2.19. Фактор навколишнього середовища

Умови збереження – вимоги до умов навколишнього середовища, впливам якого датчик може піддаватися під час зазначеного періоду збереження, надовго не змінюючи його роботу при нормальних експлуатаційних режимах. Звичайно, умови збереження включають найвищі і найнижчі температури збереження і максимальну відносну вологість повітря при цих температурах. Слово "без конденсації" може бути додатково включено до характеристики відносної вологості повітря. У залежності від природи датчика необхідно розглянути деяке специфічні обмеження для збереження (наприклад, максимальний тиск, присутність невеликої кількості забруднюючих газів чи пари, і т.д.).

Короткотермінова і довготермінова стабільність (дрейф) є частиною характеристик точності. Короткотермінова стабільність виражається як зміни в роботі датчика в межах

хвилини, години, чи навіть дня. Вихідний сигнал датчика може збільшитися чи зменшитися, і в інших часових межах, він може бути описаний як ультранизький частотний шум. Тривала стабільність зв'язана зі старінням матеріалів датчика, що є безповоротною зміною в електричних, механічних, хімічних, чи теплових властивостях матеріалу; тобто тривалий дрейф звичайно односпрямований. Це відбувається на протязі значного часового діапазону, такого як місяці і роки. Довготермінова стабільність - одна з найважливіших характеристик для датчиків, які використовуються для прецизійних вимірів. Старіння в значній мірі залежить від умов збереження й експлуатаційних режимів, тобто, як добре компоненти датчика ізольовані від впливу навколишнього середовища, і які матеріали використовуються для їхнього виготовлення. Явища старіння типово для датчиків, що мають органічні компоненти і не проблема для датчиків, зроблених тільки з неорганічних матеріалів. Наприклад, покриті склом метало-оксидні терморезистори демонструють набагато більшу стабільність у порівнянні з покритими епоксидною смолою. Ефективний спосіб поліпшення довготермінової стабільності - штучне старіння компонентів при екстремальних умовах. Екстремальні умови можуть циклічно змінюватися від найнижчого до найвищого рівня. Наприклад, температуру датчика можна періодично змінювати від заморожування до гарячої. Таке прискорене старіння не тільки збільшує стабільність датчика але також і поліпшує надійність (див. нижче), тому що процес попереднього старіння виявляє багато схованих дефектів. Наприклад, покриті епоксидною смолою терморезистори можуть бути істотно поліпшені, якщо вони витримані при +150°C протягом 1 місяця перш, ніж вони будуть відкалібровані й встановлені у виріб.

Умови навколишнього середовища, що впливають на датчик, включають змінні які він не вимірює. Наприклад, датчик тиску повітря звичайно піддається не тільки тиску повітря, але й іншим впливам, таким як температура повітря і газові компоненти, вологість, вібрація, іонізуюче випромінювання, електромагнітне поле, сили тяжіння, і т.д. Усі ці фактори можуть і звичайно впливають на роботу датчика. Повинні бути розглянуті статичні і динамічні варіації цих умов. Деякі умови навколишнього середовища звичайно мають мультиплікативну природу; тобто, вони змінюють передатну функцію датчика (наприклад, змінюючи його коефіцієнт передачі). Приклад – резистивний тензодатчик, чутливість якого збільшується з температурою.

Стійкість до впливу навколишнього середовища дуже розповсюджена характеристика і звичайно дуже важлива вимога. І проектувальник датчика і експлуатаційник повинні розглядати всі можливі зовнішні впливи, що можуть впливати на роботу датчика. П’єзоелектричний акселерометр (датчик вібрацій) може видавати помилкові сигнали якщо він підданий раптовій зміні навколишньої температури, електростатичному розряду, формуванню електричних зарядів (електризація тертям), вібраціям кабелю, що з'єднує, електромагнітної інтерференції (EMI), і т.д. Навіть якщо виробник не задає вплив цих факторів, експлуатаційник повинний моделювати їх під час етапу випробувань дослідного зразка. Якщо, дійсно, вплив навколишнього середовища погіршує роботу датчика, можуть знадобитися додаткові коригувальні міри (див. Главу 5) (наприклад, поміщення датчика в захисну оболонку, використання електричної екраніровки, тепловий чи ізоляційний термостат).

Температурні коефіцієнти дуже важливі для роботи датчика; вони повинні бути

відомі і прийняті до уваги. Діапазон робочої температури - діапазон навколишньої

температури, заданий їх верхнім і нижнім значенням (наприклад, від −20°C до +100°C)

у межах якого датчик підтримує свою зазначену точність. Багато датчиків змінюються з температурою і їхні передатні функції можуть значно змінитися. Спеціальні компенсаційні елементи часто включаються чи безпосередньо в сам датчик чи у сигнальні ланцюги, щоб забезпечити компенсацію температурних помилок. Найпростіший спосіб визначити допуски теплових впливів - представити їх відповідно до поняття зони помилок, що застосовується в зоні робочих температур. Температурна зона може бути розділена на секції, у той час як зона помилок визначена окремо для кожної секції. Наприклад, датчик може бути так заданий, щоб мати точність ±1 % у діапазоні від 0°C до 50°C, ±2 % від −20°C до 0°C і від +50°C до 100°C, і ±3 % поза цими діапазонами в межах робочих температур від −40°C до +150°C.

Температура також торкнеться динамічних характеристик, особливо коли використовується в’язке демпфірування. Відносно швидка температурна зміна може викликати помилковий вихідний сигнал датчика. Наприклад, подвійний піроелектричний датчик у датчику руху нечутливий до повільних змін навколишньої температури. Однак, коли температура змінюється швидко, датчик видасть електричний струм, що може бути сприйнятий ланцюгом обробки як дійсний відгук на вплив, у такий спосіб викликаючи помилкове спрацьовування.

Помилка саморозігріву може виникнути, коли сигнал збудження, поглинутий датчиком, приводить до зміни його температури до такого ступеня, що це може вплинути на його точність. Наприклад, терморезисторний температурний датчик вимагає проходження електричного струму, що викликає розсіювання тепла в межах тіла датчика. У залежності від його зв'язку з навколишнім середовищем, температура датчиків може збільшитися через ефект самонагрівання. Це приведе до помилок у вимірі температури, тому що терморезистор тепер діє як додаткове помилкове джерело теплової енергії. Зв'язок залежить від середовища в якому датчик працює - із сухим контактом, рідиною, повітрям, і т.д. Гірший зв'язок з середовищем здійснюється через спокійне повітря. Виробники часто визначають помилку самонагрівання терморезисторів що розміщуються в повітрі, рідині, чи інших середовищах.

Збільшення температури датчика вище його оточення може бути знайдене по

наступній формулі:

ΔT° =V²/(ξυc + α) R, (2.39)

де ξ - масова щільність датчика, c - питома теплота, υ – об’єм датчика,

α - коефіцієнт теплового зв'язку між датчиком і його зовнішньою стороною (теплопровідність), R - електричний опір, і V ефективна напруга на опорі. Якщо самонагрівання приводить до помилок, можна використовувати рів. (2.39) при проектуванні тепловідводу. Наприклад, щоб збільшити α, терморезисторний датчик повинний бути добре з'єднаний з об'єктом шляхом збільшення зони контакту, застосовуючи теплопровідну змазку чи теплопровідні пластирі. Крім того датчикам з високим опором і низькою напругою виміру надається перевага.