Основные характеристики датчиков

Основными характеристиками датчиков-измерителей (аналоговых и цифровых) являются передаточная функция, линейность, диапазоны и точность измерений, а датчиков-выключателей (датчиков обнаружения) – точка срабатывания, гистерезис и воспроизводимость.

Датчик должен в реальном времени передавать в устройство управления сигналы о текущих координатах объекта (это не обязательно координаты положения или ориентации, с таким же успехом это может быть температура, давление, скорость и т. д.). Как уже было сказано, передавать и обрабатывать информацию удобнее всего в виде электрического сигнала. Взаимосвязь (соответствие) между выходным электрическим сигналом S датчика (в примере с промышленным роботом это θ) и измеряемым внешним воздействием s (т. е. θ) устанавливает передаточная функция датчика S=f (s) (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Передаточная функция датчика

Чтобы упростить обработку информации, производители стремятся обеспечить линейную передаточную функцию датчика:
S = a + b×s. Коэффициент b – чувствительность датчика – показывает, насколько изменяется выходной сигнал датчика S при изменении измеряемого воздействия s на единицу. Датчиков со строго линейной характеристикой не бывает. Под нелинейностью датчика понимается максимальное отклонение реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой линии.

Наряду с передаточной функцией для любого датчика важна точность. Дело в том, что точность датчика самым непосредственным образом влияет на точность устройства, в котором он применяется. В частности, ошибки определения текущего положения колонны, обусловленные погрешностью датчика угла поворота, приведут к ошибке отработки траектории ПР. Точность датчика оценивают количественно по величине погрешности датчика δ (см. рис. 7.5) – разности между значением входного сигнала, вычисленным по выходному сигналу датчика, и действительным, точно известным, значением входного сигнала.

Минимальное изменение измеряемой величины, которое может «почувствовать», зафиксировать датчик, характеризует разрешающая способность. Она оценивается в абсолютных или относительных единицах измеряемой величины. Погрешность датчика не может быть меньше его разрешающей способности.

Диапазон измеряемых значений определяется разностью (а динамический диапазон - отношением) максимального и минимального возможных значений входного сигнала, которые датчик может преобразовать в электрический выходной сигнал в пределах допустимых погрешностей. Динамический диапазон обычно выражается в децибелах (дБ) и является логарифмической мерой отношения максимального и минимального сигналов: .

Каждый датчик имеет свои пределы рабочих характеристик. Нижний предел определяет мертвая зона или зона нечувствительности, а верхний — зона нелинейности или зона насыщения (рис. 7.6).

а б

Рис. 7.6. Передаточная функция датчика с нелинейностью:
а – с зоной нечувствительности; б – с зоной насыщения

Мертвая зона (рис. 7.6, а) проявляется в нечувствительности датчика к малым значениям входных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал почти не изменяется. С другой стороны, даже если датчик считается линейным, при превышении определенного уровня внешнего воздействия (входа) его выходной сигнал практически перестает изменяться. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону насыщения (рис. 7.6, б).

Для датчика-выключателя важно само значение входной величины (в случае с позиционным пневмоприводом – положение поршня), при котором появляется или пропадает выходной сигнал, а также стабильность (постоянство) этого значения. Соответствующие характеристики дают точка срабатывания, воспроизводимость и гистерезис.

Точка срабатывания – это значение входного сигнала, при котором происходит переключение уровня выходного сигнала датчика. Это переключение зависит от того, возрастает или убывает контролируемый сигнал. Гистерезис – это разность значений точки срабатывания при возрастании и убывании выходного сигнала (рис. 7.7). Например, для датчика положения гистерезис равен разности расстояний между точкой включения при приближении объекта воздействия и точкой выключения при его удалении. Значение гистерезиса указывается в процентах от значения реального расстояния срабатывания.

Рис. 7.7. Гистерезис

В устройствах измерения и контроля гистерезис играет отрицательную роль и рассматривается как ошибка измерения, а вот в устройствах управления он часто оказывается полезен. Благодаря гистерезису предотвращаются нежелательные эффекты, которые могут привести к изменению выходного сигнала датчика в момент переключения при нестабильном положении или вибрации обнаруженного объекта, возмущениях из-за флуктуаций питающего напряжения или окружающей температуры. Гистерезис позволяет достаточно просто поддерживать управляемый входной параметр (например, температуру или давление) в пределах определенного диапазона. Величина этого диапазона как раз и определяется величиной гистерезиса.

Воспроизводимость – это способность датчика при соблюдении одинаковых условий выдавать идентичные результаты. Ее можно оценить по максимальной разности выходных сигналов датчика, полученных при нескольких циклах калибровки. Обычно воспроизводимость выражается в относительных единицах входного сигнала и рассматривается как ошибка измерения. Причина этой ошибки заключается в нестабильности элементов датчика.