Especificações de Resolução e Efeitos no Desempenho

NOTA TÉCNICA LT05-0010

Sensor geral TechNote LT05-0010

Este artigo também é publicado na Machine Design Magazine.

Direitos autorais © 2014 Lion Precision. www.lionprecision.com

Resumo

A TechNote descreve em detalhes os fatores importantes na interpretação das especificações de resolução de deslocamento encontradas na maioria das planilhas de dados do sensor - um número frequentemente mal interpretado.

Introdução

Como projetista ou engenheiro de máquinas, você deve especificar continuamente sensores para uso em seus projetos. Durante sua pesquisa, você se depara com uma série de especificações de produtos em que deve confiar para selecionar o sensor com a relação custo-benefício correta. Infelizmente, nem todas as especificações dos sensores de deslocamento são apresentadas de maneira a permitir comparação direta. A resolução é uma das descrições de desempenho mais mal compreendidas e mal definidas.

A resolução é uma especificação importante porque, sem a resolução suficiente, talvez você não consiga fazer as medições necessárias com segurança, e um sensor com desempenho excessivo sobrecarregará seu orçamento. A resolução é significativa apenas dentro do contexto da largura de banda do sistema, do aplicativo e do método de medição e unidade de medida usados ​​pelo fabricante do sensor. Uma simples "especificação de resolução" em uma folha de dados raramente fornece informações suficientes para uma seleção de sensor totalmente informada. O entendimento desta importante especificação permitirá que você faça com mais confiança a escolha certa do sensor de deslocamento.

A resolução do sensor não se trata de "bits"

Essencialmente, a resolução é a menor medida que um sensor pode indicar com segurança. Antes de discutir isso com mais detalhes, é importante entender o que não é a resolução; não é o dígito menos significativo em uma exibição ou o bit menos significativo em uma conversão entre os mundos digital e analógico. Os dispositivos digitais têm uma especificação de resolução baseada no bit menos significativo e, se insuficiente, pode degradar ainda mais a resolução geral do sensor, mas o limite fundamental da resolução de um sensor é determinado no mundo analógico; a batalha por resoluções mais altas no design do sensor é principalmente uma luta contra o ruído elétrico.

A resolução também não é precisa. Um sensor impreciso pode ter alta resolução e um sensor de baixa resolução pode ser preciso em algumas aplicações.

Gráfico

Figura 1. Painel do
Ruído elétrico na tensão de saída do sensor

O ruído elétrico na saída de um sensor é o principal fator que limita sua menor medida possível. Todos os componentes eletrônicos produzem pequenas mudanças aleatórias nos potenciais de tensão que se combinam em todo o circuito e aparecem como uma faixa de ruído quando vistas com um osciloscópio (Fig. 1). O ruído elétrico é um fator em qualquer sistema eletrônico que tenta detectar pequenas mudanças na tensão. Por exemplo, o ruído elétrico causa granulação da imagem em telescópios usando detectores CCD. Os usuários não podem ver pequenos objetos distantes se os objetos tiverem o mesmo tamanho dos grãos induzidos por ruído. Alguns telescópios de alta tecnologia usam CCDs super-resfriados porque temperaturas extremamente baixas praticamente eliminam o movimento aleatório de cargas no CCD, reduzindo assim o ruído elétrico a quase zero. Com pouco ruído, os pequenos objetos agora são visíveis. Para você, o engenheiro que especifica um sensor de deslocamento / posição, o problema essencial é este: sua medição de um deslocamento de 1 µm será perdida se o sensor tiver 10 µm de ruído na saída. É essencial que a resolução do sensor selecionado seja consideravelmente menor do que a menor medida que você está tentando obter, mas as especificações da resolução do sensor podem ser enganosas. Largura de banda, unidade de medida e outras informações devem ser incluídas na especificação de resolução para prever a menor medida que você poderá fazer em seu aplicativo específico.

Resolução e largura de banda do sensor

Resolução e largura de banda do sensor

Figura 2
Ruído de um sensor com largura de banda de 15kHz

Largura de banda (resposta em frequência) indica como os sensores respondem em diferentes frequências. Sensores de largura de banda mais alta podem medir movimentos e vibrações de frequência mais alta. O ruído elétrico geralmente é de banda larga, o que significa que contém um amplo espectro de frequências. Um filtro passa-baixo reduz ou elimina o ruído de alta frequência, além de reduzir a largura de banda do sensor.Os sinais filtrados passa-baixo têm menos ruído e, portanto, melhor resolução, mas à custa da largura de banda utilizável.A Figura 2 mostra o ruído de um sensor com largura de banda de 15kHz e a Figura 3 mostra a mesma saída do sensor com um filtro passa-baixa de 100Hz. Devido ao menor nível de ruído, você poderá ver deslocamentos menores com a filtragem passa-baixo, mas não poderá detectar com precisão os deslocamentos que ocorrem em frequências a 100Hz ou mais. Isso é por que uma especificação de resolução além de uma especificação de largura de banda não é totalmente útil. Você deve saber se a especificação da resolução se manterá na frequência com a qual você precisa fazer sua medição. Mesmo que um sensor possa ter uma especificação geral de largura de banda de 1kHz ou superior, a resolução pode ter sido especificada em 100Hz ou inferior, mas a folha de dados pode não indicar isso claramente. Não assuma que a especificação geral de largura de banda e resolução de um sensor possa ser alcançada simultaneamente.

Resolução e largura de banda do sensor

Figure3
Ruído de um sensor com largura de banda de 100Hz

Alguns fabricantes fornecem duas especificações de resolução: Estática e Dinâmica. A especificação estática somente se aplica quando a saída do sensor é filtrada em passa-baixa para baixa largura de banda, às vezes tão baixa quanto 1-10Hz. Isso é útil apenas se você estiver usando o sensor com um filtro de largura de banda equivalente para medir sistemas de movimento lento. A especificação dinâmica é geralmente para um sensor não filtrado; esta é a resolução que você pode esperar ao usar o sensor com largura de banda total em aplicativos dinâmicos de alta velocidade. Se a planilha de dados usar termos estáticos e dinâmicos, procure uma nota que defina exatamente quais frequências são representadas por estático e dinâmico. Até você ter frequências reais, você não saberá se o sensor é uma boa escolha para sua aplicação. O Lion Precision lista a resolução em larguras de banda específicas, removendo qualquer trabalho de adivinhação.

Onde está o filtro para baixa resolução de largura de banda?

Alguns fabricantes listam especificações de baixa largura de banda para seus sensores, mas os sensores não têm filtro integral para produzir a saída de baixa largura de banda. Freqüentemente, essas especificações de baixa largura de banda são cálculos teóricos. Se você deseja um baixo desempenho de baixa largura de banda, precisará fornecer sua própria filtragem.

Quando a resolução do sensor é relatada para larguras de banda mais baixas, é fundamental que você saiba se o dispositivo realmente possui esse filtro. Se o filtro de largura de banda for parte integrante do sensor, você pode ter certeza de que alcançará a resolução especificada. Se o fabricante usou um filtro externo para gerar a especificação ou simplesmente calculou um número, você deve conhecer todos os parâmetros do filtro, não apenas a frequência de corte. Os sensores Lion Precision incluem filtros de largura de banda integrais, garantindo que o desempenho real corresponda às especificações.

Unidades de medida da resolução do sensor

Uma especificação de resolução pode ser dada em volts, porcentagem da escala completa ou unidades dimensionais. Talvez o mais significativo para o engenheiro que está tentando medir a posição / deslocamento sejam as unidades dimensionais. Uma especificação de unidade dimensional, como nanômetros, indicará claramente a menor medida de deslocamento que você pode fazer com o sensor de maneira confiável. Se a especificação for dada em porcentagem, esse valor deverá ser multiplicado pela faixa do sensor para determinar a menor medida de deslocamento possível. Se a especificação for dada como tensão, o valor deverá ser multiplicado pela sensibilidade do sensor (unidades de deslocamento / alteração de tensão) para determinar a menor medida de deslocamento possível. Depois de conhecer a resolução do sensor em unidades dimensionais, é fundamental que você determine se a especificação representa um valor RMS ou pico a pico.

A distinção entre RMS (raiz quadrada média) e Pico a Pico (às vezes chamado pelo nome equivalente de Pico a Vale) é extremamente importante para entender o desempenho absoluto do sensor. Os métodos analógicos de medir esses valores incluem medidores especiais e interpretação visual de uma tela do osciloscópio. No mundo digitalizado, esses valores são calculados capturando um grande número de amostras da tensão de saída e analisando os dados estatisticamente. 
As medições RMS de sinais elétricos dinâmicos indicam a energia equivalente de uma fonte DC. É semelhante, mas não é o mesmo que, a um valor médio. Os valores RMS podem ser determinados por medidores analógicos que medem a potência do sinal e a igualam a uma tensão CC que produziria a mesma potência. Quando digitalizado e analisado estatisticamente, o valor RMS é igual ao desvio padrão das amostras capturadas. O RMS é a especificação mais relevante ao medir a vibração de banda larga.

Pico a pico (PP) é a diferença entre os picos máximo e mínimo do ruído durante um período de tempo. A Figura 3 mostra um nível de ruído PP de 2.4 mV durante um segundo. Se o sinal for capturado digitalmente, as amostras podem ser analisadas para encontrar os picos máximo e mínimo. Se as amostras criarem uma distribuição perfeitamente normal (gaussiana), o valor de PP poderá ser estimado como seis vezes o desvio padrão, mas, na prática, isso raramente é o caso. Os sinais de ruído raramente são tão bem comportados e geralmente contêm picos espúrios que criam um valor real de PP muito superior a seis vezes o desvio padrão. Isso significa queos valores de resolução especificados por seu intervalo de PP devem ser pelo menos seis vezes maiores que os valores de RMS e geralmente são consideravelmente maiores que isso. O valor de 2.4 mV PP na Figura 3 se traduz em 0.29 mV RMS; o valor PP é mais de oito vezes maior que o valor RMS neste caso.
O valor de PP é a especificação mais apropriada se você estiver tentando determinar continuamente a posição instantânea do seu destino. A qualquer momento, a saída do sensor pode variar em uma quantidade igual à especificação de resolução PP; portanto, sua medida de posição pode variar na mesma quantidade.

Lendo folhas de dados

Para entender completamente a resolução do sensor que você está considerando, você deve identificar conclusivamente esses parâmetros na especificação:
• Especificações de resolução
• Largura de banda na qual a resolução declarada é obtida
• Se algum filtro de largura de banda fizer parte do sensor
• Unidade e tipo (PP ou RMS) de medida da especificação de resolução

A maioria das folhas de dados dos sensores lista uma especificação de resolução, mas elas podem não fornecer todas as informações necessárias para entender completamente a resolução real que você terá em seu aplicativo. A resolução pode ser listada como uma única especificação que se aplica a todas as faixas de um modelo específico ou pode haver especificações de resolução separadas para cada combinação de sonda / faixa. A folha de dados provavelmente incluirá uma especificação de largura de banda para o sensor, mas pode ou não listar claramente a largura de banda na qual a resolução foi especificada; a largura de banda da resolução pode ter que ser pesquisada em notas de rodapé ou outras letras pequenas. Se a largura de banda não estiver listada, você precisará verificar com o fabricante se a especificação de resolução se aplica a toda a largura de banda do sistema. Se as informações de resolução estiverem disponíveis em várias larguras de banda, pode ser difícil determinar se os filtros de largura de banda são parte integrante do sensor. Se o sensor estiver listado como disponível em várias configurações de largura de banda, é provável que os filtros sejam integrais e a especificação da resolução será aplicada ao sensor que você receberá. Se não for mencionada a capacidade do sensor de ser configurado em diferentes larguras de banda, você precisará perguntar ao fabricante como as outras larguras de banda foram alcançadas quando a resolução foi especificada.

Como as especificações de resolução do RMS são sempre significativamente mais baixas que o PP, a maioria das planilhas de dados lista a resolução como um valor do RMS. Se você estiver medindo a posição instantânea contínua, precisará conhecer a resolução PP. A folha de dados pode listar valores RMS e PP ou um multiplicador para converter o valor RMS em PP. Se nenhum valor ou multiplicador de PP estiver listado, você deverá entrar em contato com o fabricante; enquanto isso, você pode assumir que o valor de PP é pelo menos seis vezes maior e geralmente mais próximo de dez vezes.

É uma “especificação” garantida ou apenas “típica”?

Leia as planilhas com cuidado. Algumas “especificações” não são garantidas e, portanto, nem são especificações. Em vez disso, esses valores serão listados como "típicos". Isso significa que o sistema que você recebe estará dentro de alguns desvios padrão do dispositivo “típico”; há uma boa chance de sua resolução não ser tão boa quanto a listagem na folha de dados.

As verdadeiras “especificações” são valores garantidos. Isso significa que o sistema que você recebe provavelmente terá uma resolução um pouco melhor do que a especificação. As especificações de resolução do LIon Precision são garantidas.

Salve-se uma dor de cabeça

Como engenheiro, você sentiu a dor de descobrir no meio do processo que algum componente do seu sistema não funciona como o esperado. Compreendendo a resolução do sensor, sua relação com a largura de banda, as diferentes unidades de medida e como elas estão listadas nas folhas de dados, agora você pode tomar decisões mais confiantes sobre seus sensores de deslocamento.

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