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詳談多維力傳感器的串擾、精度和準度
比較優(yōu)秀的串擾指標在1%FS左右,2~5%FS比較常見。串擾指標用來衡量多維力傳感器各測量方向間的耦合影響,可以反映測量誤差水平,是體現(xiàn)產(chǎn)品性能的關鍵指標之一。那么串擾究竟是什么呢?請看這張表格:
以六維力傳感器為例。分別對六維力傳感器的六個測量方向精確加載至各自的額定載荷,記錄六個方向的測量結(jié)果,就做成了這個表格。載荷組1中,僅僅對Fx方向加載到額定載荷,并且假設加載方向和載荷值是非常準確的,所以Fx是100%FS,其它方向是0%FS。表格右側(cè)Fy、Fz、Mx、My、Mz的測量結(jié)果就是在Fx作用下的串擾。因為此時Fy、Fz、Mx、My、Mz的理論真值都是0。Fy、Fz、Mx、My、Mz測量結(jié)果就體現(xiàn)了Fx對其它五個測量方向的耦合干擾情況。同理,載荷組2~6中的測量結(jié)果,分別體現(xiàn)了在單獨加載Fy、Fz、Mx、My、Mz時,各自對其它測量方向造成的耦合干擾情況。多維力傳感器的廠商往往選擇表格中的最大串擾值作為其datasheet中的串擾指標。比如,這張表格中的2.9%是串擾結(jié)果的最大值,就可以在產(chǎn)品手冊里寫“串擾≤3%”。大家有沒有發(fā)現(xiàn)一個問題,對于六維力傳感器,如果對其Fx方向不加載,對其它五個加載到100%FS,那此時Fx的輸出結(jié)果會是其它五個方向串擾結(jié)果的疊加嗎?也就是表格右側(cè)測試結(jié)果第一列2~6行結(jié)果的疊加嗎?
我們的經(jīng)驗是,此時Fx的輸出結(jié)果,大概率不是其它五個方向?qū)x串擾結(jié)果的疊加。但此時Fx的輸出結(jié)果往往要大于產(chǎn)品datasheet中的串擾指標。
多維力傳感器精度衡量的是測量結(jié)果之間的重復性。其檢定方法是,在相同環(huán)境條件下,在額定載荷范圍內(nèi),進行多次重復聯(lián)合加載相同一組載荷后,計算得到的傳感器測量值的標準差,并除以量程。
多維力傳感器準度衡量的是測量結(jié)果與理論真值的偏離程度。其獲得的方法是,對傳感器進行多組多維聯(lián)合加載,計算得到的傳感器測量值與所加載荷理論真值之間的標準偏差,并除以量程。
精度和準度的檢定過程中,都需要對多維力傳感器以其最高測量維度進行聯(lián)合加載。例如,對于六維力傳感器,每組檢驗載荷都必須是Fx、Fy、Fz、Mx、My及Mz的隨機組合。這樣獲得的精度和準度,可以很清晰的評價傳感器各測量方向在量程范圍內(nèi)的測量誤差水品,比串擾指標更為實用。舉個例子,如果說六維力傳感器產(chǎn)品的準度優(yōu)于0.5%FS,對于Fx的測量結(jié)果,在測量過程中不論Fy、Fz、Mx、My及Mz以什么樣比例和絕對值對Fx進行干擾,F(xiàn)x的測量結(jié)果與理論真值的偏差在0.5%FS以內(nèi)。對于其它五分方向來說也是如此。準度其實涵蓋了滯后、線性、蠕變等誤差因素,更能體現(xiàn)產(chǎn)品的綜合性能,是多維力傳感器最為核心的技術指標之一。
再更形象的說明一下此處精度和準度的統(tǒng)計意義。看這張圖,假設理論真值是圓環(huán)的中心,黑點表示測量值。右上方圖示就可以看出是準度高,精度也高。