Чувствительность датчика

Это определяющий параметр при выборе датчика. Он определяется в области номинальных параметров как отношение изменения сигнала ∆S к соответствующему изменению измеряемой величины “m”

Эта характеристика определяется изготовителем датчика и позволяет оценить выходной сигнал, зная пределы изменения измеряемой величины, т.е. сделать выбор датчика для измерительной системы в соответствии с требованиями измерений.

Размерность «S» зависит от принципа работы датчика и природы измеряемой величины:

Ом/⁰С для терморезистора, мкВ/⁰С – для термопары (см. Вт^-1 Гц^1/2 для обнаружительной способности фотоприемника.

Чувствительность датчика зависит от:

• физического принципа, лежащего в основе его работы;

• выбора материала датчика;

• размера датчика (часто);

• устройства датчика;

• измерительной схемы;

• температуры окружающей среды;

• величины или частоты напряжения питания;

• частоты изменения измеряемых величин.

При зависимости от величины напряжения питания;

S (U п.) = S₁U_п∆S/∆m.

В этом случае указывается значение чувствительности на 1 В напряжения питания.

Для датчиков, содержащих полупроводниковые элементы большое влияние на чувствительность оказывает температура. Поэтому, определяя чувствительность таких датчиков всегда указывают температуру при которой проведено измерение и коэффициент изменения чувствительности от температуры (коэффициент преобразования).

Для термотранзистора AGP коэффициент преобразования К = 156 при 24 ⁰С, а dK/dT = -2,3∙10^-3/ ⁰С.

Для PbS ∆E = 0,4 эВ при 295 и dЕ/dT = 4,5∙10^-4 эВ/К.

Большое влияние на чувствительность оказывает частота изменения измерительной величины (чем > f, тем > может быть влияние). Это связано обычно с механической, тепловой и электрической инерцией датчика или устройства связанного с ним, которое мешает мгновенному следованию сигнала за измеряемой величиной. Наиболее часто это связано с элементами электрической схемы (R, C, L), в которых происходят переходные процессы. Причинами могут быть физические принципы работы датчика.

В зависимости от частоты изменения “m” различают статический режим работы и динамический.

В первом случае “m” изменяется медленно, или оно постоянно (поток излучения, ускорение).

Во втором случае “m” изменяется быстро (модулируемый поток излучения, ускорение, связанное с вибрациями).

Некоторые датчики могут работать только в динамичном режиме (микрофон, пироэлектрический датчик).

Чувствительность в статическом режиме определяется по наклону статической характеристики в рабочем диапазоне.

Это связано обычно с механической, тепловой и электрической инерцией датчика или устройства, связанного с ним, которая мешает мгновенному следованию сигнала за измеряемой величиной. Наиболее часто это связано с такими элементами электрической схемы, как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, в которых происходят переходные процессы. Причинами могут быть и физические принципы работы датчиков.

Если эти процессы не постоянны, то чувствительность будет зависеть от рабочего диапазона. На линейном участке зависимости отношение S/m = Rj называется статическим коэффициентом преобразования.

Динамичная чувствительность определяется, если “m” является периодической функцией времени. В этом случае S будет иметь ту же периодичность, что и “m”. Зависимость чувствительности в динамичном режиме от частоты изменения измеряемой величины, является частотной характеристикой датчика.

При f → 0 чувствительность в динамичном режиме стремится к значению статической чувствительности.

Если измеряемая величина описывается выражением

m(t) = m₀ + m₁ cos t,

где m₀ – постоянная составляющая, на которую накладывается синусоидальная переменная с амплитудой m₁ и частотой f = /2π, то выходной сигнал приобретает форму:

S (t) = S₀ + S₁ cos (t + φ),

где S₁ амплитуда переменной составляющей выходного сигнала, возникающая от изменения измеряемой величины.

φ – сдвиг фаз между изменениями S на входе и выходе.

Связь между “S” и “m” в общей форме представляет собой дифференциальное уравнение, которое в зависимости от конкретного случая может быть уравнением 1^ого или 2^ого порядка.

Зависимость S = f(t) называется амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ).

Для систем 1^ого порядка при f → 0, S_f = S₀, тоже при f<<f_c. Если f = f_c, то .

f_c = B – называется полосой пропускания. Это диапазон частот, в котором ордината частотной характеристики уменьшается относительно своего максимального значения не больше, чем в 2 раза или на 3 дБ. Единица измерения 1 дБ это 0,1 десятичного логарифма отношения мощностей сигнала звуковой или электромагнитной природы. 3 дБ – это соответственно S_f/S₀ = 0,3 (log2 = 0,3).

Т.е. для систем первого порядка полоса пропускания B равна f_c, где f_c – некая граничная частота.

Системами 2^ого порядка моделируются многие комбинированные датчики.