안녕하세요, 센서와 스위치를 다잡는 센서보이 입니다.
센서 선정에 있어 중요한 요소중 하나가 바로 Accuracy 입니다.
일부 센서의 경우는 Accuracy가 가격을 결정하는 매우 큰 요인 중 하나로 작용하기도 합니다.
이번 글에서는 Accuracy에 대한 정확한 이해와, 어떤 항목들을 나타내는 값인지에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
Accuracy는 센서의 정확도를 나타냅니다.
센서의 지시값이 어느정도의 오차범위를 가지는지에 대해 나타내는 척도이며,
일반적으로 %F.S. BFSL 로 표시되곤 합니다.
F.S. 는 Full Scale의 약자로, Measuring Range와 동일합니다.
예를들어, Measuring Range가 100 Barg 인 압력센서는 F.S.도 100 Bar 입니다.
만일 검토하고 있는 센서가 ±1% of F.S.이고 F.S.가 100 Bar 라고 한다면,
이 센서는 지시하는 값의 정확도가 지시값±1bar 가 됩니다.
따라서, 측정하고자 하는 값에 근사한 값의 Measuring Range를 가진 센서를 선정하는 것이 중요합니다.
Accuracy는 Non-Linearity, Hysteresis, Non-Repeatability의 3가지 항목으로 구성됩니다.
다소 고가의 센서이거나, 또는 Data Sheet에 상세하게 풀어서 설명하기를 좋아하는 제조사의 경우는 Accuracy를 각 항목별로 나누어 Data Sheet에 명기 해 놓기도 합니다.
아래와 같이 계산하면 Accuracy값을 얻을 수 있습니다.
(또는 그냥 non-linearity를 accuracy로 보는 경우도 많습니다.)
Non-linearity(선형성) 란?
센서 출력의 직선성에 대한 척도이며, BFSL과 Terminal Point 두가지 방식으로 기술될 수 있습니다.
모든 센서는 0~100% Input 반응에 대하여 Ideal Line으로 0~100% 출력을 가질 수 없습니다.
출력은 항상 곡선을 띄게 되며, Non-linearity는 이 곡선이 직선에서 얼마나 벗어났는지를 나타냅니다.
BFSL 방식은 출력 곡선의 모든 점에서 일정 비율 이내에 들어오는 직선을 그어 나타냅니다.
Terminal Point 방식은 출력곡선의 시작점과 끝점을 이은 것입니다.
일반적으로 Terminal point 방식은 BFSL 방식에 비해 2배의 값을 가집니다.
대부분의 센서는 Accuracy 명기에 있어 값이 작은 BFSL 방식을 채택합니다. (%F.S. BFSL)
아래는 두 가지 방식의 Non-linearity 그래프 입니다.
Hysteresis(히스테리시스) 란?
입력값의 상승과 하강 시의 출력곡선의 최대 차이를 나타냅니다.
모든 전자기적 현상은 직전의 상태값에 영향을 받는 성질이 있습니다.
센서의 경우에도 직전의 출력값에 대한 영향으로 입력값이 상승할 때와 하강할 때의 출력 곡선이 서로 상이합니다.
아래는 Hysteresis가 출력에 어떤식으로 영향을 미치는지 나타낸 그래프 입니다.
Non-Repeatability(비반복성) 란?
입력싸이클을 반복했을 때, 출력값의 반복성에 대한 척도입니다.
동일한 센서라도, 입력 싸이클을 반복하면 항상 다른 출력 라인을 가집니다.
이 값은 입력 싸이클을 여러번 반복하여, 차이가 나는 최대값을 측정 한 값을 나타냅니다.
아래는 Non-repeatability에 대한 그래프 입니다.
Actual Line에 대하여 Non-linearity, Hysteresis, Non-repeatability를 계산하여 Accuracy를 계산 했더라도, 이 센서는 여전히 Actual line이 Ideal Line과 너무 차이가 심합니다.
하여, 센서의 출력을 강제로 조정(Calibration) 하는 작업을 거치게 됩니다.
0% 입력에서 Actual Line이 0% output을 가지도록 조정합니다. (Zero Offset)
100% 입력에서 Actual Line이 100% output을 가지도록 조정합니다. (Span)
이렇게 Calibration 하게 되면, 비로소 센서의 역할을 할 수 있게 됩니다.
저가형 센서의 경우는 Zero offset과 Span에 대해서만 Calibraiton을 진행합니다. (2-Point)
고가형 센서의 경우 여러 Point에 대하여 Ideal Line 과 유사한 값을 지니도록 Calibration을 진행합니다.
Compensated Temperature는 여기까지 작업된 Accuracy값을 보증하는 온도 범위입니다. (보상온도범위)
아래는 이 작업에 대한 그래프를 나타냅니다.
Total Error Band(TEB, 토탈에러밴드) 란?
모든 운용 조건에서 센서가 가질 수 있는 최대의 오차값을 말합니다.
추가적으로, Total Error Band의 개념에 대해 간략하게 알아 보겠습니다.
위에서 살펴본 Accuracy에 더하여 Thermal Offset, Thermal Span, Thermal Hysteresis를 추가로 합산한 값을 나타냅니다.
일반적으로 TEB가 1% 미만인 센서는 정말 좋은 센서 입니다. (비쌀 확률이 높습니다.)
센서 역시 전자제품이기 때문에, 온도에 의해 성능에 영향을 받습니다.
대표적으로 Thermal Offset, Thermal Span, Thermal Hysteresis가 있습니다.
온도가 너무 높거나 낮은 경우, Compensated Temperature(보상온도범위)에 맞춰 Calibration한 센서의 출력값에 더하여 추가로 Zero Offset, Span, Hysteresis가 발생하게 됩니다.
이를 Thermal Offset, Thermal Span, Thermal Hysteresis이라고 부릅니다.
아래는 Thermal Offset과 Thermal Span에 대한 그래프이며, Thermal Hysteresis는 앞선 Hysteresis 그래프와 별 차이가 없으므로 생략 하겠습니다.
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