4.3.17. Фактори навколишнього середовища
Умови зберігання - сукупність граничних значень факторів навколишнього середовища, що впливають на датчик протягом певного проміжку часу, при яких не відбувається істотної зміни його робочих характеристик і забезпечується підтримка його працездатності. Звичайно умови зберігання встановлюють; максимальну й мінімальну температури зберігання, а також максимальну відносну вологість при цих температурах. До значення відносної вологості необхідно додати таку характеристику, як «відсутність конденсату».
Короткострокова й довгострокова стабільність (дрейф) - характеристики точності датчиків. Короткострокова стабільність описує зміни робочих характеристик датчика в плині хвилин, годин і навіть днів. Вихідний сигнал датчика може збільшуватися або зменшуватися, що може бути виражене через величину шуму наднизької частоти. Довгострокова стабільність залежить від процесів старіння, які змінюють електричні, механічні, хімічні й термічні властивості матеріалів датчика. Довгостроковий дрейф параметрів може вимірятися досить тривалими інтервалами часу: місяцями й роками. Довгострокова стабільність є дуже важливою характеристикою для датчиків, використовуваних для прецизійних вимірів. Швидкість старіння визначається умовами зберігання й експлуатації, а також тем, наскільки добре елементи датчиків ізольовані від навколишнього середовища, і які матеріали використовувалися для їхнього виготовлення. Інтенсивне старіння типове для датчиків, до складу яких входять органічні компоненти, і не настільки суттєво для датчиків з неорганічних елементів.
У перелік умов навколишнього середовища, що впливають на датчики, практично ніколи не входять фізичні параметри, вимірювані датчиками. Наприклад, для датчика, що визначає тиск повітря, ураховуються наступні фактори навколишнього середовища: температура повітря й рядом розташованих об'єктів, вологість, вібрації радіація, що іонізує, електромагнітні поля, гравітаційні сили й т.п. Усі ці параметри не тільки можуть, але й впливають на робочі характеристики датчика. При цьому необхідно враховувати, як динамічні, так і статичні складові цих факторів. Багато з параметрів навколишнього середовища мають мультиплікативну природу, тобто вони впливають на передатну функцію датчика, наприклад, міняють його коефіцієнт підсилення. Одним з підтверджень цього ефекту є поведінка резистивного датчика напруг, чутливість якого збільшується з ростом температури.
Дуже важливою вимогою для сучасних датчиків є забезпечення їх стабільної роботи в різноманітних умовах навколишнього середовища. Тому розроблювачі, а також експериментатори завжди повинні враховувати всі можливі зовнішні впливи, здатні вплинути на робочі характеристики датчиків. Наприклад, на виході п'єзоелектричного акселерометра можуть з'являтися паразитні сигнали через: різкої зміни навколишньої температури, електростатичного розряду, утвору електричних зарядів (ефект трибоелектрики), вібрації сполучних проводів, електромагнітної інтерференції (ЕМІ) і т.п.
Температура навколишнього середовища впливає на робочі характеристики датчиків, тому завжди повинна братися до уваги. Робочий діапазон температур — це інтервал навколишніх температур, що задаються верхнім і нижнім граничними значеннями, усередині якого датчик працює із заданою точністю.
Погрішність саморозігріву з'являється в датчиках, що нагріваються від сигналу порушення настільки, що це починає впливати на його точність. Наприклад, через термісторний датчик температури необхідно пропускати електричний струм, що приводить до розсіювання тепла усередині його конструкції. При цьому ступінь саморозігріву датчика залежить від його конструкційних особливостей і від умов навколишнього середовища: сухе повітря, рідина і т.д.
Саморозігрів датчика приводить до появи помилок при вимірі температури, оскільки термістор починає працювати як джерело додаткової теплової енергії. Найдужчий розігрів датчиків спостерігається в середовищі стоячого повітря. Для термісторів виробники часто вказують погрішність саморозігріву при роботі в повітрі, стоячій рідині й інших середовищах. З метою зменшення погрішності саморозігріву переважніше використовувати високоомні датчики й датчики з низькою робочою напругою.
4.3.18. Надійність
Надійність - це здатність датчика виконувати необхідні функції при дотриманні певних умов протягом заданого проміжку часу. Якщо використовувати статистичні терміни, можна дати наступне визначення: надійність - це ймовірність того, що пристрій буде функціонувати без поломок протягом зазначеного інтервалу часу або заданого кількості циклів. Слід зазначити, що надійність не є характеристикою дрейфу або шуму. Вона відбиває час до виходу пристрою з ладу (відмови), або тимчасового, або постійного при дотриманні регламентованих умов експлуатації.
Незважаючи на те, що надійність є дуже важливою характеристикою, вона рідко вказується виробниками датчиків. Можливо, причина цього полягає у відсутності загальноприйнятих способів її виміру. У США для багатьох електронних приладів у якості способу визначення експлуатаційної надійності застосовується процедура обчислення середнього часу між відмовами (СЧМВ), описана в стандарті MIL-HDBK-217. Ця процедура заснована на визначенні СЧМВ всього пристрою після обчислення СЧМВ його окремих елементів, при цьому необхідно враховувати вплив зовнішніх факторів: температури, тиску, механічних напруг, ступені екранування і т.д. На жаль, процедура знаходження СЧМВ не дозволяє оцінити надійність прямо, і таку характеристику важко застосовувати на практиці. Тому часто для визначення надійності датчиків їх піддають кваліфікаційним випробуванням, які проводяться в найгірших умовах.
Іншим можливим способом «прискореного старіння» є використання тієї ж самої сукупності параметрів, що й у реальних режимах експлуатації, включаючи максимальне навантаження й цикли включення/вимикання, але перевірку системи проводити в розширених діапазонах навколишніх умов. При цьому допускається, щоб робочі характеристики датчиків виходили за межі, зазначені в їхніх описах, але в нормальних умовах експлуатації вони повинні вертатися до необхідних значень. Для оцінки кількості циклів (n) може застосовуватися наступна емпірична формула:
де N — приблизна кількість циклів за весь експлуатаційний період, Ттах — максимально можлива флуктуація температури, a Ttest - максимальна флуктуація температури, зафіксована під час тестування. Наприклад, нехай нормальна робоча температура датчика рівна 25°С, максимальна робоча температура, зазначена в описі, становить 50°С, тестування проводилося при температурі 100°С. Також було оцінено, що датчик за період своєї експлуатації (допустимо, 10 років) зазнає 20000 робочим циклам, тоді кількість тестових циклів, певне по формулі (2.26), складе:
Це значить, що для тестування, що моделює весь строк експлуатації, проведеного при вищевказаних умовах, буде потрібно 1300 циклів замість 20000. Слід зазначити, що коефіцієнт 2.5 отриманий для місць з'єднання приспіваємо, оскільки саме ці елементи найбільш піддані виходу з ладу. Але деякі датчики не мають паяних з'єднань, а елементи інших пристроїв мають більш високий коефіцієнт, що 2.5 (наприклад, з'єднання за допомогою електропровідних епоксидни смол), тому на практиці цей коефіцієнт може або злегка знижуватися, або злегка збільшуватися. У результаті тестування на «прискорене старіння», надійність виражається через імовірність відмов. Наприклад, якщо при проведенні тестування 100 датчиків два з них вийшли з ладу ( при оціненому терміні служби 10 років), можна затверджувати, що надійність даного типу пристроїв становить 98% протягом перших 10 років їх експлуатації. Датчик, залежно від області застосування, може зазнати впливу й інших факторів навколишнього середовища, які потенційно можуть міняти його робочі характеристики або допомагати виявляти приховані дефекти.