Датчик – конструктивно законченный элемент, состоящий из чувствительного элемента и измерительных преобразователей (ИП). С введением унифицированных сигналов в практику приборостроения вошло производство датчиков с унифицированным выходным сигналом. В данном случае датчиком называют объединенные в одном блоке первичный измерительный преобразователь и нормализующий преобразователь. ИП служат для преобразования естественного сигнала чувствительного элемента (первичный преобразователь) в форму, удобную для передачи или обработки. Современные датчики содержат узлы, выполняющие линеаризацию, корректировку и другую обработку сигнала. Пример структурной схемы датчика приведен на рис.10.

Рис.10. Структурная схема датчика

Основные характеристики датчика: входной параметр, выходной сигнал, статическая характеристика, динамическая характеристика и погрешности, конструктивные характеристики.

3.2.1. Статическая характеристика датчика

Статическая характеристика датчика (вход-выход) отражает функциональную зависимость выходного сигнала от входного параметра в установившемся режиме. Статическая характеристика задается: аналитически, графически, таблично. Рис. 11.

Рис.11. Статические характеристики датчиков:

а) линейные нереверсивные, б) реальные нелинейные, в) реверсивная, г) гистерезисная.

По этой характеристике определяются такие параметры датчика, как чувствительность (коэффициент преобразования), порог чувствительности/разрешения, линейность, величина дрейфа; рабочий/,динамический диапазон, параметры гистерезиса и т. д. Для некоторых типов датчиков (термопары ГСП) установлены номинальные статические характеристики (НСХ) и установлены классы точности в соответствии с процентом отклонений от НСХ.

1) Коэффициент преобразования или коэффициент передачи - это отношение выходной величины элемента Y к к входной величине Xк или отношение приращения выходной величины (=Y 2 -Y1, dy) к приращению входной величины (=X 2 -X1, dx):

Cтатический коэффициент преобразования (k, k’).

Значение динамического коэффициента преобразования К д зависит от выбора рабочей точки.(Рис. 10 б) точка А).

2) Порогом чувствительности называется минимальная величина на входе элемента, которая вызывает изменение выходной величины. При изменении входной величины X от 0 до порога выходная величина Y не изменяется и равна 0. Рис. 10 а), б).

3) Линейность . Статические характеристики датчика на рабочем участке (в окрестностях точки А) должны быть линейными, отклонение измеряется в %.

4) Дрейф это смещение характеристики при изменении внешних условий по отношению к стандартным. Рис. 10 а).

5) Диапазон измерений – область значений измеряемого сигнала, для которого нормированы измеряемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений наибольшими и наименьшими значениями диапазона измерений. D= Xкз.. Xп , где Xкз - конечное значение шкалы приборов, Xп - порог чувствительности приборов. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов. Динамический диапазон используют, если диапазон очень велик.

Dd=20*Log(X 2 /X 1)

6) Характеристики многих датчиков имеют гистерезис : сигнал датчика при прямом и обратном ходе отличаются, основной показатель гистерезиса ширина петли. Рис. 10 г).

7) Реле называется элемент автоматики, в котором при достижении входной величины X определенного значения, выходная величина изменяется скачком. Зависимость Y= f(X) является вариантом гистерезиса и имеет форму петли. Рис.11.

Скачкообразное изменение Y в момент X=X 2 называется величиной срабатывания . Скачкообразное изменение Y в момент X=X 1 называется величиной отпускания . Отношение величины отпускания X 21 к величине срабатывания X 2 называется коэффициентом возврата ОбычноX 2 > X 1 , поэтому К в.= Х 1 /Х 2 < 1.

3.2.2. Динамическая характеристика датчика

Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика в переходных режимах. Динамические характеристики определяют зависимость выходного сигнала датчика от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних факторов, нагрузки. В зависимости от полноты описания динамических свойств СИ различают полные и частные динамические характеристики. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств датчика. Примерами таких характеристик являются время реакции датчика, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, запаздывание, время нарастания, время установления, время первого максимума, статическая ошибка, полоса пропускания, постоянная времени.

Для датчиков и измерительных преобразователей время реакции – время установления выходного сигнала, определяемое при скачкообразном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала. Динамические свойства СИ определяют динамическую погрешность.

Рис. 13. Динамические характеристики датчика

На рисунке обозначены характеристики:

запаздывание - t;

время нарастания - t 2 - t 1 ;

время первого максимума – Т;

время переходного процесса - Т 1;

полоса пропускания – П.

3.2.3. Погрешности

При работе датчика выходная величина у отклоняется от необходимого значения за счет внутренних или внешних факторов (износ, старение, колебания напряжения питания, температура и т.д.). Отклонение характеристики называется погрешностью. Погрешности: делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность – максимальная разность между выходным сигналом датчика и его номинальным значением при нормальных условиях эксплуатации.

Дополнительные погрешности – вызываются изменением внешних условий по отношению к норме, нормированные по основному фактору. Выражаются в процентах к изменению вызвавшего фактора. Например: 1% на 5°С.

Основная погрешность может быть абсолютной, относительной и приведенной.

а) Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между действительным значением выходной величины и его номинальным значением– Y:

б) Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к номинальному (желаемому) значению выходной величины Y (обычно выражается в %):

.

в) Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению: для преобразователей это наибольшее значение выходной величины, для приборов максимальное значение шкалы. Величина этой погрешности определяет класс точности прибора 0,1; 0,5; 1.0 и т.д.

.

Погрешности СИ могут иметь систематические и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят к неоднозначности состояний. Поэтому случайные составляющие погрешности СИ стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими.

Систематические погрешности измерения - это составляющие погрешности, которые остаются постоянными и закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. К постоянным систематическим погрешностям относят погрешность градуировки шкалы, температурная погрешность и т.д. К переменным систематическим погрешностям относят погрешность, обусловленную нестабильностью источника питания. Систематические погрешности исключают путем калибровки или введения поправок (смещения).

Случайные погрешности измерений – это составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Значение и знак случайной погрешности определить невозможно, т. к. случайные погрешности обязаны своим происхождением причинам, действия которых не одинаково в каждом эксперименте и не может быть учтено.

Обнаруживаются случайные погрешности при многократных измерениях одной и той же величины, следовательно, их влияние на результат измерений учитывается методами математической статистики и теории вероятности. Рис. 14.

Рис. 14. Систематическая и случайная составляющие погрешности

Характеристики датчиков.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения - это необходимое условие качества управления.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа­нии, - статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свой­ства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками . Они суще­ственно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, кото­рый применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быст­родействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Рассматривая датчики используемые СаиУ необходимо знать характеристики определяющие особенности их работы, при этом различают статические и динамические характеристики, кроме них для датчиков характерны такие параметры, как:

Точность;

Разрешение;

Погрешность (ошибка) измерения.

Точность датчика определяет разницу между измеренной и действительной ве­личиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показа­нию. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного ком­плекса.

Разрешение - это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях.

Погрешность (ошибка) измерения определяется как раз­ница между измеренной и действительной величинами.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением усло­вий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каж­дом измерении. Типичная систематическая ошибка - это смещение показаний или сдвиг. В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках. Случайные ошибки имеют самое разное происхождение. В большинстве случаев - это влияние окружающей среды (темпера­туры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений харак­теризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка, среднеквадратичная ошибка или стандартное отклонениеи разброс либо погрешность.

Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, ко­торые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис.2.5).

Параметры, описываю­щие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нараста­ния, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

· Время прохождения зоны нечувствительности - время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

· Запаздывание - время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

· Время нарастания - время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания - величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженная на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

· Время достижения первого максимума - время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

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

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

· Статическая ошибка - 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 минимизировать одновременно.

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 па­раметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и вос­производимость результата.

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

Разрешение - это наименьшее изменение измеряемой величины, ко­торое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Линейность не описывается аналитически, а определяется исходя из
градуировочной 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 или усиление по постоянному току
- это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Боль­шой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измери­тельного устройства.

Дрейф 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 нулевому 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 или самого датчика (старение, выра­ботка ресурса, нелинейность и т. д.).

Рабочий диапазон датчика определяется допустимыми верхним
и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.

Повторяемость характеризуется как отклонение между несколькими
последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

Воспроизводимость аналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подверг­нут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диа­пазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

Неправильно отрегулированная автосигнализация доставляет неудобства владельцу автомобиля. Результатом ошибок при настройке датчика удара сигнализации являются слишком частая активация оповещения или полное отсутствие реакции на происходящее. Следуйте нижеприведенным инструкциям и вы быстро, без особых усилий установите датчики сигнализации авто в нужный режим.

Для чего нужно менять чувствительность датчика удара?

Процесс выполняется в следующих случаях:

• если сигнализация слишком чувствительная (срабатывает от грозы, проезжающих мимо машин и других помех);
• если она никак не реагирует даже на удары по автомобилю.

Перед началом работы надо определить, что вызывает неправильную работу автосигнализации. Существует несколько наиболее вероятных причин:

• компоненты плохо закреплены;
• неверно отрегулированы параметры автосигнализации.

Проверьте, надежно ли установлены датчики и электронный блок управления сигнализацией. Возможно, проблему удастся решить, просто вернув их на место.

Настраиваем чувствительность датчика удара

Общая последовательность действий при настройке чувствительности датчика удара приведена ниже:

1. Отключите АКБ. Внимание! Документация к некоторым автосигнализациям запрещает это делать. В таком случае снимите предохранитель освещения чтобы предотвратить слишком быструю потерю энергии батареей.
2. Найдите место установки чувствительного элемента сигнализации. В большинстве случаев он располагается под передней панелью, но возможны разные варианты. Изучите инструкцию к транспортному средству. Ищите на ней термин VALET – это стандартное обозначение датчика удара.
3. Перед началом регулирования параметров отключите режим охраны. Переключите систему в режим программирования. Точный метод настройки датчика удара зависит от особенностей установленной автосигнализации. В старых моделях для этого применяется винт, в новых – кнопки.
4. Обратите внимание на шкалу чувствительности сигнализации. На ней указываются доступные уровни. Их количество обычно составляет от 0 до 10, где 0 – это полное отсутствие реакции на события, а 10 – максимально возможная чувствительность. В новых машинах показатель обычно установлен на 5.
5. Не рекомендуется слишком сильно повышать чувствительность датчика удара. Большинство моделей сигнализации рассчитано примерно на 10 срабатываний за 1 цикл, после чего автомобиль придется заново ставить автосигнализацию в охранный режим.

Выбор конкретных параметров автосигнализации зависит от характеристик автомобиля (его веса, способа монтажа охранных компонентов) и обстановки в месте парковки. При выборе подходящего показателя рекомендуется постоянно проверять стабильность срабатывание датчика. Выберите определенное число и слегка ударьте кузов. Если реакции не последовало, ударьте чуть сильнее. Определите, при каком усилии раздается оповещение системы безопасности.

Чтобы добиться максимальной точности, поставьте машину в режим охраны и подождите около трех минут, после чего проверяйте чувствительность сигнализации. После каждой проверки ждите еще пару минут. Во многих защитных системах автосигнализация переводится в режим повышенной чувствительности, если корпус только что подвергся механическому воздействию.

Иногда возможна настройка сигнализации в полуавтоматическом режиме. В таком случае датчик переводится в режим «обучения», после чего нужно наносить по кузову удары разной силы. Однако помните, что автосигнализация по-разному воспринимает механические нагрузки на разные части автомобиля. Например, удар по колесу «ощущается» слабее, чем по капоту.

Настройка датчика удара сигнализации Starline

Рассмотрим процесс регулирования на примере широко распространенной автосигнализации Starline A61.

Процесс достаточно прост. Единственный инструмент, который вам понадобится – это тонкая крестовая отвертка. Главной трудностью является поиск установленного устройства «Старлайн». В официальной инструкции сказано, что его следует размещать в основании рулевой колонки. В сервисных центрах обычно следуют этой инструкции, размещая компонент сигнализации в колонке рядом с педалями.

Датчик удара «Старлайн» оснащается тонкими механизмами регулировки его параметров. Для корректировки чувствительности используется отвертка. Если повернуть механизм влево, чувствительность автосигнализации снижается, если вправо – повышается.

В процессе рекомендуется периодически проверять эффективность работы. Автосигнализация Starline А61 работает на пьезоэффекте. При ударе по кузову машины образуется звуковая волна, которая распространяется по внутренним компонентам и доходит до датчика удара «Старлайн». Оптимальная работоспособность гарантируется только в том случае, если чувствительный компонент сигнализации надежно зафиксирован на металле.

Чтобы настроить чувствительность автосигнализации, убавьте обе зоны и добавьте зону предупреждения (находится рядом с зеленым светодиодом). Установите машину в режим охраны и подождите около минуты. Теперь ощутимо ударьте по ее корпусу. Если чувствительность устройства слишком сильная, понизьте параметр. Если сигнализация не срабатывает – увеличьте. Аналогичным способом осуществляется настройка зоны полной тревоги автосигнализации Starline.

Главные сложности при настройке

Если после регулирования датчик удара «Старлайн» продолжает срабатывать неправильно, попробуйте сбросить параметры. Информация о том, как это сделать, указана в инструкции. Если сведения отсутствуют, лучше отправиться в автосервис – там знают, как работать с любыми видами сигнализации.

Процесс регулирования автосигнализации «Старлайн» относительно прост. Главное – правильно проверить результат и установить нужный уровень чувствительности. Помните, что при отсутствии опыта в решении таких вопросов или при желании отрегулировать сигнализацию максимально быстро и качественно лучше отправиться на СТО.

Датчик является ключевым элементом СРВ и должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:

1. Воспроизводимость функции преобразования . Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.

2. Постоянство во времени функции преобразования . При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (преобразователь работает в недоступном месте).

3. Для облегчения унификации выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами наиболее желательна функция преобразования y=f(х) линейного вида .

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность . Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину . Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажают ее, вызывая изменение выходного сигнала.

6. Динамические свойства преобразователя . При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.). Переходный процесс проявляется в виде инерции – запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения. Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.256– 77 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками. Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования. Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании – статические параметры :

1. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

2. Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которая может быть зафиксирована и точно показана датчиком.

3. Линейность – не описывается аналитически, а определяется, исходя из градуировочной кривой датчика. Близость этой кривой к прямой линии определяет степень линейности.

4. Рабочий диапазон – определяется верхним и нижним пределами значения входной величины.

Динамические (параметры) характеристики датчика (рис. 5.9 ):

– время прохождения зоны нечувствительности – время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика;

– запаздывание – время, через которое показание датчика первый раз достигнет 50 % установившегося значения;

– время нарастания –время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 % до 90% установившегося значения;

– время переходного процесса (время установления ) – время, начиная с которого отклонения выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины, например, ± 5 %.

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин . Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х ) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х , но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде y=f (х, Z ). В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z . Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Чувствительность S всего измерительного устройства прямого преобразования, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется по формуле

S =S 1 S 2 S 3 …S n ,

где S 1 , S 2 , S 3 ... S n – чувствительности преобразователей, образующих канал передачи информации.

Каждый преобразователь имеет свою погрешность, и, очевидно, максимальная погрешность всего измерительного устройства, построенного по методу прямого преобразования, окажется равной сумме погрешностей отдельных преобразователей. Поэтому, несмотря на простоту и быстродействие приборов, построенных по методу прямого преобразования, для точных измерений неэлектрических величин применяют метод уравновешивания. При этом чувствительность измерительного устройства определяется формулой

S =K /(1+K β),

где К – коэффициент передачи цепи прямого преобразования; β – коэффициент передачи цепи обратного преобразования.

При выполнении условия К β>> 1 погрешность измерительного устройства будет определяться только погрешностью цепи обратного преобразования. Значения выходных величин большинства первичных преобразователей – термопар, терморезисторов, ионизационных преобразователей, газоанализаторов и других – незначительны и находятся обычно в диапазоне 10 –6 –10 –2 В и 10 –10 –10 –5 А. Без предварительного усиления малые напряжения и токи невозможно ни измерить, ни передать по линиям связи без существенных погрешностей. В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей широко применяют мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.

Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 5.10. Здесь R 1 – медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторами R 2 R 4 и R 3 +R M .

Пусть при измеряемой температуре сопротивление R 1 =R 3 +R M и R 2 =R 4 , тогда напряжение на диагонали U а б, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя I ук =0. При возрастании сопротивления R 1 усилитель будет давать на выходе такой ток I yк, чтобы падение напряжения на резисторе R М уравновешивало прирост напряжения на резисторе R 1 . Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ΔR 1 , а сопротивление R М определит масштаб соотношения между ΔR 1 и I yк.

Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), рассматривается как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле

|δ max |=|δ пп |+|δ иц |+|δ еr |+|δ м |,

где δ max – предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; δ пп – максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя; δ иц – относительная погрешность измерительной цепи; δ еr – относительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; δ м – методическая погрешность.

Анализ мостовой схемы . Сопротивления плеч моста могут быть как активными, так и реактивными, а источник питания н могут меняться местами, при этом чувствительность моста также изменяется. Мосты проектируют так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если на дифференциальный преобразователь не воздействует входная величина. Так, когда якорь дифференциального индуктивного преобразователя включенного в мостовую схему находится в среднем положении, сопротивления его плеч Z 1 и Z 2 равны между собой, их значения принимаем за Z 0 .

Для упрощения анализа можно считать, что дифференциальный преобразователь состоит из двух простых преобразователей. При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z 1 =Z 0 + DZ 1 , сопротивление другой Z 2 =Z 0 – DZ 2 . Изменения сопротивлений DZ 1 =Z 1 –Z 0 и DZ 2 =Z 0 –Z 2 , соответствующие некоторому перемещению якоря относительно его среднего положения, в общем случае не равны между собой в силу нелинейности функции преобразования. Однако, если перемещение мало, то их различия незначительны. Положим, что при малых перемещениях якоря относительно его среднего положения изменение сопротивлений линейно зависит от перемещения якоря х . Так, в индуктивных преобразователях при перемещении якоря сопротивление первичной обмотки Z 1 одного простого преобразователя возрастает, а другого Z 2 – примерно на столько же уменьшается. При этом

DZ 1 =DZ 2 =DZ .

Если сопротивление нагрузки R н достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста равно

U вы x = – =
,

где U – напряжение питания. В качестве Z 1 и Z 2 включаются одинаковые резисторы.

При отсутствии входного воздействия сопротивления Z 1 =Z 2 =Z 0 . Кроме того, обычно выбирают Z 3 =Z 4 . В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e= 0), U x = 0.

При входном воздействии, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

U вы x = .

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 , выходное напряжение цепи равно

U вы x = .

Изменения сопротивлений преобразователей обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально DZ/Z. В этом случае функция преобразования мостовой схемы в режиме холостого хода характеризуется чувствительностью:

S сх = =U /4,

где U х – напряжение на измерительной диагонали при изменении сопротивления преобразователя, равном DZ.

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 –DZ , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

U вы x = , а S сх = =U /2.

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.