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精度、分辨率和重复性:速度和位置测量的关键选择因素

  尽管它们经常使用,但术语的准确性、分辨率和可重复性经常被误解。作为选择位置和速度传感器的关键因素,工程师必须确保他们完全理解这些术语。

  

  在采购和选择传感器和其他精密测量仪器时,许多工程师仍然不理解术语的准确性、分辨率和可重复性

  

  用于仪器仪表的术语可能令人困惑,但在为应用选择合适的测量仪器时-尤其是在位置和速度传感器方面-是至关重要的。如果把这个部件弄错了,工程师们最终可能会为过度指定的传感器支付比他们所需要的更多的费用。相反,如果位置或速度传感器不符合规范,则产品或控制系统可能缺乏临界性能。

  

  首先,一些重要的定义:

  

  工具的准确度是衡量其输出的准确性的指标。

  

  工具的分辨力是它所能测量的位置?#29486;?#23567;的增量或递减量的度量。

  

  测量仪精密度它的可重复性程度。

  

  测量仪线性度测量传感器的实际输出到位移与输出的完美斜率之间的偏差。

  

  在大多数意图和目的中,线性等于精确,只要测量线性的完美斜率通过零点或基准位置。

  

  大多数工程师对精度和准确度之间的差别感到困惑。用射向目标的箭的类比,精确性描述了箭与斗牛眼的接近程度。


  如果发射了许多箭头,则精度等于箭头群集的大小。如果将所有箭头组合在一起,则认为群集是精确的。

  

  一个完美的线性测量装置也是完全精确的。

  

  所以,这是非常简单的-只要你每次都指定非常精确和精确的测量仪器,你就会没事的。不幸的是,这种方法存在一些障碍。首先,高精度、高精度的仪器永远是昂贵的。其次,高精度、高精度的仪器可能需要仔细安装,这可能是不可能的,因为振动,热膨胀/收缩?#21462;?#31532;三,某些类型的高精度、高精度的仪器也是微妙的,如果环?#31243;?#20214;发生变化,尤其是温度、污垢、湿度和凝结,就会发生?#25910;?#25110;?#25910;稀?/p>

  

  最优的策略是指定什么是必需的-没有更多,也没有更少。例如,在工业流量计中的位移传感器中,线性度不是一个关键要求,因为流体的流动特性很可能是非线性的。更有可能的是,在不同环?#31243;?#20214;下的重复性和稳定性是关键要求。

  

  在数控机床中,精度和精度很可能是关键要求。因此,一?#25351;?#31934;度(线性)、高分辨率、高重复性的位移测量仪,即使在不需要维护的肮脏潮湿环境中也是关键。

  

  一个好的提示是总是阅读任何测量仪器的规格的小字-特别是关于声称的精度和精度如何变化的环境影响,年龄或安装公差。

  

  另一个有用的提示是准确地了解一个仪器的线性度是如何变化的。如果这种变化是单调的,并且变化缓慢,那么利用几个参照点就可以很容易地校准出非线性。例如,对于间隙测量装置,可以使用一些滑动量规来实现这一点。在下面的示例中,将相当非线性的传感器校准到具有相对?#31995;?#21442;考点的高度线性(精确)设备。

 

  然而,在第二个例子中,一个快速变化的装置被校准为10个点,其线性度几乎没有变化。这种快速变化的测量特性可能需要超过1000个点才能线性化。这种方法不太可能适用于滑动量规,但将查表中的读数与更高性能的参考装置(如激光干涉仪)进行比较可能是可行的。

 

  常见的光学编码器

  

  光学编码器的工作方式是将光源照耀在光学元件上或通过光学元件-通常是玻璃?#25165;獺?#20809;要么被阻?#29627;?#35201;么穿过磁盘的光栅,产生一个类似于位置的信号。

  

  这些玻璃磁盘具有微小的特性,允许制造商声称其精度很高。通常不明确的是,如果这些微小的特征被?#39029;尽?#27745;垢、油脂等所掩盖,会发生什么。?#29575;?#19978;,即使是极少量的外?#27425;?#36136;也会造成误读.很少有任何?#25910;?#35686;告-该设备完全停止工作,并遭受“灾难性?#25910;稀薄?#36739;不为人所知的是光学编码器和光学编码器?#20934;?#30340;准确性问题。

  

  考虑使用分辨率为18位(256 K点)的1“标称盘的光学设备。通常,这种设备的声称精度可能是+/-10弧秒.然而,应该用粗体打印(但令人惊讶的是从来没有)的是,规定的精度假定磁盘相对于读头完全旋转,并且温度是恒定的。

  

  如果我们考虑一个更现实的例子,磁盘是稍微偏心安装0.001“(0.025mm)。


 

 

      

  偏心有几个来源,包括以?#24405;?#20010;方面:

  

  集线器上玻璃盘的同心度。

  

  集线器通孔相对于光盘的同心度。

  

  轮毂相对于光盘平面的垂直度。

  

  光盘面与读取头平面的平行度。

  

  安装轮毂的轴的同心度。

  

  支撑主轴的轴承和轴承座的间隙。

  

  轴承不完全对齐。

  

  轴的圆度和毂的贯通孔的圆度。

  

  定位方法(通常情况下,螺丝钉会把轮毂拉到一边).

  

  由于轴承受力或应变引起的位移。

  

  热效应

  

  完美安装的光盘需要这样精细的工程,成本变得令人望而?#24202;健?#23454;际上,存在测量误差,因为光盘不是读头认为的位置。如果我们考虑安装误差为0.001“,那么测量误差相当于光学轨道半径所对应的角度为0.001”。为了简化数学运算,我们假设轨道的半径为0.5“。

  

  这相当于2毫弧度或412弧秒的误差。换句话说,规格精度为10弧秒的器件比其数据手册精确度低40倍。

  

  如果你准确地将光盘定位在0.001英寸以内,那么你的确做得非常好。实际上,你更有可能在2-10千分之一的范围内,所以实际精度将是80-比您最初计算的差400倍。

  

  旋转变压器或新一代感应装置的测量原理完全不同。测量基于转子(盘)和定子(读取器)之间的互感。不是根据在某点读取的读数计算位置,而是在定子和转子的整个面上产生测量值。因此,由器件的相对部分处的相反效应抵消了由器件的一部分中的非同心性引起的差异。分辨率和精度的标题数字通常不如光学编码器那样令人印象深刻。然而,重要的是这种测量性能在一系列非理想条件下得以保持。

  

  一些新一代电感装置的引用测量性能不是基于转子和定子的完美对准,但是在任?#25105;?#29992;的分辨率,可重复性和精度方面都考虑了实际可实现的公差(通常为+/- 0.2mm)。此外,所述电感装置的性能不会因异物,湿度,寿命,轴?#24515;?#25439;或振动而变化。


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