해상도 사양 및 성능에 미치는 영향

기술 LT05-0010

일반 센서 기술 노트 LT05-0010

 기사 Machine Design Magazine에도 게시되어 있습니다.

저작권 © 2014 Lion Precision. www.lionprecision.com

개요

TechNote는 대부분의 센서 데이터 시트에서 종종 잘못 해석되는 숫자 인 변위 분해능 사양 해석에있어 중요한 요소를 자세히 설명합니다.

소개

기계 설계자 또는 엔지니어는 설계에 사용할 센서를 지속적으로 지정해야합니다. 검색하는 동안 적절한 비용 대비 성능 비율을 가진 센서를 선택해야하는 다양한 제품 사양에 직면하게됩니다. 불행히도, 모든 변위 센서 사양이 직접 비교할 수있는 방식으로 제시되는 것은 아닙니다. 해상도는 가장 자주 잘못 이해되고 잘못 정의 된 성능 설명 중 하나입니다.

해상도가 충분하지 않으면 필요한 측정을 안정적으로 수행하지 못할 수 있으므로 성능이 중요한 사양이며 성능이 너무 높은 센서는 예산에 부담이됩니다. 해상도는 시스템 대역폭, 응용 프로그램 및 센서 제조업체가 사용하는 측정 방법 및 측정 단위와 관련하여 의미가 있습니다. 데이터 시트의 간단한 "해상도 사양"은 정보에 입각 한 센서 선택에 충분한 정보를 제공하지 않습니다. 이 중요한 사양을 이해하면 올바른 변위 센서를보다 확실하게 선택할 수 있습니다.

센서 해상도는 "비트"에 관한 것이 아닙니다.

기본적으로 분해능은 센서가 신뢰할 수있는 최소 측정치입니다. 이에 대해 자세히 논의하기 전에 해결 방법이 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. 디지털 세계와 아날로그 세계 사이의 변환에서 최하위 비트가 아니거나 디스플레이에서 최하위 비트가 아닙니다. 디지털 디바이스는 최하위 비트를 기반으로하는 분해능 사양을 가지고 있으며, 불충분 한 경우 전체 센서 분해능을 더욱 저하시킬 수 있습니다. 센서 해상도의 기본 한계는 아날로그 세계에서 결정됩니다.; 에 대한 전투 센서 설계에서 높은 해상도는 주로 전기 노이즈와의 싸움입니다.

해상도도 정확하지 않습니다. 부정확 한 센서는 높은 해상도를 가질 수 있으며, 일부 응용 분야에서는 저해상도 센서가 정확할 수 있습니다.

그래프

그림 1.
센서 출력 전압의 전기적 노이즈

센서 출력의 전기 노이즈는 가능한 최소 측정을 제한하는 주요 요소입니다. 모든 전자 부품은 회로 전체에 결합되어 오실로스코프에서 볼 때 노이즈 대역으로 나타나는 전압 전위의 작은 무작위 변화를 생성합니다 (그림 1). 전기 노이즈는 작은 전압 변화를 감지하려는 모든 전자 시스템의 요소입니다. 예를 들어, 전기 노이즈는 CCD 검출기를 사용하여 망원경에서 이미지 입자를 발생시킵니다. 물체가 소음 유발 입자와 같은 크기이면 작은 먼 물체를 볼 수 없습니다. 일부 첨단 망원경은 초 냉각 CCD를 사용하므로 극도로 낮은 온도는 CCD에서 전하의 무작위 이동을 거의 제거하여 전기 노이즈를 거의 1으로 줄입니다. 작은 소음으로 작은 물체가 보입니다. 변위 / 위치 센서를 지정하는 엔지니어에게는 중요한 문제는 다음과 같습니다. 센서에 출력에서 ​​10µm의 노이즈가있는 경우 XNUMXµm 변위 측정이 손실됩니다. 선택한 센서의 해상도가 달성하려는 가장 작은 측정보다 상당히 낮아야하지만 센서 해상도 사양이 잘못 될 수 있습니다. 특정 응용 분야에서 수행 할 수있는 가장 작은 측정을 예측하려면 대역폭, 측정 단위 및 기타 정보가 해상도 사양에 포함되어 있어야합니다.

센서 해상도 및 대역폭

센서 해상도 및 대역폭

그림 2
15kHz 대역폭의 센서 소음

대역폭 (주파수 응답)은 센서가 다른 주파수에서 반응하는 방식을 나타냅니다. 더 높은 대역폭 센서는 더 높은 주파수 모션 및 진동을 측정 할 수 있습니다. 전기 노이즈는 일반적으로 광대역이므로 광범위한 주파수를 포함합니다. 저역 통과 필터는 고주파 노이즈를 줄이거 나 제거하는 동시에 센서의 대역폭을 줄입니다.저역 통과 필터링 된 신호는 노이즈가 적어 해상도가 좋아 지지만 사용 가능한 대역폭을 희생합니다.그림 2는 15kHz 대역폭을 가진 센서의 잡음을 보여주고, 그림 3은 100Hz 저역 통과 필터를 사용한 동일한 센서 출력을 보여줍니다. 노이즈 레벨이 낮기 때문에 저역 통과 필터링으로 더 작은 변위를 볼 수 있지만 100Hz 이상의 주파수에서 발생하는 변위를 정확하게 감지 할 수는 없습니다. 이는 이유 대역폭 사양 이외의 해상도 사양은 전적으로 유용하지 않습니다. 분해능 사양이 측정해야하는 주파수에서 유지되는지 알아야합니다. 센서의 일반 대역폭 사양이 1kHz 이상이지만 해상도가 100Hz 이하로 지정되었을 수 있지만 데이터 시트에 명확하게 표시되어 있지 않을 수 있습니다. 센서의 일반 대역폭 사양과 해상도 사양을 동시에 달성 할 수 있다고 가정하지 마십시오.

센서 해상도 및 대역폭

Figure3
100Hz 대역폭의 센서 노이즈

일부 제조업체는 정적 및 동적의 두 가지 해상도 사양을 제공합니다. 정적 사양은 센서 출력이 낮은 대역폭 (때로는 1-10Hz)으로 저역 필터링 된 경우에만 적용됩니다. 이는 느리게 움직이는 시스템을 측정하기 위해 동등한 대역폭 필터가있는 센서를 사용하는 경우에만 유용합니다. 동적 사양은 일반적으로 필터링되지 않은 센서를위한 것입니다. 이는 고속 동적 애플리케이션에서 센서를 전체 대역폭으로 사용할 때 기대할 수있는 해상도입니다. 데이터 시트가 정적 및 동적 항을 사용하는 경우 정적 및 동적으로 표시되는 주파수를 정확하게 정의하는 메모를 검색하십시오. 실제 주파수가 나올 때까지 센서가 어플리케이션에 적합한 지 알 수 없습니다.. Lion Precision은 특정 대역폭에서 해상도를 나열하여 추측 작업을 제거합니다.

낮은 대역폭 해상도에 대한 필터는 어디에 있습니까?

일부 제조업체는 센서에 대한 저 대역폭 사양을 나열하지만 센서에는 저 대역폭 출력을 생성하기위한 필수 필터가 없습니다. 종종 이러한 낮은 대역폭 사양은 이론적 인 계산입니다. 낮은 대역폭의 성능을 원한다면 자체 필터링을 제공해야합니다.

더 낮은 대역폭에 대해 센서 해상도가보고되면 장치에 실제로 이러한 필터가 있는지 알아야합니다. 대역폭 필터가 센서에 통합 된 경우 지정된 해상도를 달성 할 것이라고 확신 할 수 있습니다. 제조업체가 외부 필터를 사용하여 사양을 생성하거나 단순히 숫자를 계산 한 경우 컷오프 주파수뿐만 아니라 필터의 모든 매개 변수를 알아야합니다. Lion Precision 센서에는 실제 성능이 사양과 일치하는지 확인하는 통합 대역폭 필터가 포함되어 있습니다.

센서 분해능 측정 단위

분해능 사양은 볼트, 풀 스케일의 퍼센트 또는 치수 단위로 제공 될 수 있습니다. 위치 / 변위를 측정하려는 엔지니어에게 가장 의미있는 것은 아마도 치수 단위입니다. 나노 미터와 같은 치수 단위 사양은 센서로 신뢰할 수있는 최소 변위 측정을 명확하게 나타냅니다. 사양이 백분율로 제공되는 경우 가능한 최소 변위 측정을 결정하려면 해당 값에 센서 범위를 곱해야합니다. 사양이 전압으로 제공되는 경우 가능한 최소 변위 측정을 결정하기 위해 값에 센서의 감도 (변위 단위 / 전압 변화)를 곱해야합니다. 치수 단위로 센서의 해상도를 알고 나면 사양이 RMS 또는 Peak-to-Peak 값을 나타내는 지 확인하는 것이 중요합니다.

RMS (root mean square)와 Peak-to-Peak (동일한 이름 인 Peak-to-Valley)로 구분하는 것은 절대 센서 성능을 이해하는 데 매우 중요합니다. 이러한 값을 측정하는 아날로그 방법에는 특수 미터 및 오실로스코프 디스플레이의 시각적 해석이 포함됩니다. 디지털화 된 세계에서, 이러한 값은 많은 수의 출력 전압 샘플을 캡처하고 데이터를 통계적으로 분석하여 계산됩니다. 
동적 전기 신호의 RMS 측정은 DC 소스의 등가 전력을 나타냅니다. 평균값과 비슷하지만 동일하지는 않습니다. RMS 값은 신호 전력을 측정하고 동일한 전력을 생성하는 DC 전압과 동일하게하는 아날로그 미터에 의해 결정될 수 있습니다. 통계적으로 디지털화하고 분석 할 때 RMS 값은 캡처 된 샘플의 표준 편차와 같습니다. RMS는 광대역 진동을 측정 할 때 가장 관련성이 높은 사양입니다.

피크 대 피크 (PP)는 일정 시간 동안 노이즈의 최대 피크와 최소 피크의 차이입니다. 그림 3은 2.4 초에 걸쳐 XNUMXmV의 PP 잡음 레벨을 보여줍니다. 신호가 디지털로 캡처되면 샘플을 분석하여 최대 및 최소 피크를 찾을 수 있습니다. 표본이 완벽하게 정규 (가우시안) 분포를 생성하는 경우 PP 값을 표준 편차의 XNUMX 배로 추정 할 수 있지만 실제로는 그렇지 않습니다. 노이즈 신호는 거의 작동하지 않으며 일반적으로 표준 편차의 XNUMX 배보다 훨씬 높은 실제 PP 값을 생성하는 스퓨리어스 피크를 포함합니다. 이것은PP 범위로 지정된 해상도 값은 RMS 값보다 XNUMX 배 이상 커야하며 일반적으로 그 값보다 훨씬 높습니다. 그림 2.4의 3mV PP 값은 0.29mV RMS로 변환됩니다. 이 경우 PP 값이 RMS 값보다 XNUMX 배 이상 높습니다.
대상의 순간 위치를 지속적으로 결정하려는 경우 PP 값이 가장 적합한 사양입니다. 언제든지 센서 출력은 PP 해상도 사양과 같은 양으로 변할 수 있습니다. 따라서 위치 측정 값은 같은 양으로 달라질 수 있습니다.

데이터 시트 읽기

고려중인 센서의 해상도를 완전히 이해하려면 사양에서 다음 매개 변수를 결정적으로 식별해야합니다.
• 해상도 사양
명시된 해상도를 얻는 대역폭
• 대역폭 필터가 센서에 통합 된 경우
• 해상도 사양 측정 단위 및 유형 (PP 또는 RMS)

대부분의 센서 데이터 시트에는 분해능 사양이 나와 있지만, 응용 분야에서 실제 해상도를 완전히 이해하는 데 필요한 모든 정보를 제공하지는 않습니다. 분해능은 특정 모델의 모든 범위에 적용되는 단일 사양으로 나열되거나 각 프로브 / 범위 조합에 대해 별도의 분해능 사양이있을 수 있습니다. 데이터 시트에는 센서에 대한 대역폭 사양이 포함될 수 있지만 해상도가 지정된 대역폭을 명확하게 나열하거나 나열하지 않을 수 있습니다. 각주 나 다른 작은 글씨로 해상도 대역폭을 검색해야 할 수도 있습니다. 대역폭이 나열되어 있지 않으면 제조업체에 해상도 사양이 시스템의 전체 대역폭에 적용되는지 확인해야합니다. 해상도 정보가 여러 대역폭에서 사용 가능한 경우 대역폭 필터가 센서에 통합되어 있는지 확인하기 어려울 수 있습니다. 센서가 여러 대역폭 구성에서 사용 가능한 것으로 표시되면 필터가 통합 될 가능성이 높으며 해상도 사양이 수신 할 센서에 적용됩니다. 다른 대역폭으로 구성 할 수있는 센서 용량에 대한 언급이 없으면 해상도를 지정할 때 다른 대역폭을 달성 한 방법을 제조업체에 문의해야합니다.

RMS 해상도 사양은 항상 PP보다 훨씬 낮으므로 대부분의 데이터 시트에는 RMS 값으로 해상도가 표시됩니다. 연속 순간 위치를 측정하는 경우 PP 해상도를 알아야합니다. 데이터 시트는 RMS 및 PP 값 둘 다 또는 RMS 값을 PP로 변환하기위한 승수를 열거 할 수있다. PP 값이나 승수가 표시되지 않으면 제조업체에 문의해야합니다. 그동안 PP 값이 XNUMX 배 이상이고 일반적으로 XNUMX 배에 가깝다고 가정 할 수 있습니다..

보장 된 "사양"입니까 아니면 "전형적"입니까?

데이터 시트를주의해서 읽으십시오. 일부 "사양"은 보장되지 않으므로 전혀 사양이 아닙니다. 대신 이러한 값은 "일반"으로 나열됩니다. 이는 수신하는 시스템이 "일반"장치의 몇 표준 편차 내에 있음을 의미합니다. 해상도가 데이터 시트의 목록만큼 좋지 않을 가능성이 높습니다.

진정한 "사양"은 보장 된 값입니다. 이것은 당신이받는 시스템이 사양보다 약간 더 나은 해상도를 가질 것이라는 것을 의미합니다. LIon Precision 해상도 사양이 보장됩니까?

두통을 피하십시오

엔지니어는 시스템의 일부 구성 요소가 예상대로 수행되지 않는 중간 프로세스를 발견하는 데 어려움을 겪었습니다. 센서 분해능, 대역폭과의 관계, 다양한 측정 단위 및 데이터 시트에 나열되는 방법을 이해하면 변위 센서에 대해보다 확실한 결정을 내릴 수 있습니다.

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