suất của cảm biến trong điều kiện không đổi, bao gồm độ phân giải, độ lặp lại, độ nhạy, độ tuyến tính, sai số hồi tiếp, ngưỡng, độ rão, độ ổn định, v.v. Chỉ số động chủ yếu kiểm tra hiệu suất của cảm biến trong điều kiện thay đổi nhanh, bao gồm đáp ứng tần số và đáp ứng bước.

Do có nhiều chỉ số kỹ thuật khác nhau của cảm biến, nên dữ liệu và tài liệu được mô tả từ nhiều góc độ khác nhau, dẫn đến những hiểu biết khác nhau của mọi người, thậm chí gây hiểu nhầm và mơ hồ. Vì vậy, một số chỉ số kỹ thuật chính của cảm biến được giải thích như sau:

1. Độ phân giải và độ phân giải:

Định nghĩa: Độ phân giải (Resolution) đề cập đến sự thay đổi nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện được. Độ phân giải cũng đề cập đến tỷ lệ giữa độ phân giải và giá trị toàn thang đo.

Giải thích 1: Độ phân giải là chỉ số cơ bản nhất của cảm biến. Nó thể hiện khả năng phân biệt các đối tượng được đo của cảm biến. Các thông số kỹ thuật khác của cảm biến được mô tả theo độ phân giải như là đơn vị tối thiểu.

Đối với các cảm biến và thiết bị có màn hình hiển thị kỹ thuật số, độ phân giải xác định số chữ số tối thiểu được hiển thị. Ví dụ, độ phân giải của thước kẹp điện tử kỹ thuật số là 0,01mm, và sai số hiển thị là ±0,02mm.

Giải thích 2: Độ phân giải là một số tuyệt đối có đơn vị. Ví dụ, độ phân giải của cảm biến nhiệt độ là 0,1℃, độ phân giải của cảm biến gia tốc là 0,1g, v.v.

Giải thích 3: Độ phân giải là một khái niệm có liên quan và rất giống với độ phân giải, cả hai đều thể hiện độ phân giải của cảm biến đối với phép đo.

Sự khác biệt chính là độ phân giải được biểu thị bằng phần trăm độ phân giải của cảm biến. Nó mang tính tương đối và không có đơn vị. Ví dụ, độ phân giải của cảm biến nhiệt độ là 0,1℃, phạm vi toàn dải là 500℃, độ phân giải là 0,1/500 = 0,02%.

2. Tính lặp lại:

Định nghĩa: Độ lặp lại của cảm biến đề cập đến mức độ sai lệch giữa các kết quả đo khi phép đo được lặp lại nhiều lần theo cùng một hướng trong cùng điều kiện. Còn được gọi là sai số lặp lại, sai số tái tạo, v.v.

Giải thích 1: Độ lặp lại của cảm biến phải là mức độ khác biệt giữa nhiều phép đo thu được trong cùng điều kiện. Nếu điều kiện đo thay đổi, khả năng so sánh giữa các kết quả đo sẽ biến mất, do đó không thể dùng làm cơ sở để đánh giá độ lặp lại.

Giải thích 2: Độ lặp lại của cảm biến thể hiện sự phân tán và tính ngẫu nhiên của kết quả đo. Nguyên nhân của sự phân tán và tính ngẫu nhiên này là do các nhiễu loạn ngẫu nhiên khác nhau không thể tránh khỏi tồn tại bên trong và bên ngoài cảm biến, dẫn đến kết quả đo cuối cùng của cảm biến mang đặc điểm của các biến ngẫu nhiên.

Giải thích 3: Độ lệch chuẩn của biến ngẫu nhiên có thể được sử dụng như một biểu thức định lượng có thể tái tạo.

Giải thích 4: Đối với nhiều phép đo lặp lại, độ chính xác đo cao hơn có thể đạt được nếu lấy giá trị trung bình của tất cả các phép đo làm kết quả đo cuối cùng. Bởi vì độ lệch chuẩn của giá trị trung bình nhỏ hơn đáng kể so với độ lệch chuẩn của từng phép đo riêng lẻ.

3. Tính tuyến tính:

Định nghĩa: Tính tuyến tính (Linearity) đề cập đến độ lệch của đường cong đầu vào và đầu ra của cảm biến so với đường thẳng lý tưởng.

Giải thích 1: Mối quan hệ đầu vào/đầu ra lý tưởng của cảm biến nên là tuyến tính, và đường cong đầu vào/đầu ra của nó nên là một đường thẳng (đường màu đỏ trong hình bên dưới).

Tuy nhiên, cảm biến thực tế ít nhiều có nhiều sai số, dẫn đến đường cong đầu vào và đầu ra thực tế không phải là đường thẳng lý tưởng mà là một đường cong (đường cong màu xanh lá cây trong hình bên dưới).

Tính tuyến tính là mức độ khác biệt giữa đường cong đặc tính thực tế của cảm biến và đường cong lý thuyết, còn được gọi là tính phi tuyến tính hoặc sai số phi tuyến tính.

Giải thích 2: Vì sự khác biệt giữa đường cong đặc tính thực tế của cảm biến và đường lý tưởng là khác nhau ở các kích thước đo khác nhau, nên tỷ lệ giữa giá trị tối đa của sự khác biệt và giá trị toàn dải thường được sử dụng trong phạm vi toàn dải. Rõ ràng, tính tuyến tính cũng là một đại lượng tương đối.

Giải thích 3: Vì đường lý tưởng của cảm biến không xác định được trong điều kiện đo thông thường, nên không thể thu được nó. Vì lý do này, người ta thường áp dụng phương pháp thỏa hiệp, đó là sử dụng trực tiếp kết quả đo của cảm biến để tính toán đường phù hợp gần với đường lý tưởng. Các phương pháp tính toán cụ thể bao gồm phương pháp đường điểm cuối, phương pháp đường tối ưu, phương pháp bình phương nhỏ nhất, v.v.

4. Độ ổn định:

Định nghĩa: Độ ổn định là khả năng của cảm biến duy trì hiệu suất hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định.

Giải thích 1: Độ ổn định là chỉ số chính để kiểm tra xem cảm biến có hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian nhất định hay không. Các yếu tố dẫn đến sự không ổn định của cảm biến chủ yếu bao gồm sự thay đổi nhiệt độ và sự giải phóng ứng suất bên trong. Do đó, việc tăng cường bù nhiệt độ và xử lý lão hóa sẽ giúp cải thiện độ ổn định.

Giải thích 2: Độ ổn định có thể được chia thành ổn định ngắn hạn và ổn định dài hạn tùy thuộc vào độ dài của khoảng thời gian. Khi thời gian quan sát quá ngắn, độ ổn định và khả năng lặp lại gần bằng nhau. Do đó, chỉ số ổn định chủ yếu kiểm tra độ ổn định dài hạn. Khoảng thời gian cụ thể được xác định theo môi trường sử dụng và yêu cầu.

Giải thích 3: Cả sai số tuyệt đối và sai số tương đối đều có thể được sử dụng để biểu thị định lượng chỉ số ổn định. Ví dụ, cảm biến lực loại biến dạng có độ ổn định là 0,02%/12h.

5. Tần số lấy mẫu:

Định nghĩa: Tốc độ lấy mẫu đề cập đến số lượng kết quả đo mà cảm biến có thể lấy mẫu trên mỗi đơn vị thời gian.

Giải thích 1: Tần số lấy mẫu là chỉ số quan trọng nhất thể hiện đặc tính động của cảm biến, phản ánh khả năng phản hồi nhanh của cảm biến. Tần số lấy mẫu là một trong những chỉ số kỹ thuật cần được xem xét đầy đủ trong trường hợp thay đổi nhanh chóng của phép đo. Theo định luật lấy mẫu của Shannon, tần số lấy mẫu của cảm biến không được nhỏ hơn 2 lần tần số thay đổi của phép đo.

Giải thích 2: Khi sử dụng các tần số khác nhau, độ chính xác của cảm biến cũng thay đổi tương ứng. Nói chung, tần số lấy mẫu càng cao thì độ chính xác đo càng thấp.

Độ chính xác cao nhất của cảm biến thường đạt được ở tốc độ lấy mẫu thấp nhất hoặc thậm chí trong điều kiện tĩnh. Do đó, độ chính xác và tốc độ phải được xem xét khi lựa chọn cảm biến.

Năm lời khuyên thiết kế dành cho cảm biến

1. Bắt đầu với công cụ xe buýt

Bước đầu tiên, kỹ sư nên tiếp cận bằng cách kết nối cảm biến thông qua một công cụ bus để hạn chế những điều không chắc chắn. Công cụ bus kết nối máy tính cá nhân (PC) với giao thức I2C, SPI hoặc giao thức khác của cảm biến cho phép cảm biến "giao tiếp". Một ứng dụng PC được liên kết với công cụ bus cung cấp một nguồn đã biết và hoạt động để gửi và nhận dữ liệu, không phải là trình điều khiển vi điều khiển nhúng (MCU) không xác thực. Trong ngữ cảnh của tiện ích Bus, nhà phát triển có thể gửi và nhận tin nhắn để hiểu cách thức hoạt động của phần này trước khi cố gắng thao tác ở cấp độ nhúng.

2. Viết mã giao diện truyền dẫn bằng Python.

Sau khi nhà phát triển đã thử sử dụng các cảm biến của công cụ bus, bước tiếp theo là viết mã ứng dụng cho các cảm biến. Thay vì nhảy thẳng đến mã vi điều khiển, hãy viết mã ứng dụng bằng Python. Nhiều tiện ích bus cấu hình các plugin và mã mẫu khi viết kịch bản, và Python thường tuân theo .NET, một trong những ngôn ngữ có sẵn trong .NET. Viết ứng dụng bằng Python nhanh chóng và dễ dàng, đồng thời cung cấp một cách để kiểm tra các cảm biến trong các ứng dụng không phức tạp như kiểm tra trong môi trường nhúng. Việc có mã cấp cao sẽ giúp các kỹ sư không chuyên về nhúng dễ dàng khai thác các kịch bản và kiểm thử cảm biến mà không cần sự hỗ trợ của kỹ sư phần mềm nhúng.

3. Kiểm tra cảm biến bằng Micro Python

Một trong những ưu điểm của việc viết mã ứng dụng đầu tiên bằng Python là các lệnh gọi ứng dụng đến giao diện lập trình ứng dụng (API) tiện ích Bus có thể dễ dàng được thay thế bằng cách gọi Micro Python. Micro Python chạy trong phần mềm nhúng thời gian thực, có nhiều cảm biến giúp các kỹ sư hiểu được giá trị của nó. Micro Python chạy trên bộ xử lý Cortex-M4, và đây là môi trường tốt để gỡ lỗi mã ứng dụng. Không chỉ đơn giản, mà còn không cần phải viết trình điều khiển I2C hoặc SPI, vì chúng đã được bao gồm trong thư viện hàm của Micro Python.

4. Sử dụng mã nhà cung cấp cảm biến

Bất kỳ đoạn mã mẫu nào có thể "lấy được" từ nhà sản xuất cảm biến, các kỹ sư sẽ phải bỏ rất nhiều công sức để hiểu cách cảm biến hoạt động. Thật không may, nhiều nhà cung cấp cảm biến không phải là chuyên gia về thiết kế phần mềm nhúng, vì vậy đừng mong tìm thấy một ví dụ sẵn sàng sản xuất với kiến ​​trúc đẹp và tinh tế. Chỉ cần sử dụng mã của nhà cung cấp, tìm hiểu cách phần này hoạt động, và sự khó khăn của việc tái cấu trúc sẽ phát sinh cho đến khi nó có thể được tích hợp một cách gọn gàng vào phần mềm nhúng. Ban đầu có thể trông như "mớ hỗn độn", nhưng việc tận dụng sự hiểu biết của nhà sản xuất về cách cảm biến của họ hoạt động sẽ giúp giảm thiểu nhiều ngày cuối tuần bị hủy hoại trước khi sản phẩm được ra mắt.

5. Sử dụng thư viện các chức năng kết hợp cảm biến.

Nhiều khả năng giao diện truyền dẫn của cảm biến không phải là mới và chưa từng được thực hiện trước đây. Các thư viện chức năng đã biết, chẳng hạn như "Thư viện chức năng hợp nhất cảm biến" do nhiều nhà sản xuất chip cung cấp, giúp các nhà phát triển học hỏi nhanh chóng, hoặc thậm chí tốt hơn, và tránh được chu kỳ phát triển lại hoặc sửa đổi đáng kể kiến ​​trúc sản phẩm. Nhiều cảm biến có thể được tích hợp vào các loại hoặc danh mục chung, và các loại hoặc danh mục này sẽ cho phép phát triển trình điều khiển một cách suôn sẻ, nếu được xử lý đúng cách, chúng gần như phổ quát hoặc ít có khả năng tái sử dụng. Hãy tìm các thư viện chức năng hợp nhất cảm biến này và tìm hiểu điểm mạnh và điểm yếu của chúng.

Khi tích hợp cảm biến vào hệ thống nhúng, có rất nhiều cách để giúp cải thiện thời gian thiết kế và tính dễ sử dụng. Các nhà phát triển sẽ không bao giờ "sai" nếu tìm hiểu cách thức hoạt động của cảm biến từ mức độ trừu tượng cao ngay từ đầu quá trình thiết kế và trước khi tích hợp chúng vào hệ thống cấp thấp hơn. Nhiều nguồn tài liệu hiện có sẽ giúp các nhà phát triển "bắt tay vào việc ngay" mà không cần phải bắt đầu từ con số không.