هنگامی که میخواهید یک تجهیز اندازه گیری مانند سنسور و ابزار دقیق را خریداری کنید برای اینکه بتوانید تجهیزاتی با کیفیت بالا را انتخاب کنید باید برخی از ویژگی های تجهیزات اندازه گیری مانند خطا، قابلیت تفکیک، هیسترزیس و غیره را که توسط سازنده آن ابزار دقیق ارائه می‌گردد را بررسی کنید. در این مقاله برخی از ویژگی های استاتيكی ترانسدیوسر را بصورت کامل توضیح میدهیم.
در صورتی که میخواهید بدانید ترانسدیوسر چیست، با کاربرد و انواع آن بیشتر آشنا شوید اینجا را کلیک کنید.
ویژگی های تجهیزات اندازه گیری
برخی از ویژگی های مهم تجهیزات اندازه گیری (ویژگی های استاتيكی ترانسدیوسر) به شرح زیر است:
- خطا (Error) و صحت (Accuracy)
- قابلیت تفکیک (Resolution)
- دقت (Precision) و تكرارپذيری (Repeatability)
- هیسترزیس (Hysteresis)
- خطی بودن (Linearity)
در ادامه هر کدام از پارامترهای مهم سنسور را به اختصار شرح می دهیم.
خطا (Error) و صحت (Accuracy)
از مهم ترين ویژگی‌هایی كه بيش‌ترين استفاده صحيح و يا غلط از آن مي‌شود، صحت ابزار دقیق است. در واقع صحت (Accuracy)، به صورت درصد خطا مشخص مي‌گردد. خطا عبارت است از تفاوت بين خروجي حقيقي (صحيح) تجهیز اندازه گیر و خروجي واقعي (قرائت شده). صحت به صورت درصد خطا بيان می‌گردد. سوال این جاست که صحت درصد چه خطایی هست؟ در عمل این درصد خطا به سه صورت زير تعريف میشود.
- فرمول محاسبه درصد خطا بصورت درصدی از مقدار خروجي انحراف كامل يا ماکزيمم
- فرمول محاسبه درصد خطا بصورت درصدی از مقدار خروجي قرائت شده
- فرمول محاسبه درصد خطا بصورت درصدی از مقدار ورودی
در عمل، رابطه سوم استفاده كم تری دارد. در هر حال، در هنگام به کارگیری ابزار دقیق های مختلف بايد به نحوه به دست آمدن صحت ابزار دقیق توجه نمود كه كارخانه سازنده چه نوع صحتی را ارائه نموده است.
قابلیت تفکیک (Resolution)
طبق تعریف، كم ترين مقدار از تغييرات ورودی مبدل كه منجر به تغييرات محسوس در خروجی آن گردد را قدرت تفكيك ابزار دقیق (Resolution)گويند. براي مثال يك مبدل آنالوگ به ديجيتال n بيتي، قدرت تفكيكي برابر با (2n / Vin(max خواهد داشت، به بیان دیگر يك مبدل نوري با چهار سوراخ كه بر روي يك محور دوار نصب شده است قدرت تفكيكي معادل 90 درجه دارد پس محور بايد 90 درجه بچرخد تا خروجي تغيير را حس كند.
بیشتر بخوانید: اصول و مبانی ابزار دقیق
دقت (Precision) و تكرارپذيری (Repeatability)
اين كميت، مشخص كننده پراكندگي مقادير خروجي در اندازه‌گيریهای متوالي يك مقدار از ورودی میباشد.
تكرار پذيری به صورت های زير تعريف میشود:
- تكرارپذيری (Repeatability) یعنی درصدی از اختلاف بزرگ ترین و کوچک ترین مقدار اندازه گیری شده نسبت به کل رنج اندازه گیری
- تكرارپذيری (Repeatability) یعنی درصدی از اختلاف بزرگ ترین انحراف و مقدار میانگین نسبت به کل رنج اندازه گیری:
خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا
كه در آن “Largest deviation” بزرگ ترين انحراف از مقدار متوسط است، چه بزرگ تر و يا كوچك تر از آن باشد. هنگام به کارگیری این کمیت، باید به این نکته توجه شود كه كارخانه سازنده، این کمیت را به چه نحوی محاسبه و ارائه نموده است. لازم به ذکر است که اگر يك تجهیز اندازه گیر داراي صحت كافي نبوده ولي داراي تكرارپذيري قابل قبولی باشد، يعني دارای دامنه پراكندگي كوچك باشد، اين تجهیز اندازه گیر (سنسور) هنوز می تواند مفيد و قابل استفاده باشد. به این صورت که انحراف آن مي‌تواند به وسيله تنظيم صفر در پيش پردازنده‌های سيگنال حذف شده و مقادير واقعي از سنسور به دست بیاید. به طور كلي، تجهیز اندازه گیر تكرارپذير حتي اگر داراي صحت كافي هم نباشد، هم چنان قابل استفاده است و نشان دهنده آن است که در تجهیزات اندازه گیر، تكرارپذيري (Repeatability) و دقت (Precision) مفاهيم مشابهي دارند.
هیسترزیس (Hysteresis)
هيسترزيس (Hysteresis) نيز ویژگی و يا نشان دهنده “تكرارپذيري دوباره” خروجي يك مبدل است. مقدار خاصی، ورودي در حالت افزايش ممكن است خروجي توليد كند كه با خروجي توليد شده با همان مقدار ورودي (اما در حالت كاهشي) اختلاف داشته باشد. به همين دليل است كه معمولاً باید دو نوع اطلاعات كاليبراسيون افزايشي و كاهشي را به دست آورد.
به طور مثال به شکل زیر توجه نمایید. این شکل نمودار تغییرات ورودی و خروجی یک مبدل را نشان می دهد (مبدل وزن به ولتاژ). این نمودار با اندازه گیری مقادیر خروجی برای وروردی های مختلف در دو مرحله، یکی با افزایش وزن تا 100 کیلوگرم و سپس کاهش وزن تا صفر و ثبت خروجی به دست آمده است. با توجه به شكل، در حالت افزايشي به ازای وزن 55 كيلوگرم، خروجي برابر mV85/9 (ميلي ولت) است. در حالي كه در حالت برگشت (كاهشي) در همين وزن، خروجي برابر mV80/11 (ميلي ولت) است.
برای محاسبه مقدار هیسترزیس به صورت زیر عمل می شود:
- ابتدا بايد اختلاف بين خروجي حالت كاهشي و افزايشي را براي هر نقطه از ورودي حساب نمود.
- سپس باید بزرگ ترين مقدار اين اختلاف ها، به فرم درصدي از انحراف كامل (Full Scale)، مشخص گردد.
علت روی دادن وضعیت هيسترزيس، به خاطر ساختار فيزيكي مبدل است كه مقداري از وروديهاي اعمال شده قبلي را به علت هيسترزيس خود حفظ مي‌كند. بنابراین در بررسی هیسترزیس یک مبدل، باید به نکات زیر توجه شود:
- مقدار هيسترزيس به وجود آمده بستگي به دامنه وروديهاي قبلي اعمال شده دارد.
- در موقع تست يك مبدل، ابتدا بايد تمامي ورودي‌ها تا انحراف نهايي (ماکزيمم ورودي) را اعمال و سپس شروع به كاهش ورودي‌ها نماييم.
- اگر مقدار وروديهاي يك مبدل را تا به حد نهايي نرسانيم و شروع به كاهش نماييم مقدار هيسترزيس كم تري به دست مي‌آيد.
- اگر مقدار ورودي‌ها با فاصله بيش تري اعمال شود نتيجه نامطلوبی گرفته خواهد شد.
بیشتر بخوانید: ترانسدیوسر چیست، کاربرد و انواع آن
خطی بودن (Linearity)
به طور ايده‌آل منحني انتقال يك مبدل (نوع صفر) يك خط مستقيم است. با يك تغيير در مقدار ورودي، چه خروجي در محدوده 25% يا محدوده 75% مقدار حداکثر باشد؛ اثر مشابه‌اي در خروجي خواهد داشت. این ویژگی ممكن است به صورت هاي مختلفي بيان شود. سه روش متداول خطي بودن عبارت اند از: خطي بودن
- نقطه نهايي (End Point)
- خط مستقيم مستقل
- بهترين عبور (Best Fit) يا حداقل مربعات (Least Square)
در نهایت با محاسبه خطی بودن به یکی از سه روش فوق، نتیجه آن به صورت درصد مثبت و منفی از حداکثر مقدار خروجی گزارش می گردد.
در چنین روشی، خطی مستقيم بين ابتدا و انتهاي منحني كاليبراسيون رسم مي‌گردد. اگر براي اين كار از مقادير محاسباتي صفر و مقدار نهايي استفاده شود به منحني به دست آمده منحني “تئوريكي خطي” مي‌گويند. پس از رسم اين خط، باید ماکزيمم انحرافات بالا و پايين خط مستقيم مشخص شود. شكل زير خطي بودن نقطه نهايي را نشان مي‌دهد. میزان خطی بودن در این روش (4.70- و FSO% (+7.85 می باشد.
خطی بودن خط مستقيم مستقل
براي تعيين خط مستقيم مستقل ابتدا بايد دو خط مستقیم و موازي به گونه ای ترسیم نمود كه تمامي نقاط منحني كاليبراسيون را در خود احاطه كند. خط مستقيم مستقل، خطي است كه در وسط و به موازات اين دو خط رسم شود. سپس ماکزيمم انحرافات بالا و پاييني اين خط مشخص می شود. شكل زير چگونگي رسم خط مستقيم مستقل را نشان مي‌دهد. میزان خطی بودن در این روش (5.2- و FSO% (+5.85 می باشد.
خطی بودن حداقل مربعات
براي رسم خط حداقل مربعات از محاسبات آماري بر روي منحني كاليبراسيون استفاده مي گردد. اين نمودار، خطي مستقیم است كه مجموع مربعات فاصله (خطاي) آن از منحنی حداقل باشد. براي اين كار، داده‌هاي ورودي و خروجي را به صورت يك جفت مجموعه (x,y) در نظر گرفته و با فرمول هاي زير معادله خط را محاسبه مي‌كنيم:
كه در آن x مقادیر ورودی، y مقادیر خروجی، m شيب خط مستقیم و b نقطه تقاطع با محور عمودي y و n تعداد نقاط مي باشد. پس از رسم خط، باید ماکزيمم انحرافات بالا و پاييني اين خط مشخص شود. شكل زیر، رسم خط بهترین عبور را نشان مي‌دهد:
میزان خطی بودن در این روش (5.46- و FSO% (+5.71 می باشد.
سخن پایانی
در این مقاله ویژگی های تجهیزات اندازه گیری مانند خطا، دقت، قدرت تفکیک، خطی بودن و غیره را شرح دادیم. فرمول محاسبه درصد خطا را بیان کردیم همچنین دو تعریف و فرمول جهت محاسبه تکرارپذیری ارائه کردیم. و در انتها سه روش متداول محاسبه خطی بودن، به نام های نقطه نهايي (End Point)، خط مستقيم مستقل، حداقل مربعات توضیح داده شد.
در صورتی که میخواهید درباره ویژگی های دینامیکی ترانسدیوسر بیشتر بدانید مقاله مربوط به ویژگی های دینامیکی مبدل ها (ترانسدیوسر) را بخوانید.
