Курсова робота Скудря М.О. Міев

343

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Взависимости от конструкций датчиков уравнения, описывающие их, могут иметь разный порядок.

Например, дифференциальные уравнения первого порядка описывают поведение датчиков, в состав которых входит один энергопреобразующий элемент(например, датчик температуры, в котором теплота преобразуется в электрический сигнал).

Вкачестве динамических характеристик таких датчиков обычно указываются их частотные характеристики, показывающие, насколько быстро датчик может отреагировать на изменение внешнего воздействия.

Для отображения относительного уменьшения выходного сигнала при увеличении частоты применяется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), граничная частота, соответствующая снижению выходного сигнала на 3 дБ, показывающая, на какой частоте происходит 30%-ное уменьшение величины выходного напряжения или тока. Эта граничная частота называется верхней частотой среза и считается предельной частотой работы датчика.

Частотные характеристики напрямую связаны с быстродействием датчика, которое выражается в единицах внешнего воздействия на единицу времени. То, какие именно характеристики, АЧХ или быстродействие, используются для описания датчика, зависит от его типа, области применения и предпочтений разработчиков. Другой способ описания

быстродействия состоит в определении времени, требуемого для достижения выходным сигналом датчика уровня в 90 % от стационарного или максимальногозначения при подаче на его вход ступенчатого внешнего воздействия. Еще один способ – определение постоянной времени τ датчика. Например, в терминах электрических величин τ = C · R, где С – электроемкость, R – сопротивление системы. В тепловых терминах под Cи R понимается теплоемкость и тепловое сопротивление. Постоянная времени является мерой инертности датчика. Для системы первого порядка временная зависимость имеет вид:

где Sm – установившееся значение выходного сигнала, t – время. Заменив в (10) t на τ получим:

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

344

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

т. е. по истечении времени, равного постоянной времени τ, входной сигнал системы (датчика) достигает уровня, составляющего около 63 % от установившегося значения. Аналогично можно показать, что по истечении трех постоянных времени уровень выходного сигнала составит 95 %.

Частота среза

характеризует наименьшую или наибольшую частоту внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота вреза показывает, насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя – с каким самым медленным сигналом он может работать.

Фазовый сдвиг

на определенной частоте показывает, насколько выходной сигнал отстает от внешнего воздействия. Фазовый сдвиг измеряется либо в градусах, либо в радианах и указывается для датчиков, работающих с периодическими сигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с обратными связями, необходимо знать его фазовые характеристики, поскольку фазовый сдвиг датчика может снизить запас пофазе всей системы в целом и привести к возникновению нестабильности.

Дифференциальные уравнения второго порядка описывают поведение датчиков с двумя энергопреобразующими элементами (например, акселерометр, в состав которого входит инертная масса и пружина). На выходах датчиков второго порядка при подаче на их входы некоторого ступенчатоговоздействия практически всегда возникают колебания. Если эти колебания кратковременные, датчик считается демпфированным.

Однако они могут быть продолжительными либо длиться постоянно. Это является признаком неправильной работы датчика, поэтому продолжительных колебаний необходимо избегать.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

345

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Любой датчик второго порядка характеризуется резонансной (собственной) частотой, выражаемой в

герцах или радианах в секунду. На собственной частоте происходит значительное увеличение значения выходного сигнала датчика. Обычно производители указывают значение собственной частоты датчика и его коэффициент затухания (демпфирования).

Демпфирование

– это значительное снижение или подавление колебаний в датчиках второго и более высоких порядков. От резонансной частоты зависят механические, тепловые и электрические свойства детекторов. Обычно рабочий частотный диапазон датчиков выбирается либо значительно ниже, либо выше собственной частоты датчика(на60% и более). Однако длянекоторых типов датчиков именно резонансная частота является рабочей.

Время разогрева

также является одной из динамических характеристик датчиков. Этовремя между подачей на датчик электрического напряжения или сигнала возбуждения и моментом, когда датчик начинает работать, обеспечивая требуемую точность измерений. Многие датчики

обладают несущественным временем разогрева, однако некоторыедетекторы, особенно работающие в устройствах с контролируемой температурой (термостатах, например), для своего разогрева требуют время от нескольких секунд до нескольких минут.

Для некоторых датчиков необходимо указывать специальные характеристики входных сигналов, каковыми могут быть, например, спектральные характеристики детекторов освещенности в пределах определенной оптической полосы.

На характеристики датчиков влияют и факторы окружающей среды, что необходимо учитывать как при работе с датчиками и системами, так и при их хранении и транспортировке.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

346

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Условия хранения

– совокупность предельных значений факторов окружающей среды, воздействующих на датчик в течение определенного промежутка времени, при которых не происходит существенного изменения его рабочих характеристик и

обеспечивается поддержание его работоспособности. Обычно условиями хранения устанавливаются максимальная и минимальная температуры хранения, а также максимальная относительная влажность при этих температурах. В зависимости от физической природы датчика могут указываться и дополнительные условия хранения – максимальное давление, присутствие или отсутствие некоторых газов или паров, например.

Краткосрочная и долгосрочная стабильность (дрейф)

– характеристики точности датчиков, описывающие изменения рабочих характеристик датчиков в течение коротких (минуты, часы, дни) или длинных (до нескольких

лет) промежутков времени. Выходной сигнал датчика может увеличиваться или уменьшаться с течением времени, что можно выразить

через величину шума сверхнизкой частоты. Долгосрочная стабильность зависит от процессов старения, которые изменяют электрические, механические, химические и термическиесвойства материалов, из которых изготовлен датчик. Долгосрочная стабильность является очень важной характеристикой для датчиков, используемых для высокоточных измерений. Скорость старения определяется условиямихранения и эксплуатации, тем, насколькохорошо элементы датчиков изолированы от воздействий окружающей среды, какие материалы использовались при их изготовлении. Интенсивное старение типично для датчиков, в составкоторых входят органические компоненты (например, эпоксидная смола).

Для повышения долговременной стабильности датчики подвергают термоцикличной обработке, моделирующей экстремальные условия работы. Кроме повышения стабильности характеристик датчика, такая обработка позволяет обнаружить скрытые дефекты и произвести отбраковку негодных устройств. Необходимо отметить, что в перечень условий окружающей среды, воздействующих на датчик при хранении, практически никогда не входят физические параметры, измеряемые датчиками. Многие из параметров

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

347

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

окружающей среды имеют мультипликативную природу, т. е. они влияют на передаточную функцию датчика.

Например, чувствительность резистивного датчика напряжений увеличивается с

ростом температуры окружающей среды. Очень важным требованием для современных датчиков является обеспечение их стабильной работы в

разнообразных условиях окружающей среды. Поэтому не только разработчики, но и экспериментаторы должны максимально возможно учитывать все внешние воздействия, способные повлиять на рабочие характеристики датчиков. Даже если производитель устройства не указал влияющие факторы (например, возможность появления паразитных выходных сигналов при вибрации соединительных проводов или резком изменении температуры окружающей среды), разработчик или экспериментатор должны проверить работу устройства в конкретных условиях эксплуатации, и, в случае реального ухудшения рабочих характеристик,

принять необходимые меры. Например, поместить датчик в защитный корпус или использовать электроили теплозащитный экран.

Температура окружающейсреды

влияет на рабочие характеристики датчиков. Рабочий диапазон температур – это интервал окружающих температур, внутри которого датчик работает с заданной точностью. Необходимо учитывать, что передаточные функции датчиков сильно зависят от температуры окружающей среды. Для снижения температурных погрешностей в состав самих датчиков встраивают специальные

компенсационные элементы либо включают компенсационные схемы в схемы преобразователей сигналов от датчиков.

Погрешность саморазогрева

появляется в датчиках, нагревающихся от сигнала возбуждения настолько, что это начинает влиять на их точностные

характеристики. Это особенно существенно при работе термодатчиков. Степень саморазогрева датчика зависит от его конструкционных особенностей и от условий окружающей среды.

Саморазогрев датчика приводит к появлению ошибок при измерении температуры. Самый

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

348

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

сильный саморазогрев датчиков наблюдается в средестоячего воздуха. Для оценки погрешности саморазогрева разработчиками используется следующаяформула:

Из приведенной формулы видно, что для уменьшения погрешности саморазогрева необходимо увеличивать коэффициент , т. е. обеспечивать плотный контакт датчика с объектом измерений при одновременном увеличении площади контакта, для чего можно применять теплопроводные смазочные или адгезионные вещества. Кроме того, предпочтительнее использовать высокорезистивные датчики и датчики с низким рабочим напряжением.

Надежность

– это способность датчика выполнять требуемые функции при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. В статистических терминах это вероятность того, что устройство будет работать без поломок в течение указанного промежутка времени или заданного количества циклов. Общепринятые способы измерения надежности отсутствуют, поэтому производители очень редко указывают еев перечне характеристик датчиков.

Для возможности применения датчиков в различных областях важными могут бытьи такиехарактеристики датчиков, как

Вес, конструкция, габариты.

Если для датчиков главными параметрами являются точность и надежность, такая характеристика, как стоимость, не играет ведущей роли. Если устройства предназначены для систем жизнеобеспечения, оборонных комплексов, космических кораблей, их высокая стоимость оправдана предъявляемыми требованиями по точности и надежности. Существует целый ряд других областей применения датчиков, где их стоимость является основополагающей.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

270

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

ЛЕКЦІЯ 13.

ЭТАП РГР

«ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ»

Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое применение и развитие вследствие возможности непрерывного измерения, измерения на расстоянии, высокой точности и чувствительности.

Измерение неэлектрической величины сводится к преобразованию ее в

однозначно зависимую от нее электрическую величину, измеряя которую и определяют неэлектрическую величину.

Электрические измерительные приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин, имеют большие преимущества по сравнению с неэлектрическими приборами, так как они позволяют как осуществлять дистанционные измерения, так и обеспечивать широкий диапазон чувствительности, а также позволяют измерять параметры различных быстропротекающих процессов.

Измерение различных неэлектрических величин (перемещений, усилий, температур и т. п.) электрическими методами выполняют с помощью устройств и приборов, преобразующих неэлектрические величины в зависимые от них электрические, которые измеряют электроизмерительными приборами со шкалами, градуированными в единицах измеряемых неэлектрических величин. Один и тот же преобразователь можно использовать для измерения различных неэлектрических величин и, наоборот, измерение какой-либо неэлектрической величины можно выполнить с помощью преобразователей различных типов.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

271

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком.

Датчикиделятся на две основные группы: параметрические и генераторные. Параметрические, основанные на изменении какого-либо электрического или магнитного параметра (сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и т. п.) под действием измеряемой величины. Параметрическим преобразователям необходим посторонний источник электрической энергии, а генераторные сами являются источниками энергии.

В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра:

сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр.

Параметрические датчики преобразуют неэлектрические величины в электрические параметры r, L, С, М, μ

В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные идр.

1.Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием измеряемойнеэлектрической величины, например уровня жидкости, линейного перемещения детали и т. д.

2.Проволочные преобразователи (тензосопротивления). Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.

3.Преобразователи — терморезисторы (термосопротивлени я). Работа их основана на зависимости сопротивления преобразователя от температуры.

4.Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности

преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.

5.Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т. д. используется для измерения этих величин.

6.Фотоэлектрическиепреобразователи. Получение фототека, зависящего от измеряемой величины, или получение импульсов фототока, частота которых зависит от измеряемой неэлектрической величины, используется для измерения освещенности, температуры, прозрачности и мутности жидкости, линейных размеров и других величин.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

272

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Генераторные, в которыхизмеряемая неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее э. д. с. (индукционные,

термоэлектрические, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие). Генераторные датчики преобразуют неэлектрическиевеличины в Е,U, I, Р.

Генераторные преобразователи по принципу работы делятся на группы:

1.Индукционные преобразователи. Работа их основана на преобразовании измеряемой неэлектрической величины, например скорости, линейных или угловых перемещений, в индуктированную э. д. с.

2.Термоэлектрические преобразователи. Возникновение термо-э. д. с. и ее зависимость от температуры используется для ееизмерения.

3.Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т. е.

возникновение э. д. с. в некоторых кристаллах под действием механических сил,

используется для измерения этих сил, давления и других величин.

4. Фотоэлектронные преобразователи .

Устройства для измерения неэлектрических величин, принципиально состоящие из преобразователя, соединительных проводов и измерителя, проградуированного в значениях измеряемой величины, в действительности

усложняются применением сложных схем, источников питания, стабилизаторов, выпрямителей, усилителей и т. д.

Рассмотрим в качестве примеров некоторые из методов измерения неэлектрических величин.

Электрические измерительные приборы, применяемые для измерения неэлектрических величин, градуируют непосредственно в единицах этихвеличин.

Датчики характеризуют чувствительностью и разрешающей способностью.

Под чувствительностью датчика понимают отношение

где ∆aвых — изменение значения электрическойвеличинынавыходедатчика; ∆aвх — изменение значения неэлектрической величины на его входе.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020

273

1ПрезентЛекцМетрология-Стор1-Всі-311020-1.docx

Под разрешающей способностью датчика понимают предел изменения измеряемойнеэлектрической величины,вкоторомпогрешность преобразования не превышает допустимого значения.

Из параметрических датчиков наиболее распространенными являются

реостатные (датчики сопротивления), емкостные, индуктивныедатчики, датчики с терморезисторами, фотоэлектрические датчики, тензорезисторы, Изгенераторных датчиков —

термоэлектрические(термопары) и индукционные, в которых неэлектрическая величина преобразуется в э. д. с.

Бесконтактным выключателем (датчиком) называется выключатель, приводимый в действие внешним объектом без механического контакта выключателя и объекта. Коммутация нагрузки производится полупроводниковыми элементами. Все это обеспечивает высокую надёжность работы бесконтактных датчиков.

© НУБіП, Нікіфоров А.П., 2020