Основные динамические параметры и характеристики датчиков

Динамические показатели — это целый ряд параметров и характеристик в режиме реального переходного процесса, которые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Так, динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис. 12.1). Параметры, описывающие реакцию датчика, дают представление о его быстродействии (например, время нарастания, запаздывание, время достижения первого максимума и т. д.), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение)[1].

Динамическая реакция датчика (реакция на скачок)

Рис. 12.1. Динамическая реакция датчика (реакция на скачок):

То — время прохождения зоны нечувствительности;

Тс1 — запаздывание; Тр — время достижения первого максимума;

Д — время установления; Мр — перерегулирование

При этом важное значение придается вопросу минимизации следующих параметров:

1) время прохождения зоны нечувствительности — время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала;

  • 2) запаздывание — время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения (в литературе встречаются и другие определения запаздывания);
  • 3) время нарастания (rise time) — время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения (есть и другие определения времени нарастания). Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию1;
  • 4) время достижения первого максимума — время, когда достигается первый максимум выходного сигнала;
  • 5) время переходного процесса — время установления, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, ± 5 %);
  • 6) относительное перерегулирование — разность между максимальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах);
  • 7) статическая ошибка (steady-state error) — отклонение выходной величины датчика от истинного значения, или смещение. Может быть устранена калибровкой датчика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг другу, поэтому все параметры нельзя оптимизировать одновременно[2] .

Далее рассмотрим основные метрологические характеристики, так как именно от них главным образом зависят качественные показатели всех многочисленных видов датчиков. Это выражается в том, что датчик как средство измерения должен качественно, т. е. с минимальной погрешностью, воспринимать и воспроизводить на выходе в электрической форме подлежащую измерению механическую величину (т. е. неэлектрическую величину). Эти характеристики следующие.

  • 1. Градуировочная (калибровочная) характеристика — зависимость между значениями выходной электрической (ЭВ) и входной НЭВ. Желательный вид характеристики — прямая линия, проходящая через начало координат.
  • 2. Коэффициент преобразования — отношение выходного сигнала ЭВ к принятому параметру входной НЭВ датчика. Эта величина может быть определена для каждой точки градуировочной характеристики. Принятым параметром может быть либо мгновенное значение сигнала, либо некоторый функционал от него (среднеквадратичное значение, среднее по модулю значение и т. д.).
  • 3. Чувствительность датчика (ранее упомянуто) — отношение изменения выходного сигнала датчика к вызвавшему его изменению входного сигнала в установленных пределах. Для линейных датчиков эту величину находят как коэффициент преобразования, но предпочтение отдают термину «чувствительность».
  • 4. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — зависимость от частоты отношения амплитуды первой гармоники выходного сигнала к амплитуде входной гармонической величины.
  • 5. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) — зависимость от частоты сдвига фаз между первой гармоникой выходного сигнала и входной гармонической величиной.
  • 6. Рабочий диапазон частот (так же ранее упомянутый)— интервал частот входной гармонической величины, в котором нормированы допускаемые погрешности датчика.
  • 7. Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, в которой нормированы допускаемые погрешности датчика. Предел измерений — максимальное или минимальное значения диапазона измерений.
  • 8. Порог чувствительности — значение измеряемой величины, относительная погрешность измерения которого составляет 100 %.
  • 9. Коэффициент нелинейности (см выше также «линейность») — выраженное в относительной форме максимальное отклонение градуировочной характеристики от прямой линии во всем диапазоне измерения. В некоторых случаях различают нелинейность функциональной связи и гистерезис, т. е. неоднозначность градуировочной характеристики при возрастании и убывании входной величины.
  • 10. Основная погрешность — погрешность датчика в нормальных условиях. Она равна погрешности определения чувствительности в диапазоне измерений.

Может также быть ряд различных вспомогательных метрологических характеристик, не относящихся к основным характеристикам.

Кроме того, для любого качественного датчика важна так называемая реакция на воздействие окружающей среды, поскольку основная погрешность датчика определяется в нормальных условиях, т. е. при регламентированных параметрах окружающей среды. Однако реальный датчик чувствителен не только к измеряемой величине (физической величине, подлежащей или подвергаемой измерению), но и к другим величинам той или другой размерности и даже другой физической природы, которые могут воздействовать на датчик во время измерения или до него. Величины, которые не должны измеряться датчиком, но проявляются в его выходном сигнале и вносят дополнительную погрешность, называют влияющими (применяют также термин «влияющие факторы»)1. Фактически датчик является преобразователем с несколькими входами: основным для измеряемой величины и дополнительными для влияющих величин[3] . В паспортных данных датчика можно встретить и ряд эксплуатационных характеристик и параметров, которые совместно с метрологическими характеристиками полностью определяют измерительные свойства датчика.

Вопросы и задания для самоконтроля

  • 1. Что такое параметр и что такое характеристика датчика? Поясните их смысловое значение и тесную взаимосвязь.
  • 2. Какие статические параметры и характеристики в основном присущи датчикам?
  • 3. Какие вы знаете динамические параметры и характеристики датчиков?

  • [1] Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики. Перспективные направления развития. Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2001; Котюк А. Ф. Датчики в современных измерениях. М. : Радио и связь ; Горячая линия — Телеком, 2006.
  • [2] Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / пер. с англ. Ю. А. Заболотной ; под ред. Е. Л. Свинцова. М. : Техносфера, 2006; КотюкА. Ф. Датчики в современных измерениях. М. : Радио и связь ; Горячая линия — Телеком, 2006. 2 Kretschmar М., Welsby S. Capacitive and inductive displacement sensors // Sensor Technology Handbook / ed. by J. Wilson. Newnes : Burlington, MA, 2005; Grimes C. A., Dickey E. C., Pishko M. V. Encyclopedia of Sensors. American Scientific Publishers, 2006. 3 Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений. М. : Изд-во стандартов, 1975; Вибрации в технике : в 6 т. Т. 5. Измерения и испытания : справочник / под ред. М. Д. Генкина. М. : Машиностроение, 1981.
  • [3] Вибрации в технике : в 6 т. Т. 5. Измерения и испытания : справочник / под ред. М. Д. Генкина. М. : Машиностроение, 1981. 2 Подробно данный вопрос освещен в книге: Пеллинец В. С. Измерение ударных ускорений. М. : Изд-во стандартов, 1975.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >