정확성, 해상도, 반복성, 기타 등등

이 문서는 위치 변환기에 중점을 두고 일부 용어, 응용 분야에 적절한 계측 장비를 지정하는 주요 고려사항과 일반적인 함정을 설명합니다.

당신은 계측 이론을 발표한 날 대학을 떠났을지 모릅니다. 따라서 당신은 정확성, 해상도, 반복성, 기타 등등에 대해 잘 알고 있습니다.  걱정할 필요가 없습니다. 많은 기술자들도 이 기술 분야에 대해 잊었거나 실제로 전혀 이해하지 못했습니다.  계측에 적용된 용어와 매우 난해한 기술 개념은 혼란스럽습니다.  그럼에도 불구하고 사용자의 응용 분야에 적당한 측정 장비를 선택하는 것은 중요합니다.  선택을 잘 못했다면 결국 특정 변환기의 가능성에 대해 비용을 지불했을 것입니다. 반대로 선택했다면 제품 또는 제어 시스템은 중요한 성능이 결여될 수 있습니다. 이 문서는 위치 변환기에 중점을 두고 일부 용어, 응용 분야에 적절한 계측 장비를 지정하는 주요 고려사항과 일반적인 함정을 설명합니다.

우선적인 정의: 

• 장비의 정확성은 그 결과의 진실성의 척도입니다.
• 장비의 해상도는 측정할 수 있는 위치에서 가장 작은 증가 또는 감소의 척도입니다.
• 위치 측정 장비의 정밀도는 재현성의 정도입니다.
• 위치 측정 장비의 선형성은 측정한 실제 변위와 그에 대한 변환기 결과 사이의 차이의 척도입니다.

대부분의 기술자들은 정밀도와 정확도 사이의 차이에 대해 당황해 합니다.  우리는 과녁에 쏜 화살의 아날로그를 사용하여 정확성과 정밀도 사이 차이를 설명할 수 있습니다.  정밀도는 과녁의 중앙에 화살이 얼마나 가까운지를 설명합니다.

그림 1 – 정확한 화살(왼쪽)과 정밀한 화살(오른쪽)

많은 화살을 쏠 경우 정밀도는 화살의 무리의 크기와 동일합니다.  모든 화살이 함께 모여 있다면 그 무리는 정밀하다고 할 수 있습니다.

완벽한 선형 측정 기기도 완벽히 정밀합니다.

요구 사항 지정

따라서 이제 매우 간단합니다. 매번 매우 정확하고 정밀한 장비를 지정하기만 하면 됩니다. 괜찮을까요? 불행히도 이러한 접근 방식에는 큰 문제가 있습니다. 첫째, 높은 정확도와 높은 정밀도를 나타내는 장비는 항상 고가입니다. 둘째, 높은 정확도와 높은 정밀도를 나타내는 장비는 설치에 주의를 요하기 때문에 진동, 열팽창/수축 등으로 인해 설치가 가능하지 않을 수 있습니다. 셋째, 높은 정확도와 높은 정밀도를 나타내는 장비 중 일부 유형은 섬세하여 뚜렷한 온도, 먼지, 습도, 응축 등 대부분의 환경 조건의 변화에 기능 이상 또는 고장을 나타냅니다.

광학 전략은 더도 말고 덜도 말고 필요한 것을 명시하는 것입니다. 산업용 유량계에서 변위 변압계를 예로 들면, 유체의 흐름 특성이 비선형일 가능성이 있기 때문에 선형성은 핵심 요건은 아닙니다. 오히려 변화가 심한 환경 조건에서 반복성과 안전성이 핵심 요건입니다.

CNC 기계 도구를 예로 들면, 정확도와 정밀도는 핵심 요건일 가능성이 있습니다. 따라서 오랜 기간 더럽고 축축한 환경에서 유지관리 없이 보관된 변위 측정 장비의 경우 고정확도(선형성), 해상도, 고반복성은 핵심 요건입니다.

좋은 팁은 특히 주장하는 정확도와 정밀도가 환경의 영향, 나이 또는 설치 허용 오차에 따라 얼마나 차이가 있는지 모든 측정 장비의 사양서에 나와 있는 세세한 항목을 항상 잘 읽는 것입니다. 또 하나의 좋은 팁은 장비의 선형성이 정확히 얼마나 차이가 있는지 확인하는 것입니다. 선형성의 변동이 단조롭거나 느리게 변화될 경우 비선형성은 몇 개의 기준점을 사용하여 쉽게 보정할 수 있습니다. 예를 들어 차이 측정 장비의 경우 보정은 몇 개의 블록 게이지를 사용하여 수행할 수 있습니다. 아래 제시한 예에서 상당히 비선형적인 변환기는 상대적으로 낮은 수의 기준점을 가지고 매우 선형적인(정밀한) 장비로 보정됩니다.

그림 3 – 비선형 센서의 빠르게 변하는 오류 보정

일반적인 함정 – 광학 엔코더

광학 엔코더는 광원을 광학 요소, 보통 유리 디스크 위에 또는 통과하여 비춤으로서 작동합니다. 빛은 차단되거나 디스크의 그레이팅을 통과하고 위치와 유사한 신호가 생성됩니다. 유리 디스크는 작은 기능으로도 제조업체에서 높은 정밀도를 주장할 수 있으니 놀랄 만합니다. 흔히 명확하지 않은 것은 이런 작은 기능이 먼지, 오물, 기름 등으로 모호해진다면 어떻게 될까하는 것입니다. 실제로 매우 적은 양의 외부 물질이 판독을 잘 못하게 할 수 있습니다. 더우기 실패에 대한 경고는 거의 나타나지 않고 단순히 장비는 완전히 작동을 멈춥니다. 이는 ‘재해적인 오류’로 알려져 있습니다. 잘 알려지지 않은 사실은 특히 광학 엔코더와 광학 엔코더 키트에 대한 정확도 문제입니다.

해상도가 18 bit(256k개 점)의 해상도를 가진 1″ 공칭 디스크를 사용하는 광학 장치를 생각해 봅시다. 일반적으로 이러한 장치의 정확도를 +/-10각초라고 합시다. 하지만 큰 볼드체 활자로 되어 있어야 할 것(전혀 놀랍지 않지만)은 명시한 정확도로부터 디스크가 판독 헤드에 대해 완전히 회전하고 온도는 일정하다고 추정한다는 것입니다. 더욱 실제적인 예를 살펴보면 디스크가 0.001″(0.025mm) 중심에서 다소 벗어나 장착됩니다.

편심성은 여러 원천에서 나오는데, 다음은 그 몇 가지 예입니다.

• 중심의 유리 디스크의 동심성
• 광학 디스크에 대해 중심의 통과 구멍의 동심성
• 광학 디스크 평면에 대해 중심의 직각성
• 판독 헤드 평면과 광학 디스크 정면의 평행성
• 중심이 설치된 샤프트의 동심성
• 주 샤프트를 지지하는 베어링과 베이링 마운트의 간격
• 베어링의 불완전한 얼라인먼트
• 샤프트의 원마도와 중심 통과 구멍의 원마도
• 위치 결정 방법(보통 그러브 나사로 중심을 반대편으로 당김)
• 샤프트의 베어링에 가하는 힘으로부터 받는 응력 또는 변형력으로 인한 변위
• 열 효과
• 등등

그림 4 – 편심 광학 디스크와 판독 헤드

완벽하게 장착된 광학 디스크는 비용이 어마어마하게 높은 정교한 기술을 요구합니다.  실제로 광학 디스크는 판독 헤드가 있다고 생각되는 곳에 없기 때문에 측정 오류가 생깁니다.  장착 오류가, 예를 들어 0.001″라고 한다면, 측정 오류는 광학 궤도 반경에서 대응각 0.001″와 같습니다.  계산을 쉽게 하기 위해 이 궤도의 반경이 0.5″이라고 가정합시다. 이 값은 2밀리라디안 또는 412각초의 오류와 동일한 값입니다.  다시 말해서 10각초의 사양 정확도를 가진 장치가 데이터 표보다 40배 이상 정확도가 더 낮다는 것입니다.

광학 디스크를 0.001″ 내에 정확히 위치하도록 한다면 매우 양호한 것입니다.  현실적으로 1인치의 2,000~10,000분의 1 범위 내에 있을 경향이 더 크기 때문에 실제 정확도는 기존에 계산한 값보다 80~400배 더 나빠질 것입니다.

대체 접근법

리졸버 또는 IncOder와 같은 최신형 유도 장치의 측정 원리는 완전히 다릅니다. 측정은 회전자(디스크)와 고정자(판독자) 사이의 상호 자기 유도에 기초합니다. 한 지점에서 측정한 판독값에서 위치를 계산하지 않고 고정자와 로터의 정면에서 측정이 이루어집니다. 결과적으로 장치의 한쪽에 편심성에 의해 생기는 불일치는 장치의 반대쪽에서 대립 효과로 인해 없어집니다. 해상도와 정확도의 헤드라인 수치는 광학 엔코더에 대한 수치만큼 두드러지지 않습니다. 하지만 중요한 것은 이러한 측정 성능이 다양한 비이상적인 조건에서 관리된다는 것입니다.