اصول طراحی ابزار به عنوان ابزارهای کلیدی برای به دست آوردن و تجزیه و تحلیل اطلاعات فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی در مورد دنیای عینی، دانش را از چندین رشته از جمله فناوری سنجش، پردازش سیگنال، ارائه داده ها و کنترل سیستم یکپارچه می کند. هدف این است که پدیده هایی را که شناسایی مستقیم آنها دشوار است به داده های دقیق، کمی و قابل تحلیل تبدیل کند. در صنعت مدرن، تحقیقات علمی و مدیریت عمومی، طراحی ابزار نه تنها دقت اندازه گیری و سرعت پاسخ را دنبال می کند، بلکه بر سازگاری محیطی، پایداری بلندمدت- و ادغام عملکردهای هوشمند نیز تأکید دارد. اصول ذاتی آن حلقه اصلی در زنجیره ادراک و شناخت را تشکیل می دهد.
نقطه شروع طراحی در ایجاد اصل سنجش نهفته است، یعنی تبدیل پارامتر اندازه گیری شده به سیگنال قابل انتقال از طریق یک سنسور. انتخاب سنسور به ویژگی های جسم اندازه گیری شده بستگی دارد. اصول رایج شامل اثر کرنش مقاومتی، اثر ترموالکتریک، اثر پیزورزیستیو، اثر فوتوالکتریک، القای الکترومغناطیسی و واکنش جذب شیمیایی است. به عنوان مثال، ترموکوپل ها از اختلاف دما بین اتصالات دو فلز مختلف برای تولید پتانسیل ترموالکتریک استفاده می کنند و به سنجش دما پیوسته دست می یابند. حسگرهای خازنی سطح یا فشار مایع را از طریق تغییر در فاصله بین الکترودها یا ثابت دی الکتریک منعکس می کنند. و غلظت خروجی حسگرهای الکتروشیمیایی سیگنالهای الکتریکی مرتبط{3} را از طریق واکنش ردوکس یونهای خاص با الکترودها ایجاد میکنند. طراحی مرحله سنجش باید حساسیت، محدوده خطی، زمان پاسخ و قابلیت ضد تداخل را متعادل کند تا از صحت و قابلیت استفاده سیگنال اصلی اطمینان حاصل شود.
سپس مرحله تهویه و تبدیل سیگنال می آید که خروجی سنسور ضعیف یا مخدوش را به اطلاعات استاندارد و قابل استفاده تبدیل می کند. این طرح اغلب شامل تقویت قبل از-فیلتر نویز، جبران دما، تصحیح غیرخطی و تبدیل آنالوگ به-دیجیتال (A/D) یا دیجیتال{4}}به-تبدیل آنالوگ (D/A) میشود. مدار تقویت باید با امپدانس خروجی سنسور و الزامات ورودی مدارهای بعدی مطابقت داشته باشد. مرحله فیلتر کردن از ویژگی های حوزه فرکانس برای حذف تداخل فرکانس توان، نویز فرکانس بالا و اختلالات تصادفی استفاده می کند و از خلوص سیگنال اطمینان حاصل می کند. جبران دما از ترمیستورها یا الگوریتمهای نرمافزاری برای تصحیح تأثیر تغییرات دمای محیط بر اندازهگیری استفاده میکند، در حالی که تصحیح غیرخطی خطی بودن رابطه ورودی{10}}خروجی را از طریق مدارهای سختافزاری یا مدلهای ریاضی بهبود میبخشد و در نتیجه دقت اندازهگیری را در کل محدوده بهبود میبخشد.
در مرحله پردازش و نمایش داده ها، اصل طراحی در سازماندهی و ارائه اطلاعات منعکس می شود. معرفی ریزپردازندهها یا سیستمهای تعبیهشده، ابزارهای مدرن را قادر میسازد تا به محاسبه زمان واقعی، تجزیه و تحلیل آماری، ذخیرهسازی دادهها و همجوشی چند کاناله- دست یابند. واحد نمایش از میان لوله های دیجیتال، صفحه نمایش LCD، صفحه نمایش لمسی یا رابط های گرافیکی بر اساس سناریوی کاربردی انتخاب می کند و به طور مستقیم نتایج اندازه گیری را به صورت عددی، منحنی یا گرافیکی بیان می کند. برای سیستم هایی که نیاز به تعامل از راه دور دارند، یک پشته پروتکل ارتباطی در طراحی تعبیه شده است تا به تبادل داده با یک کامپیوتر میزبان یا پلت فرم ابری دست یابد، که پایه ای برای نظارت متمرکز و پشتیبانی تصمیم فراهم می کند.
طراحی پایداری و قابلیت اطمینان سیستم در معماری کلی نفوذ می کند. این شامل مدیریت معقول انرژی، طراحی سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، پیکربندی افزونگی، و مکانیسمهای تشخیص خود خطا است. بخش منبع تغذیه باید از تنظیم ولتاژ، جداسازی و سرکوب گذرا اطمینان حاصل کند تا از تأثیر نوسانات شبکه برق خارجی بر دقت اندازه گیری جلوگیری شود. طراحی EMC از محافظ، زمین و فیلتر برای سرکوب تداخل هدایت شده و تشعشعی استفاده می کند و از عملکرد طبیعی دستگاه در محیط های پیچیده الکترومغناطیسی اطمینان می دهد. افزونگی و تشخیص خود{3} میتواند هشدارهایی صادر کند یا در صورت خرابی مؤلفههای مهم به کانالهای پشتیبان تبدیل شود و در دسترس بودن سیستم را بهبود بخشد.
طراحی ابزار مدرن همچنین دارای مفاهیم هوشمند و مدولار است. هوش در الگوریتمهای ساخته شده- که میتوانند تغییر دامنه خودکار، استخراج ویژگی، و پیشبینی روند را انجام دهند، آشکار میشود و ابزار را از اندازهگیری غیرفعال به تحلیل فعال گسترش میدهد. ماژولار بودن، از طریق رابط های استاندارد و واحدهای عملکردی قابل تعویض، پیکربندی تعریف شده توسط کاربر و ارتقاءهای آینده را تسهیل می کند و هزینه های نگهداری را کاهش می دهد و طول عمر را افزایش می دهد.
به طور کلی، اصول طراحی ابزار دقیق بر اساس سنجش دقیق، متمرکز بر شرطی سازی قابل اعتماد و پردازش هوشمند، و با هدف ارائه پایدار و تعامل-رویکرد مهندسی سیستماتیک است. درک و بکارگیری این اصول امکان ایجاد ابزارهای اندازهگیری با کارایی بالا و بسیار سازگار تحت نیازهای کاربردی و شرایط فنآوری متنوع را فراهم میآورد و از دادههای محکمی برای تحقیقات علمی و توسعه صنعتی پشتیبانی میکند.
