分辨率规格及其对性能的影响

技术说明 LT05-0010

通用传感器技术说明LT05-0010

这篇 文章 也发表在《机械设计》杂志上。

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总结

此技术说明详细介绍了这一解释位移的重要因素,即在大多数传感器数据手册中都可看到的分辨率规格——一个经常被误解的数字。

产品简介

作为机器设计师或工程师,您必须不断指定要在设计中使用的传感器。 在搜索过程中,您会遇到一系列产品规格,您必须依靠这些规格来选择具有正确性价比的传感器。 不幸的是,并非所有位移传感器的规格都可以直接比较。 分辨率是最经常被误解且定义不明确的性能描述之一。

分辨率是一项重要的指标,因为如果没有足够的分辨率,您可能无法可靠地进行所需的测量,而性能过高的传感器又将增加您的预算。 分辨率仅在系统带宽,应用以及传感器制造商使用的测量方法和测量单位的范围内有意义。 数据表中简单的“分辨率规格”很少能提供足够的信息来进行充分知情的传感器选择。 理解此重要规格将使您更有信心做出正确的位移传感器选择。

传感器分辨率与“位”无关

本质上,分辨率是传感器可以可靠指示的最小测量值。 在详细讨论之前,重要的是要了解什么不是分辨率。 它不是显示屏中的最低有效位,也不是数字和模拟世界之间转换中的最低有效位。 数字设备的分辨率规格基于最低有效位,如果不足,则可能进一步降低传感器的整体分辨率,但是 传感器分辨率的基本极限值是由模拟世界中确定; 争夺战 传感器设计中的更高分辨率主要是为了对抗电气噪声

分辨率不等于准确性。 一个不准确的传感器可能具有高分辨率,而低分辨率的传感器在某些应用中可能是准确的。

图表

图1。
传感器输出电压中的电气噪声

传感器输出中的电气噪声是限制其最小可能测量值的主要因素。 所有电子组件都会产生很小的随机变化的电压电势,这些变化的电压在整个电路中结合在一起,并在示波器观察时显示为噪声带(图1)。 电气噪声是任何试图测量电压微小变化的电子系统中的一个影响因素。 例如,电气噪声会导致使用CCD检测器的望远镜中的图像产生颗粒感。 如果物体的大小与电气噪声引起的颗粒相同,则用户看不到小的远距离物体。 一些高科技望远镜使用过冷CCD,因为极低的温度几乎消除了CCD中电荷的随机运动,从而将电气噪声降低到接近零。 现在,几乎没有噪音,小物体可以看到了。 对您来说,工程师指定一个位移/位置传感器时,根本的问题是:您对1µm量级位移的测量将丢失,如果传感器的输出中有10µm的噪声。 至关重要的是,所选传感器的分辨率必须远低于您要实现的最小测量值,但是传感器分辨率规格可能会引起误解。 分辨率规范中必须包括带宽,度量单位和其他信息,以便预测您将能够在特定应用中进行的最小测量。

传感器分辨率和带宽

传感器分辨率和带宽

图2
15kHz带宽的传感器的噪声

带宽(频率响应)表示传感器在不同频率下的响应方式。 带宽更高的传感器可以测量更高频率的运动和振动。 电气噪声通常是宽频带的,这意味着它包含很宽的频谱。 低通滤波器将减少或消除高频噪声,同时减小传感器的带宽。低通滤波后的信号具有较少的噪声,因此具有更好的分辨率,但以减少可用带宽为代价。图2显示了具有15kHz带宽的传感器的噪声,图3显示了具有100Hz低通滤波器的相同传感器输出。 由于噪声水平较低,因此通过低通滤波可以看到较小的位移,但是您将无法准确检测100Hz或更高频率下发生的位移。 这就是为什么 脱离带宽规格外,分辨率规格并非完全有用。 您必须知道分辨率规格是否将保持在进行测量的频率上。 尽管传感器的一般带宽规格可能为1kHz或更高,但分辨率可能已指定为100Hz或更低,但数据表可能并未明确指出。 不要以为可以同时实现传感器的常规带宽规格和分辨率规格。

传感器分辨率和带宽

图3
100Hz带宽的传感器的噪声

一些制造商提供两种分辨率规格:静态和动态。 静态规范仅在传感器输出经过低通滤波以实现低带宽(有时低至1-10Hz)时适用。 仅在将传感器与等效带宽滤波器一起使用以测量缓慢移动的系统时,此功能才有用。 动态规格通常适用于未过滤的传感器。 这是在高速动态应用中以全带宽使用传感器时可以预期的分辨率。 如果数据表使用静态和动态术语,请搜索一个说明,该说明准确定义了静态和动态表示的频率。 在掌握实际频率之前,您将不知道传感器是否适合您的应用。 Lion Precision列出了特定带宽下的分辨率,从而消除了任何猜测工作。

低带宽分辨率的过滤器在哪里?

一些制造商列出了其传感器的低带宽规格,但传感器没有内置滤波器来产生低带宽输出。 这些低带宽规范通常是理论计算。 如果您想要低带宽性能,则必须提供自己的过滤器。

当为较低的带宽报告传感器分辨率时,至关重要的是,要知道设备是否真的有这样的滤波器。 如果带宽滤波器是传感器的一个组成部分,则你可以确信将达到指定的分辨率。 如果制造商使用外部滤波器来生成规格或简单地计算出数字,则必须知道滤波器的所有参数,而不仅仅是截止频率。 Lion Precision传感器包括集成的带宽滤波器,以确保实际性能符合规格。

传感器分辨率测量单位

分辨率规格可以以伏特,满刻度的百分比或尺寸单位给出。 对于试图测量位置/位移的工程师而言,最有意义的也许是尺寸单位。 尺寸单位规格(例如纳米)将清楚地表明您可以使用传感器可靠地进行的最小位移测量。 如果规格以百分比形式给出,则该值必须乘以传感器的量程范围,以确定可能的最小位移测量值。 如果规格以电压给出,则该值必须乘以传感器的灵敏度(位移单位​​/电压变化)才能确定最小的位移测量值。 了解了传感器的尺寸单位后, 确定规格代表的是RMS还是峰峰值是至关重要的。

RMS(均方根)和Peak-to-Peak(有时称为“ Peak-to-Valley”)之间的区别对于理解传感器的绝对性能至关重要。 测量这些值的模拟方法包括专用仪表和示波器显示的视觉解释。 在数字化世界中,这些值是通过捕获大量输出电压样本并统计分析数据来计算的。 
动态电信号的RMS测量表明来自直流电源的等效功率。 它类似于平均值,但不相同。 RMS值可以由模拟仪表确定,该仪表测量信号功率并将其等同于会产生相同功率的DC电压。 当进行数字化和统计分析时,RMS值等于捕获样本的标准偏差。 RMS是测量宽带振动时最相关的规范。

峰峰值(P-P)是一段时间内噪声的最大峰值与最小峰值之差。 图3显示一秒钟内的PP噪声水平为2.4mV。 如果以数字方式捕获信号,则可以分析样本以找到最大和最小峰值。 如果样本创建了完美的正态(高斯)分布,则可以将P-P值估计为标准偏差的六倍,但实际上,这种情况很少见。 噪声信号很少表现得如此好,通常包含虚假峰值,这些虚假峰值会产生一个实际P-P值,该P-P值远高于标准偏差的六倍。 这意味着由其P-P范围指定的分辨率值必须至少比RMS值大六倍,并且通常比该值大很多。 2.4mV的P-P值(图3中)转换为0.29mV RMS。 在这种情况下,P-P值是RMS值的八倍以上。
如果您要连续确定目标的瞬时位置,则P-P值是最合适的规格。 在任何时候,传感器输出的变化量都可以等于P-P分辨率规格; 因此,你的位置测量值可能会有相同的变化量。

阅读数据表

为了完全了解您正在考虑的传感器的分辨率,您必须最终确定规格中的以下参数:
•分辨率规格
•获得规定分辨率的带宽
•传感器是否内置带宽滤波器
•分辨率规格的度量单位和类型(P-P或RMS)

大多数传感器数据表都列出了分辨率规格,但它们可能未提供完全了解您的应用中实际分辨率所需的所有信息。 分辨率可能被列为适用于特定型号所有量程的单个规格,或者每种探头/量程组合可能有单独的分辨率规格。 数据表可能会包含传感器的带宽规格,但可能会或可能不会明确列出指定分辨率的带宽。 分辨率带宽可能必须在脚注或其他小字体中进行搜索。 如果未列出带宽,则需要与制造商确认分辨率规格是否适用于系统的整个带宽。 如果分辨率信息在多个带宽上可用,则可能很难确定带宽滤波器是否是传感器的一部分。 如果列出的传感器在多种带宽配置中可用,则过滤器可能是完备的,并且分辨率规格将适用于您将要接收的传感器。 如果没有提到如何在不同带宽下配置的传感器的功能,则需要询问制造商,当分辨率被指定时如何实现其他带宽。

由于RMS分辨率规格始终大大低于P-P,因此大多数数据表会将分辨率列为RMS值。 如果要测量连续的瞬时位置,则需要了解P-P分辨率。 数据表中可能同时列出了RMS和P-P值,或者列出了将RMS值转换为P-P的乘数。 如果未列出P-P值或乘数,则必须与制造商联系; 同时, 您可以假设P-P值至少高出六倍,通常接近十倍

是可保证的“规格”,或者仅仅是“典型的”规格?

仔细阅读数据表。 某些“规格”无法得到保证,因此根本不是规格。 而是,这些值将列为“典型”。 这意味着您收到的系统将在“典型”设备的几个标准偏差之内; 您的解决方案很有可能不如数据表中列出的那样好。

真实的“规格”是保证值。 这意味着您收到的系统的分辨率可能会比规格更好。可详查Lion Precision的分辨率规格是否为保证值。

解决了让你头疼的问题

作为工程师,您经历了发现中间过程的痛苦,发现中间过程中系统的某些组件未按预期运行。 通过理解传感器分辨率,其与带宽的关系,不同的度量单位以及它们在数据表中的列出方式,您现在可以对位移传感器做出更加自信的决策。

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