设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧

2021/10/30 21:15 · 传感器知识资讯 ·  · 设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧已关闭评论
摘要:

设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧描述传感器的数量在整个地球表面和人们生活周遭空间激增,提供世界各种数据讯息。这些价格亲民的传感器是物联网发展和我们的社会正面临数字化革命背后的驱动力,然而连接和获取来自传感器的数据并不总是直线前进或那么容易。本文将介绍传感器技术指标、5大设计技巧及代工企业。首先技术指标是表征一个产品性能优劣的客观依据。看

设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧

描述
传感器的数量在整个地球表面和人们生活周遭空间激增,提供世界各种数据讯息。这些价格亲民的传感器是物联网发展和我们的社会正面临数字化革命背后的驱动力,然而连接和获取来自传感器的数据并不总是直线前进或那么容易。本文将介绍传感器技术指标、5大设计技巧及代工企业。
首先技术指标是表征一个产品性能优劣的客观依据。看懂技术指标,有助于正确选型和使用该产品。传感器的技术指标分为静态指标和动态指标两类:静态指标主要考核被测静止不变条件下传感器的性能,具体包括分辨力、重复性、灵敏度、线性度、回程误差、阈值、蠕变、稳定性等;动态指标主要考察被测量在快速变化条件下传感器的性能,主要包括频率响应和阶跃响应等。
由于传感器的技术指标众多,各种资料文献叙述角度不同,使得不同人有不同的理解,甚至产生误解和歧义。
传感器的设计要点
1、一般所测得的物理量是非常小的,通常还带有作为传感器物理转换元件固有的转换噪声。比如传感器在1被放大倍率下的信号强度为0.1~1uV,此时的背景噪声信号也有这么大的水平,甚至于将其湮灭。如何将有用信号尽量取出并且压低噪声是传感器设计的首要解决的问题。
2、传感器电路一定要简单精炼。设想具有3级放大电路的,带有2级有源滤波器的放大回路,放大了信号的同时也将噪声放大了,如果噪声不是明显偏离有用信号频谱,则无论怎样滤波两者同时放大,结果信噪比没有提高。因此传感器电路一定要精炼简约。能省1只电阻或电容就一定要将它去掉。这一点是许多设计传感器的工程师们容易忽略的问题。已知的情况是,传感器电路随着噪声的问题困扰,电路越修改越复杂,成为怪圈。
3、功耗问题。传感器通常在后续电路的前端,有可能需要较长的引线连接。当传感器功耗较大时引线的连接将会所有的无谓噪声以及电源噪声引入使得后续电路愈发难以设计。在够用的情况小如何降低功耗也是一个不小的考验。
4、元器件的选用和电源回路。元器件的选用一定要够用为好,只要器件指标在需要的范围之内就可以了,余下的就是电路设计问题。电源是传感器电路设计过程一定要遇到的难题,不要追求无法达到的电源指标,而选择一款带有较好的共模抑制比的运放,采用差分放大电路设计可能最普通的开关电源以及器件就能满足你的要求。
传感器五大设计技巧
1、先从总线工具开始
第一步,工程师应当采取首次介接到传感器时,是透过一个总线工具的方式以限制未知。一个总线工具连接一台个人计算机(PC),然后到传感器的I2C、 SPI或其他可让传感器可以“说话”的协议。与总线工具相关的PC应用程序,提供了一个已知与工作来源用以发送和接收数据,且不是未知、未经认证的嵌入式微控制器(MCU)驱动程序。在总线工具的工作环境下,开发人员可以传送和接收讯息以得到该部分如何运作的理解,在试图于嵌入式等级操作之前。
2、在Python编写传输接口码
一旦开发者已尝试使用总线工具的传感器,下一步就是为传感器编写应用程序代码。并非直接跳到微控制器的代码,而是在Python编写应用程序代码。许多总线 工具在编写脚本(writing scripts)配置了插件(plug-in)和范例码,Python通常是随着。NET中可用的语言之一。在Python编写应用程序是快速且容易的, 其并提供一个方法已在应用程序中测试传感器,这个方式并未如同在嵌入式环境测试的复杂。拥有高层级的代码,将使非嵌入式工程师易于挖掘传感器的脚本及测 试,而不需要一个嵌入式软件工程师的照看。
3、以Micro Python测试传感器
在Python写下第一段应用程序代码的其中一个优势是,透过调用Micro Python,应用程序调用到总线工具应用程序编程接口(API)可易于进行更换。Micro Python运作在实时嵌入式软件内,其中有许多传感器可供工程师来了解其价值,Micro Python运作在一个Cortex-M4处理器,且其是一个很好的环境,以从中为应用程序代码除错。不仅是简单的,这里也不需要去写I2C 或SPI驱动程序,因为它们已被涵盖在Micro Python的函式库中。
4、利用传感器供货商代码
任 何可以从传感器制造商“搜括”到的范例码,工程师需要走一段很长的路才能了解传感器如何工作的原理。不幸的是,许多传感器供货商并非嵌入式软件设计的专家,因此不要期待可以发现一个可投入生产的漂亮架构和优雅的例子。就使用供货商代码,学习这部分如何运作,之后重构的挫折感将出现,直到它可以被干净利索地整合到嵌入式软件。它可能如“意大利面条般(spaghetti)”开始,但利用制造商对其传感器如何运作的理解,在产品推出之前,将有助于减少许多得 被毁掉的周末时间。
5、使用一个传感器融合函式库
机会是,传感器的传输接口并不是太新,且先前没有人这么做过。已知的所有函式库,如由许多芯片制造商提供的“传感器融合函式库”,以协助开发人员快速掌握、 甚至更好,更可避免他们陷入重新开发或大幅修改产品架构的轮回。许多传感器可以被整合至一般类型或类别,而这些类型或类别将使驱动程序顺利被开发,若处理得当,几乎是普遍或是少可重复使用。寻找这些传感器融合函式库,并学习它们的优点和短处。
感测器被整合至嵌入式系统时,有许多方式可以帮助提高设计时程和易用性。开发者在开始设计时,透过一个高层次抽象概念,以及在把传感器整合进一个较低等级的 系统之前,学习传感器如何运作,就绝对不会“走错路”。今天存在的众多资源将可协助开发人员“旗开得胜”,而无须从头开始。
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设计一个传感器:如何设计一个传感器

第一步——传感器信号数字化

当工程师设计带有传感器的系统时,他们首先会建立传感器对被测物理量的响应的数学模型,以及信号调理电路对传感器输出信号的期望响应的数学模型,然后用电路实现这些数学模型。尽管上述模型都很好,但是必须注意,这些模型只能近似等于实际电路的响应(尽管通常希望这些模型都是精确无误的 )。如果能以数学形式表示系统中尽可能多的部分,那么模型就更接近于实际响应。这是因为,数字不会随时间而改变,并且也可准确地和经松地处理它们。事实上,这种数字信号处理(DSP)的原则已经确立并得到广泛应用, DSP就是利用数学而不是电路对信号进行处理的。利用 DSP可以很容易地实现标准变换,比如通过滤波去除不想要的噪声或者通过频率映射来识别特定的信号分量。此外,利用DSP理论还能实现一些即使是最先进的电路也无法完成的处理。

正因为上述原因,如今的设计中都包含一级信号调理电路,它负责将模拟信号转换为数字量。这一步被称作模-数转换,或称A/D转换,也可简记为ADC, 这一步极为关键。因为一旦将传感器信号转换为数字量,那么就能通过微处理器中运行的软件来完成信息处理。通常所说的模—数转换器其实是一枚单片的半导体器件,它能够精确地、稳定地工作于变化的环境中。由于大多数环境补偿电路都可以集成到ADC器件中,而滤波处理则可由软件实现,因此,对信号调理电路的需求会显著减少。我们很快就会看到,出于系统的器件大大减少并且所有处理几乎都通过数学运算完成的,因此无论是从系统性能还是商业前景的角度来看,都是大有益处的。

第二步——增加一些智能

将传感器信号数字化之后,主要有两种途径来处理这些数据,以实现算法定义的功能。第一种是采用专用的数字硬件电路,通过硬件连线实现我们设计的算法, 另一种则是采用微处理器完成运算。一般来说,专用硬件比微处理器系统的速度更快,但是其成本较高并且缺乏灵活性。当不需要专用硬件那么高的运算速度时,由于微处理器适用的场合更广泛,因此具有更好的设计灵活性,并且可能成本更低。

一旦系统具有了智能,就能解决我们之前提出的问题。比如可以自动完成标定,也可以通过纯数学的处理算法消除器件漂移,甚至还能通过定期监控环境条件并自动进行适当的调整来补偿环境变化。可见,只要赋于系统一个大脑,就能使设计师的生活自在得多。

第三步——实现快速而可靠的通信

最后还剩下一个问题:如果能实现传感器数据共享,那么就可以很容易地扩大那些需要

共享传感器输出信号的系统的规模。这里再次强调,由于传感器的输出信号是数字的,因此能够可靠地实现共享。就像在人类的世界中共享信息后会使信息量增大一样,与本系统或者其他系统中的某个部件共享传感器测量值后也会使系统的总测量值变多。为了实现这个目标,我们必须装备带有标准通信接口的智能传感器,使它们能与其他部件交换信息。通过标准通信方式,我们就能保证尽可能广泛、简便和可靠地共享传感器输出信号,从而最大限度地发挥传感器及其产生的信息的作用。

第四步——将所有的东西连在一起,就得到一个智能传感器

这里要强调大多数工程师认为的智能传感器(有时也称作灵巧传感器)的三个必备特征。

(1) 含有用于测量一个或者多个物理量的敏感元件(本质上就是我们提到过的传统传感器)。

(2) 具有用于分析敏感元件所测结果的运算元件。

(3) 与外界相连的通信接口,它使传感器能在一个更大的系统中与其他部件交换信息。

其中,后两点是智能传感器与常见的常规传感器的主要区别(见图1)。智能传感器具有将数据直接转变为信息的能力,能在本地使用信息,还能将信息传输至系统中的其他部件。这些都是常见的常规传感器无法做到的。

图1 常规传感器和智能传感器的框图

本质上看,智能传感器使传感器世界"扁平化", 它使得传感器能与附近的或者遍布全球的其他传感器相连,共同完成以前无法完成的任务。更为重要的是,由于智能传感器的大多数功能都由软件实现,因此设计师只需改变传感器的软件配置就能得到各种各样的产品。

这对智能传感器供应商造成两点重要影响。一个是供应商要从提供硬件产品转变为提供软件产品。尽管传感器仍然需要一个基本的硬件平台(毕竟它还是个物理设备 ),但是提高或争夺利润的主要因素已不再是硬件,而是控制智能传感器的软件。由于制造商只需稍改一点儿软件就能添减产品的功能,因此他们几乎可以即时地改变产品的搭配。那些定制的产品甚至可以直到完成最终测试和运输前才进行配置。此外,一种硬件平台可以用于不同市场。不同价格的多种产品。最后,一旦供应商开发出了新功能,那么无需增加产品的硬件成本就能使之具备新功能,从而使边际利润猛增。

另一个影响是,由于智能传感器能与外界相连,因此供应商如今可以在调试现场收集传感器的运行信息,并能在传感器出厂后更新设备的软件。传感器工作现场的信息不但能使传感器制造商准确掌握用户需求及其关注点,而且还能提供——对用户来说最为重要的——定位故障或缺陷的可靠数据(很可能就是用户将来最在意的东西 )。掌握这些信息后,传感器制造商就能快速地为产品增加新功能、根据用户需求提供相应的配置并实施产品维护,而且在进行上述工作时都无需接触到传感器本身。如今,供应商可以足不出户地提供低成本的服务,这又给供应商带来了额外的价值和利益。

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声明:本文内容出自Creed Huddleston【美】的《智能传感器设计》一书,张鼎等译,人民邮电出版社出版。此书对我的启发很大,在此分享给大家。
设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧  第1张

设计一个传感器:如何设计一个测位移的传感器?

并说明原理,精度,误差,和简图
有大佬懂得吗?
一般都是看参数设计仪器,哪有先设计设备,然后给出参数的。
测位移的传感器,在没有任何条件限制的情况下是这样的:
名称:一根木棍。
特征:随便捡的树枝,撸掉叶片,基本算直。
用法:用这根木棍在起点地上画个叉。然后目测位移方向,一路头尾相接比划过去。
测量单位及精度:“一棍”,为棍子的长度,也可凭目测得出“半棍”,但再小就不精确了。
误差:每增加一棍,误差增加约50%,若看得准,则可以缩小到20%左右。
简图如下:
设计一个传感器:传感器的设计要点及五大设计技巧  第2张

设计一个传感器:求创意!!!要利用传感器设计一个简单的小发明

在家门口的脚垫下放置压力传感器,引出导线进入控制器,控制电灯开关或其他电器设备。主人进屋后自动亮灯,其他家电,如空调,自动启动。
是一种检测装置,能感受到被测电流的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
扩展资料:
传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化,它不仅促进了传统产业的改造和更新换代,而且还可能建立新型工业,从而成为21世纪新的经济增长点。微型化是建立在微电子机械系统(MEMS)技术基础上的,已成功应用在硅器件上做成硅压力传感器。
参考资料来源:百度百科-传感器

在家门口的脚垫下放置压力传感器,引出导线进入控制器,控制电灯开关或其他电器设备。主人进屋后自动亮灯,其他家电,如空调,自动启动。

你也可以用手机进行控制。进行远程控制可以在路上家里的用电器就开始工作了也可以对其进行控制比如空调温度的大小灯的亮度等,随时开关用电器等设备……

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