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探讨压力传感的新兴应用及所需特性

2017-12-01 来源:Peratech公司信号处理和分析工程师Tim Wiles博士 [责任编辑:wenwei]
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【导读】在本文中,我们将分析这些新兴的应用案例,并解释,特别是在中端和高端应用中,压力传感器在满足所需性能要求时所必须具备的特性。之后,我们将展示传感器制造商Peratech如何开发出一种开创性的数据主导测试系统,以确保传感器达到客户所需的性能指标并能达到其预期。
 
本文将探讨压力传感技术能够产生哪些更自然和更直观的用户体验,并解释您在为应用选择正确的技术方案时需要注意哪些性能特征。
 
各种不同的压力传感技术已经存在了数十年,但是苹果公司决定在iPhone显示屏、Watch、Magic Trackpad以及最新的MacBook电脑中引入压力触控技术,这的确提高了它的知名度。
 
智能手机和触控板仅仅是冰山一角:压力传感技术目前已经非常成熟,可以用来改进我们与家用电器、医疗和工业领域等一系列设备的互动。
 
除了与智能手机或笔记本电脑采用简单的点击互动(每个互动只是“开”或 “关”)外,我们现在还可以根据不同的按压力度采用不同的方式进行控制。压力传感技术能够使设备制造商和软件开发人员为用户创造一种更自然、更直观和身临其境的用户体验。但是与集成的电容式传感技术或传统按钮相比截然不同的是,压力传感器提供非线性模拟输出,因而至关重要的是,要有适当的工具使压力传感方案的设计和大规模高质量生产能够像现在的技术一样简单可靠。
 
在本文中,我们将分析这些新兴的应用案例,并解释,特别是在中端和高端应用中,压力传感器在满足所需性能要求时所必须具备的特性。之后,我们将展示传感器制造商Peratech如何开发出一种开创性的数据主导测试系统,以确保传感器达到客户所需的性能指标并能达到其预期。
 
压力触摸传感器如何改变我们与日常机器的互动
 
除了显示屏外,手机和平板电脑制造商还可以通过将压力传感器集成到这些设备的其他部分,如主页按钮、电源按钮或音量控制等等。一些制造商正在设备的侧面或后部增加一个压力敏感区域,通过不再使用手指从而可以避免遮掩住显示屏的部分区域,这样就提供了额外的交互方式。其中压力传感能够提供的一个最基本的改进例子是,不必反复抬起手指离开按钮就可以轻松地重复多次按下按钮,这对于单手音量控制是一个非常有用的功能。
 
探讨压力传感的新兴应用及所需特性
图1:在智能手机或平板电脑的侧面或背面增加压力传感器可以创建全新的设备互动方式,而不会遮挡屏幕。
 
个人电脑制造商正在探索如何将压力传感器集成到键盘等硬件的其他部分。这里想象一下,轻按键盘上的箭头键逐字母地移动光标,而加大按压的力度则可以用来跳过一个单词。这样,通过一个刻意的、直观的按压,而不是通过按的次数,来确定在同一个按钮上两个不同的动作。
 
探讨压力传感的新兴应用及所需特性
图2:将合适的力度传感器集成到笔记本电脑,可以提供更加直观的用户体验(来源:Peratech)
 
在几乎所用的应用中压力传感器都可以代替机械开关,因为模拟控制可以提供更直接用户体验。超薄且高耐用性压力传感器的使用可以节省空间,延长使用寿命,并降低传统按钮系统的总体成本。
 
基于力度的控制和传感器的一些其他潜在应用包括:可变速电动工具或电器、健身设备、家庭自动化、自动控制、生物识别特征、工业以及机器人系统等等。
 
压力触控传感器的主要特征
 
正如上述这些应用所展示的,压力传感器的用途多种多样,但都具有共同的要求。
 
首先的要求是传感器要适合目标应用。如果传感器性能指标达不到要求,您的最终产品的性能将受到影响。而如果性能指标要求过高,会在成本、复杂性和潜在的质量方面形成不必要的挑战。例如,传感器的精确度可以根据施加的力量而变化,您需要了解您正在使用的传感器模块在所标定的力度使用范围内提供的所需精度。如果一个传感器受到的最大力度是100g,那么知道它在1kg的压力时最多能提供10g变化度的价值就不大了。如果从10g到100g的感测精度变化对您的应用很重要,那么这个指标就是您的传感器应该满足测量的对象。这个要求的另一方面就是,传感器指标必须能够直接而准确地与期望的性能相匹配,否则您就有可能在精确地测量一些与实际产品性能无关的东西。
 
与上述问题密切相关的第二个基本要求是,指标性能必须可预测而且可靠。如果您要将力度传感器集成到您的产品,在每次使用时,每个产品都能按预期实现所需的性能,对此您都需要有绝对的信心。如果传感器需要在产品中起到至关重要的安全作用,这种高可靠性就显得尤为重要。从技术角度来看,这意味着传感器输出必须在具体力度范围内精确到特定的误差范围。
 
与面向大众市场的其它电子组件一样,传感器的最后一个基本要求是能够根据需要进行量产,同时达到我们已经讨论过的质量保证。这意味着所采用的测试技术不仅要准确和适用,而且要操作简单、快速,并且可扩展。所有这些都需要在一个具有高性价比的测试设备中体现出来。
 
增强对力度传感器的信心
 
包括上面强调的智能手机和高级笔记本电脑在内,对于需要中等或高精度的设备而言,制造商在将力度传感器集成到设备时,要具有对传感器的绝对信心,而达此目的唯一方法是进行智能的和全面的测试。
 
当您需要每个产品都能够满足事先要求的质量时,仅仅测试一个来自生产线的样品并不能给予足够的信心。同样,除非某个力点与您的应用完全匹配,仅仅在一个力点上测试传感器也没有太大的意义。
 
因此,您需要了解每个传感器都需要在合适的力度下工作,这通常意味着即使传感器厂商已经对产品进行了测试,设备制造商也必须自己进行耗时且昂贵的测试,以确保他们选择的传感器是合适的。
 
为了减少客户进行这种不必要和昂贵的测试,Peratech开发了一种严格的下一代产品测试和分析技术,能够准确地表征传感器模块是否适合具体的应用,并可在传感器离开生产线后对其进行有效地评估。
 
下一代传感器测试:增强客户的信心
 
通过结合National Instruments(NI)公司提供的同类最佳测试硬件和软件,并采用基于云端和商业智能/分析工具的定制数据基础架构,Peratech设计并开发了一个全新且安全的自动化测试和监控系统,可以应用于制造传感器的任何设施。
 
探讨压力传感的新兴应用及所需特性
图3:该测试装置能够自动地捕获每条生产线上的测试数据,将其存储在云端,并可用于进一步分析(来源:Peratech)
 
该测试系统采用National Instruments设备和LabVIEW软件,能够自动测试从生产线下线的每一个传感器,在不到5秒的时间内便可完成针对一个传感器在不同力点的测试,每秒钟可收集多达50,000个数据点,以产生完整的力阻(force-resistance)曲线。 因此,除了能够确保每个传感器的质量,Peratech还能够可靠地向客户展示其传感器如何在各种具体应用中的不同力度范围内工作。
 
探讨压力传感的新兴应用及所需特性
图4:该完整的力-阻曲线显示,一个传感器如何在不同的力度下工作(来源:Peratech)。
 
得益于采用了高度自动化技术,每个产品的生产成本只需增加几分钱即可实现这种高水平的保证和测试。
 
由数据主导的决定
 
测试数据经过处理之后可以安全地存储在云端,由此可以在世界的任何地方近乎实时地进行分析。这使得Peratech能够在几分钟内而不是几天的时间内识别和解决问题,并提供即时和持续的质量水平保证。
 
对于客户而言,这种严格的工厂测试及其所产生的分析结果可以减少甚至消除客户自己为寻找合适的传感器而进行的试错(trial-and-error)测试,它还可以大大减少进货检验和最终产品检测时间。如果出现不可预见的产品问题,该系统将能够提供产品的可追溯性,从而实现快速取证和解决问题。因此,Peratech的传感解决方案不仅能够实现下一代人机接口(HMI)产品应用, Peratech的产品保证和可追溯性解决方案还能够更快地以更低成本、更高质量实现从概念开发到批量生产,从而降低风险和不确定性。
 
针对批量生产的规模经济效应
 
除了这些优势之外,Peratech测试系统还可以针对小量到批量生产而进行扩展,同时保持相同水平的严谨度。通过National Instruments工厂测试装置的模块化和易扩展性、LabVIEW提供的高度自动化、以及云端能够经济地存储数据的巨大容量,可以实现这种可扩展的测试。
 
探讨压力传感的新兴应用及所需特性
图5:测试台(来源:Peratech)
 
信息更新以及加快新产品开发
 
除了提供商用产品的质量保证之外,Peratech还可以通过分析大量的测试数据,提供新标准和定制传感器等方面的进展信息。
 
Peratech可以使用多种数据可视化工具来分析数据,更快地完成实验,并将资源更多地集中在分析和建议,从而通过采用最佳材料,以多种定制化的形状和尺寸大小,实现更加一致的传感器性能。
 
此外,测试系统不需要复杂的低级编码,即可以进行快速修改以测试新的产品设计。因而,准备新传感器的测试只需要几周时间,而不是数月。
 
所有这一切都表明,对于那些想要为自己产品定制传感器的客户,他们可以通过比以前快得多的速度得到新的组件,同时传感器的质量和适用性也能够得到有效保证。
 
结论
 
从厨房搅拌机到智能手机,从医疗设备到工业设备,Peratech的力度触控传感器将能够改变并加强我们与机器的互动方式。这些应用要求传感器不仅要具有可预测的性能表现,在其特定的应用案例中要达到所需的精度,而且还要为产品设计人员和制造商提供一种绝对的信心:这些力度传感器将按要求完好地运行。
 
实现上述两个目的需要将传感器在投放市场之前必须经过特性表征和全面测试。传统上,这通常需要设备制造商自己进行大量昂贵和耗时测试,而且这些测试往往并不能使传感器的性能与产品性能要求完全匹配。
 
为了从根本上改进模块和产品测试,Peratech开发了一种自动化、可扩展和数据主导的测试方法,能够确保生产的每一个传感器在多个力点都经过严格的测试,以便准确地满足客户的产品应用需求。Peratech的智能化测试系统使设备制造商能够根据自己的需求选择正确的传感器,并使他们确信所购买的每个传感器模块都能够按照需要完好地运行。








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关键字:压力传感器 平板电脑 医疗电子 工业电子 智能家电 智能手机 
本文链接:http://www.cntronics.com/sensor-art/80033218
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