सेन्सरची पाच डिझाइन कौशल्ये आणि तांत्रिक निर्देशक

पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर आणि आपल्या सभोवतालच्या अवकाशात सेन्सर्सची संख्या वाढत आहे, ज्यामुळे जगाला डेटा मिळत आहे. हे परवडणारे सेन्सर्स 'इंटरनेट ऑफ थिंग्ज'च्या विकासामागील आणि आपला समाज ज्या डिजिटल क्रांतीचा सामना करत आहे त्यामागील प्रेरक शक्ती आहेत, तरीही सेन्सर्सना जोडणे आणि त्यांच्याकडून डेटा मिळवणे हे नेहमीच सरळ किंवा सोपे नसते. हा शोधनिबंध सेन्सर तांत्रिक निर्देशांक, ५ डिझाइन कौशल्ये आणि ओईएम (OEM) उद्योगांची ओळख करून देईल.

सर्वप्रथम, तांत्रिक निर्देशांक हा उत्पादनाच्या कामगिरीचे वैशिष्ट्य दर्शवणारा वस्तुनिष्ठ आधार आहे. तांत्रिक निर्देशक समजून घेतल्यास, उत्पादनाची योग्य निवड आणि वापर करण्यास मदत होते. सेन्सरचे तांत्रिक निर्देशक स्थिर निर्देशक आणि गतिशील निर्देशक यांमध्ये विभागलेले आहेत. स्थिर निर्देशक प्रामुख्याने स्थिर अपरिवर्तनीयतेच्या परिस्थितीत सेन्सरच्या कामगिरीची तपासणी करतात, ज्यामध्ये रिझोल्यूशन, पुनरावृत्तीक्षमता, संवेदनशीलता, रेषीयता, रिटर्न एरर, थ्रेशोल्ड, क्रीप, स्थिरता इत्यादींचा समावेश होतो. गतिशील निर्देशांक प्रामुख्याने जलद बदलाच्या परिस्थितीत सेन्सरच्या कामगिरीची तपासणी करतात, ज्यामध्ये फ्रिक्वेन्सी रिस्पॉन्स आणि स्टेप रिस्पॉन्स यांचा समावेश होतो.

सेन्सरच्या असंख्य तांत्रिक निर्देशकांमुळे, विविध डेटा आणि साहित्य वेगवेगळ्या दृष्टिकोनातून वर्णन केले जाते, ज्यामुळे वेगवेगळ्या लोकांमध्ये वेगवेगळी समज, आणि अगदी गैरसमज आणि संदिग्धता निर्माण होते. या उद्देशाने, सेन्सरसाठी खालील काही मुख्य तांत्रिक निर्देशकांचे स्पष्टीकरण दिले आहे:

१, ठराव आणि ठराव:

व्याख्या: रिझोल्यूशन म्हणजे सेन्सरद्वारे शोधता येणारा सर्वात लहान मोजलेला बदल. रिझोल्यूशन म्हणजे पूर्ण स्केल मूल्याशी असलेले गुणोत्तर.

स्पष्टीकरण १: रिझोल्यूशन हे सेन्सरचे सर्वात मूलभूत निर्देशक आहे. ते मोजल्या जाणाऱ्या वस्तू ओळखण्याची सेन्सरची क्षमता दर्शवते. सेन्सरची इतर तांत्रिक वैशिष्ट्ये रिझोल्यूशनला किमान एकक मानून त्याच्या संदर्भात वर्णन केली जातात.

डिजिटल डिस्प्ले असलेल्या सेन्सर्स आणि उपकरणांसाठी, रिझोल्यूशन हे प्रदर्शित केल्या जाणाऱ्या अंकांची किमान संख्या ठरवते. उदाहरणार्थ, इलेक्ट्रॉनिक डिजिटल कॅलिपरचे रिझोल्यूशन 0.01mm आहे आणि निर्देशकाची त्रुटी ±0.02mm आहे.

स्पष्टीकरण २: रिझोल्यूशन ही एककांसहित असलेली एक निरपेक्ष संख्या आहे. उदाहरणार्थ, तापमान सेन्सरचे रिझोल्यूशन 0.1℃ आहे, प्रवेग सेन्सरचे रिझोल्यूशन 0.1g आहे, इत्यादी.

स्पष्टीकरण ३: रिझोल्यूशन ही एक संबंधित आणि अतिशय समान संकल्पना आहे, दोन्ही मोजमापासाठी सेन्सरचे रिझोल्यूशन दर्शवतात.

मुख्य फरक हा आहे की रेझोल्यूशन हे सेन्सरच्या रेझोल्यूशनच्या टक्केवारीच्या स्वरूपात व्यक्त केले जाते. ते सापेक्ष असते आणि त्याला कोणतेही परिमाण नसते. उदाहरणार्थ, तापमान सेन्सरचे रेझोल्यूशन 0.1℃ आहे, पूर्ण श्रेणी 500℃ आहे, तर रेझोल्यूशन 0.1/500=0.02% आहे.

२. पुनरावृत्तीक्षमता:

व्याख्या: सेन्सरची पुनरावर्तनीयता म्हणजे, एकाच दिशेने आणि एकाच परिस्थितीत अनेक वेळा मोजमाप पुन्हा केल्यावर मिळणाऱ्या परिणामांमधील फरकाचे प्रमाण होय. यालाच पुनरावृत्ती त्रुटी, पुनरुत्पादन त्रुटी इत्यादी नावांनीही ओळखले जाते.

स्पष्टीकरण १: सेन्सरची पुनरावर्तनीयता म्हणजे एकाच परिस्थितीत घेतलेल्या अनेक मापनांमधील फरकाची पातळी होय. जर मापनाची परिस्थिती बदलली, तर मापन परिणामांमधील तुलनात्मकता नाहीशी होईल, ज्याचा उपयोग पुनरावर्तनीयतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी आधार म्हणून केला जाऊ शकत नाही.

स्पष्टीकरण २: सेन्सरची पुनरावर्तनीयता ही सेन्सरच्या मापन परिणामांमधील विखुरलेपणा आणि यादृच्छिकता दर्शवते. अशा विखुरलेपणा आणि यादृच्छिकतेचे कारण असे आहे की सेन्सरच्या आत आणि बाहेर विविध यादृच्छिक अडथळे अपरिहार्यपणे अस्तित्वात असतात, ज्यामुळे सेन्सरचे अंतिम मापन परिणाम यादृच्छिक चलांची वैशिष्ट्ये दर्शवतात.

स्पष्टीकरण ३: यादृच्छिक चलाचे मानक विचलन हे पुनरुत्पादनीय परिमाणात्मक अभिव्यक्ती म्हणून वापरले जाऊ शकते.

स्पष्टीकरण ४: अनेक पुनरावृत्त मापनांसाठी, सर्व मापनांची सरासरी अंतिम मापन परिणाम म्हणून घेतल्यास अधिक मापन अचूकता मिळू शकते. कारण मध्याचे मानक विचलन हे प्रत्येक मापनाच्या मानक विचलनापेक्षा लक्षणीयरीत्या लहान असते.

३. रेषीयता:

व्याख्या: रेषीयता (Linearity) म्हणजे सेन्सरच्या इनपुट आणि आउटपुट वक्रांचे आदर्श सरळ रेषेपासून होणारे विचलन होय.

स्पष्टीकरण १: आदर्श सेन्सर इनपुट/आउटपुट संबंध रेषीय असावा आणि त्याचा इनपुट/आउटपुट वक्र एक सरळ रेषा असावा (खालील आकृतीमधील लाल रेषा).

तथापि, प्रत्यक्ष सेन्सरमध्ये कमी-अधिक प्रमाणात विविध प्रकारच्या त्रुटी असतात, परिणामी प्रत्यक्ष इनपुट आणि आउटपुट वक्र ही आदर्श सरळ रेषा नसून एक वक्र असते (खालील आकृतीमधील हिरवा वक्र).

रेषीयता म्हणजे सेन्सरच्या वास्तविक वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र आणि ऑफ-लाइन रेषेमधील फरकाची पातळी, ज्याला अरेखीयता किंवा अरेखीय त्रुटी असेही म्हणतात.

स्पष्टीकरण २: सेन्सरच्या प्रत्यक्ष वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र आणि आदर्श रेषेमधील फरक मोजमापाच्या वेगवेगळ्या आकारमानांवर भिन्न असल्यामुळे, पूर्ण श्रेणीमध्ये अनेकदा फरकाच्या कमाल मूल्याचे पूर्ण श्रेणी मूल्याशी असलेले गुणोत्तर वापरले जाते. साहजिकच, रेषीयता ही देखील एक सापेक्ष राशी आहे.

स्पष्टीकरण ३: सर्वसाधारण मापन परिस्थितीत सेन्सरची आदर्श रेषा अज्ञात असल्यामुळे, ती मिळवता येत नाही. या कारणास्तव, अनेकदा एक तडजोडीची पद्धत अवलंबली जाते, म्हणजेच, सेन्सरच्या मापन परिणामांचा थेट वापर करून आदर्श रेषेच्या जवळ असलेल्या फिटिंग रेषेची गणना करणे. विशिष्ट गणना पद्धतींमध्ये अंतिम-बिंदू रेषा पद्धत, सर्वोत्तम रेषा पद्धत, किमान वर्ग पद्धत इत्यादींचा समावेश होतो.

४. स्थिरता:

व्याख्या: स्थिरता म्हणजे सेन्सरची ठराविक कालावधीत आपली कार्यक्षमता टिकवून ठेवण्याची क्षमता.

स्पष्टीकरण १: सेन्सर एका विशिष्ट कालावधीत स्थिरपणे काम करतो की नाही हे तपासण्यासाठी स्थिरता हा मुख्य निर्देशक आहे. सेन्सरच्या अस्थिरतेस कारणीभूत घटकांमध्ये प्रामुख्याने तापमानातील बदल आणि अंतर्गत ताणमुक्ती यांचा समावेश होतो. त्यामुळे, स्थिरता सुधारण्यासाठी तापमान भरपाई आणि एजिंग ट्रीटमेंट वाढवणे उपयुक्त ठरते.

स्पष्टीकरण २: कालावधीच्या लांबीनुसार स्थिरतेचे अल्पकालीन स्थिरता आणि दीर्घकालीन स्थिरता असे वर्गीकरण केले जाऊ शकते. जेव्हा निरीक्षणाचा कालावधी खूप कमी असतो, तेव्हा स्थिरता आणि पुनरावृत्तीक्षमता जवळजवळ समान असतात. त्यामुळे, स्थिरता निर्देशांक प्रामुख्याने दीर्घकालीन स्थिरतेची तपासणी करतो. विशिष्ट कालावधी, वापराचे वातावरण आणि आवश्यकतांनुसार निश्चित केला जातो.

स्पष्टीकरण ३: स्थिरता निर्देशांकाच्या संख्यात्मक अभिव्यक्तीसाठी निरपेक्ष त्रुटी आणि सापेक्ष त्रुटी दोन्ही वापरल्या जाऊ शकतात. उदाहरणार्थ, एका स्ट्रेन प्रकारच्या बल सेन्सरची स्थिरता ०.०२%/१२ तास आहे.

५. नमुना घेण्याची वारंवारता:

व्याख्या: सॅम्पल रेट म्हणजे सेन्सरद्वारे प्रति एकक वेळेत सॅम्पल केल्या जाऊ शकणाऱ्या मापन परिणामांची संख्या.

स्पष्टीकरण १: सॅम्पलिंग फ्रिक्वेन्सी हे सेन्सरच्या गतिशील वैशिष्ट्यांचे सर्वात महत्त्वाचे सूचक आहे, जे सेन्सरची जलद प्रतिसाद क्षमता दर्शवते. मोजमापामध्ये जलद बदल होत असल्यास, सॅम्पलिंग फ्रिक्वेन्सी हे अशा तांत्रिक निर्देशकांपैकी एक आहे ज्याचा पूर्णपणे विचार करणे आवश्यक आहे. शॅननच्या सॅम्पलिंग नियमानुसार, सेन्सरची सॅम्पलिंग फ्रिक्वेन्सी मोजल्या जाणाऱ्या बदलाच्या फ्रिक्वेन्सीच्या २ पटीपेक्षा कमी नसावी.

स्पष्टीकरण २: वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीच्या वापरामुळे, सेन्सरची अचूकता देखील त्यानुसार बदलते. सर्वसाधारणपणे, सॅम्पलिंग फ्रिक्वेन्सी जितकी जास्त असते, तितकी मोजमापाची अचूकता कमी असते.

सेन्सरची सर्वाधिक अचूकता अनेकदा सर्वात कमी सॅम्पलिंग गतीवर किंवा अगदी स्थिर परिस्थितीतही प्राप्त होते. त्यामुळे, सेन्सर निवडताना सुस्पष्टता आणि गती यांचा विचार करणे आवश्यक आहे.

सेन्सरसाठी पाच डिझाइन टिप्स

१. बस टूलने सुरुवात करा

पहिली पायरी म्हणून, अज्ञात गोष्टी मर्यादित करण्यासाठी अभियंत्याने प्रथम सेन्सरला बस टूलद्वारे जोडण्याचा दृष्टिकोन स्वीकारला पाहिजे. बस टूल एका पर्सनल कॉम्प्युटरला (PC) आणि नंतर सेन्सरच्या I2C, SPI, किंवा इतर प्रोटोकॉलला जोडते, जे सेन्सरला 'संवाद' साधण्याची परवानगी देते. बस टूलशी संबंधित एक पीसी ॲप्लिकेशन, जे डेटा पाठवण्यासाठी आणि प्राप्त करण्यासाठी एक ज्ञात आणि कार्यरत स्रोत प्रदान करते, तो अज्ञात, अप्रमाणित एम्बेडेड मायक्रोकंट्रोलर (MCU) ड्रायव्हर नसतो. बस युटिलिटीच्या संदर्भात, एम्बेडेड स्तरावर काम करण्याचा प्रयत्न करण्यापूर्वी, तो विभाग कसा कार्य करतो हे समजून घेण्यासाठी डेव्हलपर संदेश पाठवू आणि प्राप्त करू शकतो.

२. पायथनमध्ये ट्रान्समिशन इंटरफेस कोड लिहा.

एकदा डेव्हलपरने बस टूलचे सेन्सर्स वापरून पाहिल्यानंतर, पुढची पायरी म्हणजे त्या सेन्सर्ससाठी ॲप्लिकेशन कोड लिहिणे. थेट मायक्रोकंट्रोलर कोड लिहिण्याऐवजी, पायथॉनमध्ये ॲप्लिकेशन कोड लिहा. अनेक बस युटिलिटीज स्क्रिप्ट्स लिहिताना प्लग-इन्स आणि सॅम्पल कोड कॉन्फिगर करतात, जे पायथॉन सहसा फॉलो करते. पायथॉन ही .NET मध्ये उपलब्ध असलेल्या भाषांपैकी एक आहे. पायथॉनमध्ये ॲप्लिकेशन्स लिहिणे जलद आणि सोपे आहे, आणि ते एम्बेडेड वातावरणात चाचणी करण्याइतके गुंतागुंतीचे नसलेल्या ॲप्लिकेशन्समधील सेन्सर्सची चाचणी करण्याचा एक मार्ग प्रदान करते. हाय-लेव्हल कोड असल्यामुळे, नॉन-एम्बेडेड इंजिनिअर्सना एम्बेडेड सॉफ्टवेअर इंजिनिअरच्या मदतीशिवाय सेन्सर स्क्रिप्ट्स आणि चाचण्या शोधणे सोपे होते.

३. मायक्रो पायथॉन वापरून सेन्सरची चाचणी करा.

पायथॉनमध्ये पहिला ॲप्लिकेशन कोड लिहिण्याचा एक फायदा हा आहे की, बस-युटिलिटी ॲप्लिकेशन प्रोग्रामिंग इंटरफेस (API) वरील ॲप्लिकेशन कॉल्स मायक्रो पायथॉनला कॉल करून सहजपणे बदलता येतात. मायक्रो पायथॉन रिअल-टाइम एम्बेडेड सॉफ्टवेअरमध्ये चालते, ज्याचे मूल्य अभियंत्यांना समजण्यासाठी त्यात अनेक सेन्सर्स असतात. मायक्रो पायथॉन कॉर्टेक्स-एम४ प्रोसेसरवर चालते आणि ॲप्लिकेशन कोड डीबग करण्यासाठी हे एक चांगले वातावरण आहे. हे केवळ सोपेच नाही, तर येथे I2C किंवा SPI ड्रायव्हर्स लिहिण्याची गरज नाही, कारण ते मायक्रो पायथॉनच्या फंक्शन लायब्ररीमध्ये आधीच समाविष्ट आहेत.

४. सेन्सर पुरवठादार कोड वापरा

सेन्सर उत्पादकाकडून मिळवलेल्या कोणत्याही नमुना कोडच्या आधारे, तो सेन्सर कसा काम करतो हे समजून घेण्यासाठी अभियंत्यांना खूप मेहनत घ्यावी लागेल. दुर्दैवाने, अनेक सेन्सर विक्रेते एम्बेडेड सॉफ्टवेअर डिझाइनमध्ये तज्ञ नसतात, त्यामुळे तुम्हाला सुंदर रचना आणि सुबकतेचे उत्पादन-सज्ज उदाहरण मिळेल अशी अपेक्षा करू नका. फक्त विक्रेत्याचा कोड वापरा, हा भाग कसा काम करतो ते शिका, आणि जोपर्यंत ते एम्बेडेड सॉफ्टवेअरमध्ये व्यवस्थितपणे समाकलित होत नाही तोपर्यंत रिफॅक्टरिंगचा त्रास सुरू राहील. याची सुरुवात कदाचित 'गुंतागुंतीच्या कोड'सारखी होईल, परंतु उत्पादकांना त्यांचे सेन्सर कसे काम करतात याची असलेली समज वापरल्यास, उत्पादन बाजारात येण्यापूर्वी वाया जाणारे अनेक वीकेंड कमी होण्यास मदत होईल.

५. सेन्सर फ्यूजन फंक्शन्सची लायब्ररी वापरा

बहुधा, सेन्सरचा ट्रान्समिशन इंटरफेस नवीन नाही आणि यापूर्वी कधीही वापरला गेला नाही. अनेक चिप उत्पादकांनी प्रदान केलेल्या “सेन्सर फ्यूजन फंक्शन लायब्ररी” सारख्या सर्व फंक्शन्सच्या ज्ञात लायब्ररी, डेव्हलपर्सना लवकर शिकण्यास मदत करतात, किंवा त्याहूनही चांगले, उत्पादनाच्या आर्किटेक्चरचा पुनर्विकास किंवा त्यात मोठे बदल करण्याचे चक्र टाळण्यास मदत करतात. अनेक सेन्सर्सना सामान्य प्रकारांमध्ये किंवा श्रेणींमध्ये एकत्रित केले जाऊ शकते, आणि हे प्रकार किंवा श्रेणी ड्रायव्हर्सच्या सुरळीत विकासास सक्षम करतील, जे योग्यरित्या हाताळल्यास, जवळजवळ सार्वत्रिक किंवा कमी पुनर्वापर करण्यायोग्य असतात. सेन्सर फ्यूजन फंक्शन्सच्या या लायब्ररी शोधा आणि त्यांची बलस्थाने व मर्यादा जाणून घ्या.

जेव्हा सेन्सर्स एम्बेडेड सिस्टीममध्ये समाकलित केले जातात, तेव्हा डिझाइनचा वेळ आणि वापराची सुलभता सुधारण्यास मदत करण्याचे अनेक मार्ग आहेत. डिझाइनच्या सुरुवातीला आणि सेन्सर्सना निम्न-स्तरीय सिस्टीममध्ये समाकलित करण्यापूर्वी, ते उच्च स्तरावरून कसे कार्य करतात हे शिकल्यास डेव्हलपर्स कधीही चुकत नाहीत. आज उपलब्ध असलेली अनेक संसाधने डेव्हलपर्सना सुरवातीपासून सुरुवात न करता लगेच कामाला लागण्यास मदत करतील.