Лекция Определение и характеристика датчиков

Определение датчика Датчик ­ конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от   которого   поступают   сигналы   измерительной   информации   (он   «даёт» информацию).  Но первичный преобразователь может находиться в измерительной цепи любого средства измерений и не обязательно должен быть датчиком, т. е. конструктивно обособленным. Все   измерения   начинаются   с   восприятия   измеряемых   величин   и   формирования измерительного сигнала, который далее подвергается необходимым преобразованиям, т.е. на этом этапе датчики выделяют и представляют входную величину в виде измерительного сигнала. Функцию восприятия входной величины выполняет чувствительный элемент. При этом   идентифицируется   природа   величины   и   происходит   процесс   её   восприятия.   В официальных изданиях   чувствительный элемент определяется как часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входную величину. Сердцевиной чувствительных элементов датчиков является вещество (материал), которое воспринимает входную физическую величину. Помимо чувствительного элемента в измерительную цепь могут   входить   усилители,   делители,   фильтры,   модуляторы,   а   также   иные   устройства преобразования измерительного сигнала. В   измерительной   технике   применяют   также   унифицирующие   (нормализующие) преобразователи, приводящие сигналы датчиков к установленным нормам. Делается это для использования стандартной измерительной аппаратуры.  под   датчиком   следует   понимать   конструктивно   обособленную Таким   образом, совокупность первичных измерительных преобразователей, воспринимающую одну или несколько входных величин и преобразующую их в измерительные сигналы .  Понятие   датчик   необходимо   отличать   от   понятия   преобразователь.   Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. В   измерительно­информационной   технике   за   рубежом   используют   несколько   терминов, отражающих   особенности   выполнения   функций   восприятия   и   формирования измерительных   сигналов:   sensor,   gange   (англ.),   Geber,   Primarmessumformer   (нем.), Transducteur de mesure (франц.).   что   термин   «сенсор»   акцентирует   внимание   на   восприятии   входной Заметим, величины, а термин «датчик» ­­ на формировании и выдаче измерительного сигнала. Под сенсором понимается первичный измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий измерительный сигнал. На конструкцию и на другие особенности при этом никаких ограничений не накладывается. Следовательно, и сенсор и датчик выполняют одну и ту же функцию восприятия входной величины и формирования измерительного сигнала. Таким образом, в настоящее время разумно признать правомерным использование обоих этих терминов.                                           Характеристики датчиков   ­ передаточная функция; ­ максимальный входной сигнал; ­ диапазон измеряемых значений; ­ точность; ­ калибровка; ­ ошибка калибровки; ­ гистерезис; ­ нелинейность; ­ насыщение; ­ воспроизводимость; ­ мертвая зона; ­ разрешающая способность; ­ выходной импеданс; ­ динамические характеристики;   Передаточная функция Для   каждого   датчика   можно   вывести   идеальное   или   теоретическое   соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе. 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), многомерной или одномерной. Максимальный входной сигнал Динамический   диапазон   внешних   воздействий,   который   датчик   может   воспринять, называется   диапазоном   измеряемых   значений.   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   амплитудно­частотной   характеристикой   (АЧХ) динамический   диапазон   внешних   воздействий   часто   выражается   в   децибелах,   которые являются логарифмической мерой отношений либо мощности, либо напряжений. Диапазон выходных значений Диапазон   выходных   значений   ­­   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 Точность   ­   очень   важная   характеристика   любого   датчика.   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. Измеренное значение соответствует реальному с определенной степенью достоверности. На   точность   датчиков   влияют   такие   характеристики   как:   гистерезис,   мертвая   зона, параметры калибровки, повторяемость датчиков от партии к партии и воспроизводимость погрешностей. Калибровка Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы преобразования сигналов)   превышают   требуемую   точность   системы,   всегда   необходимо   проводить калибровку.   В   процессе   проведения   полной   калибровки   определяются   коэффициенты, описывающие   передаточную   функцию   всей   системы   в   целом,   включая   датчик, интерфейсное устройство и АЦП. Ошибка калибровки Ошибка   калибровки   ­­   это   погрешность,   допущенная   производителем   при   проведении калибровки   датчика   на   заводе.   Эта   погрешность   носит   систематический   характер,   и, значит,   добавляется   ко   всем   реальным   передаточным   функциям.   Ошибка   калибровки сдвигает   характеристику   преобразования   датчика   в   каждой   точке   на   определенную величину. Она необязательно должна быть равномерной во всем диапазоне измерений и может зависеть от типа ошибки, допущенной в процессе калибровки. Гистерезис 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 Нелинейность   определяется   для   датчиков,   передаточную   функцию   которых   возможно аппроксимировать   прямой   линией.   Под   нелинейностью   понимается   максимальное отклонение L реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой линии. Под термином «линейность» на самом деле понимается «нелинейность». Насыщение Каждый   датчик   имеет   свои   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 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. Причинами плохой воспроизводимости результатов часто являются: тепловой шум, поверхностные заряды, пластичность материалов и т.д. Мёртвая зона Мертвая   зона   ­­   это   нечувствительность   датчика   в   определенном   диапазоне   входных сигналов.   В   пределах   этой   зоны   выходной   сигнал   остается   почти   постоянным   (часто равным нулю). Разрешающая способность Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой величины, которое может почувствовать датчик. При непрерывном изменении внешнего воздействия в пределах  диапазона   измеряемых   значений   выходные   сигналы  датчиков  не  будут  всегда абсолютно гладкими, даже при отсутствии шумов. Выходной импеданс Выходной   импеданс   является   характеристикой,   указывающей   насколько   легко   датчик согласовывается   с   электронной   схемой.   Сопротивление,   соответствующее   выходному импедансу   датчика,   подключаются   параллельно   сопротивлению,   характеризующему входной импеданс электронной схемы или последовательно с ним. Динамические характеристики Динамические   свойства   датчиков   зачастую   определяют   быстродействие   всего измерительного   устройства.   Имеются   методы   коррекции   динамических   характеристик путем введения обратных связей по производным от входной величины и других приемов, позволяющих на порядок уменьшить инерционность устройств.