測定分解能とその性能への影響

テクノートLT05-0010

一般センサーTechNote LT05-0010

この 記事 Machine Design Magazineにも掲載されています。

著作権©2014 Lion Precision。 www.lionprecision.com

サマリー

TechNoteは、ほとんどのセンサーデータシートに見られる変位分解能仕様の解釈における重要な要素(しばしば誤解される数値)を詳細に説明しています。

賃貸システムの概要

機械設計者またはエンジニアとして、設計で使用するセンサーを継続的に指定する必要があります。 検索中に、適切なコストパフォーマンス比を持つセンサーを選択するために頼らなければならない製品仕様の配列に直面します。 残念ながら、すべての変位センサーの仕様が直接比較できるように表示されているわけではありません。 解像度は、パフォーマンスに関して最もよく誤解され、定義が不十分な記述のXNUMXつです。

解像度は重要な仕様です。十分な解像度がないと、必要な測定を確実に行うことができず、過剰な性能のセンサーが予算に負担をかけるためです。 解像度は、システム帯域幅、アプリケーション、センサーの製造元が使用する測定方法と測定単位のコンテキスト内でのみ意味があります。 データシートの単純な「解像度仕様」では、十分な情報に基づいたセンサー選択に十分な情報が提供されることはめったにありません。 この重要な仕様を理解することにより、より確実に正しい変位センサーを選択できるようになります。

センサーの解像度は「ビット」ではありません

基本的に、解像度はセンサーが確実に示すことができる最小の測定値です。 これについて詳しく説明する前に、どの解決策ではないかを理解することが重要です。 これは、ディスプレイの最下位桁でも、デジタルとアナログの世界間の変換の最下位ビットでもありません。 デジタルデバイスには、最下位ビットに基づく解像度仕様があり、不十分な場合、センサー全体の解像度がさらに低下する可能性がありますが、 センサーの解像度の基本的な限界は、アナログの世界で決定されます; の戦い センサー設計の高解像度は、主に電気ノイズとの戦いです.

解像度も正確ではありません。 不正確なセンサーは高解像度になる可能性があり、低解像度センサーは一部のアプリケーションで正確になる場合があります。

グラフ

図1。
センサー出力電圧の電気ノイズ

センサー出力の電気ノイズは、可能な限り最小の測定を制限する主な要因です。 すべての電子部品は、回路全体で結合し、オシロスコープで見たときにノイズの帯として現れる電圧電位の小さなランダムな変化を生成します(図1)。 電気ノイズは、電圧の小さな変化を感知しようとする電子システムの要因です。 たとえば、電気ノイズは、CCD検出器を使用した望遠鏡で画像の粒状性を引き起こします。 オブジェクトがノイズに起因する粒子と同じサイズの場合、ユーザーは小さな遠くのオブジェクトを見ることができません。 いくつかのハイテク望遠鏡は過冷却CCDを使用します。これは、極端に低い温度がCCD内の電荷のランダムな動きをほぼ排除し、電気ノイズをほぼゼロに低減するためです。 ノイズがほとんどないため、小さなオブジェクトが表示されます。 変位/位置センサーを指定するエンジニアにとって、本質的な問題はこれです。センサーの出力に1μmのノイズがあると、10μmの変位の測定値が失われます。 選択したセンサーの解像度が、達成しようとしている最小の測定値よりもかなり低いことが重要ですが、センサー解像度の仕様は誤解を招く可能性があります。 特定のアプリケーションで実行できる最小の測定値を予測するには、帯域幅、測定単位、およびその他の情報を解像度仕様に含める必要があります。

センサーの解像度と帯域幅

センサーの解像度と帯域幅

図2
15kHz帯域幅のセンサーのノイズ

帯域幅(周波数応答)は、センサーが異なる周波数でどのように応答するかを示します。 より高い帯域幅のセンサーは、より高い周波数の動きと振動を測定できます。 電気ノイズは一般に広帯域であるため、幅広い周波数スペクトルが含まれています。 ローパスフィルターは、センサーの帯域幅を削減しながら、高周波ノイズを削減または除去します。ローパスフィルター処理された信号はノイズが少ないため、分解能は向上しますが、使用可能な帯域幅が犠牲になります。図2は、15kHzの帯域幅を備えたセンサーのノイズを示し、図3は、100Hzのローパスフィルターを備えた同じセンサー出力を示しています。 ノイズレベルが低いため、ローパスフィルタリングで小さな変位を見ることができますが、100Hz以上の周波数で発生する変位を正確に検出することはできません。 これが理由です 帯域幅の仕様とは別に解像度の仕様が完全に有用というわけではありません。 分解能の仕様が、測定を行う必要がある周波数で保持されるかどうかを知る必要があります。 センサーの一般的な帯域幅の仕様は1kHz以上ですが、解像度は100Hz以下で指定されている場合がありますが、データシートでは明確に示されていない場合があります。 センサーの一般的な帯域幅仕様と解像度仕様を同時に達成できると想定しないでください。

センサーの解像度と帯域幅

Figure3
100Hz帯域幅のセンサーのノイズ

一部のメーカーは、静的と動的の1つの解像度仕様を提供しています。 静的仕様は、センサー出力が低帯域幅用のローパスフィルター処理されている場合にのみ適用されます。 これは、低速の移動システムを測定するために同等の帯域幅フィルターとセンサーを使用する場合にのみ役立ちます。 動的仕様は通常、フィルター処理されていないセンサー用です。 これは、高速動的アプリケーションで全帯域幅でセンサーを使用するときに期待できる解像度です。 データシートで静的および動的な用語を使用している場合、静的および動的で表される周波数を正確に定義するメモを検索してください。 実際の周波数が得られるまで、センサーが用途に適しているかどうかはわかりません。。 Lion Precisionは、特定の帯域幅での解像度をリストし、推測作業を排除します。

低帯域幅解像度のフィルターはどこにありますか?

一部のメーカーは、センサーの低帯域幅仕様をリストしていますが、センサーには低帯域幅出力を生成するための積分フィルターがありません。 多くの場合、これらの低帯域幅の仕様は理論上の計算です。 低帯域幅のパフォーマンスが必要な場合は、独自のフィルタリングを提供する必要があります。

より低い帯域幅でセンサーの解像度が報告される場合、デバイスに実際にそのようなフィルターがあるかどうかを知ることが重要です。 帯域幅フィルターがセンサーに不可欠な場合、指定した解像度を達成できると確信できます。 製造元が外部フィルターを使用して仕様を生成するか、単に数値を計算する場合、カットオフ周波数だけでなく、フィルターのすべてのパラメーターを知っている必要があります。 Lion Precisionセンサーには、実際のパフォーマンスが仕様と一致することを保証する統合帯域幅フィルターが含まれています。

センサー解像度の測定単位

解像度の仕様は、ボルト、フルスケールのパーセント、または寸法単位で指定できます。 おそらく、位置/変位を測定しようとするエンジニアにとって最も意味のあるものは、寸法単位です。 ナノメートルなどの寸法単位の仕様は、センサーで確実に実行できる最小の変位測定を明確に示します。 仕様がパーセントで指定されている場合、その値にセンサーの範囲を掛けて、最小の変位測定値を決定する必要があります。 仕様が電圧として与えられている場合、可能な最小の変位測定値を決定するために、値にセンサーの感度(変位単位/電圧変化)を掛ける必要があります。 センサーの解像度が次元単位でわかったら、 仕様がRMS値またはPeak-to-Peak値を表すかどうかを決定することが重要です。

RMS(二乗平均平方根)とピークツーピーク(ピークトゥバレーと同等の名前で呼ばれることもある)の違いは、絶対的なセンサー性能を理解する上で非常に重要です。 これらの値を測定するアナログ方式には、特別なメーターとオシロスコープ表示の視覚的解釈が含まれます。 デジタル化された世界では、これらの値は、出力電圧の多数のサンプルをキャプチャし、データを統計的に分析することにより計算されます。 
動的電気信号のRMS測定は、DC電源からの等価電力を示します。 平均値と似ていますが、同じではありません。 RMS値は、信号電力を測定し、それを同じ電力を生成するDC電圧に等しくするアナログメーターによって決定できます。 統計的にデジタル化して分析すると、RMS値はキャプチャされたサンプルの標準偏差に等しくなります。 RMSは、広帯域振動を測定する場合に最も関連する仕様です。

ピークツーピーク(PP)は、一定期間におけるノイズの最大ピークと最小ピークの差です。 図3は、2.4秒間にXNUMXmVのPPノイズレベルを示しています。 信号がデジタルでキャプチャされる場合、サンプルを分析して最大および最小ピークを見つけることができます。 サンプルが完全に正規(ガウス)分布を作成する場合、PP値は標準偏差のXNUMX倍として推定できますが、実際には、これはほとんどありません。 ノイズ信号がそれほどうまく動作することはめったになく、通常、標準偏差のXNUMX倍よりはるかに高い実際のPP値を作成するスプリアスピークが含まれます。 この意味はPP範囲で指定される解像度値は、RMS値より少なくともXNUMX倍大きくなければならず、通常はそれよりもかなり高くなります。 図2.4の3mV PP値は0.29mV RMSに変換されます。 この場合、PP値はRMS値のXNUMX倍以上です。
PP値は、ターゲットの瞬間的な位置を継続的に決定しようとする場合に最も適切な仕様です。 いつでも、センサー出力はPP解像度仕様に等しい量だけ変化します。 したがって、位置の測定値は同じ量だけ変動する可能性があります。

データシートを読む

検討しているセンサーの解像度を完全に理解するには、仕様でこれらのパラメーターを最終的に特定する必要があります。
•解像度の仕様
•指定された解像度が取得される帯域幅
•帯域幅フィルターがセンサーに不可欠な場合
•解像度仕様の単位とタイプ(PPまたはRMS)

ほとんどのセンサーデータシートには解像度の仕様が記載されていますが、アプリケーションの実際の解像度を完全に理解するために必要なすべての情報が提供されているわけではありません。 解像度は、特定のモデルのすべての範囲に適用される単一の仕様としてリストされるか、プローブ/範囲の組み合わせごとに個別の解像度仕様がある場合があります。 データシートには、センサーの帯域幅仕様が含まれている可能性がありますが、解像度が指定された帯域幅を明確にリストする場合としない場合があります。 脚注やその他の小さな活字で解像度帯域幅を検索する必要がある場合があります。 帯域幅がリストされていない場合は、システムの全帯域幅で解像度の仕様が適用されることを製造元に確認する必要があります。 解像度情報が複数の帯域幅で利用可能な場合、帯域幅フィルターがセンサーに不可欠であるかどうかを判断することは困難です。 センサーが複数の帯域幅構成で使用可能としてリストされている場合、フィルターは不可欠である可能性が高く、解像度の仕様は受信するセンサーに適用されます。 異なる帯域幅で設定されるセンサーの容量について言及されていない場合は、解像度を指定したときに他の帯域幅がどのように達成されたかをメーカーに問い合わせる必要があります。

RMS解像度の仕様は常にPPよりも大幅に低いため、ほとんどのデータシートには解像度がRMS値として記載されています。 連続的な瞬時位置を測定している場合、PP解像度を知る必要があります。 データシートには、RMS値とPP値の両方、またはRMS値をPPに変換する乗数がリストされている場合があります。 PP値または乗数がリストされていない場合は、製造元に連絡する必要があります。 その間、 PP値は少なくともXNUMX倍高く、通常はXNUMX倍近いと仮定できます。.

それは保証された「仕様」ですか、それとも単に「典型的」ですか?

データシートを注意深く読んでください。 一部の「仕様」は保証されていないため、仕様ではありません。 代わりに、これらの値は「標準」としてリストされます。 これは、受け取るシステムが「一般的な」デバイスの標準偏差の範囲内にあることを意味します。 解像度がデータシートのリストほど良くない可能性があります。

真の「仕様」は保証された値です。 これは、受け取るシステムの解像度が仕様よりもわずかに優れている可能性があることを意味します。 LIonPrecisionの解像度仕様は保証されていますか。

頭痛を防ぐ

エンジニアとして、システムの一部のコンポーネントが期待どおりに動作しない中間プロセスを発見する苦痛を経験しました。 センサーの解像度、帯域幅との関係、さまざまな測定単位、およびそれらがデータシートにどのように記載されているかを理解することで、変位センサーについてより自信を持って決定できるようになりました。

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