Noise and Noise Filtering

In hochpräzisen Messsystemen entscheidet nicht allein die Sensorauflösung über die erreichbare Positionsstabilität. Ebenso wichtig ist das Rauschverhalten der gesamten Signalkette. Ein ideales Sensorsignal wäre im Stillstand vollkommen konstant, jedoch treten in realen Messsystemen immer kleine statistische Schwankungen auf. Diese Schwankungen werden als Rauschen bezeichnet und führen dazu, dass auch bei einem ruhenden Messobjekt leicht unterschiedliche Positionswerte ausgegeben werden.

Bei optischen Encodern wie METIRIO® werden analoge Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt, aus denen die Position über eine Phasenberechnung bestimmt wird. Schwankungen in diesen Signalen übertragen sich daher direkt auf die berechnete Position. Das resultierende Positionsrauschen hängt nicht nur vom Readhead selbst ab, sondern auch von der nachgeschalteten Auswerteelektronik, der Digitalisierung, der Positionsberechnung und möglichen Filterstufen.

Zur Beschreibung des Rauschens wird häufig der RMS-Wert verwendet. Er beschreibt die effektive Stärke der statistischen Schwankungen und eignet sich gut, um unterschiedliche Mess- oder Filterkonfigurationen miteinander zu vergleichen. Zusätzlich wird gelegentlich ein Peak-to-Peak-Wert angegeben. Dieser beschreibt jedoch keinen festen Grenzwert des Rauschens, sondern hängt unter anderem von Messdauer, Bandbreite und Abtastrate ab.

Frequenzanteile des Rauschens

Rauschen besteht aus Signalanteilen in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Neben niederfrequenten Anteilen, die zum Beispiel durch mechanische Drift oder Umgebungseinflüsse entstehen können, treten auch höherfrequente Anteile auf. Um das Rauschverhalten eines Systems genauer zu beschreiben, wird daher häufig die spektrale Rauschdichte betrachtet.

Abbildung 1 zeigt schematisch, wie stark bestimmte Frequenzanteile zum Gesamtrauschen beitragen. Der RMS-Wert hängt davon ab, welche Frequenzanteile im Messsignal enthalten sind. Je größer die betrachtete Bandbreite ist, desto mehr Rauschanteile können zum resultierenden RMS-Rauschen beitragen. Dadurch wird deutlich, warum die Bandbreite eines Messsystems entscheidend für das beobachtete Rauschen ist: Wird ein größerer Frequenzbereich erfasst, können auch mehr Rauschanteile zum Messwert beitragen. Wird die Bandbreite reduziert, sinkt in vielen Fällen das messbare Rauschen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der spektralen Rauschdichte. Eine reduzierte Bandbreite verringert den Frequenzbereich, der zum gemessenen RMS-Rauschen beiträgt.

Filter und ihre Wirkung

Filter werden eingesetzt, um bestimmte Frequenzanteile eines Signals gezielt zu reduzieren. Für viele Positionsmessungen sind Tiefpassfilter besonders relevant. Sie lassen langsame Signaländerungen passieren und dämpfen hochfrequente Anteile. Dadurch kann das Positionsrauschen bei Stillstand oder langsamen Bewegungen deutlich reduziert werden.

Ein Filter wirkt jedoch nicht nur auf das Rauschen, sondern auf das gesamte Messsignal. Wird die Filterbandbreite zu niedrig gewählt, können schnelle Bewegungen, Beschleunigungen oder Vibrationen abgeschwächt oder verzögert dargestellt werden. Die gemessene Position ist dann zwar ruhiger, bildet die reale Bewegung aber möglicherweise nicht mehr vollständig ab.

Die Wahl der Filterung ist deshalb immer ein Kompromiss zwischen niedrigerem Rauschen und ausreichender Dynamik. Für statische Messungen oder langsame Positionieraufgaben kann eine stärkere Filterung vorteilhaft sein. Für schnelle Bewegungen, hochdynamische Regelungen oder Schwingungsanalysen muss dagegen eine größere Bandbreite erhalten bleiben.

Die Signalkette als Gesamtsystem

In einem hochauflösenden Messsystem entsteht das beobachtete Positionsrauschen durch das Zusammenspiel mehrerer Komponenten. Dazu gehören der Sensor, analoge Eingangsstufen, digitale Verarbeitung, Positionsberechnung und gegebenenfalls weitere Filter.

Abbildung 2 zeigt eine vereinfachte Signalkette eines optischen Positionsmesssystems. Das resultierende Positionsrauschen wird nicht allein durch den Readhead bestimmt, sondern auch durch optionale analoge Filterung, die nachgeschaltete Elektronik und die Positionsausgabe. Je nach Integration können unterschiedliche Controller, Interface-Module oder zusätzliche Filterstufen zum Einsatz kommen.

Abbildung 2: Vereinfachte Signalkette eines optischen Positionsmesssystems. Das resultierende Positionsrauschen wird durch den METIRIO® Readhead, optionale analoge Filterung, die nachgeschaltete Elektronik und die Positionsausgabe beeinflusst.

Deshalb ist es wichtig, Rauschwerte immer im Kontext der jeweiligen Konfiguration zu betrachten. Ein einzelner Zahlenwert beschreibt nicht automatisch die Leistungsfähigkeit des Sensors in jeder Anwendung. Vielmehr gibt er an, welches Rauschen unter bestimmten Messbedingungen, mit einer bestimmten Bandbreite und einer bestimmten Auswerteelektronik erreicht wurde.

Diese systemische Betrachtung ist besonders relevant, wenn Sensoren in geschlossene Regelkreise eingebunden werden. Ein stark gefiltertes Positionssignal kann sehr stabil erscheinen, beeinflusst aber zugleich das dynamische Verhalten der Regelung. Je nach Anwendung müssen daher Rauschen, Latenz, Bandbreite und Bewegungs- profil gemeinsam optimiert werden.

Anwendungsgerechte Rauschfilterung

Die optimale Filterung hängt von der jeweiligen Messaufgabe ab. Bei einer ruhenden Achse steht häufig die bestmögliche Positionsstabilität im Vordergrund. In diesem Fall kann eine reduzierte Bandbreite helfen, hochfrequente Rauschanteile zu verringern. Bei einer kontinuierlichen Bewegung muss die Filterbandbreite dagegen hoch genug sein, um die Positionsänderung ohne nennenswerte Dämpfung zu erfassen.

Bei vibrierenden oder beschleunigten Systemen ist besondere Sorgfalt erforderlich. Filter können bestimmte Frequenzanteile nicht nur dämpfen, sondern je nach Aufbau der Signalverarbeitung auch das dynamische Verhalten beeinflussen. Deshalb sollten Filtereinstellungen immer anhand der realen Anwendung geprüft werden, insbesondere wenn das Messsignal für eine aktive Regelung verwendet wird.

Abbildung 3 zeigt die Filterwirkung im Zeitbereich. Bei einer ruhenden Achse schwankt das ungefilterte Positionssignal um seinen Mittelwert. Ein Tiefpassfilter dämpft schnelle Signalanteile; das gefilterte Signal erscheint dadurch ruhiger. Die Darstellung zeigt bewusst den Effekt der Rauschreduktion. In dynamischen Anwendungen muss zusätzlich geprüft werden, welche Bandbreite für Bewegung, Regelung oder Schwingungsanalyse erhalten bleiben muss.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Filterwirkung im Zeitbereich. Tiefpassfilterung reduziert schnelle Schwankungen im Positionssignal und verringert so das sichtbare Positionsrauschen. Die geeignete Filterbandbreite hängt von der Dynamik der Anwendung ab.

SmarAct Metrology betrachtet Rauschen und Filterung daher nicht isoliert, sondern als Teil der gesamten Messarchitektur. Ziel ist es, Sensorik, Auswerteelektronik und Signalverarbeitung so aufeinander abzustimmen, dass die bestmögliche Kombination aus Auflösung, Stabilität und Dynamik für die jeweilige Anwendung erreicht wird.

METIRIO® und hochpräzise Positionsrückführung

METIRIO® ist ein kompakter optischer Encoder für hochauflösende Positionsmessungen.

Für eine Anwendungsorientierte Integrationslösung bietet SmarAct Tiefpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen an, sodass die Rauschfilterung an statische Messungen, langsame Positionieraufgaben oder Anwendungen mit höherer Dynamik

So lässt sich die Positionsmessung gezielt auf die jeweilige Anwendung abstimmen - von stabilen Stillstandsmessungen bis zu hochdynamischen Regelprozessen.