Specifiche di risoluzione ed effetti sulle prestazioni

TECHNOTE LT05-0010

TechNote sensore generale LT05-0010

Questa articolo è anche pubblicato su Machine Design Magazine.

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sommario

La nota tecnica descrive in dettaglio i fattori importanti nell'interpretazione delle specifiche di risoluzione dello spostamento presenti nella maggior parte delle schede tecniche dei sensori, un numero spesso interpretato male.

Introduzione

Come progettista o ingegnere di macchine, è necessario specificare continuamente i sensori da utilizzare nei progetti. Durante la tua ricerca, ti trovi di fronte a una serie di specifiche di prodotto sulle quali devi fare affidamento per selezionare il sensore con il giusto rapporto costi-prestazioni. Sfortunatamente, non tutte le specifiche del sensore di spostamento sono presentate in modo da consentire un confronto diretto. La risoluzione è una delle descrizioni delle prestazioni più spesso fraintese e mal definite.

La risoluzione è una specifica importante perché senza una risoluzione sufficiente potresti non essere in grado di effettuare in modo affidabile le misurazioni necessarie e un sensore con prestazioni eccessive graverà sul budget. La risoluzione è significativa solo nel contesto della larghezza di banda del sistema, dell'applicazione, del metodo di misurazione e dell'unità di misura utilizzati dal produttore del sensore. Una semplice "specifica di risoluzione" in un foglio dati raramente fornisce informazioni sufficienti per una selezione del sensore pienamente informata. La comprensione di questa importante specifica ti consentirà di fare con più sicurezza la scelta del sensore di spostamento giusto.

La risoluzione del sensore non riguarda i "bit"

In sostanza, la risoluzione è la misura più piccola che un sensore possa indicare in modo affidabile. Prima di discuterne in dettaglio, è importante capire quale risoluzione non è; non è la cifra meno significativa in un display o il bit meno significativo in una conversione tra il mondo digitale e quello analogico. I dispositivi digitali hanno una specifica di risoluzione basata sul bit meno significativo e, se insufficiente, possono ulteriormente degradare la risoluzione complessiva del sensore, ma il il limite fondamentale della risoluzione di un sensore è determinato nel mondo analogico; la battaglia per risoluzioni più elevate nella progettazione dei sensori sono principalmente una lotta contro il rumore elettrico.

Anche la risoluzione non è precisione. Un sensore impreciso potrebbe avere un'alta risoluzione e un sensore a bassa risoluzione potrebbe essere preciso in alcune applicazioni.

Grafico

Immagine 1.
Disturbo elettrico nella tensione di uscita del sensore

Il rumore elettrico nell'uscita di un sensore è il fattore principale che limita la sua misura più piccola possibile. Tutti i componenti elettronici producono piccole variazioni casuali nei potenziali di tensione che si combinano in tutto il circuito e appaiono come una banda di rumore se visti con un oscilloscopio (Fig. 1). Il rumore elettrico è un fattore in qualsiasi sistema elettronico che cerca di rilevare piccoli cambiamenti di tensione. Ad esempio, il rumore elettrico causa granulosità dell'immagine nei telescopi utilizzando i rivelatori CCD. Gli utenti non possono vedere piccoli oggetti distanti se gli oggetti hanno le stesse dimensioni dei grani indotti dal rumore. Alcuni telescopi ad alta tecnologia utilizzano CCD super raffreddati perché le temperature estremamente basse eliminano quasi il movimento casuale delle cariche nel CCD, riducendo così il rumore elettrico quasi a zero. Con poco rumore, i piccoli oggetti sono ora visibili. Per te, l'ingegnere che specifica un sensore di spostamento / posizione, il problema essenziale è questo: la tua misurazione di uno spostamento di 1 µm andrà persa se il sensore ha 10 µm di rumore in uscita. È fondamentale che la risoluzione del sensore selezionato sia notevolmente inferiore alla misurazione più piccola che si sta tentando di ottenere, ma le specifiche di risoluzione del sensore possono essere fuorvianti. La larghezza di banda, l'unità di misura e altre informazioni devono essere incluse nelle specifiche di risoluzione per prevedere la misura più piccola che sarà possibile effettuare nella propria specifica applicazione.

Risoluzione del sensore e larghezza di banda

Risoluzione del sensore e larghezza di banda

Figura 2
Rumore di un sensore con larghezza di banda di 15 kHz

La larghezza di banda (risposta in frequenza) indica come i sensori rispondono a frequenze diverse. I sensori con larghezza di banda più elevata possono misurare il movimento e le vibrazioni a frequenza più elevata. Il rumore elettrico è generalmente a banda larga, il che significa che contiene un ampio spettro di frequenze. Un filtro passa-basso ridurrà o eliminerà il rumore ad alta frequenza, riducendo al contempo la larghezza di banda del sensore.I segnali filtrati passa-basso hanno meno rumore e quindi una migliore risoluzione ma a scapito della larghezza di banda utilizzabile.La Figura 2 mostra il rumore di un sensore con una larghezza di banda di 15 kHz e la Figura 3 mostra la stessa uscita del sensore con un filtro passa basso da 100 Hz. A causa del livello di rumore più basso, si sarebbero in grado di vedere piccoli spostamenti con il filtro passa-basso, ma non si sarebbe in grado di rilevare con precisione gli spostamenti che si verificano a frequenze a 100Hz o superiori. Ecco perché una specifica di risoluzione oltre a una specifica di larghezza di banda non è del tutto utile. È necessario sapere se le specifiche di risoluzione manterranno la frequenza alla quale è necessario effettuare la misurazione. Anche se un sensore può avere una specifica di larghezza di banda generale di 1kHz o superiore, la risoluzione potrebbe essere stata specificata a 100Hz o inferiore, ma il foglio dati potrebbe non indicarlo chiaramente. Non dare per scontato che le specifiche generali di larghezza di banda di un sensore e le specifiche di risoluzione possano essere raggiunte contemporaneamente.

Risoluzione del sensore e larghezza di banda

Figure3
Rumore di un sensore con larghezza di banda di 100Hz

Alcuni produttori forniscono due specifiche di risoluzione: statica e dinamica. Le specifiche statiche si applicano solo quando l'uscita del sensore è filtrata passa-basso per una larghezza di banda ridotta, a volte fino a 1-10Hz. Ciò è utile solo se si utilizzerà il sensore con un filtro di larghezza di banda equivalente per misurare i sistemi a movimento lento. Le specifiche dinamiche sono in genere per un sensore non filtrato; questa è la risoluzione che ci si può aspettare quando si utilizza il sensore a tutta la larghezza di banda in applicazioni dinamiche ad alta velocità. Se la scheda tecnica utilizza termini statici e dinamici, cerca una nota che definisce esattamente quali frequenze sono rappresentate da statico e dinamico. Fino a quando non si hanno frequenze effettive, non si saprà se il sensore è una buona scelta per la propria applicazione. Lion Precision elenca la risoluzione a specifiche larghezze di banda, eliminando qualsiasi ipotesi.

Dov'è il filtro per la risoluzione della larghezza di banda ridotta?

Alcuni produttori elencano le specifiche di larghezza di banda ridotta per i loro sensori, ma i sensori non hanno un filtro integrato per produrre l'uscita a larghezza di banda ridotta. Spesso, queste specifiche a bassa larghezza di banda sono calcoli teorici. Se si desidera la preformance a bassa larghezza di banda, è necessario fornire il proprio filtro.

Quando viene segnalata la risoluzione del sensore per larghezze di banda inferiori, è fondamentale sapere se il dispositivo dispone effettivamente di tale filtro. Se il filtro della larghezza di banda è parte integrante del sensore, puoi essere certo che otterrai la risoluzione specificata. Se il produttore ha utilizzato un filtro esterno per generare la specifica o ha semplicemente calcolato un numero, è necessario conoscere tutti i parametri del filtro, non solo la frequenza di taglio. I sensori Lion Precision includono filtri di larghezza di banda integrati che garantiscono che le prestazioni effettive corrispondano alle specifiche.

Unità di misura della risoluzione del sensore

È possibile fornire una specifica di risoluzione in volt, percentuale del fondo scala o unità dimensionali. Forse il più significativo per l'ingegnere che cerca di misurare posizione / spostamento sono le unità dimensionali. Una specifica di unità dimensionale, come i nanometri, indicherà chiaramente la misura di spostamento più piccola che è possibile effettuare in modo affidabile con il sensore. Se la specifica è espressa in percentuale, tale valore deve essere moltiplicato per l'intervallo del sensore per determinare la misura di spostamento più piccola possibile. Se la specifica viene fornita come tensione, il valore dovrà essere moltiplicato per la sensibilità del sensore (unità di spostamento / variazione di tensione) per determinare la misura di spostamento più piccola possibile. Una volta che conosci la risoluzione del sensore in unità dimensionali, è fondamentale determinare se la specifica rappresenta un valore RMS o picco-picco.

La distinzione tra RMS (radice media quadrata) e Peak-to-Peak (a volte chiamato con il nome equivalente Peak-to-Valley) è di fondamentale importanza per comprendere le prestazioni assolute del sensore. I metodi analogici per misurare questi valori includono misuratori speciali e interpretazione visiva di un display dell'oscilloscopio. Nel mondo digitalizzato, questi valori vengono calcolati catturando un gran numero di campioni della tensione di uscita e analizzando i dati statisticamente. 
Le misurazioni RMS di segnali elettrici dinamici indicano la potenza equivalente di una sorgente CC. È simile, ma non uguale a, un valore medio. I valori RMS possono essere determinati da misuratori analogici che misurano la potenza del segnale e la equiparano a una tensione CC che produrrebbe la stessa potenza. Quando digitalizzato e analizzato statisticamente, il valore RMS è uguale alla deviazione standard dei campioni catturati. RMS è la specifica più rilevante quando si misura la vibrazione della banda larga.

Peak-to-Peak (PP) è la differenza tra i picchi massimo e minimo del rumore per un certo periodo di tempo. La Figura 3 mostra un livello di rumore in PP di 2.4 mV in un secondo. Se il segnale viene acquisito digitalmente, i campioni possono essere analizzati per trovare i picchi massimo e minimo. Se i campioni creano una distribuzione perfettamente normale (gaussiana), il valore di PP può essere stimato come sei volte la deviazione standard, ma in pratica, raramente è così. I segnali di rumore sono raramente così ben educati e di solito contengono picchi spuri che creano un valore PP effettivo molto superiore a sei volte la deviazione standard. Ciò significa chei valori di risoluzione specificati dal loro intervallo PP devono essere almeno sei volte maggiori dei valori RMS e di solito sono considerevolmente più alti di così. Il valore PP di 2.4 mV nella Figura 3 si traduce in 0.29 mV RMS; il valore PP è più di otto volte superiore al valore RMS in questo caso.
Il valore PP è la specifica più appropriata se stai cercando di determinare continuamente la posizione istantanea del tuo target. In qualsiasi momento, l'uscita del sensore può variare di un importo pari alla specifica di risoluzione PP; pertanto, la misurazione della posizione può variare di quello stesso importo.

Lettura di schede tecniche

Per comprendere appieno la risoluzione del sensore che si sta prendendo in considerazione, è necessario identificare definitivamente questi parametri nelle specifiche:
• Specifiche di risoluzione
• Larghezza di banda alla quale si ottiene la risoluzione dichiarata
• Se i filtri della larghezza di banda sono parte integrante del sensore
• Unità e tipo (PP o RMS) di misura della specifica di risoluzione

La maggior parte dei fogli dati del sensore elenca una specifica di risoluzione, ma potrebbe non fornire tutte le informazioni necessarie per comprendere appieno la risoluzione effettiva che si avrà nella propria applicazione. La risoluzione può essere elencata come una singola specifica che si applica a tutti gli intervalli per un determinato modello, oppure possono esserci specifiche di risoluzione separate per ciascuna combinazione sonda / intervallo. La scheda tecnica includerà probabilmente una specifica di larghezza di banda per il sensore, ma può elencare o meno chiaramente la larghezza di banda alla quale è stata specificata la risoluzione; è possibile che la larghezza di banda della risoluzione debba essere cercata nelle note a piè di pagina o in altri caratteri piccoli. Se la larghezza di banda non è elencata, sarà necessario verificare con il produttore che le specifiche di risoluzione si applicano a tutta la larghezza di banda del sistema. Se le informazioni sulla risoluzione sono disponibili su più larghezze di banda, potrebbe essere difficile determinare se i filtri di larghezza di banda sono parte integrante del sensore. Se il sensore è elencato come disponibile in più configurazioni di larghezza di banda, è probabile che i filtri siano integrali e le specifiche di risoluzione si applicheranno al sensore che riceverai. Se non si fa menzione della capacità del sensore di essere configurato su diverse larghezze di banda, sarà necessario chiedere al produttore come sono state raggiunte le altre larghezze di banda quando è stata specificata la risoluzione.

Poiché le specifiche di risoluzione RMS sono sempre significativamente inferiori rispetto a PP, la maggior parte dei fogli di dati elencherà la risoluzione come valore RMS. Se stai misurando la posizione istantanea continua, dovrai conoscere la risoluzione PP. Il foglio dati può elencare sia i valori RMS e PP, sia un moltiplicatore per convertire il valore RMS in PP. Se non viene elencato alcun valore o moltiplicatore PP, è necessario contattare il produttore; nel frattempo, puoi presumere che il valore di PP sia almeno sei volte superiore e di solito più vicino a dieci volte superiore.

È una "specifica" garantita o semplicemente "tipica"?

Leggi attentamente i fogli dati. Alcune "specifiche" non sono garantite e quindi non sono affatto specifiche. Invece, questi valori verranno elencati come "tipici". Ciò significa che il sistema ricevuto sarà entro poche deviazioni standard dal dispositivo "tipico"; ci sono buone probabilità che la tua risoluzione non sia all'altezza dell'elenco nella scheda tecnica.

Le vere "specifiche" sono valori garantiti. Ciò significa che il sistema che riceverai avrà probabilmente una risoluzione leggermente migliore rispetto alle specifiche. Le specifiche di risoluzione di LIon Precision sono garantite.

Salva te stesso un mal di testa

Come ingegnere, hai sperimentato il dolore di scoprire a metà processo che alcuni componenti del tuo sistema non funzionano come previsto. Comprendendo la risoluzione del sensore, la sua relazione con la larghezza di banda, le diverse unità di misura e il modo in cui sono elencate nei fogli di dati, è ora possibile prendere decisioni più sicure in merito ai sensori di spostamento.

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