Характеристики датчиков информационного обеспечения (избирательность, чувствительность, частотные характеристики, градуировка, быстродействие)

Датчик (измерительный преобразователь) — это устройство, обеспечи­вающее функциональное преобразование одной величины в другую величи­ну, участвующую в некотором информационном процессе.

. Пусть Y выходной сигнал, x - входной, тогда связь между ними:

Математическое (или графическое) описание этой связи называется функцией преобразования датчика.

Для датчиков с линейной функцией преобразования используют коэф­фициент преобразования:

где x_i,у_j— текущие значения x и у.

В зависимости от числа измеряемых параметров датчик характеризуется одномерной или векторной функцией преобразования (например, одноком­понентный датчик силы и силомоментный датчик). Датчик, имеющий век­торную функцию преобразования

Y = F(Х), является многокомпонентным.

В принципе любой датчик можно считать многокомпонентным, по­скольку на него кроме измеряемой величины действуют факторы, обуслов­ленные внешними причинами. Тем не менее под многокомпонентным дат­чиком будем понимать только такой преобразователь, который конструк­тивно предназначен для измерения нескольких параметров. Особенностью многокомпонентного датчика является взаимное влияние каналов измере­ний. Для оценки этого свойства измерителя используют понятие «избира­тельность канала».

 

Характеристики датчиков

1. Избирательность

Взаимное влияние каналов измере­ний датчиков характеризуется понятием «избира­тельность канала».

Пусть на входах n-канальной измерительной системы действует сигнал Х_{К ,} вызывающий некоторые сигналы на всех выходах системы. Тогда изби­рательностью к -го канала измерительной системы называется выражение вида

 

у_к — сигнал на выходе А'-го канала системы

 

Для линейных систем избирательность характеризуется коэффициентом влияния А'- каналов .

где уi, y j — сигналы на выходах i-го и j-го каналов; x j - входное воздей­ствие на j-й канал. В частном случае при отсутствии влияния каналов и у_i =0, т. е. на выходе канала образуется сигнал, пропорциональ­ный только измеряемой величине.

1. Чувствительность

Чувствительность датчика - характеристика, показывающая степень изменения выходной величины В в зависимости от изменения входной А.

Если функции изменения во времени сигналов на входе и выходе диф­ференцируемы, то чувствительность датчика

Для линейных преобразователей S = K и у = Kx = Sx, причем единицы измерения К и S одинаковы, например, вольт на ныотон (B/H).

В общем случае чувствительность зависит от внешних факто­ров: напряжения питания, температуры, а также спектра и частоты измеряе­мого воздействия.

Чувствительность датчиков определяют в статическом и динамическом режимах работы.

Статическая чувствительность равна или, переходя к пределу, .

Динамическая чувствительность есть отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

.

 

Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала.

Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением

,

где - естественный предел измерения; - порог чувствительности датчика.

 

1. Частотные характеристики

Зависимость динамической чувствительности S_д от частоты f представ­ляет собой частотную характеристику датчика.

Частотные характеристики датчика определяются порядком дифференци­ального уравнения, описывающего его конструктивную схему. В соответст­вии с этим выделяют датчики первого и второго порядка.

Датчики первого порядка в св о ей структуре не содержат колеблющихся частей. К н им относятс я, например, оптические преобразователи — свет о - и фотодиод ы. Функция преобразования датчика первого порядка описывается дифференц и альн ы м уравнением первого порядка

 

где А и B – константы.

Вид амплитудно- частот н ых (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) представлен н а рис. 1.2, а.:

Рис 1.2 а

Датчики второго порядка (например, пьезоэлектрические акселеромет­р ы) содержат в своей структуре колеблющиеся элементы и характеризуются собственной частотой ƒ₀ и коэффициентом затухания ζ. Функция преобразования датчика представляет собой дифференциальное уравнение вида

 

 

а частотная характеристика определяется зависимостью

 

 

Частотн ы е хара к теристики датчика второго порядка представлен ы на рис. 1.2, 6

Рис 1.2 б

Частота среза – наименьшая или наибольшая частота внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза - с каким самым медленным сигналом он может работать.

Датчик называется линейным в некотором диапазоне измеряемой вели­чины, если его чувствительность не зависит от значения этой величины.

Постоянная времени - мера инерционности датчика.

Полоса пропускания датчика — это диапазон частот, в котором орди­наты АЧХ уменьшаются относительно их максимального значения не более чем на 3 дБ.

 

1. Градуировка

Градуировка датчиков охватывает совокупность операций, позволяющих в графической и аналитической форме выразить соотношение между значением измеряемой величины и выходным сигналом с учетом всех дополнительных факторов, способных изменить выходной сигнал (знак и скорость изменения т, свойства ее материального носителя, возмущающие воздействия, параметры среды)

 

Простая градуировка:

− а) прямая или абсолютная - эталоны, образцовые средства.

− б) косвенная (сравнительная) - по образцовому датчику;

− в) комплексная - с учетом возмущающих факторов.

Достоверность результатов градуировки характеризуется воспроизводимостью результатов измерений и взаимозаменяемостью датчиков.

1. Быстродействие

Быстродействие — это параметр датчика, позволяющий оценить: как выходной сигнал следует во времени за изменением измеряемой величины.

Быстродействие характеризует время, необходи­мое для того, чтобы влияние переходных процессов на выходную величину стало пренебрежимо малым для заданной точности.

Параметр, используе­мый для количественного описания быстродействия, называется временем установления t_уст - это интервал времени, который должен пройти после приложения ступенчатого сигнала, для того чтобы сигнал на выходе датчика достиг уровня, отличающегося от входного не более чем на заданную величину е.

! От быстродействия следует отличать производительн о сть устройства (обычнохарактерна для цифров ы х систем), определяемую числом операций в секунду. На быстродействие датчика влияют факторы, не связанн ы е с ним н еп осредственно, например окружающая среда.

Лекция 2