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センサー精度バジェット

オフセット、ゲイン、非線形性、分解能、温度ドリフト誤差からRSSとワーストケース法でセンサーシステム総合精度を計算します。

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公式

e_RSS = √(e₁² + e₂² + ... + eₙ²)

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

仕組み

センサー精度バジェットは、測定チェーン内のすべてのエラーソースと、それらが組み合わさってシステム全体の精度に及ぼす影響を体系的に分析したものです。個々の誤差項には、オフセット誤差 (理想からのゼロシフト)、ゲイン/感度誤差 (勾配偏差)、非直線性 (直線からの偏差)、分解能 (量子化またはノイズフロア)、温度ドリフト (温度によるパラメータの変化) などがあります。2 つの方法を組み合わせて使用します。ワーストケース (すべての絶対誤差の合計) では、すべての誤差が同時に最大値で同じ方向にあると仮定します。つまり、限界は保証されますが、過度に保守的です。RSS (二乗和平方根) は、各誤差を統計的に独立したものとして扱い、直交法で結合します。つまり e_total = √ (e² + e₂² +... + e²) です。RSS は、誤差がまったく独立していて相関関係がないシステムを現実的に推定します。RSS は計装や校正の標準で一般的に使用されています。セーフティクリティカルなアプリケーションにはワーストケースを使用し、システム設計のトレードオフがある場合は作業見積もりとして RSS を使用してください。

計算例

問題：温度センサー・システムには、25°Cの範囲にわたるオフセット = 0.2% FS、ゲイン誤差 = 0.3% FS、非直線性 = 0.1% FS、分解能 = 0.05% FS、温度ドリフト = 0.01% FS/°Cという特徴があります。総合精度を計算してください。
解決策:
1。温度誤差: e_temp = 0.01 × 25 = 0.25% FS
2.RSS 合計: 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.最悪の場合の合計: e_WC = 0.2 + 0.3 + 0.1 + 0.05 + 0.25 = 0.90% FS
結果: RSS の精度 ± 0.45% FS、ワーストケースの精度 ± 0.90% FS。100 °Cのスパンの場合、RSS誤差は±0.45°C、ワーストケースでは±0.90°Cです。

実践的なヒント

  • ✓最初に主要な誤差項を特定します。誤差を減らすことで、システムの改善が最も大きくなります。温度ドリフトが支配的である場合は、ADC の分解能を向上させるよりも温度補償を追加するほうが効果的です。
  • ✓システムのキャリブレーションによってオフセット誤差とゲイン誤差を完全に排除でき、残留非直線性と温度ドリフトのみが予算に残ります。必ずキャリブレーション後の精度を指定してください。
  • ✓センサーのデータシートを比較する場合は、精度仕様がキャリブレーション前かキャリブレーション後かを確認してください。温度ドリフトを含むトータルエラーバンド（TEB）を指定しているメーカーもあれば、各用語を個別に指定しているメーカーもあります。

よくある間違い

  • ✗すべての予算分析にワーストケースを使う — 10エラーシステムのワーストケースはRSSの5倍にもなる可能性があり、不必要に過剰に規定されたり、高価なコンポーネントになってしまう。
  • ✗温度ドリフトは別の誤差項として忘れてください。動作温度範囲が50°Cでドリフトが 0.01% FS/°Cの場合、ドリフトの寄与（0.5% FS）が他のすべての条件の支配的になる可能性があります。
  • ✗RSSでは、相関誤差を独立したものとして扱う-同じメカニズムでオフセットとゲインの両方が温度とともに増加する場合、それらは相関関係にあるため、RSSではなく直接加算する必要があります。

よくある質問

ワーストケースは、セーフティクリティカルなアプリケーション（医療機器、安全機器）、保証範囲が必要な型式承認テスト、またはエラーが相関している場合に使用してください。RSS は、設計トレードオフの検討や部品の選定や、生産システムが全生産システムで達成できる一般的な精度を見積もるときに使用します。
TEBは、特定の動作温度範囲におけるすべての誤差源（オフセット、ゲイン、非直線性、温度効果）を網羅する単一の仕様で、一部のセンサーメーカーが使用しています。これは任意の温度と圧力の組み合わせにおける理想的な出力からの最大偏差です。TEB = ワーストケースの総誤差であり、システム設計において最も保守的で有用な仕様です。
% FS (フルスケールのパーセント) は、測定値に関係なく同じ絶対誤差です。これはセンサー仕様の標準です。読み取り値の% は、測定値（マルチメーターでは一般的）に応じて誤差がスケーリングされることを意味します。変換:絶対誤差 = (% FS/100) × フルスケールレンジ0～100 kPa のセンサーの場合、範囲内の任意のポイントで 0.5% FS = 0.5 kPa の誤差になります。

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