精度、分辨率和重復性:速度和位置測量的關鍵選擇因素

  盡管它們經常使用,但術語的準確性、分辨率和可重復性經常被誤解。作為選擇位置和速度傳感器的關鍵因素,工程師必須確保他們完全理解這些術語。

  

  在采購和選擇傳感器和其他精密測量儀器時,許多工程師仍然不理解術語的準確性、分辨率和可重復性。

  

  用于儀器儀表的術語可能令人困惑,但在為應用選擇合適的測量儀器時-尤其是在位置和速度傳感器方面-是至關重要的。如果把這個部件弄錯了,工程師們最終可能會為過度指定的傳感器支付比他們所需要的更多的費用。相反,如果位置或速度傳感器不符合規范,則產品或控制系統可能缺乏臨界性能。

  

  首先,一些重要的定義:

  

  工具的準確度是衡量其輸出的準確性的指標。

  

  工具的分辨力是它所能測量的位置上最小的增量或遞減量的度量。

  

  測量儀精密度它的可重復性程度。

  

  測量儀線性度測量傳感器的實際輸出到位移與輸出的完美斜率之間的偏差。

  

  在大多數意圖和目的中,線性等于精確,只要測量線性的完美斜率通過零點或基準位置。

  

  大多數工程師對精度和準確度之間的差別感到困惑。用射向目標的箭的類比,精確性描述了箭與斗牛眼的接近程度。


  如果發射了許多箭頭,則精度等于箭頭群集的大小。如果將所有箭頭組合在一起,則認為群集是精確的。

  

  一個完美的線性測量裝置也是完全精確的。

  

  所以,這是非常簡單的-只要你每次都指定非常精確和精確的測量儀器,你就會沒事的。不幸的是,這種方法存在一些障礙。首先,高精度、高精度的儀器永遠是昂貴的。其次,高精度、高精度的儀器可能需要仔細安裝,這可能是不可能的,因為振動,熱膨脹/收縮等。第三,某些類型的高精度、高精度的儀器也是微妙的,如果環境條件發生變化,尤其是溫度、污垢、濕度和凝結,就會發生故障或故障。

  

  最優的策略是指定什么是必需的-沒有更多,也沒有更少。例如,在工業流量計中的位移傳感器中,線性度不是一個關鍵要求,因為流體的流動特性很可能是非線性的。更有可能的是,在不同環境條件下的重復性和穩定性是關鍵要求。

  

  在數控機床中,精度和精度很可能是關鍵要求。因此,一種高精度(線性)、高分辨率、高重復性的位移測量儀,即使在不需要維護的骯臟潮濕環境中也是關鍵。

  

  一個好的提示是總是閱讀任何測量儀器的規格的小字-特別是關于聲稱的精度和精度如何變化的環境影響,年齡或安裝公差。

  

  另一個有用的提示是準確地了解一個儀器的線性度是如何變化的。如果這種變化是單調的,并且變化緩慢,那么利用幾個參照點就可以很容易地校準出非線性。例如,對于間隙測量裝置,可以使用一些滑動量規來實現這一點。在下面的示例中,將相當非線性的傳感器校準到具有相對較低參考點的高度線性(精確)設備。

 

  然而,在第二個例子中,一個快速變化的裝置被校準為10個點,其線性度幾乎沒有變化。這種快速變化的測量特性可能需要超過1000個點才能線性化。這種方法不太可能適用于滑動量規,但將查表中的讀數與更高性能的參考裝置(如激光干涉儀)進行比較可能是可行的。

 

  常見的光學編碼器

  

  光學編碼器的工作方式是將光源照耀在光學元件上或通過光學元件-通常是玻璃圓盤。光要么被阻擋,要么穿過磁盤的光柵,產生一個類似于位置的信號。

  

  這些玻璃磁盤具有微小的特性,允許制造商聲稱其精度很高。通常不明確的是,如果這些微小的特征被灰塵、污垢、油脂等所掩蓋,會發生什么。事實上,即使是極少量的外來物質也會造成誤讀.很少有任何故障警告-該設備完全停止工作,并遭受“災難性故障”。較不為人所知的是光學編碼器和光學編碼器套件的準確性問題。

  

  考慮使用分辨率為18位(256 K點)的1“標稱盤的光學設備。通常,這種設備的聲稱精度可能是+/-10弧秒.然而,應該用粗體打印(但令人驚訝的是從來沒有)的是,規定的精度假定磁盤相對于讀頭完全旋轉,并且溫度是恒定的。

  

  如果我們考慮一個更現實的例子,磁盤是稍微偏心安裝0.001“(0.025mm)。


 

 

      

  偏心有幾個來源,包括以下幾個方面:

  

  集線器上玻璃盤的同心度。

  

  集線器通孔相對于光盤的同心度。

  

  輪轂相對于光盤平面的垂直度。

  

  光盤面與讀取頭平面的平行度。

  

  安裝輪轂的軸的同心度。

  

  支撐主軸的軸承和軸承座的間隙。

  

  軸承不完全對齊。

  

  軸的圓度和轂的貫通孔的圓度。

  

  定位方法(通常情況下,螺絲釘會把輪轂拉到一邊).

  

  由于軸承受力或應變引起的位移。

  

  熱效應

  

  完美安裝的光盤需要這樣精細的工程,成本變得令人望而卻步。實際上,存在測量誤差,因為光盤不是讀頭認為的位置。如果我們考慮安裝誤差為0.001“,那么測量誤差相當于光學軌道半徑所對應的角度為0.001”。為了簡化數學運算,我們假設軌道的半徑為0.5“。

  

  這相當于2毫弧度或412弧秒的誤差?;瘓浠八?,規格精度為10弧秒的器件比其數據手冊精確度低40倍。

  

  如果你準確地將光盤定位在0.001英寸以內,那么你的確做得非常好。實際上,你更有可能在2-10千分之一的范圍內,所以實際精度將是80-比您最初計算的差400倍。

  

  旋轉變壓器或新一代感應裝置的測量原理完全不同。測量基于轉子(盤)和定子(讀取器)之間的互感。不是根據在某點讀取的讀數計算位置,而是在定子和轉子的整個面上產生測量值。因此,由器件的相對部分處的相反效應抵消了由器件的一部分中的非同心性引起的差異。分辨率和精度的標題數字通常不如光學編碼器那樣令人印象深刻。然而,重要的是這種測量性能在一系列非理想條件下得以保持。

  

  一些新一代電感裝置的引用測量性能不是基于轉子和定子的完美對準,但是在任何引用的分辨率,可重復性和精度方面都考慮了實際可實現的公差(通常為+/- 0.2mm)。此外,所述電感裝置的性能不會因異物,濕度,壽命,軸承磨損或振動而變化。


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