Dokładność i rozdzielczość czujników kąta magnetycznego

Dokładność oznacza różnicę między wartością zmierzoną i wartością prawdziwą. W przypadku czujników położenia, dokładność określa, jak precyzyjnie wynik pomiaru kąta odzwierciedla kąt rzeczywisty. Jeśli chodzi o rozdzielczość, określa ona najmniejszą zmianę mierzonego parametru, którą czujnik jest w stanie wykryć. W magnetycznych czujnikach położenia jest to najmniejsza, zauważalna dla czujnika, zmiana kąta. Parametr ten ocenia wrażliwość czujnika na mikroskopijne zmiany położenia. Czujnik o dużej rozdzielczości może wykrywać nawet najmniejsze zmiany położenia.

Warto zaznaczyć, że duża rozdzielczość nie oznacza automatycznie dużej dokładności. Czujnik może być bardzo wrażliwy na małe zmiany położenia (zapewniać dużą rozdzielczość), ale może być przy tym niedokładny, jeśli wyniki pomiarów systematycznie odbiegają od wartości prawdziwej. Analogicznie, czujnik może cechować się dużą dokładnością, regularnie dostarczając odczytów bliskich prawdziwej wartości, ale ze względu na małą rozdzielczość może nie być w stanie wykryć małych zmian położenia. Znalezienie równowagi między rozdzielczością i dokładnością stanowi wyzwanie dla inżynierów, w zależności od wymagań konkretnej aplikacji.

Projektant powinien dobrze zrozumieć, które parametry systemu można regulować, aby poprawić dokładność lub rozdzielczość czujnika oraz wiedzieć, w jaki sposób producenci prezentują je na kartach katalogowych. Niestety, każde poprawienie parametru odbywa się jakimś kosztem i to samo dotyczy zwiększania rozdzielczości lub dokładności. Znalezienie właściwej równowagi między tymi dwoma parametrami wymaga starannej oceny różnych kompromisów.

Aby zwiększyć rozdzielczość, ważne jest zminimalizowanie szumu. Do jego redukcji można zastosować uśredniający filtr wyjściowy. Poprawia on rozdzielczość przez wygładzanie przypadkowych fluktuacji w odczytach czujnika. Niestety, tego typu filtr równocześnie zmniejsza szerokość pasma, co oznacza, że reakcja systemu na przyspieszenia zostanie proporcjo- Dokładność i rozdzielczość czujników kąta magnetycznego nalnie opóźniona. Jeśli okno filtru zostanie ustawione zbyt szeroko, może to prowadzić do pogorszenia odpowiedzi na zmiany położenia i zwiększyć ryzyko niestabilności pętli sterowania serwomechanizmu. Podstawową zasadą dla czujników kąta magnetycznego opartych na efekcie Halla jest to, że uzyskanie dodatkowego pół bita rozdzielczości równocześnie wiąże się ze zmniejszeniem o połowę szerokości pasma.

Zwiększenie dokładności (lub zmniejszenie nieliniowości całkowej – INL) można osiągnąć poprzez kalibrację. Kalibracja wyjścia czujnika po jego zainstalowaniu w systemie pozwala skompensować efekty tolerancji mechanicznych i niedoskonałości magnesu, pozostawiając tylko dryf temperatury jako główny czynnik wpływający na IN. Jednak wiąże się to ze zwiększonymi kosztami. Kalibracja wymaga czasu, zasobów i specjalistycznej wiedzy, co przekłada się na większe koszty produkcji.

 

Rys. 1. Specjalizowany czujnik kąta MA600

Gdy wymagana jest duża rozdzielczość, szerokie pasmo lub mała nieliniowość INL (np. <0,1°), specjalizowane czujniki kąta, takie jak MA600 firmy MPS, mogą zapewnić doskonałą równowagę między parametrami i ceną (rys. 1). Układ ten oferuje szersze pasmo i większą rozdzielczość niż czujniki Halla, a jednocześnie jest znacznie tańszy od najlepszego dostępnego rozwiązania, czyli enkodera optycznego. Ponieważ MA600 został oparty na magnetorezystancji tunelowej (TMR), jego poziom szumu jest znacznie mniejszy niż w przypadku czujników opartych na efekcie Halla. Pozwala to zapewnić stosunkowo szerokie pasmo pracy układu.

Karty katalogowe producenta dostarczają szczegółowych informacji nie tylko w zakresie dokładności i rozdzielczości czujnika, ale też innych kluczowych parametrów, takich jak zakres temperatury pracy, napięcie zasilania, prąd spoczynkowy czy zakres indukcji magnetycznej. Jednak karty katalogowe nie są tworzone według jednego wzorca, co wymaga ostrożnego porównywania specyfikacji.

Na przykład, niektórzy producenci określają rozdzielczość dla zakresu szumu 1σ, co oznacza, że minimalna zmiana kąta może być wykrywana tylko w 68% przypadków. Tymczasem firma MPS określa rozdzielczość dla zakresu szumu ±3σ (rys. 2). Gwarantuje to, że różnica między dwoma kątami zostanie poprawnie wykryta w 99,7% przypadków. Nie wszyscy producenci reprezentują tak konserwatywne podejście, dlatego jest im łatwiej zaprezentować większą rozdzielczość czujnika, ignorując zakres szumu ±3σ.

Z drugiej strony dokładność (lub INL) to dość jednoznaczny parametr i istnieje mniej swobody w ukrywaniu jego rzeczywistej wartości. Należy jednak wziąć pod uwagę zakres temperatury, dla którego jest określany. Jak wspomniano wcześniej, kalibracja może zmniejszyć INL powodowany przez tolerancje mechaniczne lub magnetyczne, ale znacznie trudniej jest przeprowadzić kalibrację z uwzględnieniem dryft u temperatury.

 

Rys. 2. Poziom szumu ±3

Podsumowując, wybór odpowiedniego czujnika magnetycznego do konkretnej aplikacji wymaga dobrego zrozumienia kompromisów pomiędzy dokładnością, rozdzielczością i innymi parametrami systemu. Inżynierowie muszą również zrozumieć, jak optymalizować te parametry, aby zapewnić optymalną pracę czujnika, zachowując jednocześnie kontrolę nad kosztami.

Dzięki zrozumieniu niuansów dotyczących dokładności i rozdzielczości magnetycznych czujników położenia, takich jak MA600, inżynierowie mogą podjąć lepsze decyzje przy wyborze odpowiedniego typu czujnika o określonym stosunku parametrów do ceny. W realizowanych obecnie projektach zrozumienie subtelności magnetycznych czujników położenia jest bezcenne. Wyposażeni w tę wiedzę, inżynierowie są lepiej przygotowani do radzenia sobie ze złożonościami świata cyfrowego i wykorzystania pełnego potencjału czujników magnetycznych w różnych aplikacjach.

Codico Poland
www.codico.com