센서 용어

센서의 민감도는 출력 특성 곡선의 기울기 (그림 1에서 DY/DX) 또는 더 일반적으로 감지할 수 있는 출력 변화를 일으키는 물리량의 최소 입력값으로 정의됩니다. 일부 센서에서 민감도는 표준화된 출력 변경을 생성하는데 필요한 입력 파라미터 변경으로 정의됩니다. 다른 부분에서는 입력 파라미터의 주어진 변경에 대한 출력 전압 변경으로 정의됩니다. 예를 들어, 일반적인 혈압 트랜스듀서는 10 mV/V/mm Hg의 민감도 등급을 가질 수 있습니다. 즉, 구동 포텐셜의 각 볼트와 적용된 각 mm Hg의 출력 전압은 10 mV가 됩니다.

민감도 에러

민감도 오차 (그림 1의 점선 곡선)는 이상적인 곡선 기울기에서 벗어난 정도입니다. 예를 들어, 위에서 설명한 압력 트랜스듀서는 실제 민감도가 10 mV/V/mm Hg가 아닌 7.8 mV/V/mm Hg일 수 있습니다.

센서의 범위는 측정할 수 있는 적용된 파라미터의 최대값과 최소값입니다. 예를 들어, 주어진 압력 센서의 범위는 -400 ~ +400 mm Hg입니다. 또는 양의 범위와 음의 범위가 같지 않은 경우가 많습니다. 예를 들어, 특정 의료용 혈압 트랜스듀서는 그림 1에서 -50 mmHg (Y_min)의 최소 (진공) 한계와 +450 mmHg (Y_max)의 최대 (압력) 한계를 갖습니다. 이 스펙은 일반적으로 사용되고 있으며, 이 스펙은 의사와 간호사가 시스템의 유체 정지점 위치를 인식하지 않고도 혈압 센서를 파괴하는 이유 중 하나입니다. 작은 주사기는 닫힌 시스템에 엄청난 진공을 적용할 수 있습니다.

그림 1. 이상적인 곡선과 민감도 오차. 출처: J.J. Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

동적 범위

다이나믹 범위는 최소에서 최대까지의 센서의 전체 범위입니다. 즉, 그림 1에서 R_dyn = Y_max - l -Y_minl.

정밀도의 개념은 측정값의 복제 가능성을 의미합니다. 즉, 정확히 같은 값을 여러 번 측정하는 경우, 이상적인 센서는 매번 정확히 같은 값을 출력합니다. 그러나 실제 센서는 실제 정확한 값에 상대적인 방식으로 분포된 값의 범위를 출력합니다. 예를 들어, 정확히 150 mm Hg의 압력을 센서에 적용한다고 가정합니다. 적용된 압력이 변경되지 않더라도, 센서의 출력값은 크게 달라집니다. 실제 값과 센서의 평균 값이 서로 특정한 거리 내에 있지 않을 때 정밀도와 관련된 몇 가지 미묘한 문제가 발생합니다.
(예를 들어, 정규 분포 곡선의 1-s 범위.)

이 스펙은 출력 신호에서 감지할 수 있는 입력 파라미터의 변동분 변경이 가장 작습니다. 분해능은 값의 비율(또는 전체 스케일의 값) 또는 절대적인 값으로 표현될 수 있습니다.

센서의 정확도는 실제 값(주요 또는 정상 보조 기준으로 측정되어야 함)과 센서 출력에서 나타낸 값 사이에 존재하는 최대 차이입니다. 다시 말해, 정확도는 전체 스케일의 퍼센트 또는 절대적인 단위로 표시될 수 있습니다.

트랜스듀서의 오프셋 에러는 0이 되거나 특정 조건 세트에서 실제 출력값과 지정된 출력값 사이의 차이일 때 존재하는 출력으로 정의됩니다. 그림 1에서 첫 번째 상황의 예는 특성 CURVE가 이상적인 것과 같은 민감도 기울기를 가지고 있지만 0이 아닌 b 지점에서 Y축 (출력)을 교차하는 경우에 해당합니다. 또 다른 오프셋 형태의 예는 그림 2의 pH 전극 특성 곡선에서 확인할 수 있습니다. 이상적인 곡선은 오직 하나의 온도 (보통 25°C)에서만 존재하며, 실제 곡선은 샘플과 전극의 온도에 따라 최소 온도와 최대 온도 한계 사이에 위치합니다.

트랜스듀서의 선형도는 센서의 실제 측정 곡선이 이상적인 곡선에서 벗어나는 정도를 나타냅니다. 그림 3은 이상적, 또는 최소 제곱 피팅 라인과 실제 측정 또는 교정 라인 사이의 다소 과장된 관계를 보여줍니다. (참고: 대부분의 경우 정적 곡선을 사용하여 선형성을 결정하며, 이는 동적 선형성과 다소 다를 수 있습니다.) 선형성은 종종 비선형성의 백분율로 표시되며, 이는 다음과 같이 정의됩니다.

여기서 각 항은 다음과 같습니다.

비선형성(%)은 비선형성의 퍼센트
D _{입력(최대)}은 최대 입력 편차
IN_f.s 는 최대 전체 스케일 입력입니다.

식 6-1에 의해 정의된 정적 비선형성은 온도, 진동, 음향 노이즈 레벨, 습도를 포함한 환경적인 요인에 영향을 받는 경우가 많습니다. 스펙이 어떤 조건에서 유효한지 확인하는 것이 중요하며, 이러한 조건에서 이탈하면 선형도 변하지 않을 수 있습니다.

센서는 변경된 방향에 관계없이 입력 파라미터의 변경을 추적할 수 있어야 합니다. 히스테리시스는 이 프로퍼티의 측정입니다. 그림 4는 일반적인 히스테리시스 곡선을 보여줍니다. 어떤 방향에서 변경이 이루어지는지는 중요합니다. 더 높은 값(포인트 P)에서 고정된 입력 값(그림 4의 포인트 B)에 접근하면 더 작은 값(포인트 Q 또는 0)에서 같은 값에 접근하는 것과는 다르게 나타납니다. 입력값 B 는 이전 값에 따라 F(X)₁, F(X)₂ 또는 F(X)₃로 표시될 수 있습니다. 히스테리시스로 인한 에러는 분명합니다.

입력 파라미터가 변경되면 센서가 즉시 출력 상태를 변경하지 않습니다. 오히려, 응답 시간(그림 5에서 T_r)이라고 불리는 기간에 걸쳐 새로운 상태로 변경됩니다. 응답 시간은 센서 출력이 이전 상태에서 올바른 새 값의 허용오차 대역 내의 최종 안정 값으로 변경하는 데 필요한 시간으로 정의될 수 있습니다. 이 개념은 시스템의 시간 상수(T)의 개념과 약간 다릅니다. 이 용어는 저항을 통해 전하되는 커패시터와 유사하게 정의되며 일반적으로 응답 시간보다 짧습니다.

그림 5에서 곡선은 두 가지 타입의 응답 시간을 보여줍니다. 그림 5a에서 곡선은 입력 파라미터의 급격한 양의 스텝 함수 변화 이후의 응답 시간을 나타냅니다. 그림 5b에 표시된 형태는 입력 파라미터의 음극 실행 단계 함수 변화에 대한 응답으로 감쇠 시간(T_d를 T_r와 구별하기 때문에 항상 같지 않음)입니다.

센서의 동적 선형도는 입력 파라미터의 빠른 변화를 따르는 기능을 측정한 것입니다. 진폭 왜곡 특성, 위상 왜곡 특성, 응답 시간은 다이나믹 선형도를 결정하는데 중요합니다. 낮은 히스테리시스(항상 바람직함) 시스템에서 진폭 응답은 다음과 같이 나타납니다:

식 6-2에서 F(X)라는 용어는 출력 신호이고, X라는 용어는 입력 파라미터와 하모닉을 나타내며, K는 오프셋 상수(있을 경우)입니다. 센서 동작으로 생성된 에러 하모닉이 입력 파라미터의 동적 동작으로 생성된 자연 하모닉과 같은 주파수 대역에 들어갈 때 하모닉은 특히 중요합니다. 모든 연속 웨이브폼은 기본 사인파와 하모닉의 푸리에 직렬로 나타납니다. 물리적 파라미터의 시간에 따라 변하는 변경사항을 포함한 모든 비연속적인 웨이브폼. 센서의 동작에 의해 영향을 받을 수 있는 하모닉이 존재합니다.

그림 6. 출력과 입력 신호 커브는 (a) 2차 에러; (b) 3차 에러를 보여줍니다. 출처: J.J. Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

교정 곡선 (그림 6)의 비선형성 특성은 어떤 고조파가 존재하는지 알려줍니다. 그림 6a에서 교정 곡선 (점선으로 표시)은 비대칭이므로 홀수 고조파 항만 존재합니다. 이상적인 CURVE의 형태를 가정 F(x) = mx + K, 방정식 6-2 대칭 케이스로 변합니다:

다른 종류의 교정 곡선 (그림 6b)에서는 표시된 값이 이상적인 mx + K 곡선에 대해 대칭적입니다. 이 경우 F(X) = -F(-X), 식 6-2의 형태는 다음과 같습니다:

법적 참고