4.2.2. Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, % торые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производите лей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить кл; реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис. 4.,5). Параметры, описываю, щие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нараста-ния, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойства; (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

1.4 -

О 1 2

70 Trf

время

Рис. 4.5. Дина.мическая реакция датчика (реакция на скачок); Tq - вре.мя прохождения зоны нечувствительности,

- запаздывание, Т - вре.мя достижения первого .макси.му.ма, 7 - вре.мя устано[!ления, Мр- нерерсгулирование

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров. Время прохождения зоны нечувствительности {dead time) - время между нача лом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е, мсмй" том начала изменения выходного сигнала.

Запаздывание {delay time) - время, через которое показания датчика первый р-достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и друп: определения запаздывания.

Время нарастания {rise time) -- время, за которое выходной сигнал увеличи[!аетг от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нараст, ния - величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок из.меря1\ величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умножс; на установившееся значение. Иногда используются другие определения. M.i, время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

Время достижения первого максимума {peak time) - время достижения первое максимума выходного сигнала (перерегулирования).

• Время переходного процесса, время установления (settling time) - время, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится MCHbHie заданной величины (например, ± 5 %).

• Относительное перерегулирование (percentage overshoot) - разность между .максимальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

• 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, по.этому все параметры нельзя минимизировать одновременно.

4.2.3. Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими иа-ра.метрами являются: чувствительность, разреншющая способность или разренгение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата.

• Чувствительность (sensitivity) датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

• Разрешеш1е (resolution) - это наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

• Линейность (linearity) не описывается аналитически, а определяется исходя из фадуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Близость .этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

• Статическое усиление (static gain) или усиление по постоянному току (d.c. gain) - это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Большой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измерительного устройства.

• Дрейф (drift) определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа .может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина Поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует пулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров .электроснабжения и.чи самого датчика (старение, выработка ресурса, нелинейность и т. д.).

• Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхнц и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигна,!

• Повторяемость (repeatability) характеризуется как отклонение между нескольки..,,, последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины; одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению тщ, происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должч быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось блиянц1 дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процетахот рабочего диапазона.

• Воспроизводимость (reproducibility) аналогична повторяемости, но требует6o.i;, шего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводи.мост. датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подверг нут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего дщ. пазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

4.2.4. Влияние нелинейности

Многие датчики обладают свойством нелинейности. Например, если датчик дос тигает верхнего предела рабочего диапазона, проявляется эффект насыщения, т.; выходной сигнал ограничен, даже если входная величина возрастает. Примеры нелк-нейностей:

- нелинейная деформация пружин;

- кулоновское трение;

- магнитное насьицение в сердечниках трансформаторов;

- характеристики расходомеров (например, измерения в открытом канале характеризуются нелинейным соотношением между измеренны.м уровнем h и расхс до.м F, так как f = К • /г°, где К - постоянная);

- зависи.мость сопротивления термистора от температуры (R = Rq- eP/i где Т- это температура в градусах Кельвина, а Rq, Гд и Р - это постоянные).

Особые проблемы связаны с люфтом в зубчатых передачах и других механи.зма.\ и.меюших свободный ход, а также с магнитным насыщением. Выходной сигнал даг-чиков, для которых характерны такие явления, - это многозначная функция bxoJ ной величины, зависящая от направления ее изменения.

4.2.5. Характеристики импедансов

Объединение одного или нескольких элементов может суп1ественно повлиять И поведение каждого из них по сравнению с автономным использованием. Наприме? тяжелый акселеро.метр может увеличить нагрузку настолько, что это изменит измерь емое ускорение и даст неверный результат. Аналогично, подключение вольтметра .меняет токи и напряжения в цени, а термопара может исказить измеряемую те.мпер туру. Все .это называется эффектом нагрузки (loading effect). Такие ошибки моГ} превосходить все другие типы ошибок измерения; их следует предусматривать при* единении различных датчиков и устройств передачи/преобразования информации.

Понятие "импеданс" (impedance), т. е. полное сопротивление, имеет фундаме* тальное значение в .электрических системах. Устройство с высоким входным и.м! дансом (input impedance) потребляет меньший ток при заданном напряжении и, соО*