Общие характеристики датчиков

Выполняющий измерительное преобразование датчик работает в реальных производственных условиях эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, связанных с высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно воздействует большое число параметров. Среди этих параметров только один является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внешние параметры, характеризующие производственную среду. Эти внешние параметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величину, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной величины. При построении датчиков используются различные физические принципы, которые в значительной степени определяют области рационального применения того или иного датчика.

Параметрический датчик изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому-либо внешнему источнику энергии.

Генераторный датчик сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии.

В качестве примеров датчиков такого рода можно назвать различные пьезоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчики скорости вращения. К параметрическим датчикам относятся:

• резистивные;
• индуктивные;
• трансформаторные;
• емкостные.

К генераторным датчикам относятся:

• термоэлектрические;
• индукционные;
• пьезоэлектрические;
• фотоэлектрические.

Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины.

Функция преобразования датчика - это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей.

Чувствительность датчика - это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя - обороты в секунду на 1 вольт и т.д.

Разрешающая способность преобразования - это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем.

Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины.

Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений.

Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину.

Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения. В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется. Входной величиной в таком случае может быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр. Различают статическую и динамическую характеристики датчика. Под статической характеристикой датчика понимают зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин. Под динамической характеристикой датчика понимают поведение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной величины. Если в статической характеристике датчика строится зависимость только между значением выходной величины Y в ответ на

зменение входной величины X, то в динамической характеристике датчика участвует параметр времени t и такая характеристика представляет собой зависимость вида Y= Y(t). Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов, т.е. при t стремящимся к бесконечности. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой. Различные виды статических характеристик измерительных датчиков с пропорциональным выходом приведены на рисунке.

На рисунке «а» приведена идеализированная статическая характеристика такого датчика. Нулевому значению входной величины в этом случае соответствует нулевое значение величины на выходе. 

На рисунке «б» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности. У такого датчика изменение входной величины до значения ΔX, называемого порогом чувствительности, не ведет к появлению какого-либо сигнала на выходе. Лишь после того как окажется, что X> ΔХ, выходная величина будет расти, начиная от нуля, пропорционально изменению входной величины.

На рисунке «в» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности и насыщением выхода. У такого датчика, после достижения порога чувствительности выходная величина растет пропорционально росту входной величины, но до некоторого предельного значения ΔY, которое называется значением насыщения выходной величины. После того как окажется, что Y> ΔY, дальнейший рост входной величины X не приводит ни к какому росту У. 

Наконец, на рисунке «г» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности на входе, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерезисом называется различие между характером соответствия выходной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины. Практически это выражается в том, что значение выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность датчика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной величины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом случае говорят о положительном гистерезисе, а во втором — об отрицательном. Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на выходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной петли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса настолько велика, что тарировочная кривая датчика заходит в область отрицательных значений входной величины, то это означает, что Y= 0 при X < 0, а при X =0 имеет место Y> 0. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе остается ненулевое значение и после того, как на его входе установится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными словами, наблюдая за состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «памятью». Однако в реальной жизни практически не существует датчиков с идеализированной пропорциональной (линейной) зависимостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единичное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины. Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существенным изменениям выходной величины, а в конце изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. 

В ряде случаев для удобства дальнейшего анализа фактическая нелинейная статическая характеристика датчика в определенных пределах измерения и с определенным влиянием на показания этого датчика может быть приближенно заменена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации. В ряде случаев нелинейный характер статической характеристики датчика не является вредным, а может быть эффективно использован для различных задач автоматизации. Примером такого рода, широко используемым в различных устройствах автоматизации, является датчик со статической характеристикой релейного типа. При возрастании входной величины, до того как она достигнет порога срабатывания, на выходе датчика будет наблюдаться нулевое значение выходной величины, а как только входная величина достигнет порога срабатывания, выходная величина сразу же («щелчком») достигнет своей максимальной величины и при дальнейшем возрастании входной величины возрастать больше не будет. Примером такого рода может служить так называемое двухпозиционное регулирование температуры в обычном домашнем холодильнике. Как только температура внутри холодильника достигнет заданной величины, датчик температуры, называемый термостататом и обладающий релейной характеристикой, включит электромотор, прокачивающий хладоагент (фреон). При понижении температуры электромотор отключается и температура внутри холодильника перестает понижаться. Ранее рассматривались статические характеристики таких датчиков, у которых входная величина, возрастая и убывая, оставалась тем не менее большей нуля. Как правило, это и имеет фактически место при изменениях параметров технологических процессов производства деталей машиностроения. Например, это характерно при измерении перемещений рабочих органов станков, давления в гидросистемах или температуры в закалочных печах. Однако в ряде случаев, например при измерении фактических отклонений размера детали от номинала, возможно отклонение измеряемой величины как в положительную, так и в отрицательную сторону. Выходная величина при этом может оказываться пропорциональной модулю изменения входной величины (или же зависящей от него нелинейно) как без гистерезиса, так и с гистерезисом. 

Обычно для сравнения при равных условиях динамических характеристик различных датчиков считают, что на их входы поступают воздействия одного и того же вида, а именно: ступенчатые. Это означает мгновенный «наброс» входной величины. Практически это соответствует, например, включению напряжения на электродвигатель либо помещению термопары в закалочную печь и т.д. Двигатель будет набирать обороты не мгновенно, а в соответствии с динамическими свойствами привода, в который он включен. Показания термопары также начнут отражать температуру в печи не мгновенно, а по мере разогрева спая этой термопары и т.д. Для динамических характеристик датчиков характерны три случая. Первый случай соответствует чистому запаздыванию в датчике, когда его выходная величина просто повторяет (в определенном масштабе) входную величину, запаздывая по отношению к ней на постоянную величину. Второй случай соответствует апериодическому характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению монотонным образом (монотонно убывая или же монотонно возрастая). Третий случай соответствует колебательному характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению, совершая за время переходного процесса одно или несколько колебаний, превышая на время новое значение выходной величины, а затем возвращаясь к нему. Динамические процессы в датчиках характеризуются показателями качества переходного процесса. К их числу относятся:

• время завершения переходного процесса;
• величина превышения в течение переходного процесса выходного параметра над его новым установившимся значением;
• число колебаний выходной величины за время завершения переходного процесса.

Используется также интегральный показатель качества переходного процесса, обычно представляющий собой подынтегральную площадь кривой переходного процесса. Для датчиков производственных параметров важными характеристиками являются также диапазон измерений, представляющий собой разность между допустимыми максимальным и минимальным установившимися значениями измеряемой величины, а также полоса пропускания, представляющая собой разность между максимальной и минимальной частотами изменения входной величины, для работы с которыми предназначен данный датчик. Что касается погрешностей измерений производственных параметров, неизбежно возникающих в любых практических системах автоматизации, то их принято классифицировать следующим образом:

• систематические;
• прогрессирующие;
• случайные;
• погрешности применения.

________________________________
Источник: http://ruaut.ru/content/publikacii/datchiki/obshchie-kharakteristiki-datchikov.html

Первоисточник: Шандров Б.В. Чудаков А.Д. Технические средства автоматизации