4. Характеристики датчиков

Выведенное идеальное соотношение между входным и вы­ходным сигналом можно выразить в виде либо таблицы, либо графика, либо мате­матического выражения. Это идеальное (теоретическое) выражение часто называ­ют передаточной функцией. Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s: S=f(s). Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, лога­рифмической, экспоненциальной или степенной). Во многих случаях передаточная функция является одномерной (т.е. связывает выходной сигнал только с одним внешним воздействием) Одномерную линейную функцию можно представить в виде выражения

(5.1)

где а — постоянная составляющая (т е значение выходного сигнала при нулевом входном воздействии), b — наклон прямой, который часто называют чувстви­тельностью датчика. Параметр S — эта та характеристика электрического сигна­ла, которую системы сбора данных воспринимают в качестве выходного сигнала датчика. В зависимости от свойств датчика это может быть амплитуда, частота или фаза.

Логарифмическая передаточная функция имеет вид

(5.2)

экспоненциальная —

(5.3)

степенная —

(5.4)

где к — постоянное число

Однако датчик может иметь передаточную функцию, которую невозможно описать вышеприведенными аппроксимационными выражениями. В таких случаях приме­няются полиноминальные аппроксимации более высоких порядков. Для нелинейных передаточных функций чувствительность b не является констан­той, как это было в случае линейных зависимостей. Для каждого конкретного зна­чения входного сигнала ее можно определить в виде:

(5.5)

Динамический диапазон внешних воздействий, который датчик может воспри­нять, называется диапазоном измеряемых значений (FS). Эта величина показывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может пре­образовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешно­стей. Для датчиков с очень широкой и нелинейной амплитудно-частотной харак­теристикой (АЧХ) динамический диапазон внешних воздействий часто выража­ется в децибелах, которые являются логарифмической мерой отношений либо мощности, либо напряжений. Всегда необходимо помнить, что децибелы выра­жают не абсолютные значения, а только отношения величин.

Диапазон выходных значений (FSO) — алгебраическая разность между электрически­ми выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внеш­нем воздействии. В эту величину должны входить все возможные отклонения от идеальной передаточной функции.

Точность — очень важная характеристика любого датчика. Правда, когда говорят о точности датчика, чаще всего подразумевают его неточность или погрешность из­мерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину мак­симального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков.

Погрешность датчика можно также представить в виде разности между зна­чением, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением по­данного входного сигнала.

Погрешность датчиков может быть представлена в следующих видах:

1. Непосредственно в единицах измеряемой величины (А),

2. В процентах от значения максимального входного сигнала,

3. В единицах выходного сигнала.

В современных датчиках точность часто характеризуется величиной статис­тической ошибки измерений, учитывающей влияние как система­тических, так и случайных погрешностей, и не зависящих от ошибок, допущенных при определении передаточных функций.

Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы пре­образования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необ­ходимо проводить калибровку. Например, требуется измерить температуру с точностью ±0.5°С датчиком, по справочным данным обладающим погрешнос­тью ± 1°С. Это можно сделать только после проведения калибровки конкретного датчика, что необходимо для нахождения его индивидуальной передаточной функции, а также после проведения полной калибровки системы. В процессе проведения полной калибровки определяются коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП. Математическое описание передаточной функции необхо­димо знать до начала проведения калибровки.

Для нелинейных функций калибровку требуется проводить более чем в двух точках. Количество необходимых калибровок диктуется видом математического выражения. Если передаточная функция моделируется полиноминальной зависи­мостью, число калибровочных точек выбирается в зависимости от требуемой точ­ности. Поскольку, как правило, процесс калибровки занимает довольно много вре­мени, для снижения стоимости изготовления датчиков на производстве количе­ство калибровочных точек задается минимальным.

Гистерезис — это разность значений выходного сигнала для одного и того же вход­ного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. Типичной причиной воз­никновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов.

Нелинейность определяется для датчи­ков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелиней­ностью понимается максимальное откло­нение L реальной передаточной функ­ции от аппроксимирующей прямой ли­нии.

Каждый датчик имеет свой пределы ра­бочих характеристик. Даже если он счи­тается линейным, при определенном уровне внешнего воздействия его выходной сигнал перестанет отвечать приведенной линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону нелинейности или в зону насыщения.

Воспроизводимость — это способность датчика при соблюдении одинаковых усло­вий выдавать идентичные результаты. Воспроизводимость результатов определя­ется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах калибровки. Обычно она выражается в процентах от максималь­ного значения входного сигнала (FS):

(5.6)

Мертвая зона — это нечувствительность датчика в определенном диапазоне вход­ных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал остается почти постоянным (часто равным нулю).

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой ве­личины, которое может почувствовать датчик.

Величина из­менения входного сигнала, приводящая к появлению минимальной ступеньки на выходном сигнале датчика при определенных условиях, называется его разрешаю­щей способностью.

Разрешающая способность датчиков с цифровыми выходными сигналами часто задается числом бит слова данных.

Если на выходном сигнале не удается определить раз­личимых ступеней, говорят, что датчик обладает бесконечно большим разрешением. Термин «бесконечное разрешение» является ошибочным.

Для некоторых датчиков необходимо указывать специальные характеристики вход­ных сигналов. Например, для детекторов освещенности такой характеристикой явля­ется его чувствительность в пределах ограниченной оптической полосы. Следова­тельно, для таких датчиков необходимо определять спектральные характеристики.

Выходной импеданс Z_M является характеристикой, указывающей насколько легко дат­чик согласовывается с электронной схемой.

Сигнал возбуждения — это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы. Сигнал возбуждения описывается интервалом напряжений и/или тока. Для некоторых типов датчиков также необходимо указывать частоту сигнала возбуж­дения и его стабильность.

Время разогрева — это время между подачей на датчик электрического напряже­ния или сигнала возбуждения и моментом, когда датчик начинает работать, обеспе­чивая требуемую точность измерений. Многие датчики обладают несущественным временем разогрева. Однако некоторые детекторы, особенно работающие в устрой­ствах с контролируемой температурой (термостатах), для своего разогрева требуют секунды, а то и минуты.

Для датчиков первого порядка очень удобно использо­вать параметр, называемый постоянной времени. Постоянная времени τ является мерой инерционности датчика.

Частота среза характеризует наименьшую или наибольшую частоту внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза — с каким самым медленным сигналом он может работать.

Фазовый сдвиг на определенной частоте показывает насколько выходной сиг­нал отстает от внешнего воздействия. Сдвиг измеряется либо в граду­сах, либо в радианах и обычно указывается для датчиков, работающих с периоди­ческими сигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с обрат­ными связями, всегда необходимо знать его фазовые характеристики. Фазовый сдвиг датчика может снизить запас по фазе всей системы в целом и привести к возникно­вению нестабильности.

Любой датчик второго порядка характеризуется резонансной (собственной) частотой, которая выражается в герцах или радианах в секунду. На собственной часто­те происходит значительное увеличение выходного сигнала датчика. Обычно произ­водители указывают значение собственной частоты датчика и его коэффициент зату­хания (демпфирования).

Демпфирование — это значительное снижение или подавление колебаний в дат­чиках второго и более высоких порядков. Когда выходной сигнал устанавливается достаточно быстро и не выходит за пределы стационарного значения, говорят, что система обладает критическим затуханием, а ее коэффициент демпфирования равен 1.

Условия хранения — совокупность предельных значений факторов окружающей сре­ды, воздействующих на датчик в течение определенного промежутка времени, при которых не происходит существенного изменения его рабочих характерис­тик и обеспечивается поддержание его работоспособности.

Краткосрочная и долгосрочная стабильность (дрейф) — характеристики точно­сти датчиков. Краткосрочная стабильность описывает изменения рабочих харак­теристик датчика в течении минут, часов и даже дней.

Долгосрочная стабильность зависит от процессов ста­рения, которые изменяют электрические, механические, химические и термичес­кие свойства материалов датчика. Долгосрочный дрейф параметров может изме­ряться достаточно длительными интервалами времени: месяцами и годами.

Температура окружающей среды влияет на рабочие характеристики датчиков, поэтому всегда должна приниматься во внимание. Рабочий диапазон температур — это интервал окружающих температур, задаваемых верхним и нижним предельными значениями (например, -20...+100°С), внутри которого датчик работает с заданной точностью. Передаточные функции многих датчиков сильно зависят от окружаю­щей температуры.

Погрешность саморазогрева появляется в датчиках, нагревающихся от сигнала возбуждения настолько, что это начинает влиять на его точностные характеристи­ки.

Саморазогрев датчика приводит к появлению ошибок при измерении температу­ры, поскольку термистор начинает работать как источник дополнительной тепло­вой энергии.

Надежность — это способность датчика выполнять требуемые функции при со­блюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. Если использовать статистические термины, можно дать следующее определе­ние: надежность — это вероятность того, что устройство будет функционировать без поломок в течение указанного интервала времени или заданного количества циклов. Следует отметить, что надежность не является характеристикой дрей­фа или шума. Она отражает время до выхода устройства из строя (отказа), либо временного, либо постоянного при соблюдении регламентированных условий эксплуатации.