การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์หุ่นยนต์ เพื่อบอร์ดที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและพร้อมสำหรับการสอบเทียบ

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์จะแปลงความเป็นจริงทางกายภาพให้เป็นข้อมูลทางไฟฟ้าที่หุ่นยนต์สามารถเชื่อถือได้ โดยจะอ่านค่าจาก IMU, ตัวเข้ารหัส, เซ็นเซอร์แรงและแรงบิด, เซ็นเซอร์กระแส, เซ็นเซอร์ตำแหน่ง, เซ็นเซอร์อุณหภูมิ และอุปกรณ์วัดเฉพาะงาน จากนั้นจะปรับสภาพ แปลงเป็นดิจิทัล ปรับเทียบ และส่งข้อมูลการวัดเหล่านั้นไปยังระบบควบคุม เนื่องจากข้อมูลจากเซ็นเซอร์เป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนไหว ความปลอดภัย การนำทาง และการวินิจฉัยปัญหา ข้อผิดพลาดเล็กน้อยบนแผงวงจรเหล่านี้จึงอาจกลายเป็นความล้มเหลวที่มองเห็นได้ในระดับหุ่นยนต์

คู่มือนี้เน้นที่แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์ในฐานะประเภทอุตสาหกรรม ไม่ใช่แค่บริการด้านการผลิตเท่านั้น โดยจะอธิบายถึงความแตกต่างระหว่างส่วนหน้าของเซ็นเซอร์กับแผงวงจรดิจิทัลทั่วไป ตัวเลือกการปรับสภาพสัญญาณที่สำคัญ เหตุใดการสอบเทียบและการตรวจสอบย้อนกลับจึงมีความสำคัญในกระบวนการผลิต และวิศวกรควรตรวจสอบอะไรบ้างก่อนที่จะส่งไฟล์ PCB สำหรับเซ็นเซอร์เพื่อการผลิตและการประกอบ

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) เซ็นเซอร์หุ่นยนต์ทำงานอย่างไรกันแน่

บทบาทในระบบหุ่นยนต์

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์ ทำหน้าที่ปรับสภาพและแปลงสัญญาณอนาล็อกจากชุดเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์ให้เป็นดิจิทัล ซึ่งประกอบด้วย IMU, ตัวเข้ารหัส, เซ็นเซอร์วัดแรง, เซ็นเซอร์วัดกระแส, เซ็นเซอร์วัดตำแหน่ง และอุปกรณ์วัดพิเศษต่างๆ ส่วนหน้าของเซ็นเซอร์มีข้อกำหนดทางวิศวกรรมเฉพาะด้านเกี่ยวกับสัญญาณรบกวน ความละเอียด ช่วงไดนามิก และการสอบเทียบ สิ่งที่ทำให้แผงวงจรเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์แตกต่างออกไป:

• อนาล็อกที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ: สัญญาณจากเซ็นเซอร์มักอยู่ในช่วงไมโครโวลต์ถึงมิลลิโวลต์ การขยายสัญญาณ การกรองสัญญาณ และการเลือกใช้ ADC จึงต้องปรับขนาดให้เหมาะสมกับงบประมาณด้านสัญญาณรบกวน
• การผสานรวมหลายช่องทาง: แผงวงจรเซ็นเซอร์หนึ่งแผงมักอ่านค่าจากหลายช่องสัญญาณพร้อมกัน การแยกช่องสัญญาณข้ามกันและการสอบเทียบแต่ละช่องสัญญาณอย่างสม่ำเสมอจึงมีความสำคัญ
• การปรับสภาพเฉพาะเซ็นเซอร์: เกจวัดความเครียดต้องการการปรับสภาพวงจรบริดจ์ เทอร์โมคัปเปิลต้องการการชดเชยจุดเชื่อมต่อเย็น และตัวเข้ารหัสต้องการตัวรับสัญญาณแบบสาย แต่ละประเภทมีวงจรส่วนหน้าของตัวเอง
• ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม: เซ็นเซอร์มักทำงานในสภาวะสุดขั้วที่ส่วนอื่นๆ ของหุ่นยนต์หลีกเลี่ยง ช่วงอุณหภูมิ การสั่นสะเทือนทางกล และการป้องกัน ล้วนได้รับการออกแบบให้เหมาะสมกับตำแหน่งของเซ็นเซอร์
• การสอบเทียบ: ข้อมูลการสอบเทียบต่อหน่วยโดยทั่วไปจะถูกบันทึกระหว่างกระบวนการผลิต ปรับแก้ความแปรผันของเซ็นเซอร์และรักษาความแม่นยำในทุกหน่วย

การออกแบบเพื่อควบคุมความเสี่ยง

ความน่าเชื่อถือของแผงวงจรเซ็นเซอร์ส่งผลต่อคุณภาพการประมวลผลสัญญาณในขั้นตอนถัดไปตลอดอายุการใช้งานของหุ่นยนต์ แผงวงจรเซ็นเซอร์ที่มีการเปลี่ยนแปลงค่าอย่างค่อยเป็นค่อยไปจะทำให้ค่าที่วัดได้เปลี่ยนแปลงไปทีละน้อย ซึ่งอาจตรวจไม่พบ ในขณะที่แผงวงจรเซ็นเซอร์ที่มีสัญญาณรบกวนเป็นระยะจะทำให้ค่าที่วัดได้ถูกต้องโดยเฉลี่ย แต่ผิดพลาดเป็นบางครั้ง ความล้มเหลวทั้งสองแบบนี้ทำให้ประสิทธิภาพของหุ่นยนต์ลดลงในลักษณะที่ยากต่อการชดเชยในระดับที่สูงขึ้นของซอฟต์แวร์

การจัดวางตำแหน่งเซ็นเซอร์บนโครงสร้างทางกลของหุ่นยนต์มักจำกัดข้อกำหนดทางกายภาพของแผงวงจรเซ็นเซอร์มากพอๆ กับข้อกำหนดทางไฟฟ้าของเซ็นเซอร์ เซ็นเซอร์ที่อยู่ลึกเข้าไปในแขนหุ่นยนต์ต้องการแผงวงจรเซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัด ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกต้องการการป้องกันจากสภาพแวดล้อม โปรแกรมที่ออกแบบแผงวงจรเซ็นเซอร์ให้สอดคล้องกับตำแหน่งทางกลจะสร้างระบบแบบบูรณาการ ในขณะที่โปรแกรมที่ออกแบบแผงวงจรเซ็นเซอร์แยกต่างหากบางครั้งอาจพบข้อจำกัดทางกลเมื่อทำการรวมระบบ

ในระดับระบบ ควรระบุคุณสมบัติของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยพิจารณาจากฟังก์ชัน สภาพแวดล้อม อายุการใช้งาน และขอบเขตการทดสอบ มากกว่าการพิจารณาจากแผนผังวงจรเพียงอย่างเดียว วิธีนี้จะช่วยป้องกันข้อผิดพลาดทั่วไปในการสร้าง PCB ที่ถูกต้องทางเทคนิค แต่ติดตั้งยาก ซ่อมบำรุงยาก หรือไม่แข็งแรงทนทานเพียงพอเมื่อติดตั้งในหุ่นยนต์แล้ว

ประเภทของเซ็นเซอร์และข้อกำหนดด้านส่วนหน้าของเซ็นเซอร์เหล่านั้น

เกณฑ์การคัดเลือกประเภทเซ็นเซอร์และข้อกำหนดด้านส่วนหน้าของเซ็นเซอร์เหล่านั้น

ประเภทของเซ็นเซอร์เป็นตัวกำหนดการออกแบบส่วนหน้า ประเภทหลักของเซ็นเซอร์และข้อกำหนดในการปรับสภาพสัญญาณมีดังนี้:

• ไอเอ็มยู: เซ็นเซอร์ดิจิทัล 6-DoF หรือ 9-DoF พร้อม ADC ในตัว อินเทอร์เฟซโดยทั่วไปคือ SPI หรือ I²C ตำแหน่งและการติดตั้งทางกลมีผลต่อคุณภาพการวัด
• Encoder: ตัวรับสัญญาณแบบเส้นตรงสำหรับสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล; แบบเส้นตรงสำหรับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงน้อยกว่า วงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการแทรกสอดสัญญาณสำหรับตัวเข้ารหัสแบบอนาล็อกความละเอียดสูง
• แรงและแรงบิด: วงจรปรับสภาพสัญญาณบริดจ์สำหรับเซ็นเซอร์วัดความเครียด แอมพลิฟายเออร์สำหรับเครื่องมือวัดและ ADC พร้อมการสอบเทียบต่อหน่วย
• การตรวจวัดกระแสไฟฟ้า: ต่อขนานกับแอมพลิฟายเออร์สำหรับเครื่องมือวัด หรือเซ็นเซอร์ฮอลล์เอฟเฟกต์พร้อมฉนวน แบนด์วิดท์และความแม่นยำขึ้นอยู่กับการใช้งาน
• การตรวจจับตำแหน่ง: โพเทนชิโอมิเตอร์แบบเชิงเส้นหรือแบบหมุน เซ็นเซอร์วัดมุมแม่เหล็ก หรือ LVDT แต่ละชนิดต้องการการปรับสภาพเฉพาะ
• การตรวจวัดอุณหภูมิ: เทอร์โมคัปเปิลแบบจุดเย็น, RTD แบบกระตุ้นด้วยไฟฟ้า หรือเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิดิจิทัล การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำและช่วงการวัดที่ต้องการ

ประเภทของเซ็นเซอร์และข้อกำหนดด้านอุปกรณ์ต้นทางส่งผลต่อต้นทุนและความน่าเชื่อถืออย่างไร

การเลือกเซ็นเซอร์ยังขึ้นอยู่กับว่าซอฟต์แวร์ของหุ่นยนต์สามารถใช้งานอะไรได้บ้าง ตัวเข้ารหัสความละเอียดสูงที่เกินความสามารถในการประมวลผลของวงจรควบคุมจะสิ้นเปลืองความสามารถ ในทำนองเดียวกัน เซ็นเซอร์ IMU ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและมีความแม่นยำมากกว่าตัวประมาณสถานะก็สิ้นเปลืองต้นทุนเช่นกัน การจับคู่ความสามารถของเซ็นเซอร์กับความสามารถของซอฟต์แวร์จะทำให้ได้การออกแบบที่มีประสิทธิภาพ การระบุเซ็นเซอร์เกินความจำเป็นจะเสียค่าใช้จ่ายสำหรับความสามารถที่ไม่ได้ใช้งาน

เทคโนโลยีเซ็นเซอร์ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เซ็นเซอร์ MEMS IMU รุ่นใหม่ให้ประสิทธิภาพด้านสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้นในราคาที่ใกล้เคียงกัน ตัวเข้ารหัสแม่เหล็กแบบใหม่ให้ความละเอียดสูงขึ้นในราคาที่ต่ำกว่ารุ่นก่อนหน้าแบบออปติคอล โครงการที่ตรวจสอบเทคโนโลยีเซ็นเซอร์เป็นระยะๆ จะระบุถึงการปรับปรุงด้านต้นทุนหรือประสิทธิภาพที่มีให้สำหรับงานออกแบบใหม่ๆ โครงการที่นำเซ็นเซอร์รุ่นเก่ามาใช้ซ้ำในผลิตภัณฑ์รุ่นต่างๆ บางครั้งอาจล้าหลังเทคโนโลยีปัจจุบัน

หลักปฏิบัติคือควรเลือกโครงสร้างที่เรียบง่ายที่สุดที่ยังคงตรงตามข้อกำหนดด้านสัญญาณ ความปลอดภัย ความร้อน และกลไก การกำหนดคุณสมบัติเกินความจำเป็นจะทำให้ต้นทุนสูงขึ้น ในขณะที่การกำหนดคุณสมบัติต่ำกว่าความจำเป็นจะทำให้ต้องแก้ไขงานซ้ำในระหว่างการทดสอบหรือการใช้งานจริง

ก่อนที่จะสรุปการออกแบบส่วนหน้าแบบอนาล็อก Highleap จะเปรียบเทียบแผงวงจรเซ็นเซอร์กับการออกแบบอินเทอร์เฟซฟิลด์บัสและสถาปัตยกรรมอิเล็กทรอนิกส์ของหุ่นยนต์ โดยรวม เพื่อไม่ให้การตรวจสอบการต่อลงดิน การป้องกันสัญญาณรบกวน และเส้นทางส่งกลับแยกจากกัน

การปรับสภาพสัญญาณ: การขยายสัญญาณ, การกรองสัญญาณ, การแยกสัญญาณ

ทางเลือกการออกแบบที่สำคัญสำหรับการปรับสภาพสัญญาณ

หลักการปรับสภาพสัญญาณเป็นสิ่งที่แยกแยะแผงวงจรเซ็นเซอร์ที่ออกแบบมาอย่างดีออกจากแผงวงจรที่ด้อยคุณภาพ เทคนิคหลักๆ ได้แก่:

• เครื่องขยายเสียงสำหรับเครื่องมือวัด: อิมพีแดนซ์อินพุตสูงและค่า CMRR สูง เหมาะสำหรับสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล เป็นมาตรฐานสำหรับการตรวจจับแบบบริดจ์และแบบขนาน
• การกรองป้องกันการเกิดรอยหยัก: ก่อนเข้าสู่ ADC จะทำการคัดกรองสัญญาณที่สูงกว่าความถี่ Nyquist โดยเลือกความถี่ตัดที่เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะนั้นๆ
• ความเสถียรของการอ้างอิง: ความเสถียรของแรงดันอ้างอิง ADC ส่งผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการวัด ควรใช้แหล่งอ้างอิงอุณหภูมิต่ำสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง
• ป้องกัน: สายเคเบิลหุ้มฉนวนและวงจรเดินสายหุ้มฉนวน ซึ่งสัญญาณรบกวนจะส่งผลเสียต่อการวัด
• สายดิน: กราวด์อนาล็อกที่สะอาดแยกจากกราวด์ดิจิทัลและกราวด์แหล่งจ่ายไฟ ใช้โครงสร้างแบบดาวหรือแบบแยกกราวด์เพื่อป้องกันการรบกวนจากสัญญาณรบกวน
• การแยก: การใช้งานเซ็นเซอร์บางอย่างจำเป็นต้องมีการแยกทางไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟของหุ่นยนต์ การแยกทางแสง ทางแม่เหล็ก หรือทางตัวเก็บประจุ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะ

การพิจารณาด้านการผลิตและความน่าเชื่อถือ

การแยกวงจรบนแผงเซ็นเซอร์สามารถป้องกันปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนได้หลายประเภท ซึ่งการกรองสัญญาณไม่สามารถแก้ไขได้อย่างสมบูรณ์ วงจรหน้าของเซ็นเซอร์ที่แยกทางไฟฟ้าออกจากแหล่งจ่ายไฟดิจิทัลของหุ่นยนต์สามารถลดสัญญาณรบกวนที่อาจเข้ามาทางเส้นทางร่วมได้ การแยกวงจรมีต้นทุนต่อช่องสัญญาณสูงกว่า แต่โดยทั่วไปแล้วจะคุ้มค่าในด้านการกรองสัญญาณที่ง่ายขึ้นและคุณภาพการวัดที่ดีขึ้น

การออกแบบระบบสายดินบนแผงวงจรเซ็นเซอร์นั้นสมควรได้รับการพิจารณาเป็นพิเศษ นอกเหนือจากแนวทางการจัดวางทั่วไปแล้ว สายดินแบบอนาล็อก สายดินแบบดิจิทัล สายดินตัวถัง และสายดินป้องกัน ล้วนมีจุดประสงค์ที่แตกต่างกัน และกลยุทธ์การเชื่อมต่อระหว่างกันส่งผลต่อคุณภาพการวัดโดยตรง โปรแกรมที่ออกแบบระบบสายดินอย่างรอบคอบในขั้นตอนการเขียนแผนผังวงจรและการจัดวาง จะให้ผลการวัดที่แม่นยำ ในขณะที่โปรแกรมที่อาศัยการเดินสายแบบทั่วไป มักจะพบสัญญาณรบกวนจากกระแสไฟฟ้าที่ไหลลงดิน

การเลือกใช้ ADC: Sigma-Delta, SAR, Pipeline, Integrated

เกณฑ์การคัดเลือกสำหรับการคัดเลือก ADC

การเลือก ADC จะกำหนดความละเอียดและความเร็วของวงจรการวัดของเซ็นเซอร์ ประเภทหลักของ ADC มีดังนี้:

• ซิกมา-เดลต้า: ความละเอียดสูง (16-24 บิต) ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างปานกลาง มาตรฐานสำหรับงานเซ็นเซอร์ความแม่นยำสูง
• SAR: ความละเอียดปานกลาง (12-16 บิต) ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างสูง มาตรฐานสำหรับงานเซ็นเซอร์ทั่วไป
• ท่อส่ง: อัตราการสุ่มตัวอย่างสูงที่ความละเอียดปานกลาง เหมาะสำหรับงานที่ต้องการแบนด์วิดท์สูง
• การบูรณาการ: มีความแม่นยำสูงสำหรับสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงช้า นิยมใช้ในงานด้านมาตรวิทยา
• แบบบูรณาการ: การรวม ADC ไว้ในชิปเดียวกันกับเซ็นเซอร์ (โดยทั่วไปพบใน IMU และเซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้าบางชนิด) ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบและการเดินสาย

การเลือกใช้ ADC ส่งผลต่อต้นทุนและความน่าเชื่อถืออย่างไร

การเลือกใช้ ADC ในขั้นตอนการออกแบบยังต้องคำนึงถึงอัตราการส่งข้อมูลและค่าใช้จ่ายในการสื่อสารด้วย ADC แบบซิกมา-เดลต้า 24 บิต จะสร้างข้อมูล 24 บิตต่อตัวอย่าง ซึ่งต้องส่งไปยังโปรเซสเซอร์ ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างสูง แบนด์วิดท์ในการสื่อสารจึงมีความสำคัญ การเลือกใช้ ADC ให้ตรงกับความต้องการแบนด์วิดท์จริง (เทียบกับค่าสูงสุดตามข้อกำหนด) จะช่วยประหยัดแบนด์วิดท์สำหรับข้อมูลอื่นๆ

การป้องกันอินพุตของ ADC บางครั้งอาจจำกัดช่วงไดนามิกที่ใช้งานได้ ตัวต้านทานป้องกันอินพุตจะเพิ่มค่าออฟเซ็ตและสัญญาณรบกวน ซึ่งลดความแม่นยำในการวัดที่ทำได้ โปรแกรมที่ระบุการป้องกันอย่างระมัดระวัง — โดยจับคู่การป้องกันกับสภาวะความผิดพลาดที่เป็นไปได้มากกว่าการใช้งานที่ผิดกรณีที่เลวร้ายที่สุด — จะช่วยรักษาคุณภาพการวัดในขณะที่ให้การป้องกันที่เพียงพอ

การสื่อสาร: SPI, I²C, CAN, RS-485, อีเธอร์เน็ต, อีเธอร์แคท

ข้อกำหนดเกี่ยวกับอินเทอร์เฟซและเค้าโครง

การสื่อสารกลับไปยังตัวควบคุมหลักจะส่งข้อมูลเซ็นเซอร์ที่แปลงเป็นดิจิทัลแล้ว การเลือกอินเทอร์เฟซขึ้นอยู่กับอัตราการส่งข้อมูล ระยะทาง และสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน ตัวเลือกหลักมีดังนี้:

• เอสพีไอ: การสื่อสารผ่านเซ็นเซอร์บนตัวยาน รวดเร็วและง่ายดาย ใช้ได้เฉพาะระยะทางสั้นๆ เท่านั้น
• ไอ²ซี: การสื่อสารแบบหลายเซ็นเซอร์ในตัว ช้ากว่า SPI แต่สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์หลายตัวได้
• สามารถ: การสื่อสารผ่านสายเคเบิลมีประสิทธิภาพสูง ป้องกันสัญญาณรบกวนได้ดี อัตราการส่งข้อมูลปานกลาง
• RS-485 หรือ RS-422: การสื่อสารแบบอนุกรมเชิงอนุพันธ์ผ่านสายเคเบิล มีความต้านทานต่อสัญญาณรบกวนที่ดี เหมาะสำหรับอัตราการส่งข้อมูลระดับปานกลาง
• อีเธอร์เน็ต: แบนด์วิดท์สูงเหมาะสำหรับงานเซ็นเซอร์ที่ต้องการประสิทธิภาพสูง เป็นมาตรฐานสำหรับงานด้านการมองเห็นและการตรวจจับข้อมูลความเร็วสูง
• อีเธอร์แคท: อีเธอร์เน็ตแบบกำหนดค่าได้สำหรับการใช้งานเซ็นเซอร์หลายตัวแบบประสานงานกัน

ข้อควรพิจารณาด้าน EMC, เวลา และการทดสอบ

การเลือกอินเทอร์เฟซการสื่อสารบนแผงวงจรเซ็นเซอร์ส่งผลต่อการออกแบบสายเคเบิลและการเลือกขั้วต่อด้วยเช่นกัน SPI ผ่านอินเทอร์เฟซระยะสั้นระหว่างแผงวงจรใช้สายแบนธรรมดา ในขณะที่ CAN ผ่านสายเคเบิลยาวหลายเมตรในงานอุตสาหกรรมใช้สายคู่บิดเกลียวหุ้มฉนวน การเลือกอินเทอร์เฟซส่งผลต่อการออกแบบระบบโดยรวมและต้นทุน

เส้นทางการสื่อสารสำรองบนแผงวงจรเซ็นเซอร์ที่สำคัญต่อความปลอดภัย ช่วยรักษาความพร้อมใช้งานของการวัดในระหว่างที่จุดใดจุดหนึ่งเกิดความล้มเหลว เซ็นเซอร์ที่มีเอาต์พุต CAN หลักและเอาต์พุตอะนาล็อกสำรอง จะยังคงทำงานได้แม้ว่าอินเทอร์เฟซหลักจะล้มเหลว ต้นทุนเพิ่มเติมนั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับความน่าเชื่อถือที่เพิ่มขึ้นในแอปพลิเคชันที่สำคัญต่อความปลอดภัย

สำหรับการปล่อยผลิตภัณฑ์สู่การผลิต การสอบเทียบเซ็นเซอร์ยังขึ้นอยู่กับ กระบวนการทดสอบระดับแผงวงจรของโรงงานโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อข้อมูลเซ็นเซอร์ถูกนำไปใช้โดยระบบย่อยการมองเห็นด้วยเครื่องจักรหรือตัวควบคุมความปลอดภัย

การสอบเทียบและการตรวจสอบย้อนกลับต่อหน่วย

ทางเลือกการออกแบบที่สำคัญสำหรับการสอบเทียบและการตรวจสอบย้อนกลับต่อหน่วย

การสอบเทียบต่อหน่วยระหว่างการผลิตเป็นมาตรฐานสำหรับแผงวงจรเซ็นเซอร์ความแม่นยำสูง การสอบเทียบจะบันทึกความแปรผันเฉพาะต่อหน่วยที่เกิดจากความคลาดเคลื่อนในการผลิต โดยจัดเก็บค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไขไว้ในหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน ขั้นตอนการสอบเทียบหลักมีดังนี้:

• การวัดอ้างอิง: เซ็นเซอร์ภายใต้เงื่อนไขอินพุตที่ทราบ ใช้เซ็นเซอร์อ้างอิงหรืออินพุตทางกายภาพอ้างอิง
• การคำนวณค่าสัมประสิทธิ์: ค่าชดเชย อัตราขยาย ความเป็นเส้นตรง และบางครั้งค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่คำนวณจากค่าที่วัดได้
• การจัดเก็บ: ค่าสัมประสิทธิ์จะถูกจัดเก็บไว้ใน EEPROM, แฟลช หรือหน่วยความจำบนแผงวงจรเซ็นเซอร์เอง
• การตรวจสอบ: การวัดหลังการปรับเทียบยืนยันว่าค่าเอาต์พุตที่แก้ไขแล้วเป็นไปตามข้อกำหนด
• ตรวจสอบย้อนกลับ: ข้อมูลการสอบเทียบต่อหน่วยเชื่อมโยงกับหมายเลขซีเรียลและข้อมูลอ้างอิงที่ใช้

การพิจารณาด้านการผลิตและความน่าเชื่อถือ

การออกแบบขั้นตอนการสอบเทียบส่งผลต่อทั้งความแม่นยำและปริมาณการผลิต ขั้นตอนการสอบเทียบที่ต้องใช้เวลาในการปรับเสถียรภาพนานหรือการตั้งค่าอ้างอิงที่ซับซ้อนจะทำให้การผลิตช้าลง ในขณะที่ขั้นตอนที่ใช้การอ้างอิงที่เสถียรและง่ายจะทำงานได้อย่างรวดเร็ว โปรแกรมที่ออกแบบขั้นตอนการสอบเทียบควบคู่ไปกับการออกแบบแผงวงจรเซ็นเซอร์จะทำให้ได้ระบบเซ็นเซอร์ที่ผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่โปรแกรมที่แยกการสอบเทียบออกเป็นเรื่องต่างหากบางครั้งอาจพบปัญหาคอขวดในการสอบเทียบในช่วงเริ่มต้นการผลิต

สถาปัตยกรรมการจัดเก็บข้อมูลการสอบเทียบส่งผลกระทบต่อทั้งการผลิตและการบริการ ค่าสัมประสิทธิ์ที่จัดเก็บไว้ใน EEPROM บนแผงวงจรเซ็นเซอร์จะติดไปกับแผงวงจร ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์ที่จัดเก็บไว้ในตัวควบคุมหลักจะสูญหายไปหากเปลี่ยนตัวควบคุม โปรแกรมที่จัดเก็บการสอบเทียบต่อหน่วยบนแผงวงจรเซ็นเซอร์เองจะรักษาการสอบเทียบไว้ได้แม้จะมีการเปลี่ยนตัวควบคุมหลัก ในขณะที่โปรแกรมที่จัดเก็บแบบรวมศูนย์จะทำให้การออกแบบแผงวงจรเซ็นเซอร์ง่ายขึ้น แต่ทำให้การบริการซับซ้อนขึ้น

สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับการออกแบบส่วนที่เกี่ยวข้อง โปรดดูคู่มือการรวมแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของแผงควบคุมหุ่นยนต์และคู่มือการประกอบแผงวงจรพิมพ์และการทดสอบการทำงานของหุ่นยนต์

การผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์ที่ Highleap

ตรวจสอบ DFM ก่อนการผลิต

Highleap ผลิตแผงวงจรเซ็นเซอร์ที่มีคุณสมบัติตามหลักการประมวลผลแบบอนาล็อกที่จำเป็นสำหรับแผงวงจรเซ็นเซอร์ ประกอบด้วยการประกอบที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ การสนับสนุนการสอบเทียบ และบรรจุภัณฑ์ที่มีการป้องกัน ความสามารถเฉพาะด้านได้แก่:

• หลายชั้นพร้อมระนาบ: ระนาบกราวด์อนาล็อกและดิจิทัลที่สะอาด โดยทั่วไปจำนวนชั้นจะอยู่ที่ 4-8 สำหรับแผงวงจรเซ็นเซอร์
• การประกอบชิ้นส่วนอนาล็อก: การจัดวางและการตรวจสอบต้องรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณอนาล็อก ทำความสะอาดในจุดที่จำเป็นเพื่อป้องกันการรั่วไหล
• การสนับสนุนการสอบเทียบ: การสอบเทียบต่อหน่วยระหว่างการผลิต จำเป็นต้องมีขั้นตอนการสอบเทียบและเอกสารอ้างอิงที่ลูกค้าจัดหาให้
• ทดสอบด้วยการกระตุ้นจากเซ็นเซอร์: การทดสอบการทำงานโดยใช้สัญญาณเซ็นเซอร์อ้างอิงหรืออินพุตจำลอง
• ชุดประกอบที่มีฉนวนหุ้ม: แผ่นป้องกันในตัว สายเคเบิลหุ้มฉนวน และการป้องกันระดับตัวเครื่อง สำหรับการใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงที่สุด
• เอกสาร: ข้อมูลการสอบเทียบต่อหน่วยและบันทึกการทดสอบที่สนับสนุนการตรวจสอบย้อนกลับของเซ็นเซอร์

การทดสอบ การตรวจสอบย้อนกลับ และการส่งมอบงานสร้าง

กระบวนการผลิตแผงวงจรเซ็นเซอร์ของ Highleap ประกอบด้วยระเบียบวินัยเฉพาะที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อนาล็อกที่มีความแม่นยำสูง เช่น ความสะอาดในการประกอบที่ป้องกันการรั่วไหลในอินพุตที่มีความต้านทานสูง การควบคุมอุณหภูมิที่ช่วยรักษาพารามิเตอร์ของส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อน และการตรวจสอบที่ตรวจจับปัญหาที่อาจส่งผลกระทบต่อคุณภาพการวัด

การผลิตแผงวงจรเซ็นเซอร์ที่ดีนั้นยังต้องอาศัยความเข้าใจในเทคโนโลยีเซ็นเซอร์เฉพาะอย่างให้ดีพอที่จะรักษาประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ตลอดกระบวนการประกอบ เซ็นเซอร์ MEMS ที่ไวต่อแรงกดทางกลต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษในระหว่างการวางและการหลอม เซ็นเซอร์ขยายสัญญาณแบบ MOSFET ที่ไวต่อการรั่วไหลต้องได้รับการควบคุมความสะอาดอย่างเข้มงวด และอุปกรณ์อ้างอิงความแม่นยำสูงที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันต้องได้รับการควบคุมการระบายความร้อนอย่างเหมาะสม

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เซ็นเซอร์หุ่นยนต์

การประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์หุ่นยนต์คืออะไร?

แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์หุ่นยนต์ คือแผงวงจรที่ทำหน้าที่ปรับสภาพ แปลงสัญญาณเป็นดิจิทัล ปรับเทียบ และสื่อสารสัญญาณการวัดจากเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์ อาจรองรับอินพุตแบบอนาล็อก เช่น เกจวัดความเครียดและเทอร์โมคัปเปิล เซ็นเซอร์ดิจิทัล เช่น IMU หรือช่องสัญญาณเซ็นเซอร์แบบผสม เป้าหมายคือการได้ข้อมูลที่เสถียร มีสัญญาณรบกวนต่ำ และสามารถทำซ้ำได้ เพื่อใช้ในการควบคุม การรับรู้ ความปลอดภัย และการวินิจฉัยปัญหา

เซ็นเซอร์ชนิดใดบ้างที่มักต้องใช้แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์โดยเฉพาะ?

แผงวงจรเฉพาะมักใช้สำหรับเซ็นเซอร์วัดแรงและแรงบิด ตัวเข้ารหัสความแม่นยำสูง เซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้า หน่วยวัดความแปรปรวนของแสง (IMU) ที่ติดตั้งแยกจากตัวควบคุมหลัก ชุดเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ เซ็นเซอร์วัดความดัน และโมดูลวัดแบบกำหนดเอง แผงวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับเซ็นเซอร์แยกต่างหากมีประโยชน์เมื่อตำแหน่งของเซ็นเซอร์ งบประมาณด้านสัญญาณรบกวน รูปแบบการเชื่อมต่อ กระบวนการสอบเทียบ หรือการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมแตกต่างจากแผงวงจรควบคุมหลัก

ลดสัญญาณรบกวนบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของเซ็นเซอร์หุ่นยนต์ได้อย่างไร?

ลดสัญญาณรบกวนได้ด้วยการใช้เส้นทางอนาล็อกที่สั้น การต่อสายดินที่เหมาะสม แอมพลิฟายเออร์ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ การกำหนดเส้นทางแบบดิฟเฟอเรนเชียล การกรอง การป้องกัน การใช้แหล่งจ่ายอ้างอิงที่สะอาด และการแยกทางกายภาพออกจากเส้นทางการสวิตช์ของมอเตอร์ วิธีการที่แน่นอนขึ้นอยู่กับระดับสัญญาณและแบนด์วิดธ์ เซ็นเซอร์แบบบริดจ์ระดับไมโครโวลต์ต้องการการจัดวางและการกรองที่เข้มงวดกว่า IMU ดิจิทัลที่ใช้ SPI มาก

เหตุใดการสอบเทียบต่อหน่วยจึงมีความสำคัญสำหรับบอร์ดเซ็นเซอร์?

การสอบเทียบต่อหน่วยจะแก้ไขค่าออฟเซ็ต ค่าเกน ความไม่เป็นเชิงเส้น และบางครั้งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่เกิดจากความคลาดเคลื่อนของเซ็นเซอร์ ความคลาดเคลื่อนของส่วนประกอบอนาล็อก และความแปรผันในการประกอบ หากไม่มีการสอบเทียบ บอร์ดสองบอร์ดที่สร้างจากแบบเดียวกันอาจให้ค่าที่อ่านได้แตกต่างกัน ข้อมูลการสอบเทียบจะช่วยให้ตัวควบคุมหุ่นยนต์วัดค่าได้สม่ำเสมอในทุกหน่วยและในทุกชุดการผลิต

ADC ประเภทใดเหมาะสมที่สุดสำหรับการวัดค่าจากเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์?

ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ที่ดีที่สุดนั้นขึ้นอยู่กับความเร็ว ความละเอียด และข้อกำหนดด้านสัญญาณรบกวน ADC แบบซิกมา-เดลต้าเหมาะสำหรับการวัดที่มีความละเอียดสูงและแบนด์วิดท์ต่ำ เช่น แรงและอุณหภูมิ ADC แบบ SAR เหมาะสำหรับการวัดในวงจรควบคุมที่รวดเร็ว ADC แบบรวมเซ็นเซอร์นั้นใช้งานได้จริงสำหรับเซ็นเซอร์ดิจิทัลขนาดกะทัดรัด ควรเลือก ADC โดยพิจารณาจากแบนด์วิดท์การวัดและความแม่นยำที่ต้องการ

อินเทอร์เฟซการสื่อสารใดบ้างที่พบได้ทั่วไปในบอร์ดเซ็นเซอร์ของหุ่นยนต์?

อินเทอร์เฟซที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ SPI และ I²C สำหรับเซ็นเซอร์ดิจิทัลในพื้นที่, CAN หรือ CAN FD สำหรับโมดูลแบบกระจายที่มีความทนทานสูง, RS-485 สำหรับสายเคเบิลที่ยาวกว่า และ Ethernet หรือ EtherCAT สำหรับเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่มีแบนด์วิดท์สูงหรือแบบกำหนดได้ การเลือกอินเทอร์เฟซควรเหมาะสมกับความยาวของสายเคเบิล อัตราการอัปเดต สภาพแวดล้อม EMC และว่าข้อมูลเซ็นเซอร์นั้นมีความสำคัญต่อความปลอดภัยหรือไม่

ควรทดสอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เซ็นเซอร์หุ่นยนต์ในขั้นตอนการผลิตอย่างไร?

การทดสอบการผลิตควรตรวจสอบรางจ่ายไฟ การสื่อสาร ความต่อเนื่องของช่องสัญญาณเซ็นเซอร์ ระดับสัญญาณรบกวนแบบอนาล็อก การจัดเก็บข้อมูลการสอบเทียบ และการตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นที่ทราบค่าเมื่อทำได้ แผงวงจรที่มีความแม่นยำสูงควรเก็บรักษาบันทึกการสอบเทียบและการทดสอบตามหมายเลขซีเรียล สำหรับเซ็นเซอร์ที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย การครอบคลุมการทดสอบควรตรวจสอบการตรวจจับข้อผิดพลาดและพฤติกรรมการทำงานผิดพลาดที่กำหนดไว้ด้วย

ต้องใช้ไฟล์อะไรบ้างในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCBA) สำหรับเซ็นเซอร์ที่ได้รับการสอบเทียบแล้ว?

โดยปกติแล้ว แพ็กเกจที่สมบูรณ์จะประกอบด้วยไฟล์ Gerber หรือ ODB++, ไฟล์เจาะรู, บันทึกการจัดเรียงชิ้นงาน, รายการวัสดุ (BOM) พร้อมตัวเลือกที่ได้รับอนุมัติ, ข้อมูลการหยิบและวาง, แบบร่างการประกอบ, ขั้นตอนการสอบเทียบ, ขีดจำกัดการทดสอบ, เฟิร์มแวร์หรือคำแนะนำการเขียนโปรแกรม และข้อกำหนดของตัวเชื่อมต่อหรืออุปกรณ์จับยึด ควรจัดเตรียมเอกสารอ้างอิงการสอบเทียบและขีดจำกัดความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ก่อนการสร้างชิ้นงานตัวอย่างชิ้นแรก

ส่งไฟล์ PCB เซ็นเซอร์หุ่นยนต์เพื่อตรวจสอบโดย DFM และการสอบเทียบ