Auflösungsspezifikationen und Auswirkungen auf die Leistung

TECHNOTE LT05-0010

Allgemeiner Sensor TechNote LT05-0010

Mit diesem Artikel wird auch im Machine Design Magazine veröffentlicht.

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Zusammenfassung

In der TechNote werden die wichtigen Faktoren für die Interpretation der in den meisten Sensordatenblättern enthaltenen Spezifikationen für die Verschiebungsauflösung ausführlich beschrieben - eine häufig falsch interpretierte Zahl.

Einführung

Als Maschinenkonstrukteur oder Ingenieur müssen Sie kontinuierlich Sensoren für die Verwendung in Ihren Konstruktionen angeben. Während Ihrer Suche sehen Sie sich mit einer Reihe von Produktspezifikationen konfrontiert, auf die Sie sich verlassen müssen, um den Sensor mit dem richtigen Preis-Leistungs-Verhältnis auszuwählen. Leider werden nicht alle Spezifikationen des Wegsensors so dargestellt, dass ein direkter Vergleich möglich ist. Auflösung ist eine der am häufigsten missverstandenen und schlecht definierten Leistungsbeschreibungen.

Die Auflösung ist eine wichtige Spezifikation, da Sie ohne ausreichende Auflösung möglicherweise nicht zuverlässig die erforderlichen Messungen durchführen können und ein überdurchschnittlich leistungsfähiger Sensor Ihr Budget belastet. Die Auflösung ist nur im Zusammenhang mit der Systembandbreite, der Anwendung und der vom Sensorhersteller verwendeten Messmethode und Maßeinheit von Bedeutung. Eine einfache „Auflösungsspezifikation“ in einem Datenblatt bietet selten genug Informationen für eine umfassend informierte Sensorauswahl. Wenn Sie diese wichtige Spezifikation verstehen, können Sie sicherer die richtige Wahl für den Wegsensor treffen.

Bei der Sensorauflösung geht es nicht um „Bits“.

Grundsätzlich ist die Auflösung das kleinste Maß, das ein Sensor zuverlässig anzeigen kann. Bevor Sie dies im Detail diskutieren, ist es wichtig zu verstehen, was Auflösung nicht ist. Es ist nicht die niedrigstwertige Ziffer in einer Anzeige oder das niedrigstwertige Bit bei einer Umwandlung zwischen der digitalen und der analogen Welt. Digitale Geräte haben eine Auflösungsspezifikation, die auf dem niedrigstwertigen Bit basiert und bei unzureichender Auflösung die Gesamtauflösung des Sensors weiter verschlechtern kann Die grundlegende Grenze der Auflösung eines Sensors wird in der analogen Welt bestimmt; der Kampf um Höhere Auflösungen im Sensordesign sind in erster Linie ein Kampf gegen elektrisches Rauschen.

Auflösung ist auch keine Genauigkeit. Ein ungenauer Sensor kann eine hohe Auflösung haben, und ein Sensor mit niedriger Auflösung kann in einigen Anwendungen genau sein.

Graph

Abbildung 1.
Elektrisches Rauschen in der Sensorausgangsspannung

Das elektrische Rauschen im Ausgang eines Sensors ist der Hauptfaktor, der die kleinstmögliche Messung begrenzt. Alle elektronischen Komponenten erzeugen kleine zufällige Änderungen der Spannungspotentiale, die sich in der gesamten Schaltung verbinden und bei Betrachtung mit einem Oszilloskop als Rauschband erscheinen (Abb. 1). Elektrisches Rauschen ist ein Faktor in jedem elektronischen System, das versucht, kleine Spannungsänderungen zu erfassen. Beispielsweise verursacht elektrisches Rauschen bei Teleskopen mit CCD-Detektoren eine Bildkörnigkeit. Benutzer können kleine entfernte Objekte nicht sehen, wenn die Objekte dieselbe Größe haben wie die durch Rauschen verursachten Körner. Einige High-Tech-Teleskope verwenden unterkühlte CCDs, da extrem niedrige Temperaturen die zufällige Bewegung von Ladungen im CCD nahezu eliminieren und dadurch das elektrische Rauschen auf nahezu Null reduzieren. Mit wenig Rauschen sind die kleinen Objekte jetzt sichtbar. Für Sie, den Ingenieur, der einen Weg- / Positionssensor spezifiziert, besteht das wesentliche Problem darin, dass Ihre Messung eines Wegs von 1 μm verloren geht, wenn der Sensor 10 μm Rauschen in der Ausgabe aufweist. Es ist wichtig, dass die Auflösung Ihres ausgewählten Sensors erheblich niedriger ist als die kleinste Messung, die Sie erreichen möchten. Die Angaben zur Sensorauflösung können jedoch irreführend sein. Bandbreite, Maßeinheit und andere Informationen müssen in der Auflösungsspezifikation enthalten sein, um die kleinste Messung vorherzusagen, die Sie in Ihrer spezifischen Anwendung durchführen können.

Sensorauflösung und Bandbreite

Sensorauflösung und Bandbreite

Abbildung 2
Rauschen eines Sensors mit 15kHz Bandbreite

Die Bandbreite (Frequenzgang) gibt an, wie Sensoren auf verschiedenen Frequenzen reagieren. Sensoren mit höherer Bandbreite können Bewegungen und Vibrationen mit höherer Frequenz messen. Elektrisches Rauschen ist im Allgemeinen breitbandig, was bedeutet, dass es ein breites Spektrum von Frequenzen enthält. Ein Tiefpassfilter reduziert oder eliminiert hochfrequentes Rauschen und reduziert gleichzeitig die Bandbreite des Sensors.Tiefpassgefilterte Signale weisen weniger Rauschen und damit eine bessere Auflösung auf, jedoch auf Kosten der nutzbaren Bandbreite.Abbildung 2 zeigt das Rauschen eines Sensors mit einer Bandbreite von 15 kHz und Abbildung 3 zeigt denselben Sensorausgang mit einem 100-Hz-Tiefpassfilter. Aufgrund des niedrigeren Rauschpegels könnten Sie mit der Tiefpassfilterung kleinere Verschiebungen sehen, aber Verschiebungen, die bei Frequenzen von 100 Hz oder höher auftreten, nicht genau erkennen. Deshalb Eine Auflösungsspezifikation, abgesehen von einer Bandbreitenspezifikation, ist nicht ganz nützlich. Sie müssen wissen, ob die Auflösungsspezifikation bei der Frequenz gültig ist, bei der Sie Ihre Messung durchführen müssen. Obwohl ein Sensor möglicherweise eine allgemeine Bandbreitenspezifikation von 1 kHz oder höher aufweist, wurde die Auflösung möglicherweise bei 100 Hz oder niedriger angegeben, das Datenblatt gibt dies jedoch möglicherweise nicht eindeutig an. Nehmen Sie nicht an, dass die allgemeine Bandbreitenspezifikation und die Auflösungsspezifikation eines Sensors gleichzeitig erreicht werden können.

Sensorauflösung und Bandbreite

Figure3
Rauschen eines Sensors mit 100Hz Bandbreite

Einige Hersteller bieten zwei Auflösungsspezifikationen an: Statisch und Dynamisch. Die statische Spezifikation gilt nur, wenn der Sensorausgang für niedrige Bandbreiten, manchmal bis zu 1-10 Hz, tiefpassgefiltert ist. Dies ist nur nützlich, wenn Sie den Sensor mit einem Filter für die entsprechende Bandbreite verwenden, um sich langsam bewegende Systeme zu messen. Die dynamische Spezifikation gilt normalerweise für einen ungefilterten Sensor. Dies ist die Auflösung, die Sie erwarten können, wenn Sie den Sensor in dynamischen Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit voller Bandbreite verwenden. Wenn das Datenblatt statische und dynamische Begriffe verwendet, suchen Sie nach einer Notiz, die genau definiert, welche Frequenzen durch statische und dynamische dargestellt werden. Solange Sie keine tatsächlichen Frequenzen haben, werden Sie nicht wissen, ob der Sensor eine gute Wahl für Ihre Anwendung ist. Lion Precision listet die Auflösung bei bestimmten Bandbreiten auf und beseitigt alle Rätselraten.

Wo ist der Filter für niedrige Bandbreitenauflösung?

Einige Hersteller geben Spezifikationen für niedrige Bandbreiten für ihre Sensoren an, aber die Sensoren haben keinen integrierten Filter, um die Ausgabe mit niedriger Bandbreite zu erzeugen. Häufig handelt es sich bei diesen Spezifikationen für niedrige Bandbreite um theoretische Berechnungen. Wenn Sie die Leistung bei geringer Bandbreite wünschen, müssen Sie Ihre eigene Filterung bereitstellen.

Wenn die Sensorauflösung für niedrigere Bandbreiten gemeldet wird, ist es wichtig zu wissen, ob das Gerät tatsächlich über einen solchen Filter verfügt. Wenn der Bandbreitenfilter in den Sensor integriert ist, können Sie sicher sein, dass Sie die angegebene Auflösung erreichen. Wenn der Hersteller zur Erstellung der Spezifikation einen externen Filter verwendet oder einfach eine Zahl berechnet hat, müssen Sie alle Parameter des Filters kennen, nicht nur die Grenzfrequenz. Die Lion Precision-Sensoren verfügen über integrierte Bandbreitenfilter, die sicherstellen, dass die tatsächliche Leistung den Spezifikationen entspricht.

Sensorauflösung Maßeinheiten

Eine Auflösungsspezifikation kann in Volt, Prozent des Skalenendwerts oder Maßeinheiten angegeben werden. Für den Ingenieur, der versucht, Position / Verschiebung zu messen, sind Maßeinheiten wahrscheinlich am sinnvollsten. Eine Maßeinheitsangabe wie Nanometer gibt eindeutig die kleinste Verschiebungsmessung an, die Sie mit dem Sensor zuverlässig durchführen können. Wenn die Angabe in Prozent erfolgt, muss dieser Wert mit der Reichweite des Sensors multipliziert werden, um die kleinstmögliche Wegmessung zu ermitteln. Wenn die Spezifikation als Spannung angegeben wird, muss der Wert mit der Empfindlichkeit des Sensors (Verschiebungseinheiten / Spannungsänderung) multipliziert werden, um die kleinstmögliche Verschiebungsmessung zu bestimmen. Sobald Sie die Auflösung des Sensors in Maßeinheiten kennen, Es ist wichtig, dass Sie feststellen, ob die Spezifikation einen Effektivwert oder einen Peak-to-Peak-Wert darstellt.

Die Unterscheidung zwischen RMS (Root Mean Square) und Peak-to-Peak (manchmal auch als Peak-to-Valley bezeichnet) ist für das Verständnis der absoluten Sensorleistung von entscheidender Bedeutung. Analoge Methoden zum Messen dieser Werte umfassen spezielle Messgeräte und die visuelle Interpretation einer Oszilloskopanzeige. In der digitalisierten Welt werden diese Werte berechnet, indem eine große Anzahl von Abtastwerten der Ausgangsspannung erfasst und die Daten statistisch analysiert werden. 
RMS-Messungen dynamischer elektrischer Signale zeigen die äquivalente Leistung einer Gleichstromquelle an. Es ähnelt einem Durchschnittswert, ist jedoch nicht mit diesem identisch. RMS-Werte können durch analoge Messgeräte bestimmt werden, die die Signalleistung messen und sie einer Gleichspannung gleichsetzen, die dieselbe Leistung erzeugen würde. Bei der Digitalisierung und statistischen Analyse entspricht der Effektivwert der Standardabweichung der erfassten Proben. RMS ist die relevanteste Spezifikation für die Messung von Breitbandvibrationen.

Peak-to-Peak (PP) ist die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Spitzen des Rauschens über einen bestimmten Zeitraum. Abbildung 3 zeigt einen PP-Geräuschpegel von 2.4 mV über eine Sekunde. Wenn das Signal digital erfasst wird, können die Proben analysiert werden, um die maximalen und minimalen Peaks zu ermitteln. Wenn die Proben eine vollkommen normale (Gaußsche) Verteilung erzeugen, kann der PP-Wert auf das Sechsfache der Standardabweichung geschätzt werden. In der Praxis ist dies jedoch selten der Fall. Rauschsignale verhalten sich selten so gut und enthalten normalerweise Störspitzen, die einen tatsächlichen PP-Wert erzeugen, der viel höher als das Sechsfache der Standardabweichung ist. Das bedeutet, dassDie durch den PP-Bereich festgelegten Auflösungswerte müssen mindestens sechsmal höher sein als die Effektivwerte und sind in der Regel erheblich höher. Der PP-Wert von 2.4 mV in Abbildung 3 entspricht 0.29 mV RMS. Der PP-Wert ist in diesem Fall mehr als achtmal höher als der RMS-Wert.
Der PP-Wert ist die am besten geeignete Angabe, wenn Sie versuchen, die momentane Position Ihres Ziels kontinuierlich zu bestimmen. Zu jedem Zeitpunkt kann die Sensorleistung um einen Betrag variieren, der der PP-Auflösungsspezifikation entspricht. Daher kann Ihre Positionsmessung um denselben Betrag variieren.

Datenblätter lesen

Um die Auflösung des von Ihnen in Betracht gezogenen Sensors vollständig zu verstehen, müssen Sie diese Parameter in der Spezifikation eindeutig identifizieren:
• Eine Auflösungsspezifikation (en)
• Bandbreite, bei der die angegebene Auflösung erreicht wird
• Wenn Bandbreitenfilter im Sensor integriert sind
• Maßeinheit und Typ (PP oder RMS) der Auflösungsspezifikation

Die meisten Sensordatenblätter enthalten eine Auflösungsspezifikation, enthalten jedoch möglicherweise nicht alle Informationen, die zum vollständigen Verständnis der tatsächlichen Auflösung in Ihrer Anwendung erforderlich sind. Die Auflösung kann als eine einzige Spezifikation aufgeführt sein, die für alle Bereiche eines bestimmten Modells gilt, oder es können separate Auflösungsspezifikationen für jede Sonden- / Bereichskombination vorhanden sein. Das Datenblatt enthält wahrscheinlich eine Bandbreitenspezifikation für den Sensor, kann jedoch die Bandbreite, bei der die Auflösung spezifiziert wurde, klar auflisten oder nicht. Möglicherweise muss die Auflösungsbandbreite in Fußnoten oder anderen kleinen Schriftzeichen gesucht werden. Wenn die Bandbreite nicht aufgeführt ist, müssen Sie beim Hersteller überprüfen, ob die Auflösungsspezifikation für die gesamte Bandbreite des Systems gilt. Wenn Auflösungsinformationen für mehrere Bandbreiten verfügbar sind, kann es schwierig sein, festzustellen, ob die Bandbreitenfilter im Sensor integriert sind. Wenn der Sensor als in Konfigurationen mit mehreren Bandbreiten verfügbar aufgeführt ist, sind die Filter wahrscheinlich integriert und die Auflösungsspezifikation gilt für den Sensor, den Sie erhalten. Wenn nicht erwähnt wird, dass der Sensor bei verschiedenen Bandbreiten konfiguriert werden kann, müssen Sie den Hersteller fragen, wie die anderen Bandbreiten erreicht wurden, als die Auflösung angegeben wurde.

Da die RMS-Auflösungsspezifikationen immer erheblich niedriger als die von PP sind, wird in den meisten Datenblättern die Auflösung als RMS-Wert aufgeführt. Wenn Sie eine kontinuierliche Momentanposition messen, müssen Sie die PP-Auflösung kennen. Das Datenblatt kann sowohl RMS- als auch PP-Werte oder einen Multiplikator zur Umrechnung des RMS-Werts in PP enthalten. Wenn kein PP-Wert oder Multiplikator aufgeführt ist, müssen Sie sich an den Hersteller wenden. inzwischen, Sie können davon ausgehen, dass der PP-Wert mindestens sechsmal höher und in der Regel näher an zehnmal höher liegt.

Ist es eine garantierte "Spezifikation" oder nur "typisch"?

Lesen Sie die Datenblätter sorgfältig durch. Einige „Spezifikationen“ sind nicht garantiert und daher überhaupt keine Spezifikationen. Stattdessen werden diese Werte als "typisch" aufgeführt. Dies bedeutet, dass das System, das Sie erhalten, innerhalb einiger Standardabweichungen vom „typischen“ Gerät liegt. Es besteht eine gute Chance, dass Ihre Auflösung nicht so gut ist wie die Auflistung im Datenblatt.

Echte „Spezifikationen“ sind garantierte Werte. Dies bedeutet, dass das System, das Sie erhalten, wahrscheinlich eine etwas bessere Auflösung als die Spezifikation hat. Sind LIon Präzisionsauflösungsspezifikationen garantiert?

Sparen Sie sich Kopfschmerzen

Als Ingenieur mussten Sie feststellen, dass einige Komponenten Ihres Systems in der Mitte des Prozesses nicht die erwartete Leistung erbringen. Wenn Sie die Sensorauflösung, die Beziehung zur Bandbreite, die verschiedenen Maßeinheiten und deren Auflistung in Datenblättern verstehen, können Sie jetzt sicherere Entscheidungen über Ihre Wegsensoren treffen.

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