Resolución y Efectos sobre el Rendimiento

TECHNOTE LT05-0010

Sensor General TechNote LT05-0010

Esta historia de  artículo también se publica en la revista Machine Design.

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Resumen

La nota técnica describe en detalle los factores importantes en la interpretación de las especificaciones de resolución de desplazamiento que se encuentran en la mayoría de las hojas de datos del sensor – un número a menudo mal interpretado.

Introducción

Como diseñador o ingeniero de máquinas, deben especificar continuamente sensores para usar en sus diseños. Durante su búsqueda, se enfrenta a una serie de especificaciones de productos en las que debe confiar para seleccionar el sensor con la relación costo-rendimiento correcta. Desafortunadamente, no todas las especificaciones del sensor de desplazamiento se presentan de una manera que permita la comparación directa. La resolución es una de las descripciones de desempeño más mal interpretadas y mal definidas.

La resolución es una especificación importante porque, sin una resolución suficiente es posible que no se pueda realizar la medición necesaria de manera confiable, y un sensor con un rendimiento excesivo afectara su presupuesto. La resolución solo es significante dentro del contexto del ancho de banda del sistema, la aplicación, el método de medición, y la unidad de medida utilizada por el fabricante del sensor. Una simple "especificación de resolución" en una hoja de datos rara vez proporciona suficiente información para una selección de sensor completamente informada. Comprender esta importante especificación le permitirá tomar con más confianza la elección correcta del sensor de desplazamiento.

La Resolución del Sensor no se trata de “Bits”

Esencialmente, la resolución es la medida más pequeña que un sensor puede indicar de manera confiable. Antes de discutir esto en detalle, es importante entender qué resolución no es; el dígito menos significativo en una pantalla o el bit menos significativo en una conversión entre el mundo digital y análogo. Los dispositivos digitales tienen una especificación de resolución basada en el bit menos significativo y si es insuficiente pueden degradar aún más la resolución general del sensor, pero el límite fundamental de la resolución de un sensor se determina en el mundo análogo; la batalla por las resoluciones más altas en el diseño del sensor son principalmente una lucha contra el ruido eléctrico.

La resolución tampoco es precisión. Un sensor inexacto podría tener alta resolución, y un sensor de baja resolución puede ser preciso en algunas aplicaciones.

Gráfico

Figura 1.
Ruido eléctrico en el voltaje de salida del sensor

El ruido eléctrico en la salida de un sensor es el factor principal que limita su medida más pequeña posible. Todos los componentes electrónicos producen pequeños cambios aleatorios en los potenciales de voltaje que se combinan en todo el circuito, y aparecen como una banda de ruido cuando se ven con un osciloscopio (Fig. 1). El ruido eléctrico es un factor en cualquier sistema electrónico que intenta detectar pequeños cambios en el voltaje. Por ejemplo, el ruido eléctrico provoca una imagen granulosa en el telescopio que utilizan detectores CCD. Los usuarios no pueden ver pequeños objetos distantes si los objetos son del mismo tamaño que los granos inducidos por el ruido. Algunos telescopios de alta tecnología utilizan CCD sobre enfriados porque las temperaturas extremadamente bajas casi eliminan el movimiento aleatorio de las cargas en el CCD, lo que reduce el ruido eléctrico a casi cero. Con poco ruido, los objetos pequeños ahora son visibles. Para usted, el ingeniero un sensor que especifica el desplazamiento / posición el problema esencial es el siguiente: la medición de un desplazamiento 1µm se perderá si el sensor tiene un ruido 10µm en la salida. Es fundamental que la resolución de su sensor seleccionado sea considerablemente menor que la medición más pequeña que está tratando de lograr. Las especificaciones de resolución del sensor pueden ser engañosas. El ancho de banda, la unidad de medida, y otra información deben incluirse en la especificación de resolución para predecir la medida más pequeña que podrá realizar en su aplicación específica.

Resolución del Sensor y ancho de Banda

Resolución del Sensor y ancho de Banda

Figura 2
Ruido de un sensor con ancho de banda 15kHz

El ancho de banda (respuesta de frecuencia) indica cómo responden los sensores a diferentes frecuencias. Los sensores con mayor ancho de banda pueden medir movimientos y vibraciones de mayor frecuencia. El ruido eléctrico es generalmente de banda ancha, lo que significa que contiene un amplio espectro de frecuencias. Un filtro de paso que reducirá o eliminará el ruido de alta frecuencia, al reducir el ancho de banda del sensor.Las señales filtradas de paso bajo tienen menos ruido por lo tanto ofrecen una mejor resolución, pero a expensas del ancho de banda utilizable.La Figura 2 muestra el ruido de un sensor con un ancho de banda 15kHz, y la Figura 3 muestra la misma salida del sensor con un filtro de paso bajo 100Hz. Debido al nivel de ruido más bajo, se puede ver desplazamientos más pequeños con el filtrado de paso bajo, pero no podrá detectar con precisión los desplazamientos que se producen a frecuencias de 100Hz o superiores. Esta es la razón por una especificación de resolución aparte de una especificación de ancho de banda no es del todo útil. Debe saber si la especificación de resolución se mantendrá a la frecuencia con la que necesita realizar su medición. Aunque un sensor puede tener una especificación de ancho de banda general de 1kHz o superior, la resolución puede haberse especificado en 100Hz o inferior, pero la hoja de datos puede no indicarlo claramente. No asuma que la especificación de ancho de banda general y la resolución de un sensor se pueden lograr simultáneamente.

Resolución del Sensor y ancho de Banda

Figure3
Ruido de un sensor con ancho de banda 100Hz

Algunos fabricantes proporcionan dos especificaciones de resolución: estática y dinámica. La especificación estática solo se aplica cuando la salida del sensor tiene un filtro de paso bajo para un ancho de banda bajo, a veces tan bajo como 1-10Hz. Esto solo es útil si se va a utilizar el sensor con un filtro de ancho de banda equivalente para medir sistemas de movimiento lento. La especificación dinámica suele ser para un sensor sin filtro; Esta es la resolución que se puede esperar al usar el sensor con ancho de banda completo en aplicaciones dinámicas de alta velocidad. Si la hoja de datos usa términos estáticos y dinámicos, busque la nota que defina exactamente qué frecuencias están representadas por estático y dinámico. Hasta que tenga frecuencias reales, no sabrá si el sensor es una buena opción para su aplicación. Lion Precision numera la resolución en anchos de banda específicos, eliminando cualquier conjetura.

¿Dónde está el filtro para la resolución de bajo ancho de banda?

Algunos fabricantes desglosan las especificaciones del sensor para aquellas maquinas con un ancho de banda bajo, pero los sensores no tienen un filtro integral para producir la salida de ancho de banda baja. A menudo, estas especificaciones de bajo ancho de banda son cálculos teóricos. Si desea un bajo rendimiento de ancho de banda, deberá proporcionar su propio filtrado.

Cuando se informa la resolución del sensor para anchos de banda más bajos, es fundamental que sepa si el dispositivo realmente tiene dicho filtro. Si el filtro de ancho de banda es integral para el sensor, puede estar seguro de que alcanzará la resolución especificada. Si el fabricante utilizó un filtro externo para generar la especificación o simplemente calculó un número, debe conocer todos los parámetros del filtro, no solo la frecuencia de corte. Los sensores Lion Precision incluyen filtros integrales de ancho de banda que aseguran que el rendimiento real coincida con las especificaciones.

Unidades de Medida de Resolución del Sensor

Una especificación de resolución se puede dar en voltios, porcentaje de escala completa o unidades dimensionales. Quizás lo más significativo para el ingeniero que intenta medir la posición / desplazamiento son las unidades dimensionales. Una especificación de unidad dimensional, como nanómetros, indicará claramente la medida de desplazamiento más pequeña que puede realizar de manera confiable con el sensor. Si la especificación se da como un porcentaje, ese valor debe multiplicarse por el rango del sensor para determinar la medida de desplazamiento más pequeña posible. Si la especificación se da como un voltaje, entonces el valor deberá multiplicarse por la sensibilidad del sensor (unidades de desplazamiento / cambio de voltaje) para determinar la medida de desplazamiento más pequeña posible. Una vez que sepa la resolución del sensor en unidades dimensionales, es fundamental que determine si la especificación representa un valor RMS o pico a pico.

La distinción entre RMS (raíz cuadrada media) y Peak-to-Peak (a veces llamado por el nombre Peak-to-Valley) es de vital importancia para comprender el rendimiento absoluto del sensor. Los métodos analógicos para medir estos valores incluyen medidores especiales e interpretación visual de una pantalla de osciloscopio. En el mundo digital, estos valores se calculan capturando una gran cantidad de muestras del voltaje de salida y analizando los datos estadísticamente. 
Las mediciones RMS de señales eléctricas dinámicas indican la potencia equivalente de una fuente de CC. Es similar a un valor promedio, pero no lo mismo. Los valores RMS pueden determinarse mediante medidores análogos que miden la potencia de la señal y la equiparan a un voltaje de CC que produciría la misma potencia. Cuando se digitaliza y analiza estadísticamente, el valor RMS es igual a la desviación estándar de las muestras capturadas. RMS es la especificación más relevante cuando se mide la vibración de banda ancha.

Peak-to-Peak (PP) es la diferencia entre los picos máximos y mínimos del ruido durante un período de tiempo. La figura 3 muestra un nivel de ruido PP de 2.4mV durante un segundo. Si la señal se captura digitalmente, las muestras se pueden analizar para encontrar los picos máximos y los picos mínimos. Si las muestras crean una distribución perfectamente normal (gaussiana), el valor de PP puede estimarse como seis veces la desviación estándar, pero en la práctica este rara vez es el caso. Las señales de ruido rara vez se comportan tan bien y generalmente contienen picos espurios que crean un valor de PP real mucho más alto que seis veces la desviación estándar. Esto significa quelos valores de resolución especificados por su rango PP deben ser al menos seis veces mayores que los valores RMS y generalmente son considerablemente más altos que eso. El valor 2.4mV PP en la Figura 3 se traduce en 0.29mV RMS; El valor PP es más de ocho veces mayor que el valor RMS en este caso.
El valor PP es la especificación más apropiada si está tratando de determinar continuamente la posición instantánea de su objetivo. En cualquier momento, la salida del sensor puede variar en una cantidad igual a la especificación de resolución PP; por lo tanto, su medición de posición puede variar en la misma cantidad.

Leer Hojas de Datos

Para comprender completamente la resolución del sensor que está considerando, debe identificar de manera concluyente estos parámetros en la especificación:
• Una (s) especificación (es) de resolución
• Ancho de banda en el que se obtiene la resolución indicada
• Si algún filtro de ancho de banda es parte integral del sensor
• Unidad y tipo (PP o RMS) de medida de la especificación de resolución

La mayoría de las hojas de datos del sensor enumeran una especificación de resolución, pero es posible que no brinden toda la información requerida para comprender completamente la resolución real que tendrá en su aplicación. La resolución puede aparecer como una especificación única que se aplica a todos los rangos para un modelo en particular, o pueden haber especificaciones de resolución separadas para cada combinación de sonda / rango. La hoja de datos probablemente incluirá una especificación de ancho de banda para el sensor, pero puede enumerar o no claramente el ancho de banda en el que se especificó la resolución; Es posible que deba buscarse el ancho de banda de resolución en las notas al pie u otra letra pequeña. Si el ancho de banda no figura en la lista, deberá verificar con el fabricante que la especificación de resolución se aplica al ancho de banda completo del sistema. Si la información de resolución está disponible en múltiples anchos de banda, puede ser difícil determinar si los filtros de ancho de banda son integrales al sensor. Si el sensor aparece como disponible en múltiples configuraciones de ancho de banda, es probable que los filtros sean integrales y la especificación de resolución se aplicará al sensor que recibirá. Si no se menciona la capacidad del sensor para configurarse en diferentes anchos de banda, deberá preguntar al fabricante cómo se lograron los otros anchos de banda cuando se especificó la resolución.

Debido a que las especificaciones de resolución RMS siempre son significativamente más bajas que PP, la mayoría de las hojas de datos enumerarán la resolución como un valor RMS. Si está midiendo una posición instantánea continua, necesitará conocer la resolución PP. La hoja de datos puede enumerar valores RMS y PP, o un multiplicador para convertir el valor RMS a PP. Si no aparece ningún valor de PP o multiplicador, deberá ponerse en contacto con el fabricante; mientras tanto, puede suponer que el valor de PP es al menos seis veces mayor y generalmente más cercano a diez veces mayor.

¿Es una "Especificación" garantizada o simplemente "Típica"?

Lea las hojas de datos cuidadosamente. Algunas "especificaciones" no están garantizadas por lo tanto no son especificaciones en absoluto. En cambio, estos valores se enumerarán como "típicos". Esto significa que el sistema que reciba estará dentro de algunas desviaciones estándares del dispositivo "típico"; existe una buena posibilidad de que su resolución no sea tan buena como la que figura en la hoja de datos.

Las verdaderas "especificaciones" son valores garantizados. Esto significa que el sistema que reciba probablemente tendrá una resolución ligeramente mejor que la especificación. Las especificaciones de resolución de precisión de Lion están garantizadas.

Ahórrate un dolor de cabeza

Como ingeniero, ha experimentado el dolor de descubrir a mitad del proceso que algunos componentes de su sistema no funcionan como esperaba. Al comprender la resolución del sensor, su relación con el ancho de banda, las diferentes unidades de medida y cómo se enumeran en las hojas de datos, podrá tomar decisiones más confiables sobre sus sensores de desplazamiento.

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