Especificações de Resolução e Efeitos no Desempenho

TECHNOTE LTXNUMX-XNUMX

Sensor geral TechNote LT05-0010

Este artigo is also published in Machine Design Magazine.

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

Resumo

The TechNote describes in detail the important factors in the interpretation of displacement resolution specifications found in most sensor datasheets – an often misinterpreted number.

Introdução

As a machine designer or engineer, you must continually specify sensors for use in your designs. During your search, you are confronted by an array of product specifications you must rely upon to select the sensor with the right cost-performance ratio. Unfortunately, not all displacement sensor specifications are presented in a way that allows direct comparison. Resolution is one of the most frequently misunderstood and poorly defined descriptions of performance.

Resolution is an important specification because without sufficient resolution you may not be able to reliably make the needed measurement, and an over performing sensor will burden your budget. Resolution is only meaningful within the context of the system bandwidth, the application, and the measurement method and unit of measure used by the sensor manufacturer. A simple “resolution spec” in a datasheet rarely provides enough information for a fully informed sensor selection. Understanding this important specification will empower you to more confidently make the right displacement sensor choice.

Sensor Resolution Is Not About “Bits”

Essentially, resolution is the smallest measurement a sensor can reliably indicate. Before discussing this in any detail, it is important to understand what resolution is not; it is not the least significant digit in a display or the least significant bit in a conversion between the digital and analog worlds. Digital devices have a resolution specification based on the least significant bit, and if insufficient, may further degrade the overall sensor resolution, but the fundamental limit of a sensor’s resolution is determined in the analog world; a batalha por higher resolutions in sensor design is primarily a fight against electrical noise.

Resolution is also not accuracy. An inaccurate sensor could have high resolution, and a low resolution sensor may be accurate in some applications.

Graph

Figure XNUMX.
Electrical noise in the sensor output voltage

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.

Sensor Resolution and Bandwidth

Sensor Resolution and Bandwidth

Figura 2
Noise of a sensor with XNUMXkHz bandwidth

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.Low-pass filtered signals have less noise and therefore better resolution but at the expense of usable bandwidth.Figure XNUMX shows the noise of a sensor with a XNUMXkHz bandwidth, and Figure XNUMX shows the same sensor output with a XNUMXHz low-pass filter. Because of the lower noise level, you would be able to see smaller displacements with the low-pass filtering, but you would not be able to accurately detect displacements occurring at frequencies at XNUMXHz or higher. This is why a resolution specification apart from a bandwidth specification is not entirely useful. You must know if the resolution specification will hold at the frequency at which you need to make your measurement. Even though a sensor may have a general bandwidth specification of XNUMXkHz or higher, the resolution may have been specified at XNUMXHz or lower, but the datasheet may not clearly indicate that. Do not assume that a sensor’s general bandwidth specification and resolution specification can be achieved simultaneously.

Sensor Resolution and Bandwidth

FigureXNUMX
Noise of a sensor with XNUMXHz bandwidth

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. Lion Precision lists resolution at specific bandwidths, removing any guess work.

Where is the Filter for Low Bandwidth Resolution?

Some manufacturers list low bandwidth specifications for their sensors, but the sensors have no integral filter to produce the low bandwidth output. Often, these low bandwidth specifications are theoretical calculations. If you want the low bandwidth preformance, you will have to provide your own filtering.

When sensor resolution is reported for lower bandwidths, it is critical that you know if the device actually has such a filter. If the bandwidth filter is integral to the sensor, you can be confident that you will achieve the specified resolution. If the manufacturer used an external filter to generate the specification or simply calculated a number, you must know all the parameters of the filter, not just the cutoff frequency. Lion Precision sensors include integral bandwidth filters assuring that actual performance will match the specifications.

Sensor Resolution Units of Measure

A resolution specification may be given in volts, percent of full scale, or dimensional units. Perhaps the most meaningful to the engineer trying to measure position/displacement is dimensional units. A dimensional unit specification, such as nanometers, will clearly indicate the smallest displacement measurement you can reliably make with the sensor. If the specification is given as a percent, that value must be multiplied by the sensor’s range to determine the smallest possible displacement measurement. If the specification is given as a voltage, then the value will have to be multiplied by the sensor’s sensitivity (displacement units/voltage change) to determine the smallest possible displacement measurement. Once you know the sensor’s resolution in dimensional units, it is critical that you determine if the specification represents an RMS or Peak-to-Peak value.

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. 
RMS measurements of dynamic electrical signals indicate the equivalent power from a DC source. It is similar to, but not the same as, an average value. RMS values may be determined by analog meters which measure the signal power and equating it to a DC voltage that would produce the same power. When digitized and analyzed statistically, the RMS value is equal to the standard deviation of the captured samples. RMS is the most relevant specification when measuring broadband vibration.

Peak-to-Peak (P-P) is the difference between the maximum and minimum peaks of the noise over some period of time. Figure XNUMX shows a P-P noise level of XNUMXmV over one second. If the signal is captured digitally, the samples can be analyzed to find the maximum and minimum peaks. If the samples create a perfectly normal (Gaussian) distribution, the P-P value can be estimated as six times the standard deviation, but in practice, this is rarely the case. Noise signals are rarely so well behaved and usually contain spurious peaks that create an actual P-P value much higher than six times the standard deviation. This means thatresolution values specified by their P-P range must be at least six times greater than RMS values and are usually considerably higher than that. The XNUMXmV P-P value in Figure XNUMX translates to XNUMXmV RMS; the P-P value is more than eight times higher than the RMS value in this case.
The P-P value is the most appropriate specification if you are trying to continuously determine the instantaneous position of your target. At any moment in time, the sensor output can vary by an amount equal to the P-P resolution specification; therefore, your position measurement can vary by that same amount.

Reading Datasheets

To fully understand the resolution of the sensor you are considering, you must conclusively identify these parameters in the specification:
• A resolution specification(s)
• Largura de banda na qual a resolução declarada é obtida
• If any bandwidth filters are integral to the sensor
• Unit and type (P-P or RMS) of measure of the resolution specification

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.

Because RMS resolution specifications are always significantly lower than P-P, most datasheets will list resolution as an RMS value. If you are measuring continuous instantaneous position, you will need to know the P-P resolution. The datasheet may list both RMS and P-P values, or a multiplier for converting the RMS value to P-P. If no P-P value or multiplier is listed, you will have to contact the manufacturer; in the meantime, you can assume that the P-P value is at least six times higher and usually closer to ten times higher.

Is it a guaranteed “specification” or just “typical”?

Leia as planilhas com cuidado. Some “specifications” are not guaranteed, and therefore aren’t specifications at all. Instead, these values will be listed as “typical.” 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.

True “specifications” are guaranteed values. This means the system you receive will likely have slightly better resolution than the specification. Are LIon Precision resolution specifications are guaranteed.

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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