13. Основные метрологические характеристики датчиков и методы их определе­ния.

1. Чувствительность датчика - отношение изменения выходного элек­трического сигнала к вызвавшему его изменению входного параметра, изме­ряемою датчиком

g = ∆y / ∆x

где ∆y - соответствующее изменение выходного электрического сигнала, ∆x - изменение входного неэлектрического сигнала.

Схема определения чувствительности датчика

Чувствительность датчика определяется по амплитудной характеристике датчика. Амплитудная характеристика датчика - зависимость ве­личины выходного сигнала электрического от величины входного неэлектрического сигнала.

Чувствительность, как метрологическая характеристика датчика, определя­ется на линейном участке амплитудной характеристики.

Амплитудная характеристика датчика

АВ – линейный участок характеристики

2.Динамический диапазон - диапазон изменения входной величины, в котором она воспроизводится в электрический сигнал без искажений.

m = x_max / x_min

m ≥ 10 -наиболее распространенный динамический диапазон для датчика.

3.Линейность датчика. Чем длиннее прямолинейный участок характери­стики, тем больше линейность датчика.

4.Время реакции датчика (τ) - минимальный промежуток времени, в те­чение которого происходит установление выходной величины, при скачкообразном изменении входной величины.

'Гак как в медицинских приборах допустимы 30% искажения, то на практи­ке под временем реакции датчика понимается промежуток времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,67Y_уст при скачкообразном изменении входного сигнала.

τ = Т (При У = 0,67Y_уст) - время реакции датчика.

Зная время реакции датчика, можно определить его частотный диапазон:

f_нижн = 0; f_верхн = 1/τ

Принцип определения времени реакция датчика.

5.Коэффициент нелинейных искажений

Коэффициент нелинейных искажений определяется по амплитудной харак­теристике датчика.

К_н.и. = (Y_ном – Y_реал) / Y_ном · 100%

6.Стабильность датчика - неизменность выходной величины при неиз­менности входной величины.

X = const → Y = const

7.Погрешность датчика (∆). Датчик искажает информацию Величина погрешности датчика зависит от: старения датчика (δ₁), влияния окружающей среды (δ₂), погрешности измерительною прибора (δ₃) нестабильности источни­ка питания (δ₄) и т.д.

∆ = δ₁ + δ₂ + δ₃ + δ₄.... + δ_n

14. Физические принципы работы термисторных, термоэлектрических, пьезоэлек­трических, тензорезисторных, индуктивных, емкостных и индукционных датчиков.

Термисторные датчики

Применяются для измерения температуры человеческого тела. В качестве датчиков применяются проволочные и полупроводниковые терморезисторы. В основу работы терморезисторов положена зависимость их сопротивления от температуры. Эта зависимость характеризуется величиной температурного ко­эффициента сопротивления (ТКС). При положительном ТКС с возрастанием температуры возрастает сопротивление, при отрицательном ТКС зависимость обратная.

Для полупроводникового резистора (термистора):

R = R₀ (1 – αt⁰)

Тогда по закону Ома: I = U/R

Из приведенных формул следует, что изменение температуры среды, в ко­торую помешается датчик, приводит к изменению сопротивления датчика. Это изменение сопротивления, которое прямо пропорционально изменению темпе­ратуры. с помощью внешнего источника питания с напряжением I преобразу­ется в соответствующее изменение величины электрического тока. Таким обра­зом, данный датчик является параметрическим (пассивным).

Термоэлектрические датчики

В основе работы лежит принцип возникновения термоэлектродвижущей силы между двумя спаями разнородных металлов, если они находятся при раз­личных температурах. Такое соединение носит название термопара. Например, железо и константан.

ε = α(Т₂ – Т₁)

Таким обрезом, данный датчик сам генерирует электрический сигнал, ко­торый прямо пропорционален изменению температуры. Поэтому данный дат­чик является генераторным (активным).

Пьезоэлектрические датчики

В основе принципа работы датчика лежит явление прямого пьезоэлектри­ческого эффекта, состоящего в возникновении электрических зарядов разных знаков на поверхности кристалла при его механической деформации. Обратный пьезоэлектрический эффект возникновение деформации тела при изменении разности потенциалов между его поверхностями. Таким свойством обладают кварц, турмалин (природные материалы) и синтетические - титанат бария, сегнетова соль.

ε_р = φ(δ)

где δ - механическое напряжение.

Таким образом, данный датчик также является генераторным (активным).

Тензорезисторные датчики

В основе их работы лежит свойство материалов изменять свое электриче­ское сопротивление вследствие их механической деформации. Датчики бывают проволочные. полупроводниковые. При изменении их размеров, например дли­ны L, под действием внешней силы F меняется величина их сопротивления R = f(L)

Таким образом. при изменении величины силы, прямо пропорционально изменяется и сопротивление проводника. По закону Ома это изменение сопро­тивления может быть преобразовано в соответствующий электрический сигнал (величину электрического тока). Данный датчик также является параметриче­ским (пассивным), так как требует внешнего источника питания.

Емкостные датчики

Принцип работы такого датчика заключается в изменении его емкости при воздействия внешней силы. Конструктивно их выполняют в виде конденсатора. При изменении расстояния между обкладками конденсатора меняется его ёмкость. Если включить такой датчик я цепь переменного тою. то изменение ем­кости приведет к изменению и емкостного сопротивления Х_с = 1/(ωС) • где ω - циклическая частота. С - электроёмкость.

По закону Ома для цепи переменного тока это изменение емкостного со- противления может быть преобразовано в величину переменного тока: ~I=~U/X_C

Данный датчик также является пассивным.

Индуктивные датчики

Датчики индуктивного типа преобразовывают изменение перемещения или давления в изменение индуктивности. Изменение индуктивности приведет к изменению индуктивного сопротивления: Х_L = ωL

По закону Ома для цени переменною тока это изменение индуктивного сопротивления может быть преобразовано в величину переменного тока: ~I=~U/X_L

Данный датчик является пассивным.

Индукционные датчики

Принцип действия таких датчиков основан на явлении электромагнитной индукции Конструктивно такие датчики представляют катушку с намагничен­ным ферромагнитным сердечником. При перемещении сердечника внутри ка­тушки (или катушки относительно сердечника) в ней генерируется ЭДС. про­порциональная скорости изменения магнитного потока: ЭДС = - ∆Ф / ∆t

Из данной формулы следует, что индукционный датчик является актив­ным (генераторным).