2. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ

Основные метрологические характеристики. Свойства датчика как средства измерения определяются в первую очередь тем, как он воспринимает и воспроизводит в электрической форме на выходе подлежащую измерению механическую величину. Эти свойства выражаются рядом так называемых основных метрологических характеристик [30].

Градуировочная (калибровочная) характеристика — зависимость между значениями выходной электрической и входной механической величин. Желательный вид характеристики — прямая линия, проходящая через начало координат.

Коэффициент преобразования — отношение принятого параметра выходного сигнала к принятому параметру входной механической величины 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.).

Чувствительность датчика — отношение изменения принятого параметра выходного сигнала датчика к вызвавшему его изменению принятого параметра входного сигнала со значениями параметров и их изменений в установленных пределах. Для линейных датчиков эту величину находят как коэффициент преобразования, но предпочтение отдают термину «чувствительность».

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость от частоты отношения амплитуды первой гармоники выходного сигнала к амплитуде входной гармонической величины.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) - зависимость от частоты сдвига фаз между первой гармоникой выходного сигнала и входной гармонической величиной.

Рабочий диапазон частот — интервал частот входной гармонической величины, в котором нормированы допускаемые погрешности датчика.

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, в которой нормированы допускаемые погрешности датчика. Предел измерений — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений. Порог чувствительности — значение измеряемой величины, относительная погрешность измерения которого составляет

100%. Коэффициент нелинейности — 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.

Основная погрешность — погрешность датчика, используемого в нормальных условиях. Она равна погрешности определения чувствительности в диапазоне измерения.

Вспомогательные метрологические характеристики: выходной электрический импеданс датчика; частота резонанса закрепленного датчика (частота входного гармонического сигнала, на которой проявляется резонанс датчика в условиях стандартного крепления его к объекту); добротность (отношение амплитуд выходного сигнала на частоте установочного резонанса и на частоте, принятой в качестве базовой, при постоянной амплитуде входной гармонической величины).

Реакция на воздействие окружающей среды. Основная погрешность датчика определяется в нормальных условиях, т. е. при регламентированных параметрах окружающей среды. 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») [30].

Фактически датчик является преобразователем с несколькими входами: основным для измеряемой величины и дополнительными для влияющих величин. Ввиду разного характера воздействия последние разделяют на две группы. Одну группу составляют мультипликативно влияющие величины, т. е. величины, воздействующие на чувствительность датчика к измеряемой величине В другую группу входят аддитивно влияющие величины, сигнал от которых прибавляется к сигналу от измеряемой величины. Различают аддитивные факторы 1-го и 2-го рода по механизму воздействия. Аддитивные факторы 1-го рода воздействуют на вход МЭП, а 2-го рода — на выходные цепи датчика. Для датчиков механических величин к факторам 1-го рода принадлежат те, которые имеют механическую природу или вызывают значительные механические эффекты. Факторы 2-го рода — иемеханические, их состав определяется принципом действия МЭП, используемого в датчике.

Свойства датчика, обусловленные наличием чувствительности к какому-либо влияющему фактору, описываются его функцией влияния — зависимостью выходного сигнала от значения этого фактора. В большинстве случаев применения датчиков механических величин функции влияния факторов, в особенности аддитивных, можно считать линейными. Коэффициенты пропорциональности носят название коэффициентов влияния соответствующего фактора. При этих условиях сигнал датчика, приведенный к измеряемой величине имеет следующий вид:

где коэффициент влияния мультипликативного фактора коэффициент влияния аддитивного фактора 1-го рода коэффициент влияния аддитивного фактора 2-го рода

Фактор, оказывающий смешанное действие, учитывается дважды.

Размерности коэффициентов влияния зависят от группы влияющего фактора:

Коэффициенты влияния позволяют оценивать дополнительную погрешность измерения. При сравнении датчиков одного назначения, но разных типов, более

показательны приведенные коэффициенты влияния (отнесенные к верхнему пределу измерения) [11].

Кратко охарактеризуем наиболее распространенные влияющие факторы. Температура является смешанно-действующим фактором. Однако ее воздействие на датчики с генераторными МЭП носит главным образом мультипликативный характер (аддитивно проявляются только перепады температуры). Деформация объекта измерения также относится к смешанным факторам, хотя ее аддитивное действие обычно преобладает. Давление окружающей среды действует аналогичным образом. Вибрация обычно считается действующей аддитивно, если она не выводит МЭП из нормального режима работы. Медленное ускорение влияет аддитивно, пока суммарный сигнал датчика не превышает значения, соответствующего верхнему пределу измерения. Магнитное поле оказывает мультипликативное действие только на те датчики, чувствительность которых в значительной степени зависит от него, например с гальваномагнитным МЭП, в остальных случаях его воздействие аддитивно. Электрическое поле аналогично магнитному по характеру влияния. Акустическое давление действует аддитивно. Проникающая радиация может считаться смешанным, но преимущественно мультипликативным фактором. Время также оказывает мультипликативное воздействие, если продолжительность измерения значительно меньше периода проявления старения.

Зависимость свойств датчика от размера влияющей величины, выраженная в виде функции влияния и предполагающая, что воздействие учитывается внесением нормируемой дополнительной погрешности, имеет место в определенной области изменения влияющей величины. Эта область является областью устойчивости к данному фактору. За ее границами степень влияния возрастает настолько, что датчик по существу теряет нормируемые метрологические характеристики, однако имеется зона (область прочности), при возвращении из которой в область устойчивости свойства датчика полностью восстанавливаются. Переход верхней границы области прочности может привести к необратимым изменениям свойств датчика, поэтому недопустим.

Кроме этого в число эксплуатационных характеристик входят масса и габаритные размеры датчика, присоединительные размеры, длина кабеля, выходной импеданс, энергопотребление и некоторые другие параметры. Вместе с метрологическими характеристиками они полностью определяют измерительные свойства датчика.