Информационно-измерительные устройства

Лекция 3 Характеристики датчиков

План лекции:

1. Характеристика передачи датчика; основные функциональные показатели

2. Показатели точности статического режима (основные виды погрешностей)

3. Электрические характеристики

4. Динамическая погрешность

5. Эксплуатационные свойства

От входа до выхода датчик может иметь несколько этапов преобразования, прежде чем на выходе сформируется электрический сигнал. Выбор конкретного датчика для практического применения опирается на анализ его характеристик. В лекции мы обсудим общие характеристики датчиков, независимо от их физической природы или шагов, необходимых для выполнения преобразования. Мы рассмотрим датчик как “черный ящик”, в котором нас интересует лишь взаимоотношение (адекватность) между входным воздействием и выходным сигналом.

1. Статическая характеристика датчика и вытекающие функциональные показатели

Характеристика передачи Идеальная или теоретическая зависимость ‘вход – выход’ существует для любого датчика. Если датчик идеально спроектирован и изготовлен идеальным рабочим из идеальных материалов с использованием идеальных инструментов, выходной сигнал такого датчика отображает истинное значение входного воздействия. Идеальная (теоретическая) зависимость между входом и выходом любого устройства, отображающая состояние установившегося режима, называется функцией передачи устройства, или его статической характеристикой. Функция передачи может быть представлена в виде таблицы значений, графика или математического выражения.

Для датчика эта функция устанавливает зависимость между генерируемым датчиком электрическим сигналом, S, и измеряемым параметром, воздействием s:

S =f (s).

S определяется одним из параметров выходного электрического сигнала, тем, что используется устройством сбора данных в качестве выхода датчика. В зависимости от особенностей датчика это могут быть амплитуда, или частота, или фаза…

Функция передачи (статическая характеристика) может быть простой линейной зависимостью или нелинейной функцией.  Одномерная линейная взаимосвязь описывается уравнением:

S =a +bs, (3.1)

где a - представляет значение выходного сигнала для нулевого входного сигнала – S(0), а b определяет наклон характеристики, который называют чувствительностью.. Кроме простой линейной зависимости, встречается логарифмическая функция

S =a +b ln s, (3.2)

экспоненциальная функция

S =?, (3.3)

степенная функция

S =?, (3.4)

где k - постоянный коэффициент.

Реже используется полиномиальная аппроксимация более высокого порядка. Для нелинейной статической характеристики чувствительность b не имеет постоянного значения, как для линейной зависимости (3.1). Здесь для любого конкретного входного значения, s0, чувствительность может быть определена как

b = dS (s0)/ds. (3.5)

Во многих случаях, нелинейный датчик может рассматриваться как линейный в ограни-ченном диапазоне. В широком диапазоне нелинейная статическая характеристика может быть аппроксимирована несколькими отрезками прямых (кусочно-линейная аппроксима-ция). Возможное отличие фактической характеристики от линейной модели оценивают специальными границами, в рамках которых задан уровень разрешенной (паспортной) погрешности (см. далее).

Диапазон измерения (диапазон входных воздействий полной шкалы) Динамический диапазон воздействий, которые могут быть преобразованы датчиком, называется рабочим диапазоном или диапазоном полной шкалы – ПШ (FS на рис.3.1 )... Децибелы. Для датчиков с очень большим диапазоном измерения и нелинейной характеристикой передачи динамический диапазон входных сигналов часто выражается в децибелах, которые являются логарифмической мерой отношения либо мощности, либо напряжения (силы). Следует подчеркнуть, что децибелами измеряются именно отношения, а не абсолютные значения. По определению, децибелы находятся вычислени-ем 10-кратного десятичного логарифма отношения мощностей:

N, дБ=10 lg (P2/P1). (3.6)

В практике измерений децибелы ещё чаще определяют через отношение не мощностей, а сил, токов, или напряжений

N, дБ=20 lg (S2/S1). (3.7)

Упражнение для самопроверки: Заполните столбцы таблицы, относящиеся к приведенному значению дБ:

Отношение мощностей
Отношение напряжений
Децибелы, дБ	0.1 1.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0

Выходной сигнал полной шкалы Выходной сигнал полной шкалы (СПШ) – это алгебраическая разность между выходными электрическими сигналами, измеренными для максимального и минимального входных воздействий.

Например, на рис. 3.2,A СПШ представлен значением SFS, а погрешность приведена к единице входной величины. Из рисунка следует, что данное выше определение СПШ включает и возможные отклонения от идеальной статической характеристики, допустимые для данного датчика.

2. Показатели точности статического режима. Основные виды погрешностей Термин “точность” применительно к характеристике датчика на самом деле означает НЕточность, или погрешность, которая является важнейшей его характеристикой.

Погрешность обычно оценивается наибольшим отклонением параметра, представляемо-го датчиком, от идеального, или истинного значения. Такое отклонение определяют как разницу между значением входного воздействия, пересчитанным из измеренного выходного напряжения, и фактическим значением воздействия.