Диапазон измеряемых значений (FS)-

Диапазон измеряемых значений (FS)-диапазон ФВ, воспринимаемых и преобразуемых датчиком в электросигнал в пределах допустимых погрешностей (Рис.2.8).

1) зависит отдопустимых пределов нелинейности ПФ, гистерезиса и воспроизводимости и других влияний

2) определяется 2-мя допустимыми значениями внешних воздействий:

o минимальным – обычно определяется допустимым уровнем шумов воздействия ФВ,

o максимальным – обычно определяется ограниченностью мощности преобразования ФВ.

Для широких диапазонов измеряемых значений определяется логарифмическими единицами децибелами:

o для величин мощности и энергии 1 дБ = 10 lg (Pmax/Pmin),

o для других величин (ток, напряжение,…): 1 дБ = 20 lg(Smax/Smin).

Диапазон выходных значений (FSO)- алгебраическая разность между выходными электросигналами, измеренными при максимальном и минимальном воздействии ФВ. Учитывает все возможные отклонения от идеальной функции.

Реально результаты преобразований ФВ не должны выходить за пределы определенной зоны, лежащей в границах предельно допустимых погрешностей ±∆, которые находятся от линии идеальной ПФ на расстоянии ±∆. Следовательно, разница между реальной и идеальной передаточной функцией δвсегда должна быть ≤ ∆.

Например (Рис.2.8), когда входной сигнал датчика равен х, в идеальном случае выходной сигнал должен быть равен Y, что соответствует точке z на ПФ. Вместо этого на реальной ПФ значению х соответствует точка Z, и, следовательно, выходной сигнал, равен Y’ соответствующий точке z' на идеальной ПФ, которой, в свою очередь, должен соответствовать входной сигнал х'. Поскольку х' < х, погрешность измерений в данном случае будет равна - δ .

Точность (погрешности)

Точность - основная характеристика датчика, определяющая погрешность его измерений. Величина обратная погрешности.

Погрешность датчика – отклонение (номинального) значения измеряемой ФВ на выходе датчика от ее значения на его входе , т.е. отличие показаний датчика s' от реального значения ФВ s:

Δ = s' – s (2.1)

Погрешность датчика состоит из различных по происхождению частей, называемых компонентами

Общий состав источников погрешности:

1) собственно датчик – его конструктивное, технологическое и другие виды исполнения (определяют основную погрешность),

2) влияние внешних условийэксплуатации (определяет дополнительную погрешность).

Общий состав погрешностей по условиям эксплуатации:

1) основная погрешность –определяемая в нормальных условиях применения датчика,

2) дополнительная погрешность –обусловленная отклонением какой-либо из влияющих величин от нормального значения или выхода ее из нормальной области значений.

Режимы использования датчиков:

1) статический - постоянное или относительно медленное изменение величины измеряемой ФВ (т.е. когда динамическая компонента погрешности пренебрежимо мала),

2) динамический – относительно быстрое изменение величины измеряемой ФВ (т.е. когда динамическая компонента погрешности соизмерима с другими).

Погрешности по режимам использования датчиков:

1) статическая – определяемая для постоянной ФВ в статическом режиме.

2) динамическая – компонента погрешности датчика, используемого для измерения изменяющейся во времени ФВ.

Общий состав погрешностей:

1) систематическая –значение которой остается постоянным или закономерно изменяется при повторных применениях датчика,

2) случайная –значение которой изменяется случайным образом при повторных применениях датчика. Существует всегда и устраняется только усреднением результатов множества измерений, поэтому на практике систематическая погрешность является средним значением множества экспериментальных значений.

Состав погрешностей по виду их представления:

1) абсолютная - разность между реальным значением входной ФВ и ее значением, вычисленным по выходному сигналу по ПФ или полученным высокоточным измерителем,

2) относительная - отношение абс. погрешности к измеренной величине. Обычно указывается в %.

3) предельно допустимая - наибольшая допустимая погрешность ФВ.

Собственные характеристики датчиков, влияющие на его погрешность (точность):

1) гистерезис, 2) мертвая зона, 3) параметры калибровки,

4) повторяемость датчиков от партии к партии, 5) воспроизводимость погрешностей.

Все эти характеристики будут рассмотрены далее.

Количественные характеристики погрешности датчиков:

1) непосредственно в единицах измеряемой величины (∆),

2) в % от значения максимального входного сигнала,

3) в единицах выходного сигнала.

Например, погрешность пьезорезистивного датчика давления с диапазоном входных сигналов 100 кПа и диапазоном выходных сигналов 10 Ом можно определить как: ±0.5%, ±500 Па или ±0.05 Ом.

Статистическая ошибка измерений- современная характеристика точности датчиков, учитывающая влияние как систематических, так и случайных погрешностей, но не зависит от ошибок, допущенных при определении ПФ.

Ошибка калибровки

Калибровка датчика – определение его индивидуальных коэф-ов (значений) по общей форме ПФ.

Производится если производственные допуски на датчик или его деградация превышают требуемую точность измерения. Например, требуется измерить температуру с точностью ±0.5°С датчиком, имеющим погрешность ±1ºС. Это можно сделать только после проведения калибровки этого конкретного датчика, т.е. после нахождения и реализации его индивидуальной ПФ.

До начала проведения калибровки необходимо знать его ПФ. Если ПФ линейна, то при калибровке определяют коэф-ты а и b, если экспоненциальна - то коэф-ты а и к и т.д.

Пример для линейной ПФ датчика температуры (ПФ: S = a + b T). Для определения 2-х неизвестных коэф-тов а и b прямой линии, необходимо иметь 2 уравнения. Поэтому калибровка проводится, как минимум, в 2-х точках: при температурах Т₁,, Т₂ , где измеряют значения 2-х соответствующих выходных напряжений: S₁, и S₂ .

Затем определяют значения коэф-тов по ПФ: S₁ = a + b Т₁, S₂ = a + b Т₂,

и значения нужных коэф-тов: b = ( S₁ – S₂)/( Т₁– Т₂), a = S₁ - bТ₁,

Для получения температуры по выходному напряжению такого датчика необходимо использовать инверсное выражение ПФ:

Т = (S – a)/ b.

Для нелинейных функций количество необходимых калибровок определяется видом математического выражения ФП. Если она моделируется полиноминальной зависимостью, то число калибровочных точек выбирается в зависимости от требуемой точности.

Поскольку, как правило, процесс калибровки занимает довольно много времени, то для снижения стоимости изготовления датчиков количество калибровочных точек при их производстве задается минимальным.

Другой подход к калибровке нелинейных датчиков - применение кусочно-линейной аппроксимации: любую кривую в пределах определенного интервала всегда можно заменить линейной функцией. Поэтому нелинейную ПФ можно представить в виде комбинации линейных отрезков, каждый из которых обладает своими собственными коэффициентами аи b.

Для калибровки датчиков необходимо иметь достаточно точные (образцовые) средства измерений (СИ), и стенды, позволяющие моделировать соответствующие внешние воздействия. Например, при калибровке контактного датчика температуры его необходимо помещать либо в резервуар с водой, либо в «сухой колодец», в которых есть возможность точно регулировать температуру. При калибровке инфракрасных датчиков требуется наличие черного тела, а для калибровки гигрометров — набор насыщенных растворов солей, используемых для поддержания постоянной относительной влажности в закрытом контейнере и т.д.

Следовательно, точность последующих измерений напрямую связана с точностью проведения калибровки и ошибка калибровочных СИ должна включаться в полную ошибку измерений.

Ошибка калибровки- систематическая погрешность, допущенная производителем при калибровке датчика на заводе. Добавляется ко всем другим компонентам погрешности.

Другие функционально – технические характеристики датчиков приведены в Приложениях 2.1,2.

Контрольные вопросы

1. Датчики. Назначение, виды.

2. Датчики измерительные. Назначение, состав.

3. Датчики измерительные. Общие принципы действия.

4. Датчики измерительные. Виды по использованию электропитания и способу преобразования.

5. Датчики измерительные. Виды по выходным сигналам.

6. Датчики измерительные. Обобщенная структурная схема.

7. Датчики измерительные. Виды по глубине преобразования.

8. Датчики первичные термометрические. Типовое конструктивное исполнение

9. Датчики измерительные электронные. Состав и особенности калибровки.

10. Датчики измерительные микропроцессорные. Состав и особенности использования.