Простая градуировка

Простая градуировка проводится, когда измеряемая вели­чина определяется единственным физическим параметром, а дат­чик не чувствителен к влияющим на измерение величинам и не подвержен их воздействию. Речь идет, в частности, о стати­ческих, т. е. постоянных по времени измеряемых величинах:

- измерение фиксированного расстояния с помощью потенциометрического датчика, показания которого не зависят от такого влияющего фактора, как температура;

- измерение постоянной силы (взвешивание) с помощью температурно-компенсированного датчика;

- измерение стабильной температуры с помощью термо­пары.

В этих условиях градуировка состоит в установлении связи точно известных измеряемых величин с соответствующими электрическими величинами на выходе; градуировка осущест­вляется в один прием каким-либо из описанных ниже способов.

Прямая или абсолютная градуировка. Различные значения измеряемых величин получаются или от эталонов, или от образ­цовых средств, обеспечивающих существенно более высокую» (на два порядка) точность по сравнению с точностью, необхо­димой для датчиков температуры в реперных точках темпера­турной шкалы, первичных или вторичных, а также для датчи­ков перемещения или прямолинейного движения (эталоны-ка­либры, прецизионные нониусы или лазерный интерферометр) (рис. 2.2).

Схема абсолютной градуировки акселерометра

Рис. 2.2. Акселерометр подвергается воздействию синусоидального колебания с известной ча­стотой f Амплитуда ускорения Г1 в функции амплитуды отклонения X1 равна Г1=4p2/2Х1. Величину X1 определяют по числу интерференционных полос, регистрируе­мых приемником оптического излучения за период колебания. Для каждого значения Гi по показанию прецизионного вольтметра определяют сигнал на выходе акселеро­метра.

Косвенная или сравнительная градуировка. Используется об­разцовый датчик, градуировочная кривая которого известна, а ее стабильность высока. Образцовый и градуируемый датчики в одинаковых условиях подвергаются, по возможности одновременно, действию одинаковых измеряемых величин, значения* которых определяются образцовым датчиком (рис. 2.3). Число пар значений измеряемых величин и выходных электрических величин ограничено, однако они позволяют однозначно устано­вить, с учетом точности измерений, соотношение между изме­ряемыми и выходными величинами

— в графической форме — градуировочная кривая;

— в алгебраической форме — характеристическое уравнение датчика.

Схема градуировки акселерометра путем сравнения с образцовым акселерометром,

Рис. 2.3.

2.2.2. Комплексная градуировка

Если воздействие на датчик измеряемой величины без учета дополнительных условий не позволяет с достаточной точностью провести градуировку, необходимо провести серию последова­тельных градуировок или комплексную градуировку, уточняю­щую зависимость выходного сигнала датчика от дополнитель­ных параметров. Например, если датчик имеет гистерезис (ме­ханический или магнитный), выходной сигнал зависит не толь­ко от значения измеряемой величины в момент измерения, но и от предшествующих ему значений. В этом случае для по­лучения достаточно точной градуировочной кривой требуется такая процедура, при которой датчик подвергается воздейст­вию упорядоченной последовательности номинальных значений измеряемой величины.

Эта процедура в общем случае состоит в следующем:

а) устанавливают датчик на нуль; измеряемая и выходная величины должны соответствовать начальным значениям, от которых начинается их изменение, например, m = 0, s = 0;

б) определяют значения выходного сигнала сначала при воз­растании измеряемой величины, а затем — при ее убывании.

Скорость изменения измеряемой величины или, что аналогич­но, спектр ее частот — важнейший параметр, к которому чув­ствительны все датчики. Действительно, любые датчики в усло­виях их применения характеризуются зависимостью чувстви­тельности от частоты. Эта характеристика опреде­ляет диапазон частот, внутри которого преобразование дат стики обыч­но ухудшаются тем сильнее, чем дальше отстоит частота от гра­ниц полосы пропускания. В таких условиях необходимо прово­дить двойную градуировку, определяя:

а) частотную характеристику датчика, получаемую путем измерения выходного сигнала в зависимости от частоты изме­ряемой величины, амплитуда которой поддерживается постоян­ной;

б) зависимость выходного сигнала датчика от амплитуды измеряемой величины при фиксированной частоте, выбираемой внутри полосы пропускания.

Физическая природа измеряемой величины также может быть одним из параметров, определяющих реакцию датчика, например:

а) емкость емкостного датчика уровня зависит не только от высоты уровня жидкости, но и от ее диэлектрической постоян­ной;

б) сопротивление поверхностного термометрического зонда зависит не только от температуры поверхности, но и от сопротивления материала нижележащих слоев, которые могут воз­действовать на зонд;

в) показания датчика на основе вихревых токов Фуко зави­сят не только от расстояния до объекта, но и от его удельного1 сопротивления и магнитной проницаемости. В этом случае необ­ходимо проводить отдельную градуировку датчика для каждого5 материала, с которым он используется.

Сходную процедуру применяют при наличии влияющих ве­личин. Если реакция датчика зависит от температуры, то про­водят серию градуировок (каждую — при постоянной темпера­туре); значения температур выбирают так, чтобы они были рас­пределены во всем диапазоне возможных применений датчика. То же относится и к другим влияющим величинам. Чтобы про­иллюстрировать необходимые операции при комплексной гра­дуировке, когда на характеристику датчика влияет ряд парамет­ров, рассмотрим фототранзистор. Речь идет о датчике оптиче­ского излучения, выходной сигнал которого, его коллекторный ток I_c, зависит: а) от потока излучения Ф с длиной волны l падающего на фототранзистор; б) от угла а между направле­нием падения излучения и нормалью к облучаемой поверхно­сти; в) от напряжения коллектор — эмиттер и от сопротив­ления нагрузки; г) от температуры.

Для каждого из указанных параметров разработчик прово­дит соответствующую градуировку, выявляя их воздействие на ток. По этим градуировочным кривым специалист, применяю­щий фототранзистор, определяет путем интерполяции характе­ристику датчика для конкретных условий эксперимента.

2.2.3. Достоверность результатов градуировки: воспроизводимость результатов и взаимозаменяемость датчиков

Степень доверия, с которой можно полагаться на результа­ты градуировки, нужно оценивать в случаях, когда эти резуль­таты применяются:

— либо для датчика, который уже подвергался градуиров­ке;

— либо для датчика из той же промышленной партии, но не подвергавшегося индивидуальной градуировке.

Воспроизводимость — это индивидуальное свойство датчика,, обеспечивающее уверенность в идентичности выходных сигна­лов (в пределах, оговоренных в паспорте) всякий раз, когда датчик будет использован в идентичных условиях (та же изме­ряемая величина и те же влияющие величины). Воспроизводи­мость определяют, проводя по меньшей мере две последователь­ные градуировки; при этом выявляются случайные погрешности, сопутствующие градуировке. Взаимозаменяемость датчиков одного и того же типа — это такое качество серии датчиков, которое гарантирует пользова­телю идентичность результатов (с определенным допуском) всякий раз, когда любой датчик этой серии применяется в иден­тичных условиях. Воспроизводимость есть результат, с одной стороны, точного соблюдения технологии производства, выбо­ра материалов я качества сборки, и, с другой стороны, прове­дения выходного контроля при изготовлении, позволяющего выпускать только датчики, укладывающиеся по параметрам в допуске, определяемым техническими условиями.