Mark Kretschmar & Robert Repas, Lion Precision
בתור מתכנן מכונות או מהנדס, עליך להגדיר לעתים קרובות חיישנים לשם שימוש בתכנונים שלך. במהלך החיפושים שלך, אתה מתעמת עם שורה של מפרטי מוצרים עליהם אתה חייב להסתמך כדי לבחור את החיישן בעל יחס העלות/ביצועים המתאים. לרוע המזל, לא כל המפרטים של חיישני ההעתקה (displacement) מוצגים בצורה המאפשרת השוואה ישירה. הרזולוציה מהווה את התיאורים הלא-ברורים לעתים קרובות ובעלי ביצועים המוגדרים בצורה גרועה. הרזולוציה היא מפרט חשוב מאחר שללא רזולוציה מספקת אתה עלול לא להיות מסוגל לבצע בצורה אמינה את המדידה הדרושה, ואילו חיישן בעל ביצועים גבוהים מידי יעמיס ללא תועלת את תקציבך. הרזולוציה היא משמעותית בתוך הקונטקסט של רוחב-הפס של המערכת, היישום ושיטת המדידה ויחידת המדידה המשמשים את יצרן החיישן. “מפרט רזולוציה” פשוט בתוך דף הנתונים מספק לעתים רחוקות מספיק מידע לשם בחירת חיישן מיודעת במלואה. הבנה של מפרט חשוב זה תאפשר לך לעשות בצורה מהימנה יותר את הבחירה הנכונה של חיישן ההעתקה.
יסודות
במהות, רזולוציה היא המדידה הקטנה ביותר שחיישן יכול להראות בצורה אמינה. לפני שנדון בכך באופן מפורט, חשוב להבין מה שרזולוציה איננה: היא איננה דיוק. לחיישן מאוד לא מדויק יכולה להיות רזולוציה מאוד גבוהה, וחיישן בעל רזולוציה נמוכה יכול להיות מדויק מאוד ביישומים אחדים. רזולוציה איננה הספרה פחותת-הערך בתצוגה או הביט פחות-הערך בהמרה בין העולמות הדיגיטלי והאנלוגי. להתקנים דיגיטליים יש מפרט רזולוציה מבוסס על הספרה/הביט פחותי-הערך, ואם הדבר איננו מספק, הוא עשוי להפחית את הרזולוציה הכוללת של החיישן, אולם הגבול הבסיסי של רזולוציית החיישן נקבע בעולם האנלוגי; הקרב על רזולוציות גבוהות יותר בתכנון חיישנים הוא ראשית קרב נגד רעש חשמלי.
הרעש החשמלי במוצא של חיישן הוא הגורם הראשוני המגביל את המדידה הקטנה ביותר שלו. כל הרכיבים האלקטרוניים יוצרים שינויים אקראיים קטנים בפוטנציאל המתח המתחברים דרך המעגלים ומופיעים כפס של רעש כאשר מסתכלים עליהם באוסילוסקופ (איור 1). הרעש החשמלי הוא גורם בכל מערכת אלקטרונית המנסה לגלות שינויים מאוד קטנים במתח. לדוגמה, רעש אלקטרוני גורם לגרגריות התמונה בטלסקופים המשתמשים בגלאי CCD.
המשתמשים לא יכולים לראות עצמים קטנים מרוחקים אם העצמים הם באותו הגודל כמו הגרגירים הנוצרים על-ידי הרעש. טלסקופים איכותיים אחדים משתמשים ב-CCDs בעלי קירור-על משום שטמפרטורות מאוד נמוכות כמעט מבטלות את התנועה האקראית של מטענים ב-CCD ומפחיתים בדרך זו את הרעש החשמלי כמעט עד אפס. בנוכחות רעש מאוד נמוך, ניתן לראות בנקל את העצמים הקטנים. עבורך, המהנדס המגדיר חיישן העתקה או מצב, הבעיה העיקרית היא זו: המדידה שלך של העתקה של 1 מיקרו-מטר תיעלם אם לחיישן יש 10 מיקרו-מטר של רעש במוצא. הרזולוציה של החיישן הנבחר שלך חייבת להיות נמוכה בצורה משמעותית מאשר המדידה הקטנה ביותר שאתה מנסה לבצע, אולם מפרטי הרזולוציה של החיישן עשויים להטעות. רוחב-הפס, יחידת המדידה ומידע אחר צריכים להיות כלולים במפרט הרזולוציה כדי לחזות את המדידה הקטנה ביותר שתוכל לבצע ביישום המסוים שלך.
רזולוציה ורוחב-פס
רוחב-הפס (ההיענות לתדר) מראה כיצד חיישנים מגיבים בתדרים שונים. חיישנים בעלי רוחב-פס גבוה יותר יכולים למדוד תנועה ורעידות בתדר גבוה יותר. רעש חשמלי הוא לרוב רחב-פס, כלומר הוא מכיל ספקטרום רחב של תדרים. מסנן מעביר-נמוכים יקטין או יבטל את הרעש בתדר גבוה, תוך הקטנת רוחב-הפס של החיישן. לאותות שעברו מסנן מעביר-נמוכים יש פחות רעש ולכן רזולוציה טובה יותר, אולם על חשבון רוחב-הפס השימושי. איור 2 מראה את הרעש של חיישן בעל רוחב-פס של 15 קילו-הרץ, ואיור 3 מראה את אותו מוצא של חיישן עם מסנן מעביר-נמוכים של 100 הרץ.
בשל רמת הרעש הנמוכה יותר, תוכל לראות העתקות קטנות יותר עם הסינון המעביר-נמוכות, אולם לא תהיה מסוגל לגלות בצורה מדויקת העתקות המופיעות בתדרים של 100 הרץ או מעל זה. זו הסיבה שמפרט רזולוציה, מלבד מפרט רוחב-הפס, איננו לגמרי שימושי. עליך לדעת אם מפרט הרזולוציה יהיה תקף בתדר בו אתה צריך לבצע את המדידה שלך. גם במקרה שלחיישן עשוי להיות מפרט כולל של רוחב-פס של 1 קילו-הרץ או יותר, הרזולוציה עשויה להיות מוגדרת ב-100 הרץ או פחות, אולם דף הנתונים עשוי לא לציין זאת במפורש. אל תצפה שמפרט רוחב-הפס הכולל ומפרט הרזולוציה של החיישן יכולים להיות מושגים בו-זמנית.
יצרנים אחדים מספקים שני מפרטי רזולוציה: סטטית ודינמית. המפרט הסטטי תקף רק כאשר מוצא החיישן מסונן במעביר-נמוכים עבור רוחב-פס מאוד נמוך, לעתים עד כדי 10 הרץ. דבר זה שימושי אם תשתמש בחיישן עם מסנן רוחב-פס שווה-ערך כדי למדוד מערכות הנעות באיטיות. המפרט הדינמי תקף לרוב עבור חיישנים ללא-סינון; זוהי הרזולוציה שאתה יכול לצפות כאשר משתמשים בחיישן ברוחב-פס מלא ביישומים דינמיים מהירים. אם דף הנתונים משתמש במושגים של סטטי ודינמי, חפש הערה המגדירה במדויק אילו תדרים מיוצגים על-ידי המונחים סטטי ודינמי. עד שיהיו לך תדרים אמיתיים, לא תוכל לדעת אם החיישן מהווה בחירה טובה עבור היישום שלך. Lion Precision מציינת רזולוציה ברוחבי-פס ספציפיים, ומונעת בכך את כל מלאכת הניחוש.
היכן נמצא המסנן?
תכנוני מסננים מעבירי-נמוכים מסחריים תלויים בהרבה פרמטרים בנוסף לתדר הקיטעון. כתוצאה, שני מסננים של 1 קילו-הרץ עשויים לגרום לתוצאות שונות כאשר משתמשים בהם עם החיישן שלך. כאשר רזולוציית החיישן מיוחסת לרוחבי-פס נמוכים יותר, חשוב ביותר שתדע אם המסנן המשמש למדידת הרזולוציה הוא חלק אינטגרלי של החיישן. אם מסנן רוחב-הפס הוא אינטגרלי עם החיישן, אתה יכול להיות בטוח שתשיג את הרזולוציה המוצהרת. אם היצרן השתמש במסנן חיצוני כדי ליצור את המפרט, כגון אופציה של הגבלת רוחב-הפס במערכת איסוף נתונים או אוסילוסקופ, יהיה עליך לרכוש מסנן זהה כדי להבטיח את אותן התוצאות. חיישני Lion Precision כוללים מסנני רוחב-פס אינטגרליים המבטיחים שהביצועים המעשיים יתאימו למפרט.
יחידות מדידה
מפרט רזולוציה ניתן לנקוט בוולטים, אחוזים של הסקאלה המלאה או יחידות ממדיות. אולי המשמעותי ביותר עבור המהנדס המנסה למדוד מצב/העתקה הוא היחידות הממדיות. מפרט של יחידות ממדיות, כגון ננו-מטרים, יצביע בבירור על מדידת ההעתקה הקטנה ביותר שאתה יכול למדוד עם החיישן. אם המפרט נתון כאחוז, יש להכפיל ערך זה בטווח החיישן כדי לקבוע את מדידת ההעתקה הקטנה ביותר האפשרית. אם המפרט נתון כמתח, יש להכפיל את הערך ברגישות החיישן (יחידות העתקה/שינויים במתח) כדי לקבוע את מדידת ההעתקה הקטנה ביותר האפשרית. לאחר שאתה יודע את הרזולוציה של החיישן ביחידות ממדיות, יש לקבוע באופן קריטי אם המפרט מייצג ערך RMS או שיא-לשיא.
ההבדל בין (root mean square) ו-שיא-לשיא (המכונה לעתים בשם שווה-הערך שיא-לעמק) חשוב ביותר כדי להבין את הביצועים המוחלטים של החיישן. שיטות אנלוגיות של מדידת ערכים אלה כוללות מודדים מיוחדים ופענוח ויזואלי של תצוגת אוסילוסקופ.
בעולם הדיגיטלי, ערכים אלה מחושבים על-ידי לכידה של מספר גדול של דגימות של מתח המוצא וניתוח הנתונים בצורה סטטיסטית.
מדידת RMS של אותות חשמליים דינמיים מראה את ההספק שווה-הערך ממקור DC. הוא דומה, אך לא זהה, לערך הממוצע. ערכי RMS ניתן לקבוע בעזרת מדים אנלוגיים המודדים את הספק האות ומשווים אותו למתח DC אשר היה מפיק את אותו ההספק. ערך ה-RMS, לאחר הפיכתו לדיגיטלי וניתוח סטטיסטי, שווה לסטיית התקן של הדגימות הלכודות. RMS הוא המפרט המשמעותי ביותר כאשר מודדים רעידה בפס רחב.
שיא-לשיא (peak-to-peak, P-P) הוא ההבדל בין שיאי המקסימום והמינימום של רעש במשך תקופת זמן מסוימת. איור 3 מראה רמת רעש P-P של 2.4 מילי-וולט במשך שנייה אחת. אם האות נלכד דיגיטלית, ניתן לנתח את הדגימות כדי למצוא את שיאי המקסימום והמינימום. אם הדגימות יוצרות פילוג נורמלי (גאוסי) מושלם, ערך ה-P-P ניתן להערכה כשש פעמים סטיית התקן, אולם למעשה, זהו מקרה נדיר. אותות רעש מתנהגים לעתים רחוקות כה יפה וכוללים לרוב שיאים כוזבים (spurious peaks) היוצרים ערך P-P מעשי בעל ערך הרבה יותר גבוה מאשר שש פעמים סטיית התקן. משמעות הדבר היא שערכי הרזולוציה המוגדרים בתחום ה-P-P שלהם צריכים להיות לפחות שש פעמים יותר גדולים מאשר ערכי ה-RMS והם לרוב הרבה יותר גבוהים מזה. ערך ה-2.4 מילי-וולט באיור 3 מתורגם ל-0.29 מילי-וולט RMS; ערך ה-P-P הוא יותר גבוה מאשר שמונה פעמים ערך ה-RMS במקרה זה.
ערך ה-P-P הוא המפרט המתאים ביותר אם אתה מנסה לקבוע באופן רציף את המצב הרגעי של המטרה שלך. בכל רגע נתון, מוצא החיישן יכול להשתנות בכמות שווה למפרט הרזולוציה P-P; לכן מדידת המצב שלך עשויה להשתנות באותה המידה.
לקרוא את דפי הנתונים
כדי להבין במלואה את הרזולוציה של חיישן שאתה בוחן, עליך לזהות במלואם את הפרמטרים הבאים במפרט:
מפרט(י) הרזולוציה
רוחב-הפס בו מושגת הרזולוציה המוצהרת
האם מסנני רוחב-פס כלשהם משולבים בחיישן
יחידה וסוג (P-P או RMS) של המדידה של מפרט הרזולוציה
רוב דפי-הנתונים של חיישנים כוללים מפרט רזולוציה, אך הם עשויים לא לספק את כל המידע הדרוש לשם הבנת הרזולוציה האמיתית שתהיה לך ביישום שלך. רזולוציה ניתן לרשום כמפרט יחיד התואם את כל התחומים עבור דגם מסוים, או שיתכן שיהיו מפרטי רזולוציה נפרדים עבור כל שילוב של חיישן/תחום. דף הנתונים יכלול לרוב מפרט רוחב-פס עבור החיישן, אבל הוא יכול לרשום או לא את רוחב-הפס בו מוגדרת הרזולוציה; יתכן שיהיה צורך לחפש את רוחב-הפס של הרזולוציה בהערות שוליים או הדפסה זעירה אחרת. אם רוחב-הפס אינו רשום, תצטרך לבדוק עם היצרן שמפרט הרזולוציה עונה בכל רוחב-הפס המלא של המערכת. אם מידע על הרזולוציה ניתן ברוחבי-פס מרובים, יתכן שיהיה קשה לקבוע אם מסנני רוחב-הפס משולבים עם החיישן. אם החיישן מצוין כזמין בתצורות רוחב-פס מרובים, המסננים יהיו קרוב לוודאי משולבים ומפרט הרזולוציה יתאים לחיישן שתקבל. אם אין אזכור של יכולת החיישן להיות מעוצב ברוחבי-פס שונים, תצטרך לשאול את היצרן כיצד הושגו רוחבי-פס שונים כאשר נמדדה הרזולוציה.
מאחר שמפרטי רזולוציה RMS הם תמיד נמוכים משמעותית מאשר P-P, רוב דפי הנתונים יציינו רזולוציה בתור ערך RMS. אם אתה מודד מצב רגעי רציף, תצטרך לדעת את הרזולוציה P-P. דף הנתונים עשוי לכלול את שני ערכי RMS ו-P-P, או מכפיל להמרת ערך ה-RMS ל-P-P. אם לא רשומים ערך P-P או מכפיל, תצטרך להתקשר ליצרן; בינתיים, אתה יכול להעריך שערך ה-P-P הוא לפחות פי שישה גבוה יותר או לרוב קרוב לפי עשר יותר גבוה.
בתור מהנדס, התנסית בסבל של גילוי באמצע התהליך שמרכיב כלשהו של המערכת שלך איננו מתפקד כמצופה. על-ידי הבנה של רזולוציית החיישן, הקשר שלה עם רוחב-הפס ויחידות המדידה השונות, אתה יכול עתה לקבל החלטות אמינות אודות חיישני ההעתקה.
הכתבה באדיבות להט טכנולוגיות
