logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Rzadko zadawane pytania: poprawić dokładność i powtarzalność pomiarów przechyłu

ghost666 11 Sie 2016 14:02 2493 0
  • Rzadko zadawane pytania: poprawić dokładność i powtarzalność pomiarów przechyłu
    Pytanie: Chciałbym poprawić dokładność i powtarzalność pomiarów przechyłu dokonywanych z pomocą inklinometru ADIS16209. Czy mogę np. połączyć kilka sensorów równolegle, aby uzyskać lepszą dokładność pomiaru?

    Odpowiedź: W teorii - tak, taka technika może zostać zastosowana do zwiększenia dokładności pomiaru kąta przechyłu wykorzystując kilka inklinometrów i uśredniając ich pomiary. Głównym powodem, który to umożliwia jest fakt, że szum tych sensorów jest ze sobą nieskorelowany, więc uśrednianie wyników pomiarów z kilku sensorów pozwala na zmniejszenie poziomu szumu, co przekłada się też na zwiększenie stosunku sygnału do szumu.

    Projektanci układów MEMS, takich jak ADIS16209, starają się stworzyć coraz lepsze i precyzyjniejsze sensory. Mimo tego inżynierowie, projektujący systemy elektroniczne, starać się będą wycisnąć z tych układów tyle, ile tylko się da, stosując różne sztuczki na etapie projektowania systemów elektronicznych. Warto za każdym razem projektując układ elektroniczny pamiętać nie tylko o samym poprawianiu, ale nawet wstępnych szacunkach co do rzędu wielkości, o jaki poprawimy dokładność pomiarów.

    Sygnały wyjściowe z inklinometrów mogą być sumowane i uśredniane wykorzystując cyfrowe przetwarzanie danych w mikrokontrolerze. Taki zabieg istotnie pomoże nam w zmniejszeniu poziomu szumu w sygnale, podobnie jak pomaga w tym np. oversampling. Jeśli teraz uśrednimy sygnał z np. czterech sensorów to w idealnej sytuacji mając do dyspozycji elementy o dokładności 0,1° uzyskamy pomiar o dokładności wynoszącej 0.025°.

    Niestety rzeczywistość nie jest tak prosta: drobne nieliniowości inklinometrów, które będą inne dla każdego sensora, spowodują, że każdy z elementów będzie charakteryzował się inną funkcją przejścia - część wynikać będzie z architektury systemu, część jest wynikiem różnic produkcyjnych pomiędzy poszczególnymi elementami. Wszystkie związane z tym zjawiska składać się będą na ogólnie pojęty szum, generowany w systemie. Zasadniczo szum ten jest nieskorelowany pomiędzy poszczególnymi sensorami, co pozwala na jego eliminację uśredniając sygnał z wielu sensorów. Jednakże, pamiętać trzeba, że uśrednianie sygnałów spowoduje zwiększenie amplitudy tych sygnałów szumowych, które mają tą samą częstotliwość i fazę. Powoduje to niestety także częściowe zwiększenie poziomu szumu i pomniejszenie dokładności układu połączonych równolegle sensorów.

    Gdy dwa nieskorelowane sygnały, takie jak biały szum, są do siebie dodawane wynikowa suma tych dwóch sygnałów - pierwiastek sumy kwadratów - jest większa od amplitudy pojedynczego sygnału o czynnik $$\frac {sqrt{1+1}}{2} \approx 0,707$$ dla dwóch równych amplitud wejściowych.

    Jeśli $$V_{rms-szum}$$ dla jednego sensora, to średni szum pochodzący z dwóch równolegle połączonych sensorów wynosić będzie:

    $$\frac {sqrt{V_{rms-szum_1}^2 + V_{rms-szum_1}^2 }} {2} = \frac {sqrt{2} V_{rms-szum_1}} {2} = V_{rms-szum_1} \times 0,707$$


    Dodając do siebie dwa identyczne, skorelowane sygnały, które następnie uśredniamy to sygnał użyteczny będzie podobny - dwa razy sygnał, podzielony na dwa - a losowy, nieskorelowany szum będzie o połowę mniejszy. Przekłada się to na zwiększenie sygnału (ponad szum - SNR) o 3 dB. Wszystkie nieskorelowane nieliniowości poszczególnych, podłączonych równolegle sensorów, będą się w ten sposób znosiły i ich obecność w sygnale wyjściowym, będzie o wiele mniejsza.

    Jednakże, koniecznie trzeba pamiętać o tym, że w równoległym łączeniu sygnałów z sensorów może zapobiec uzyskaniu pełnego, dwu- czy czterokrotnego zwiększenia stosunku sygnału do szumu. Po pierwsze, każdy z łączonych inklinometrów, musi być wystawiony na taki sam sygnał, to jest pochylony dokładnie w ten sam sposób w tej samej osi. Przestrzenne różnice w umieszczeniu poszczególnych sensorów, spowodować mogą, że każdy z sensorów, których sygnał uśredniać będziemy, mierzyć będzie minimalnie inny kąt na każdej z osi sensora. Dodatkowo, różne detale m.in. projektu płytki drukowanej czy samego montażu, powodować mogą powstawanie w systemie pewnych offsetów w mierzonym sygnale. Montaż powodować może także, że osie poszczególnych sensorów nie będą przebiegały równolegle do siebie. W przypadku montażu systemu z wieloma inklinometrami, których uśredniamy sygnał, zapewnić trzeba możliwie precyzyjny montaż elementów na PCB, co zapewni możliwie małe rozbieżności pomiędzy pomiarami poszczególnych sensorów. Na ocenę precyzji ułożenia osi poszczególnych sensorów wpływ ma precyzja montażu oraz wariancja położenia osi sensora względem obudowy w której on się znajduje. Dane te dostępne są w karcie katalogowej układu.

    Rzadko zadawane pytania: poprawić dokładność i powtarzalność pomiarów przechyłu

    Dwuosiowy inklinometr - np. ADIS16209 - i relatywna dokładność ułożenia osi X i Y, które mają ogromny wpływ na precyzję pomiaru systemu uśredniającego dane z szeregu sensorów. Dla inklinometru o trzech osiach dodatkowo na precyzję ma wpływ także położenie trzeciej osi - Z.


    Niedokładności montażu poszczególnych elementów w tego rodzaju systemie można kompensować kalibrując każdy z elementów niezależnie, już po montażu w docelowym urządzeniu. Możliwe jest to na przykład mierząc napięcie pomiędzy sensorami w stanie spoczynku (tj. gdy mierzony kąt powinien wynosić zero). Układy ADIS16209 zapewniają możliwość automatycznego kompensowania niedokładności wynikających z montażu w urządzeniu.

    Źródło: http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/50-07/raq-131.HTML

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA