درک دقیق سنسور در سیستم های حلقه بسته

یک راکتور شیمیایی را در نظر بگیرید که باید دمای دقیق برای یک واکنش را حفظ کند. سنسور دمایی با دقت ±0.5 درجه سانتیگراد ممکن است قابل قبول باشد، اما سنسوری که به ± 5 درجه سانتیگراد در طول زمان حرکت می کند می تواند واکنش را به طور فاجعه بار شکست دهد، به طور مشابه، در ربات های جراحی، دقت در مورد سفارش میکرومترها برای عملیات ایمن ضروری است.

عوامل موثر بر دقت سنسور

درک اینکه چه چیزی بر دقت سنسور تأثیر می گذارد اولین گام برای کاهش خطاهای است.

کالیبراسیون

کالیبراسیون فرایند مقایسه خروجی سنسور در برابر یک استاندارد شناخته شده و تنظیم آن برای به حداقل رساندن انحراف است، حتی سنسورهای با کیفیت بالا نیاز به کالیبراسیون دوره ای دارند زیرا آنها به طور طبیعی در طول زمان حرکت می کنند. فواصل کالیبراسیون بستگی به نوع سنسور، محیط عملیاتی و دقت مورد نیاز دارد.

شرایط زیست محیطی

تقریبا هر سنسور تحت تاثیر تغییرات دمای محیط اطراف آن قرار می گیرد، باعث گسترش حرارتی یا انقباض عناصر سنجش، تغییر خواص الکتریکی آن ها می شود. رطوبت می تواند بر سنسورهای خازن یا باعث تداخل الکترومغناطیسی (EMI) از موتورهای نزدیک یا دستگاه های بی سیم می تواند صدا را به سیگنال سنسور تزریق کند، کاهش دقت، لرزش و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی نیز باید هنگام انتخاب سنسور های محیطی، محاسبه شود.

کیفیت سنسور و طراحی

همه سنسورها برابر ایجاد نمی شوند. دقت ذاتی سنسور توسط طراحی، مواد و تحمل تولید آن تعیین می شود.به عنوان مثال، یک آشکارساز دمای مقاومتی پلاتین بالا (RTD) دارای دقت معمول ±0.1 ° C است، در حالی که یک مبدل کم هزینه ممکن است ± 0.5 درجه سانتیگراد یا بدتر باشد. سنسورهای دیجیتال با سنسورهای سیگنال یکپارچه اغلب به حداقل رساندن صدا آنالوگ (همچنین غیر قابل تنظیم).

پیری و پیچ

تمام سنسورها تجربه برخی از درجه از حرکت در طول زمان. Drift یک تغییر تدریجی در خروجی سنسور برای همان ورودی، اغلب به دلیل پیری مواد، تغییرات شیمیایی در عنصر سنجش و یا سایش مکانیکی است.به عنوان مثال، سلول های بار سنج فشار حساسیت به عنوان سن پیوند اپوکسی را به طور مشابه، الکترودها pH به عنوان غشای شیشه آلوده می شوند.

سر و صدا و قطعنامه

نویز نوسانات تصادفی در خروجی سنسور است که مربوط به متغیر اندازه گیری شده نیست، می تواند از منابع داخلی (صدای جانسون، سر و صدا شات) یا منابع خارجی (EMI، حلقه های زمینی) باشد که اشاره به کوچکترین تغییر در measur و که سنسور می تواند دقت بالا را تضمین کند، اما محدودیت وضوح پایین می تواند به دلیل دقیق سیستم که نمی تواند به تغییرات نرم افزار یا فیلتر کردن پاسخ دهد، اما ممکن است مقاومت کند.

خطی بودن و Hysteresis

خطی بودن توضیح می دهد که چگونه خروجی سنسور در مقابل رابطه ورودی به یک خط مستقیم نزدیک است. سنسورهای غیر خطی نیاز به اصلاح در کنترل کننده (به عنوان مثال، یک جدول جستجو) Hysteresis تفاوت در خروجی زمانی است که ورودی به یک مقدار از افزایش در مقابل کاهش جهت می پردازد.

اندازه گیری و بهبود دقت سنسور

بهبود دقت سنسور یک تلاش چند لایه است که شامل انتخاب، نصب، کالیبراسیون و پردازش سیگنال است.

انتخاب سنسور

یک سنسور را با مشخصات دقتی انتخاب کنید که از الزامات سیستم توسط یک حاشیه معقول تجاوز می کند (منبع: شامل کمک از خود سنسور، تهویه سیگنال، ADC، سیم کشی و محیط زیست است، به عنوان مثال، اگر یک فرآیند نیاز به کنترل دما در ± 0.5 درجه سانتیگراد داشته باشد، سنسور را با دقت ±0.1 درجه سانتیگراد در شرایط عملیاتی مورد انتظار انتخاب کنید. [0]

کالیبراسیون بهترین تمرین ها

ایجاد یک برنامه کالیبراسیون بر اساس توصیه های تولید کننده و داده های رانندگی تاریخی.استفاده از استانداردهای قابل ردیابی (به عنوان مثال، ارجاعات قابل تشخیص NIST) برای کالیبراسیون داخلی یا ارسال سنسور به یک آزمایشگاه معتبر برای برنامه های کاربردی انتقادی، در نظر گرفتن کالیبراسیون خط با استفاده از سنسور مرجع در طول سیستم (به عنوان مثال، یک بلوک دما شناخته شده).

پردازش سیگنال و فیلتر کردن

یک سیگنال سنسور خوب بی ارزش است اگر قبل از رسیدن به کنترل کننده، از سیم کشی پیچ خورده محافظت شده برای کاهش EMI استفاده کند.استفاده از ورودی های مختلف برای رد سر و صدای رایج حالت، نمونه با سرعت بالا برای ضبط پویایی سیستم (استاندارد نورquist) و سپس استفاده از فیلتر دیجیتال (به عنوان مثال، حرکت، فیلتر کمپوست) برای کاهش نویز، به تاخیر، فیلتر خاموش، ممکن است خیلی بسته شود.

Redundancy و Sensor Fusion

در برنامه هایی که شکست سنسور یا حرکت غیرقابل قبول است، استفاده از سنسورهای متعدد اضافی ساده ترین روش رای گیری اکثریت است (اگر سه سنسور مخالف باشد، outlier نادیده گرفته می شود) تکنیک های پیچیده تر جوش سنسور از فیلترهای Kalman استفاده می کنند یا به طور متوسط برای ترکیب داده ها از انواع مختلف سنسور (به عنوان مثال، accelerometer و ژیروسکوپ برای کنترل حرکت) وزن آنلاین را فعال می کنند.

دیجیتال در مقابل سنسورهای آنالوگ

سنسورهای دیجیتال که یک ارزش را بر روی I2C، اشپیگل یا CAN اغلب شامل جبران دمای داخلی، خطی سازی و کاهش نویز می شوند، می توانند طراحی سیستم را ساده کرده و دقت کلی را با حرکت تبدیل آنالوگ به دیجیتال نزدیک به عنصر سنجش، بهبود دهند، اما همچنین خواندن های آماری و نرخ های نمونه محدود را معرفی می کنند.

دقت سنسور در برنامه های مختلف حلقه بسته

اتوماسیون صنعتی

در کارخانه ها، کنترل حلقه بسته برای دما، فشار، جریان، سطح و موقعیت استفاده می شود. سنسورها باید در برابر شرایط سخت مقاومت کنند (نات، ارتعاشات، دماهای شدید) الزامات دقت دقیق متفاوت است: سنسور سطح مخزن برای یک ماده شیمیایی عمده ممکن است فقط به ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±1 سنسور و تنظیمی که شامل آسیب های خود یا اپراتورهای آسیب دیده می شود، باشد.

سیستم های خودرو

وسایل نقلیه مدرن شامل ده ها سیستم حلقه بسته است: مدیریت موتور ( سنسورهای اکسیژن، سنسورهای گردش هوایی انبوه)، ترمز ضد قفل ( سنسورهای سرعت چرخ)، کنترل ثبات الکترونیکی ( سنسورهای سرعت) و کنترل کروز ( سنسورهای سرعت) دقت این سنسورها به طور مستقیم بر کارایی سوخت، ایمنی و انتشار گازهای گلخانه ای تأثیر می گذارد.

فضا و دفاع

در هواپیما و فضاپیما، دقت سنسور موضوع زندگی و مرگ است. [واحد های اندازه گیری بی سابقه (IMU) با استفاده از شتاب سنج و ژیروسکوپ باید بسیار کم حرکت باشد زیرا هیچ مرجع خارجی در فضای عمیق وجود ندارد.حتی خطاهای کوچک در طول زمان تجمع می یابد، و باعث خطا در پیکربندی های ناوبری می شود.

تجهیزات پزشکی

دستگاه های پزشکی حلقه بسته شامل پمپ های انسولین (تقاد سنسور)، تهویه کننده (تحریم فشار / جریان)، و سیستم های نظارت دقیق بیمار بسیار تنگ هستند، زیرا خطا می تواند به طور مستقیم به بیماران آسیب برساند.

آینده تکنولوژی سنسور

MEMS و Miniaturization

سیستم های میکرو الکترومکانیکی (MEMS) به طور چشمگیری اندازه و هزینه سنسور ها را کاهش داده اند در حالی که دقت خوبی را حفظ می کنند. Accelerometers، سنسور های فشار و ژیروسکوپ در گوشی های هوشمند همگی دستگاه های MEMS هستند، زیرا فناوری MEMS بالغ هستند، ما دقت و ثبات بهبود یافته ایم و آنها را برای برنامه های حلقه بسته تر مانند تثبیت هواپیماهای بدون سرنشین و مانیتورهای بهداشتی پوشیدنی مناسب می کند.

سنسور های هوشمند و Edge Computing

سنسورهای هوشمند شامل قدرت پردازش به صورت محلی، اجازه می دهند تا آنها را به انجام خود کالیبری، جبران اثرات زیست محیطی، و حتی هشدار های تعمیر و نگهداری پیش بینی شده.با اجرای الگوریتم ها در سطح سنسور، بار محاسباتی را بر کنترل کننده مرکزی کاهش می دهند و می توانند دقت را از طریق پروتکل های ارتباطات زمان واقعی بهبود بخشند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

AI و ML برای حرکت سنسور مدل، پیش بینی شکست ها و بهینه سازی برنامه های کالیبراسیون استفاده می شوند.برای مثال، یک شبکه عصبی می تواند رابطه بین دما، ارتعاشات و خروجی سنسور را یاد بگیرد، سپس اثرات زیست محیطی را به طور خودکار جبران کند.

نتیجه گیری

دقت سنسور پایه ای است که عملکرد سیستم های حلقه بسته بدون اندازه گیری وفادار، حتی پیچیده ترین کنترل کننده نمی تواند ثبات، کارایی یا ایمنی را حفظ کند.با درک عواملی که دقت را کاهش می دهند - از تأثیرات محیطی تا پیری - مهندسان و تکنسین ها می توانند گام های پیشگیرانه برای انتخاب، نصب، کالیبره و حفظ دقیق سنسور ها را ادامه دهند.