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Sensor

Sensor-Genauigkeitsbudget

Berechnet die Gesamtgenauigkeit des Sensorsystems mit RSS- und Worst-Case-Methoden aus Offset-, Verstärkungs- und Temperaturdriftfehlern.

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Formel

e_RSS = √(e₁² + e₂² + ... + eₙ²)

e_WC— Worst-case: sum of all errors (% FS)
e_RSS— RSS: root-sum-square (% FS)

Wie es funktioniert

Ein Sensorgenauigkeitsbudget ist eine systematische Analyse aller Fehlerquellen in einer Messkette und ihrer kombinierten Auswirkung auf die Gesamtsystemgenauigkeit. Zu den einzelnen Fehlerbegriffen gehören: Offsetfehler (Nullpunktverschiebung vom Idealwert), Verstärkungs-/Empfindlichkeitsfehler (Steigungsabweichung), Nichtlinearität (Abweichung von einer geraden Linie), Auflösung (Quantisierung oder Grundrauschen) und Temperaturdrift (Änderung eines Parameters mit der Temperatur). Es werden zwei Kombinationsmethoden verwendet: Im schlimmsten Fall (Summe aller absoluten Fehler) wird davon ausgegangen, dass alle Fehler gleichzeitig an ihrem Maximum und in derselben Richtung liegen — dies ergibt eine garantierte Grenze, ist aber zu konservativ. RSS (root-sum-square) behandelt jeden Fehler als statistisch unabhängig und kombiniert ihn in Quadratur: e_total = √ (e² + e₂² +... + e²). RSS liefert eine realistische Schätzung für Systeme, bei denen die Fehler wirklich unabhängig und unkorreliert sind; es wird häufig in Instrumentierungs- und Kalibrierungsstandards verwendet. Verwenden Sie für sicherheitskritische Anwendungen das Worst-Case-Verfahren; bei Kompromissen beim Systemdesign verwenden Sie RSS als praktische Schätzung.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Temperatursensorsystem hat: Offset = 0,2% FS, Verstärkungsfehler = 0,3% FS, Nichtlinearität = 0,1% FS, Auflösung = 0,05% FS, Temperaturdrift = 0,01% FS/°C über einen Bereich von 25 °C. Berechnen Sie die Gesamtgenauigkeit. Lösung: 1. Temperaturfehler: e_temp = 0,01 × 25 = 0,25% FS 2. RSS-Gesamtwert: e_RSS = √ (0,2² + 0,3² + 0,1² + 0,05² + 0,25²) = √ (0,04 + 0,09 + 0,01 + 0,0025 + 0,0625) = √0,205 = 0,453% FS 3. Summe im schlimmsten Fall: e_WC = 0,2 + 0,3 + 0,1 + 0,05 + 0,25 = 0,90% FS Ergebnis: RSS-Genauigkeit ± 0,45% FS; im schlimmsten Fall ± 0,90% FS. Für einen Bereich von 100 °C beträgt der RSS-Fehler ±0,45 °C, im schlimmsten Fall ±0,90 °C.

Praktische Tipps

  • ✓Identifizieren Sie zuerst den dominanten Fehlerterm — wenn Sie ihn reduzieren, wird das System am meisten verbessert. Wenn die Temperaturdrift dominiert, ist eine zusätzliche Temperaturkompensation effektiver als eine Verbesserung der ADC-Auflösung.
  • ✓Durch die Systemkalibrierung können Offset- und Verstärkungsfehler vollständig ausgeschlossen werden, sodass nur Restnichtlinearität und Temperaturdrift im Budget verbleiben. Geben Sie immer die Genauigkeit nach der Kalibrierung an.
  • ✓Vergewissern Sie sich bei Vergleichen von Sensordatenblättern, ob die Genauigkeitsangaben vor oder nach der Kalibrierung vorliegen. Einige Hersteller geben das Gesamtfehlerband (TEB) einschließlich Temperaturdrift an, andere spezifizieren jeden Begriff separat.

Häufige Fehler

  • ✗Verwenden Sie für jede Budgetanalyse den Worst-Case-Fall — der schlimmste Fall für ein System mit 10 Fehlern kann fünfmal höher sein als RSS, was zu unnötig überspezifizierten und teuren Komponenten führt.
  • ✗Vergessen wir die Temperaturdrift als separaten Fehlerterm — wenn der Betriebstemperaturbereich 50 °C beträgt und die Drift 0,01% FS/°C beträgt, kann der Driftbeitrag (0,5% FS) alle anderen Begriffe dominieren.
  • ✗Korrelierte Fehler in RSS als unabhängig behandeln — wenn Offset und Gain aufgrund desselben Mechanismus beide mit der Temperatur zunehmen, sind sie korreliert und müssen direkt hinzugefügt werden, nicht in RSS.

Häufig gestellte Fragen

Verwenden Sie den Worst-Case-Modus für sicherheitskritische Anwendungen (medizinische Geräte, Sicherheitsinstrumente), für Typgenehmigungsprüfungen, bei denen garantierte Grenzen erforderlich sind oder wenn Fehler miteinander in Zusammenhang stehen. Verwenden Sie RSS für Studien zu Kompromissen bei der Konstruktion, bei der Auswahl von Komponenten und bei der Schätzung der typischen Genauigkeit, die ein Produktionssystem für seine gesamte Grundgesamtheit erreichen wird.
TEB ist eine einzige Spezifikation, die von einigen Sensorherstellern verwendet wird und alle Fehlerquellen (Offset, Verstärkung, Nichtlinearität, Temperatureffekte) über einen bestimmten Betriebstemperaturbereich umfasst. Dies ist die maximale Abweichung von der idealen Ausgangsleistung bei jeder Temperatur- und Druckkombination. TEB = Worst-Case-Gesamtfehler und ist die konservativste und nützlichste Spezifikation für den Systementwurf.
% FS (Prozent des Skalenendwerts) ist unabhängig vom Messwert derselbe absolute Fehler. Dies ist der Standard für Sensorspezifikationen.% des Messwerts bedeutet, dass der Fehler mit dem gemessenen Wert skaliert wird (häufig bei Multimetern). Umrechnen: absoluter Fehler = (% FS/100) × Endbereich. Bei einem Sensor von 0—100 kPa ist 0,5% FS = 0,5 kPa Fehler an einem beliebigen Punkt im Bereich.

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