Систематизация способов коррекции погрешностей цифровых емкостных датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Систематизация способов коррекции погрешностей цифровых емкостных датчиков

Systematization of methods of correction of errors of the digital capacitive sensors

Храмов А.С.

Пензенский государственный университет, Россия

Емкостные датчики изменяют свою емкость в зависимости от изменения какой-либо физической величины. Область их применения неуклонно расширяется - от наиболее дорогих и прецизионных промышленных и медицинских систем до простых и дешевых бытовых устройств. Емкостные датчики применяются в устройствах измерения влажности, давления и положения. Также на принципе измерения емкости основаны бесконтактные переключатели, датчики приближения, датчики отпечатков пальцев, измерители уровня жидкости, измерители свойств материалов, качества нефтепродуктов и разнообразные датчики положения [1, 2]. Вместе с тем остаются актуальными задачи повышения точности и температурной стабильности ёмкостных датчиков.

Статическая погрешность датчика в реальных условиях эксплуатации есть функция входной величины, равная разности между статической реальной функцией преобразования датчика в момент измерения и номинальной характеристикой преобразования датчика. Проблема обеспечения высокой точности датчика сводится к проблеме минимизации этой разности.

То обстоятельство, что параметры отклонения от номинальной характеристики статической реальной функции преобразования датчика являются случайными функциями времени, делает достаточно сложными как теоретическое исследование, так и практическое решение этой проблемы.

Следует отметить, что уменьшение погрешности датчика, понимая ее так, как она определена выше, не является единственным путем уменьшения составляющей погрешности результата измерения, вызванной погрешностью датчика. К другим путям уменьшения этой составляющей относятся, например, методы обработки (усреднения) выходных сигналов датчика с целью исключения случайных слабо коррелированных погрешностей датчика, методы исключения постоянных и весьма сильно коррелированных (медленно меняющихся) погрешностей датчика путем создания соответствующих условий измерения.

В тех случаях, когда к значению выходного сигнала поправки вводятся автоматически, так что практически выходной сигнал датчика уже «исправлен», процесс введения поправок удобно рассматривать тоже как процесс изменения статической реальной функции преобразования датчика. Таким образом, можно говорить о двух видах воздействия на эту реальную функцию - воздействие на параметры элементов схемы и конструкции измерительных устройств и воздействие на выходной сигнал датчика.

Очевидно, что обеспечивать минимальные отличия статической реальной функции преобразования датчика от его номинальной характеристики преобразования при эксплуатации в различных условиях можно в общем двумя путями.

Первый путь состоит в том, что тем или иным способом обеспечивается неизменность во времени статической реальной функции преобразования, ее независимость (или малая зависимость) от изменений воздействующих факторов и близость к номинальной характеристике преобразования. Соответствующую группу методов обеспечения высокой точности датчика можно назвать методами стабилизации статической реальной функции преобразования.

Второй путь состоит в том, что в процессе эксплуатации датчика каким-либо способом оценивают отличие его статической реальной функции преобразования от номинальной характеристики преобразования и изменяют статическую реальную функцию преобразования так, чтобы она все время была близка к номинальной характеристике преобразования; при этом может использоваться любой из указанных выше двух видов воздействия на данную функцию. Эту группу методов можно назвать методами автоматической коррекции погрешностей.

Стабилизация статической реальной функции преобразования достигается как конструктивными и технологическими методами (изготовлением измерительных устройств (ИУ) из точных, стабильных и малошумящих элементов, параметры которых мало подвержены различным влияниям; применением в ИУ стабильных материалов; термостатированием, электрическим и магнитным экранированием датчика или его элементов; стабилизацией питания; точной технологией и т. п.), так и структурными методами.

Конструктивные и технологические методы стабилизации статической реальной функции преобразования вряд ли являются наиболее перспективными. Дефицитность и высокая стоимость стабильных материалов и элементов, необходимость весьма высокой культуры производства при точной технологии не только обусловливают высокую стоимость датчика, но и затрудняют их массовый выпуск, т. е. препятствуют широкому внедрению точных приборов. С другой стороны, современные требования к точности рабочих ИУ настолько высоки, что даже при использовании конструктивных и технологических методов часто не удается обеспечить требуемую высокую точность приборов. Вместе с тем эта группа методов может быть отнесена к классическим, исторически первым методам повышения точности измерительных устройств. Она хорошо известна, наиболее широко применяется и вряд ли нуждается в исследованиях общего характера.

В современных измерительных устройствах и системах все более широкое применение находят структурные методы стабилизации статической реальной функции преобразования и методы автоматической коррекции погрешностей.

Известна одна из классификаций методов повышения точности ИУ[3], представленная на рисунке 1.

Погрешность ИУ состоит из ряда составляющих, отличающихся происхождением, характером изменения в диапазоне измерения, частотным спектром. Целесообразно выяснить принципиальные возможности различных методов повышения точности уменьшать те или другие составляющие погрешности ИУ. Анализ методов должен дать ответ на вопрос о том, погрешности какого происхождения, в каком частотном спектре, как изменяющиеся в диапазоне измерения принципиально могут быть уменьшены различными методами. Результаты такого анализа позволят установить целесообразную область использования каждого метода и делать обоснованный выбор при решении конкретных задач [3].

Рисунок 1 - классификация методов повышения точности ИУ.

коррекция погрешность емкостный датчик

Современное развитие методов стабилизации статической реальной функции преобразования ИУ и методов автоматической коррекции погрешностей весьма существенно отличается. Методы стабилизации применяются очень широко уже в течение десятков лет. Различным их модификациям посвящено большое количество глубоких теоретических исследований. Методы же автоматической цифровой коррекции находятся на стадии развития, и их распространению уделяется достаточно большое внимание.

Список использованных источников

1 Джексон Р.Г. Новейшие датчики. - М.: Техносфера, 2007. - 380 с.

2 Туричин М.А. Электрические измерения неэлектрических величин /под ред. П.В. Новицкого. - М. - Л.: Энергия, 1966. - 690 с.

3 Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. - М.: Издательство стандартов, 1972. - 199 с.

Размещено на Allbest.ru