2.1 传感器精度误差和可重复性

大家好！ 大家好，欢迎来到 TI高精度实验室，本视频将介绍 温度传感器的精度、误差 和可重复性。 在本视频中，我们将讨论精度和误差 在温度传感器中的含义， 并通过一些示例介绍 这些术语如何被用于归纳系统的 性能特征。 最后，我们将讨论可重复性 及其对系统总体精度的影响。 精度是传感器最重要的特性 之一，因为它会影响 系统中的整体温度测量。 不同的气源会影响 传感器的精度。 也就是说，为使系统达到非常高的精度， 必须将误差控制在非常低的水平。 当谈到温度传感器时，这两个术语 可互换使用。 例如，这里显示的三个温度计 用于测量同一个源的温度。 其中两个温度计显示的值相同， 而第三个温度计的值有所不同。 这时自然会有人问：哪一个 读数才是准确的？ 这仅仅是因为，本例中所示的两个温度计 虽然显示了相同的温度，但不一定 表明它们的读数就是准确的。 了解精度和可重复性之后， 我们再来回答这个问题。 为了更好地理解精度和误差， 我们来看看可以通过哪些方法为 温度传感器定义误差。 可以将误差定义为测量值百分比、 满量程百分比或绝对值。 解读时必须特别小心， 因为相对项的误差值越小， 可能意味着绝对误差越大。 我们以两个温度传感器为例， 它们的温度范围为 0 摄氏度到 120 摄氏度。 一个温度传感器的误差 指定为 25 摄氏度时所取得 测量值的 1%，而另一个 温度传感器的误差指定为满量程的 0.5%。 当转换为绝对误差值时，1% 的测量值的 误差为0.25 摄氏度， 而满量程的 0.5% 的误差为 0.6 摄氏度。 显然，在绝对项中，百分比值越低 并不代表值越低。 在温度传感器的数据表中， 传感器最常用的标度是绝对值。 因此，在特别重视精度的应用中 就可以更轻松地比较温度传感器。 在数字式温度传感器 数据表的电气特性中， 通常以表格中所示的方式指定精度。 这也反映在温度精度图表中。 如您所见，在特定的温度 范围内指定了温度传感器的精度。 例如，在 55 摄氏度到 150 摄氏度的 整个温度范围内， 典型温度误差将是正负 0.1 摄氏度。 典型值可能基于在特定 部件上执行的测量。 不过，在整个工作范围内， 最大值介于正负 0.3 摄氏度之间。 像 NTC 热敏电阻这样的模拟传感器 以电阻和 β 值容差的形式指定 精度。 这些精度通常指定为百分比， 并需要转换成绝对温标。 此外，非线性行为 可能导致特定温度范围内的 绝对误差变大很多。 尽管并非所有系统都需要如此高的精度 或线性度，但一定要了解这些规格 以及额外误差如何 仍然影响整体温度测量。 尽管此传感器可能具有 0.1 摄氏度以内的高精度，但有些 外部影响会导致精度出现 误差。 当测试系统中的温度传感器时， 一定要能够区分这些误差。 检测温度时，误差主要有 三个来源。 第一个是测量系统；第二个是 工作环境或测量条件； 最后一个是黄金参考。 此参考是指作为温度传感器 比较对象的测量源。 这通常是一个高精度 RTD， 用于评估其他传感器的精度。 在某些系统中，它用作温度传感器。 为了便于理解，我们将此参考视为 最理想的值。 但在实践中，此参考可能会有一定的误差。 我们来看一看测量系统。 根据温度传感器的类型，无论传感器 具有数字还是模拟输出，信号条件 和周围的电路都不尽相同。 整体测量的误差 可能会受到某些或所有这些额外组件的影响。 正如我们讨论过的，温度传感器 自身会出现误差。 输出端可能与处理电路相距甚远， 因此可能需要进行某种额外的信号处理， 比如增加放大器，以便在电路板上传输 输出信号。 如果传感器的输出是模拟输出， 则需要将模拟信号转换为 可供控制器读取的数字信号。 此过程本身通常会由于量化噪声而产生误差。 ADC 的误差也可能是由 电压基准的误差造成的。 最后，接口或处理器本身 也可能产生误差。 毋庸置疑，测量系统自身内 会有很多误差来源。 正因为如此，一定要评估整个信号链， 以确定误差来源的位置， 从而提高整体精度。 进行某种补偿和校准之后， 可以减小甚至消除误差来源的影响， 以提高系统的整体精度。 为了更好地理解测量系统 和工作环境对传感器精度的影响， 我们将举一个简单的示例。 在这个示例中，我们将考虑 一个热源，并通过散热器 来测量它的温度。 传感器运行时所处的环境 称为工作环境， 包括环境空气和散热器。 热源显示在散热器的中间， 温度传感器位于它的旁边。 用一个被视为理想工具的参考探头 来测量温度， 以便与传感器的读数进行比较。 参考探头的读数为 80 摄氏度， 传感器的读数为 78 摄氏度。 这样，得出的绝对误差 为负 2 摄氏度。 现在，我们将温度传感器 移到更靠近热源的位置，这样 会造成两种可能的后果。 在第一种情况下，传感器的读数仍然是 78 摄氏度， 参考探头的读数为 80 摄氏度。 这种情况下，我们可以得出一个结论：误差 是由测量系统产生的。 在第二种情况下，传感器的读数为 79 摄氏度， 参考探头的读数为 80 摄氏度。 这种情况下，我们可以得出一个结论：散热器的 温度梯度导致温度 不均匀。 这是由工作环境而不仅仅是传感器 产生的误差的一个示例。 到目前为止，我们已经评估了稳态工作条件下的 精度。 而且我们忽略了传感器和 所参考的热时间常数的所有影响。 这些误差来源被称为 测量条件误差。 如图所示，温度并不会 立即发生变化。 因此，存在一个可能影响精度的 时间相关性系数。 这称为温度阶跃响应， 通常定义为输出达到 稳态值的 63%所需的时间。 此系数通常受到传感器的封装、布局、 PCP 类型和测试环境的影响。 当传感器和基准的时间常数 不相等时，会产生一个与时间相关的瞬态误差。 如果基准的时间常数 比传感器的时间常数短很多，测量 可能会产生负的误差。 同样，如果基准的时间常数 比传感器的时间常数长很多，测量 可能会产生正的误差。 因此，为了比较测量系统 与基准的精度，必须同时考虑 基准和测量系统的热阶跃 响应。 到目前为止，我们已经了解了典型 温度传感器数据表中的精度是如何指定的。 此外，我们还审查了传感器自身 之外的误差来源， 包括测量系统、工作环境、 测量条件以及如何隔离每种误差来源 以提高精度。 为了执行极其精确的测量， 另一个需要考虑的重要参数 是可重复性。 可重复性被定义为传感器 自身有多稳定。 它可以说明传感器在相同的 环境下反复提供相同结果的 能力。 例如，此处所示的温度传感器的 可重复性为正或负 1 LSB。 由于此传感器的温度分辨率为 7.8125 毫摄氏度，这意味着 在完全相同的测试条件下 执行测量时，结果应处于 测量平均值7.8125 毫摄氏度 以内。 请务必了解 可重复性与精度之间的区别。 可重复性与精度密切相关。 它是温度传感器规格中的一个重要的值， 原因在于传感器必须是可重复的， 才能被视为精确。 此外，影响可重复性的误差来源 也不同于影响精度的误差来源。 可重复性会受到随机噪声和老化的影响， 而且通常超出用户的控制范围。 为了更好地理解可重复性和精度的概念， 我们用一块飞镖靶来说明，飞镖靶上的圆圈代表 传感器的精度极限。 现在，我们使用此传感器执行五次测量。 在第一种情况下，从传感器读取的值 散布在整个镖盘上。 此类传感器具有不可重复且不精确的 输出。 在第二种情况下，从传感器读取的值 比较接近，但位于中圈之外。 此类传感器具有可重复但不精确的输出。 在第三种情况下，从传感器读取的值 位于中圈内，但较为分散。 此类传感器具有不可重复但精确的 输出。 最后，在第四种情况下，从传感器读取的值 位于中圈内，而且比较接近。 此类传感器具有可重复且精确的输出。 为了确保温度传感器更贴合 应用，务必要确保 传感器非常精确。 在相同的环境和工作条件下 测试时，输出必须始终尽可能 接近精确值。 综上所述，本培训视频展示了 精度和可重复性对于温度 传感器的含义、除了传感器 自身规格以外的一些外部参数 如何影响传感器的精度， 以及可重复性对于执行精确的测量为何如此重要。 仅仅是因为，两个温度计显示相同的值 并不意味着它们是精确的，一个温度计显示了正确的 值也不代表它是精确的。