Датчик является основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи должна обеспечить его обработку и использование. Следовательно, от качества датчика в первую очередь зависят как соответствие между истинным значением измеряемого параметра и полученным при измерении значением, так и пределы вносимых в полученную величину погрешностей.

Основными характеристиками датчиков являются статические, динамические и эксплуатационные. Статические характеристики относятся к установившемуся режиму, динамические определяют его поведение при изменениях входной величины, эксплуатационные определяют характеристики эксплуатации (объем, габаритные размеры, потребляемая мощность, достоверность информации, надежность работы, потребляемая мощность, срок службы, условия эксплуатации, стоимость).

Градуировка датчиков

Градуировка датчика охватывает совокупность операций, позволяющих установить соответствие между значениями измеряемой величины и электрическими величинами на выходе с учетом всех дополнительных факторов, которые могут изменить выходной сигнал датчика. Основная характеристика у = φ(х) - зависимость выходной величины от входной в установившемся режиме - представляется либо в графической, либо в алгебраической форме (градуировочная или характеристическая кривые датчика соответственно). К дополнительным факторам, влияющим на выходной сигнал, относятся:

а) связанные с измеряемой величиной физические величины, к которым чувствителен датчик (знак и скорость ее изменения, физические свойства ее материального носителя);

б) независимые от измеряемой величины физические факторы, воздействию которых подвержен работающий датчик;

в) параметры окружающей среды (температура, влажность) или параметры, связанные с питанием (амплитуда и частота напряжения).

По характеристической кривой датчика можно определить такие важнейшие статические характеристики, как чувствительность и линейность.

В общем случае чувствительность S определяется для диапазона около некоторого постоянного значения измеряемой величины х как отношение приращения сигнала Δs на выходе к изменению Δх измеряемой величины, которое вызвало это приращение.

Чувствительность может зависеть от размера датчика или особенностей его устройства, от амплитуды и частоты напряжения питания, от температуры окружающей среды. Важным фактором, влияющим на чувствительность датчика, является частота изменений измеряемой величины. В зависимости от частоты различают два режима работы датчиков, с которыми связывают соответствующие параметры чувствительности и способы градуировки.

Статический режим. Измеряемая величина постоянна или меняется медленно. При градуировке устанавливается ряд последовательно возрастающих постоянных значений измеряемой величины m_j и определяются соответствующие им после достижения установившихся значений электрические сигналы s_t. Отношение величины s_j на выходе к соответствующему значению m_j измеряемой величины называют статическим коэффициентом преобразования.

Динамический режим. Измеряемая величина изменяется быстро, в установившемся режиме выходной сигнал s имеет ту же периодичность, что и измеряемая величина.

Пусть измеряемая величина описывается выражением

m(t) = m₀ + m₁cosωt,

где m₀ - постоянная составляющая, на которую накладывается синусоидальная переменная с амплитудой m₁ и частотой f = ω/2π. Выходной сигнал датчика при этом приобретает форму:

s(t) = s₀ + s₁ cos(ωt+φ),

где s₀ - постоянная величина, соответствующая m₀ (обе эти величины определяют рабочую точку Q₀ на статической градуировочной кривой); s₁ - амплитуда переменной составляющей выходного сигнала, возникающая под действием переменной составляющей измеряемой величины; φ - сдвиг фазы между изменениями на выходе и на входе. Чувствительность определяется в этом случае выражением

S(ω, Q₀) = s₁(ω)/m₁(ω),

где величина S(ω) является частотной характеристикой датчика. Ее обычно определяют, рассматривая в совокупности датчик и элементы измерительной цепи, непосредственно с ним связанные. В динамическом режиме при изменении измеряемой величины с частотой ω чувствительность меняется по закону:

где ω_с - частота среза, или граничная частота.

Таким образом, линейность в динамическом режиме зависит от чувствительности статического режима S(0) и параметров частотной характеристики, которые не зависят от значений измеряемой величины в диапазоне, где чувствительность S(0) постоянна.

Чувствительность характеризуется величиной порога чувствительности - максимальным изменением измеряемой величины, которое еще не вызывает обнаруживаемого изменения выходного сигнала датчика.

Линейность оценивается величиной разности между фактической и линейной зависимостью выходной величины от входной в процентах от максимального значения измеряемой величины в заданном диапазоне измерений.

Говорят, что система линейна в определенном диапазоне измеряемых величин, если ее чувствительность не зависит от значения измеряемой величины, т.е. остается постоянной. В случае линейности характеристической кривой датчика значительно упрощается последующая обработка результатов измерений. Преобразование нелинейной характеристики датчика в линейную называют линеаризацией. Этот процесс направлен на то, чтобы сделать сигнал пропорциональным изменениям измеряемой величины.

Линейность в статическом режиме определяется наличием и диапазоном прямолинейного участка статической характеристики; для этого вводят диапазон измерения - разность между максимальным и минимальным значением измеряемой величины, где сохраняется паспортная характеристика линейности.

В динамическом отношении датчики представляют собой инерционные или колебательные звенья. Большинство датчиков по характеру динамических свойств относят к безынерционным и апериодическим звеньям первого и более высоких порядков.

Поведение датчика при быстрых изменениях входной величины определяется его динамической характеристикой - кривой переходного процесса при скачкообразном изменении входной величины. По ней можно определить быстродействие датчика - параметр, позволяющий оценить, как выходная величина следует во времени за изменениями измеряемой величины.

Параметр, используемый для количественного описания быстродействия, - это время установления, т.е. интервал времени, который должен пройти после ступенчатого изменения измеряемой величины, чтобы сигнал на выходе датчика достиг уровня, отличающегося на определенную величину ε (%) от установившегося значения. Обычно время установления характеризуют постоянной времени - промежутком времени, за который выходная величина достигает уровня 0,63 от установившегося значения при ступенчатом изменении входного сигнала.

Для ориентировочных оценок можно принимать, что постоянная времени системы τ = 1/2πf_с, а время нарастания или убывания сигнала t = 2,2τ = 0,35/f_c.

Еще одной динамической характеристикой служит полоса пропускания - диапазон частот, для которого чувствительность: .

Различают простую и комплексную градуировку датчиков.

Простая градуировка проводится, когда измеряемая величина определяется единственным физическим параметром, а датчик не чувствителен к влияющим на измерения величинам или не подвержен их воздействию. В этих условиях градуировка состоит в установлении связи точно известных измеряемых величин с соответствующими электрическими величинами на выходе. Градуировка осуществляется одним из следующих способов.

Прямая или абсолютная градуировка. Различные значения измеряемых величин задаются эталонами или образцовыми средствами, имеющими существенно более высокую (на два порядка) точность по сравнению с точностью измерений градуируемого датчика.

Косвенная или сравнительная градуировка. Используется образцовый датчик, градуировочная кривая которого известна, а ее стабильность высока. Образцовый и градуируемый датчики в одинаковых условиях подвергаются, по возможности одновременно, действию одинаковых измеряемых величин, значения которых определяются образцовым датчиком.

Комплексная градуировка требуется, когда воздействие на датчик измеряемой величины без учета дополнительных условий не позволяет с достаточной точностью провести градуировку. В этом случае требуется такая процедура, при которой датчик подвергается воздействию упорядоченной последовательности номинальных значений измеряемой величины. Эта процедура состоит в следующем: а) датчик устанавливается в нуль; б) определяют значения выходного сигнала сначала при возрастании измеряемой величины, а затем - при ее убывании, изменяя, во-первых, частоту входного воздействия (при постоянной амплитуде) и, во-вторых, его амплитуду (при фиксированной частоте, выбранной внутри полосы пропускания).

Сходную процедуру применяют при наличии влияющих величин. Если, например, реакция датчика зависит от температуры, то проводят серию градуировок (каждую — при постоянной температуре); значения температур выбирают так, чтобы они были распределены во всем диапазоне возможных применений датчика.

3.4 Погрешности измерений

Воздействие на датчик определяется истинным значением измеряемой величины, а экспериментатор воспринимает общую реакцию всей измерительной цепи. Разность между измеренным и истинным значениями величины называется погрешностью измерений.

Погрешности из-за несовершенства средств измерений составляют группу инструментальных погрешностей. Обычно они подразделяются на основные и дополнительные.

Основная погрешность - это максимальная разность между измеренным значением выходного сигнала и его истинным значением, определяемым по идеальной статической характеристике для данной входной величины при нормальных эксплуатационных условиях, т.е. при номинальных значениях всех величин, влияющих на результат измерения (температуры, влажности, давления, напряжения питания и т.п.). За номинальные внешние условия обычно принимаются следующие: температура 20 ± 5 °С, атмосферное давление 760 ±20 мм рт.ст., относительная влажность 60 ±20 %.

Дополнительная погрешность - это погрешность, вызываемая условиями внешней среды и внутренними процессами во внутренних деталях датчика; она возникает при отличии значений влияющих величин от номинальных.

По характеру изменения погрешности при повторных измерениях различают систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. Они вносят постоянное расхождение между истинным и измеренным значениями величины. Частные случаи возникновения систематических погрешностей датчиков сводятся к следующим:

-  погрешности значения опорной величины, такие, как смещение нуля усилителя, ошибка при определении опорной температуры термопары, неточная величина напряжения питания. Они могут быть уменьшены путем тщательной проверки и настройки используемой аппаратуры;

-  погрешности, связанные с определением характеристик датчика (например, связанные с градуировочной кривой) выявляются при выборочном измерении линейности или коэффициента преобразования, когда он измеряется для одного датчика из партии, а результаты распространяются на всю партию. Еще один источник этих погрешностей - старение или ухудшение параметров датчика под воздействием вредных условий окружающей среды или измеряемого процесса;

-  погрешности, связанные со способом измерения. Присутствие датчика может изменить измеряемую величину, что приведет к искажению результата. Другая возможная причина подобных погрешностей - завершение измерений до момента достижения установившегося режима. Сюда же можно отнести такую причину, как неправильное введение поправок в результаты измерений (когда не учитываются нелинейность характеристик, самонагрев терморезистора, теплопроводность корпуса датчика и др.).

Систематические погрешности характеризуются величинами разности между результатом измерения а и истинным значением измеряемой физической величины а₀, выраженной в виде абсолютной Δa = a - a₀ или относительной Δa/a = (a - a₀)/a ошибок.

Случайные погрешности в момент измерения неизвестны, они изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Частные случаи подобных погрешностей сводятся к следующим:

-  погрешности из-за воздействий внешней среды (наводки от электромагнитных полей, флуктуации напряжения питающих устройств и т.п.).

-  погрешности, связанные с собственными параметрами измерительной аппаратуры. К ним можно отнести флуктуации порога чувствительности датчика и погрешности гистерезиса, которую определяют как половину максимальной разности выходных сигналов, соответствующих одной и той же измеряемой величине, когда она получена в процессе возрастания и убывания этой величины. Наличие подобной погрешности делает выходной сигнал в определенной мере зависимым от предшествующих измерений. К этой же группе можно отнести погрешности из-за воздействия внутренних шумов, таких, например, как шумы, возникающие в результате теплового возбуждения носителей заряда в резисторах или активных элементах;

Величина случайных погрешностей может быть уменьшена с помощью соответствующих устройств (термостабилизация, антивибрационные основания, стабилизация напряжения питания, заземление экранов и установок, фильтры и т.д.) или экспериментальных методов (статистическая обработка, дифференциальные измерения, применение двухпроводных линий).

При анализе распространения случайных ошибок в последовательности n измерений пользуются средними значениями  и дисперсиями  отдельных результатов a_i.

Датчики, применяемые в системах электроавтоматики, должны соответствовать определенным требованиям: иметь необходимый диапазон изменения входных и выходных сигналов и линейность статических характеристик; достаточную чувствительность; малые инерционность и погрешность; непрерывную зависимость выходной величины от входной; достаточную мощность выходного сигнала; наименьшее влияние датчика на измеряемый параметр; малые габариты и массу, работать в заданных условиях окружающей среды; обладать высокой надежностью работы.