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詳談多維力傳感器的串?dāng)_、精度和準(zhǔn)度
比較優(yōu)秀的串?dāng)_指標(biāo)在1%FS左右,2~5%FS比較常見(jiàn)。串?dāng)_指標(biāo)用來(lái)衡量多維力傳感器各測(cè)量方向間的耦合影響,可以反映測(cè)量誤差水平,是體現(xiàn)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。那么串?dāng)_究竟是什么呢?請(qǐng)看這張表格:
以六維力傳感器為例。分別對(duì)六維力傳感器的六個(gè)測(cè)量方向精確加載至各自的額定載荷,記錄六個(gè)方向的測(cè)量結(jié)果,就做成了這個(gè)表格。載荷組1中,僅僅對(duì)Fx方向加載到額定載荷,并且假設(shè)加載方向和載荷值是非常準(zhǔn)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(cè)量結(jié)果就是在Fx作用下的串?dāng)_。因?yàn)榇藭r(shí)Fy、Fz、Mx、My、Mz的理論真值都是0。Fy、Fz、Mx、My、Mz測(cè)量結(jié)果就體現(xiàn)了Fx對(duì)其它五個(gè)測(cè)量方向的耦合干擾情況。同理,載荷組2~6中的測(cè)量結(jié)果,分別體現(xiàn)了在單獨(dú)加載Fy、Fz、Mx、My、Mz時(shí),各自對(duì)其它測(cè)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?dāng)_值作為其datasheet中的串?dāng)_指標(biāo)。比如,這張表格中的2.9%是串?dāng)_結(jié)果的最大值,就可以在產(chǎn)品手冊(cè)里寫(xiě)“串?dāng)_≤3%”。大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題,對(duì)于六維力傳感器,如果對(duì)其Fx方向不加載,對(duì)其它五個(gè)加載到100%FS,那此時(shí)Fx的輸出結(jié)果會(huì)是其它五個(gè)方向串?dāng)_結(jié)果的疊加嗎?也就是表格右側(cè)測(cè)試結(jié)果第一列2~6行結(jié)果的疊加嗎?
我們的經(jīng)驗(yàn)是,此時(shí)Fx的輸出結(jié)果,大概率不是其它五個(gè)方向?qū)x串?dāng)_結(jié)果的疊加。但此時(shí)Fx的輸出結(jié)果往往要大于產(chǎn)品datasheet中的串?dāng)_指標(biāo)。
多維力傳感器精度衡量的是測(cè)量結(jié)果之間的重復(fù)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(jìn)行多次重復(fù)聯(lián)合加載相同一組載荷后,計(jì)算得到的傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差,并除以量程。
多維力傳感器準(zhǔn)度衡量的是測(cè)量結(jié)果與理論真值的偏離程度。其獲得的方法是,對(duì)傳感器進(jìn)行多組多維聯(lián)合加載,計(jì)算得到的傳感器測(cè)量值與所加載荷理論真值之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差,并除以量程。
精度和準(zhǔn)度的檢定過(guò)程中,都需要對(duì)多維力傳感器以其最高測(cè)量維度進(jìn)行聯(lián)合加載。例如,對(duì)于六維力傳感器,每組檢驗(yàn)載荷都必須是Fx、Fy、Fz、Mx、My及Mz的隨機(jī)組合。這樣獲得的精度和準(zhǔn)度,可以很清晰的評(píng)價(jià)傳感器各測(cè)量方向在量程范圍內(nèi)的測(cè)量誤差水品,比串?dāng)_指標(biāo)更為實(shí)用。舉個(gè)例子,如果說(shuō)六維力傳感器產(chǎn)品的準(zhǔn)度優(yōu)于0.5%FS,對(duì)于Fx的測(cè)量結(jié)果,在測(cè)量過(guò)程中不論Fy、Fz、Mx、My及Mz以什么樣比例和絕對(duì)值對(duì)Fx進(jìn)行干擾,F(xiàn)x的測(cè)量結(jié)果與理論真值的偏差在0.5%FS以內(nèi)。對(duì)于其它五分方向來(lái)說(shuō)也是如此。準(zhǔn)度其實(shí)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(shù)指標(biāo)之一。
再更形象的說(shuō)明一下此處精度和準(zhǔn)度的統(tǒng)計(jì)意義。看這張圖,假設(shè)理論真值是圓環(huán)的中心,黑點(diǎn)表示測(cè)量值。右上方圖示就可以看出是準(zhǔn)度高,精度也高。