सेंसर के पांच डिजाइन कौशल और तकनीकी संकेतक

पृथ्वी की सतह और हमारे आसपास के अंतरिक्ष में सेंसरों की संख्या तेजी से बढ़ रही है, जो दुनिया को डेटा प्रदान कर रहे हैं। ये किफायती सेंसर इंटरनेट ऑफ थिंग्स और हमारे समाज में चल रही डिजिटल क्रांति के विकास के पीछे प्रेरक शक्ति हैं, फिर भी सेंसरों से डेटा को जोड़ना और एक्सेस करना हमेशा सीधा या आसान नहीं होता है। यह पेपर सेंसर तकनीकी सूचकांक, 5 डिजाइन कौशल और ओईएम उद्यमों का परिचय देगा।

सर्वप्रथम, तकनीकी सूचकांक किसी उत्पाद के प्रदर्शन को निर्धारित करने का वस्तुनिष्ठ आधार है। तकनीकी सूचकों को समझना उत्पाद के सही चयन और उपयोग में सहायक होता है। सेंसर के तकनीकी सूचकों को स्थैतिक और गतिशील सूचकों में विभाजित किया गया है। स्थैतिक सूचक मुख्यतः स्थिर स्थिरता की स्थिति में सेंसर के प्रदर्शन का आकलन करते हैं, जिनमें रिज़ॉल्यूशन, पुनरावृति, संवेदनशीलता, रैखिकता, प्रतिफल त्रुटि, थ्रेशोल्ड, क्रीप, स्थिरता आदि शामिल हैं। गतिशील सूचक मुख्यतः तीव्र परिवर्तन की स्थिति में सेंसर के प्रदर्शन का आकलन करते हैं, जिनमें आवृत्ति प्रतिक्रिया और चरण प्रतिक्रिया शामिल हैं।

सेंसर के अनेक तकनीकी संकेतकों के कारण, विभिन्न डेटा और साहित्य को अलग-अलग दृष्टिकोणों से वर्णित किया जाता है, जिससे विभिन्न लोगों की अलग-अलग समझ और यहां तक ​​कि गलतफहमी और अस्पष्टता भी उत्पन्न होती है। इस उद्देश्य से, सेंसर के लिए निम्नलिखित कुछ मुख्य तकनीकी संकेतकों की व्याख्या की गई है:

1. संकल्प और समाधान:

परिभाषा: रिज़ॉल्यूशन से तात्पर्य उस सबसे छोटे मापे गए परिवर्तन से है जिसे कोई सेंसर पता लगा सकता है। रिज़ॉल्यूशन, रिज़ॉल्यूशन और पूर्ण पैमाने के मान के अनुपात को दर्शाता है।

व्याख्या 1: रिज़ॉल्यूशन किसी सेंसर का सबसे बुनियादी सूचक है। यह मापी गई वस्तुओं को अलग करने की सेंसर की क्षमता को दर्शाता है। सेंसर की अन्य तकनीकी विशिष्टताओं को न्यूनतम इकाई के रूप में रिज़ॉल्यूशन के संदर्भ में वर्णित किया जाता है।

डिजिटल डिस्प्ले वाले सेंसर और उपकरणों के लिए, रिज़ॉल्यूशन प्रदर्शित होने वाले अंकों की न्यूनतम संख्या निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनिक डिजिटल कैलिपर का रिज़ॉल्यूशन 0.01 मिमी है, और संकेतक त्रुटि ±0.02 मिमी है।

व्याख्या 2: रिज़ॉल्यूशन एक इकाई के साथ एक निरपेक्ष संख्या है। उदाहरण के लिए, तापमान सेंसर का रिज़ॉल्यूशन 0.1℃ है, त्वरण सेंसर का रिज़ॉल्यूशन 0.1 ग्राम है, इत्यादि।

व्याख्या 3: रिज़ॉल्यूशन, रिज़ॉल्यूशन से संबंधित और बहुत मिलती-जुलती अवधारणा है, दोनों ही किसी माप के लिए सेंसर के रिज़ॉल्यूशन का प्रतिनिधित्व करते हैं।

मुख्य अंतर यह है कि रिज़ॉल्यूशन को सेंसर के रिज़ॉल्यूशन के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। यह सापेक्ष है और इसका कोई आयाम नहीं है। उदाहरण के लिए, तापमान सेंसर का रिज़ॉल्यूशन 0.1℃ है, पूर्ण रेंज 500℃ है, इसलिए रिज़ॉल्यूशन 0.1/500 = 0.02% है।

2. पुनरावृत्ति क्षमता:

परिभाषा: सेंसर की पुनरावृति क्षमता से तात्पर्य समान परिस्थितियों में एक ही दिशा में कई बार माप दोहराने पर प्राप्त माप परिणामों के बीच अंतर की मात्रा से है। इसे पुनरावृति त्रुटि, पुनरुत्पादन त्रुटि आदि भी कहा जाता है।

व्याख्या 1: किसी सेंसर की पुनरावृति क्षमता एक ही परिस्थितियों में प्राप्त अनेक मापों के बीच अंतर की मात्रा होती है। यदि माप की परिस्थितियाँ बदल जाती हैं, तो माप परिणामों की तुलनात्मकता समाप्त हो जाती है, जिसका उपयोग पुनरावृति क्षमता के मूल्यांकन के आधार के रूप में नहीं किया जा सकता है।

व्याख्या 2: सेंसर की पुनरावृति क्षमता सेंसर के मापन परिणामों के फैलाव और यादृच्छिकता को दर्शाती है। इस प्रकार के फैलाव और यादृच्छिकता का कारण यह है कि सेंसर के अंदर और बाहर विभिन्न यादृच्छिक गड़बड़ी अनिवार्य रूप से मौजूद होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप सेंसर के अंतिम मापन परिणाम यादृच्छिक चर की विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं।

व्याख्या 3: यादृच्छिक चर के मानक विचलन को एक प्रतिलिपि योग्य मात्रात्मक अभिव्यक्ति के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

व्याख्या 4: कई बार दोहराए गए मापों के लिए, यदि सभी मापों का औसत अंतिम माप परिणाम के रूप में लिया जाए तो उच्च माप सटीकता प्राप्त की जा सकती है। क्योंकि माध्य का मानक विचलन प्रत्येक माप के मानक विचलन से काफी छोटा होता है।

3. रैखिकता:

परिभाषा: रैखिकता (लीनियरिटी) से तात्पर्य सेंसर के इनपुट और आउटपुट वक्र का आदर्श सीधी रेखा से विचलन है।

व्याख्या 1: आदर्श सेंसर इनपुट/आउटपुट संबंध रैखिक होना चाहिए, और इसका इनपुट/आउटपुट वक्र एक सीधी रेखा होना चाहिए (नीचे दिए गए चित्र में लाल रेखा)।

हालांकि, वास्तविक सेंसर में कमोबेश कई तरह की त्रुटियां होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप वास्तविक इनपुट और आउटपुट वक्र आदर्श सीधी रेखा नहीं होती है, बल्कि एक वक्र (नीचे दिए गए चित्र में हरा वक्र) होता है।

रैखिकता, सेंसर के वास्तविक अभिलक्षण वक्र और ऑफ-लाइन रेखा के बीच अंतर की मात्रा है, जिसे अरैखिकता या अरैखिक त्रुटि के रूप में भी जाना जाता है।

व्याख्या 2: चूंकि सेंसर के वास्तविक अभिलक्षण वक्र और आदर्श रेखा के बीच का अंतर माप के विभिन्न आकारों पर भिन्न होता है, इसलिए पूर्ण सीमा में अंतर के अधिकतम मान और पूर्ण सीमा मान के अनुपात का उपयोग अक्सर किया जाता है। स्पष्ट रूप से, रैखिकता भी एक सापेक्ष मात्रा है।

व्याख्या 3: सामान्य मापन स्थिति में सेंसर की आदर्श रेखा अज्ञात होने के कारण इसे प्राप्त नहीं किया जा सकता है। इस कारण, अक्सर एक समझौता विधि अपनाई जाती है, अर्थात् सेंसर के मापन परिणामों का सीधे उपयोग करके आदर्श रेखा के निकट की उपयुक्त रेखा की गणना की जाती है। विशिष्ट गणना विधियों में अंतिम बिंदु रेखा विधि, सर्वोत्तम रेखा विधि, न्यूनतम वर्ग विधि आदि शामिल हैं।

4. स्थिरता:

परिभाषा: स्थिरता किसी सेंसर की वह क्षमता है जिसके द्वारा वह एक निश्चित समयावधि में अपने प्रदर्शन को बनाए रख सकता है।

व्याख्या 1: स्थिरता, किसी निश्चित समयावधि में सेंसर की स्थिर कार्यप्रणाली की जाँच करने का मुख्य सूचकांक है। सेंसर की अस्थिरता के प्रमुख कारकों में तापमान में उतार-चढ़ाव और आंतरिक तनाव का निकलना शामिल हैं। इसलिए, स्थिरता में सुधार के लिए तापमान क्षतिपूर्ति और एजिंग उपचार को बढ़ाना सहायक होता है।

व्याख्या 2: समय अवधि की लंबाई के अनुसार स्थिरता को अल्पकालिक स्थिरता और दीर्घकालिक स्थिरता में विभाजित किया जा सकता है। जब अवलोकन अवधि बहुत कम होती है, तो स्थिरता और पुनरावृत्ति लगभग समान होती हैं। इसलिए, स्थिरता सूचकांक मुख्य रूप से दीर्घकालिक स्थिरता का परीक्षण करता है। विशिष्ट समय अवधि का निर्धारण उपयोग के वातावरण और आवश्यकताओं के अनुसार किया जाता है।

व्याख्या 3: स्थिरता सूचकांक की मात्रात्मक अभिव्यक्ति के लिए निरपेक्ष त्रुटि और सापेक्ष त्रुटि दोनों का उपयोग किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक स्ट्रेन प्रकार के बल सेंसर की स्थिरता 0.02%/12 घंटे है।

5. नमूना लेने की आवृत्ति:

परिभाषा: सैंपल रेट से तात्पर्य प्रति इकाई समय में सेंसर द्वारा सैंपल किए जा सकने वाले मापन परिणामों की संख्या से है।

व्याख्या 1: नमूना आवृत्ति सेंसर की गतिशील विशेषताओं का सबसे महत्वपूर्ण सूचक है, जो सेंसर की तीव्र प्रतिक्रिया क्षमता को दर्शाता है। माप में तीव्र परिवर्तन होने की स्थिति में नमूना आवृत्ति उन तकनीकी सूचकों में से एक है जिन पर पूर्णतः विचार किया जाना चाहिए। शैनन के नमूनाकरण नियम के अनुसार, सेंसर की नमूना आवृत्ति मापी गई आवृत्ति के परिवर्तन की आवृत्ति से कम से कम 2 गुना होनी चाहिए।

व्याख्या 2: विभिन्न आवृत्तियों के उपयोग से सेंसर की सटीकता भी तदनुसार बदलती रहती है। सामान्यतः, सैंपलिंग आवृत्ति जितनी अधिक होगी, माप की सटीकता उतनी ही कम होगी।

सेंसर की उच्चतम सटीकता अक्सर सबसे कम सैंपलिंग गति पर या स्थिर परिस्थितियों में भी प्राप्त होती है। इसलिए, सेंसर के चयन में सटीकता और गति दोनों को ध्यान में रखना आवश्यक है।

सेंसर के लिए पांच डिज़ाइन सुझाव

1. बस टूल से शुरुआत करें

पहले चरण के रूप में, इंजीनियर को अज्ञात कारकों को सीमित करने के लिए सेंसर को बस टूल के माध्यम से कनेक्ट करने का तरीका अपनाना चाहिए। बस टूल एक पर्सनल कंप्यूटर (पीसी) को सेंसर के I2C, SPI, या अन्य प्रोटोकॉल से जोड़ता है जो सेंसर को "संवाद" करने की अनुमति देता है। बस टूल से जुड़ा एक पीसी एप्लिकेशन डेटा भेजने और प्राप्त करने के लिए एक ज्ञात और कार्यशील स्रोत प्रदान करता है, जो किसी अज्ञात, अनधिकृत एम्बेडेड माइक्रोकंट्रोलर (एमसीयू) ड्राइवर पर निर्भर नहीं करता है। बस यूटिलिटी के संदर्भ में, डेवलपर एम्बेडेड स्तर पर काम करने का प्रयास करने से पहले यह समझने के लिए संदेश भेज और प्राप्त कर सकता है कि यह अनुभाग कैसे काम करता है।

2. पाइथन में ट्रांसमिशन इंटरफ़ेस कोड लिखें।

एक बार डेवलपर द्वारा बस टूल के सेंसर का उपयोग करने का प्रयास कर लेने के बाद, अगला चरण सेंसर के लिए एप्लिकेशन कोड लिखना है। सीधे माइक्रोकंट्रोलर कोड पर जाने के बजाय, एप्लिकेशन कोड पायथन में लिखें। कई बस यूटिलिटीज स्क्रिप्ट लिखते समय प्लग-इन और सैंपल कोड कॉन्फ़िगर करती हैं, जिसे पायथन आमतौर पर .NET का अनुसरण करता है, जो .NET में उपलब्ध भाषाओं में से एक है। पायथन में एप्लिकेशन लिखना तेज़ और आसान है, और यह उन अनुप्रयोगों में सेंसर का परीक्षण करने का एक तरीका प्रदान करता है जो एम्बेडेड वातावरण में परीक्षण करने की तुलना में कम जटिल होते हैं। उच्च-स्तरीय कोड होने से गैर-एम्बेडेड इंजीनियरों के लिए एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर इंजीनियर की सहायता के बिना सेंसर स्क्रिप्ट और परीक्षणों को समझना आसान हो जाएगा।

3. माइक्रो पायथन का उपयोग करके सेंसर का परीक्षण करें।

पाइथन में पहला एप्लिकेशन कोड लिखने का एक लाभ यह है कि बस-यूटिलिटी एप्लिकेशन प्रोग्रामिंग इंटरफ़ेस (एपीआई) के लिए एप्लिकेशन कॉल को माइक्रो पाइथन को कॉल करके आसानी से बदला जा सकता है। माइक्रो पाइथन रियल-टाइम एम्बेडेड सॉफ़्टवेयर में चलता है, जिसमें इंजीनियरों को इसके महत्व को समझने के लिए कई सेंसर होते हैं। माइक्रो पाइथन कॉर्टेक्स-एम4 प्रोसेसर पर चलता है, और यह एप्लिकेशन कोड को डीबग करने के लिए एक अच्छा वातावरण है। यह न केवल सरल है, बल्कि इसमें I2C या SPI ड्राइवर लिखने की भी आवश्यकता नहीं है, क्योंकि वे पहले से ही माइक्रो पाइथन की फ़ंक्शन लाइब्रेरी में शामिल हैं।

4. सेंसर आपूर्तिकर्ता कोड का उपयोग करें

किसी भी सेंसर निर्माता से प्राप्त किए गए किसी भी सैंपल कोड को समझने के लिए इंजीनियरों को काफी मेहनत करनी पड़ेगी। दुर्भाग्य से, कई सेंसर विक्रेता एम्बेडेड सॉफ्टवेयर डिजाइन में विशेषज्ञ नहीं होते हैं, इसलिए उनसे बेहतरीन आर्किटेक्चर और सरल डिजाइन वाले किसी तैयार उत्पाद की उम्मीद न करें। बस विक्रेता के कोड का उपयोग करें, यह समझें कि यह हिस्सा कैसे काम करता है, और जब तक इसे एम्बेडेड सॉफ्टवेयर में सुचारू रूप से एकीकृत नहीं किया जा सकता, तब तक कोड को रीफैक्टर करने की परेशानी से जूझना पड़ेगा। शुरुआत में यह कोड अव्यवस्थित लग सकता है, लेकिन निर्माताओं की अपने सेंसर के काम करने के तरीके की समझ का लाभ उठाने से उत्पाद लॉन्च होने से पहले बर्बाद हुए कई सप्ताहांतों को बचाया जा सकेगा।

5. सेंसर फ्यूजन फ़ंक्शन की लाइब्रेरी का उपयोग करें

संभावना है कि सेंसर का ट्रांसमिशन इंटरफ़ेस नया नहीं है और पहले कभी इस्तेमाल नहीं किया गया है। कई चिप निर्माताओं द्वारा प्रदान की गई "सेंसर फ़्यूज़न फ़ंक्शन लाइब्रेरी" जैसी सभी फ़ंक्शंस की ज्ञात लाइब्रेरी डेवलपर्स को तेज़ी से सीखने में मदद करती हैं, या इससे भी बेहतर, उत्पाद आर्किटेक्चर को फिर से विकसित करने या उसमें बड़े बदलाव करने के चक्र से बचाती हैं। कई सेंसर को सामान्य प्रकारों या श्रेणियों में एकीकृत किया जा सकता है, और ये प्रकार या श्रेणियां ड्राइवरों के सुचारू विकास को सक्षम बनाती हैं, जो यदि सही ढंग से संभाले जाएं, तो लगभग सार्वभौमिक या कम से कम पुन: प्रयोज्य होते हैं। सेंसर फ़्यूज़न फ़ंक्शंस की इन लाइब्रेरी को खोजें और उनकी खूबियों और कमियों को जानें।

जब सेंसर को एम्बेडेड सिस्टम में एकीकृत किया जाता है, तो डिज़ाइन समय और उपयोग में आसानी को बेहतर बनाने के कई तरीके हैं। डेवलपर्स डिज़ाइन की शुरुआत में और उन्हें निचले स्तर के सिस्टम में एकीकृत करने से पहले, उच्च स्तर के अमूर्तता से सेंसर की कार्यप्रणाली को सीखकर कभी गलती नहीं कर सकते। आज उपलब्ध कई संसाधन डेवलपर्स को शुरू से सब कुछ सीखे बिना तुरंत काम शुरू करने में मदद करेंगे।