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Klassifizierungsanalyse der Sensormessungsfehler
May 13, 2017

Ein guter Sensor gehorcht den folgenden Regeln:

Es ist empfindlich auf die gemessene Eigenschaft

Es ist unempfindlich gegenüber irgendeinem anderen Eigentum, das wahrscheinlich in seiner Anwendung auftritt, und es hat keinen Einfluss auf die gemessene Eigenschaft.

Die meisten Sensoren haben eine lineare Übertragungsfunktion. Die Empfindlichkeit wird dann als das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal und der gemessenen Eigenschaft definiert. Zum Beispiel, wenn ein Sensor die Temperatur misst und einen Spannungsausgang hat, ist die Empfindlichkeit eine Konstante mit den Einheiten [V / K]. Die Empfindlichkeit ist die Steigung der Übertragungsfunktion. Die Umwandlung der elektrischen Leistung des Sensors (zB V) zu den gemessenen Einheiten (zB K) erfordert die Aufteilung der elektrischen Leistung durch die Steilheit (oder multipliziert mit ihrem reziproken). Zusätzlich wird häufig ein Versatz addiert oder subtrahiert. Zum Beispiel muss -40 dem Ausgang hinzugefügt werden, wenn die 0 V-Ausgabe dem Eingang -40 C entspricht.

Für ein analoges Sensorsignal, das verarbeitet werden soll oder in digitalen Geräten verwendet wird, muss es mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt werden.


Sensorabweichungen

Da Sensoren keine ideale Übertragungsfunktion replizieren können, können verschiedene Arten von Abweichungen auftreten, die die Sensorgenauigkeit begrenzen:

Da der Bereich des Ausgangssignals immer begrenzt ist, wird das Ausgangssignal schließlich ein Minimum oder Maximum erreichen, wenn die gemessene Eigenschaft die Grenzen überschreitet. Der Skalenbereich definiert die Maximal- und Minimalwerte der gemessenen Eigenschaft.

Die Empfindlichkeit kann sich in der Praxis von dem angegebenen Wert unterscheiden. Dies wird als Empfindlichkeitsfehler bezeichnet. Dies ist ein Fehler in der Steilheit einer linearen Übertragungsfunktion.

Wenn sich das Ausgangssignal durch eine Konstante vom korrekten Wert unterscheidet, hat der Sensor einen Versatzfehler oder eine Vorspannung. Dies ist ein Fehler im y-Intercept einer linearen Übertragungsfunktion.

Nichtlinearität ist Abweichung der Übertragungsfunktion eines Sensors von einer Geradenübertragungsfunktion. Normalerweise ist dies durch die Menge definiert, die die Ausgabe von dem idealen Verhalten über den gesamten Bereich des Sensors unterscheidet, oft als Prozentsatz des gesamten Bereichs angegeben.

Abweichung, die durch schnelle Änderungen der gemessenen Eigenschaft über die Zeit verursacht wird, ist ein dynamischer Fehler. Oft wird dieses Verhalten mit einem Bode-Diagramm beschrieben, das Empfindlichkeitsfehler und Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz eines periodischen Eingangssignals zeigt.

Wenn sich das Ausgangssignal langsam von der gemessenen Eigenschaft ändert, wird dies als Drift definiert. Langzeitdrift über Monate oder Jahre wird durch physikalische Veränderungen im Sensor verursacht.

Lärm ist eine zufällige Abweichung des Signals, das sich zeitlich ändert.

Ein Hysteresefehler bewirkt, dass der Ausgangswert in Abhängigkeit von den vorherigen Eingabewerten variiert. Wenn der Ausgang eines Sensors unterschiedlich ist, je nachdem, ob ein bestimmter Eingangswert erreicht wurde, indem er den Eingang verringert, dann hat der Sensor einen Hysteresefehler.

Wenn der Sensor einen digitalen Ausgang hat, ist der Ausgang im Wesentlichen eine Annäherung der gemessenen Eigenschaft. Dieser Fehler wird auch als Quantisierungsfehler bezeichnet.

Wenn das Signal digital überwacht wird, kann die Abtastfrequenz einen dynamischen Fehler verursachen oder wenn sich die Eingangsvariable oder das hinzugefügte Rauschen periodisch bei einer Frequenz nahe einem Vielfachen der Abtastrate ändert, können Aliasing-Fehler auftreten.

Der Sensor kann bis zu einem gewissen Grad empfindlich gegenüber anderen Eigenschaften als der zu messenden Eigenschaft sein. Zum Beispiel werden die meisten Sensoren durch die Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst.

Alle diese Abweichungen können als systematische Fehler oder zufällige Fehler eingestuft werden. Systematische Fehler können manchmal durch eine Art Kalibrierstrategie kompensiert werden. Lärm ist ein zufälliger Fehler, der durch Signalverarbeitung, wie zB Filterung, in der Regel auf Kosten des dynamischen Verhaltens des Sensors reduziert werden kann.


Lösung

Die Auflösung eines Sensors ist die kleinste Veränderung, die er in der Menge erkennen kann, die er misst. Die Auflösung eines Sensors mit einem digitalen Ausgang ist in der Regel die Auflösung des Digitalausgangs. Die Auflösung bezieht sich auf die Präzision, mit der die Messung durchgeführt wird, aber sie sind nicht dasselbe. Die Genauigkeit eines Sensors kann erheblich schlechter sein als seine Auflösung.