Средства измерения. Характеристики средств измерений. Первичные средства измерений, сенсоры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средства измерения. Характеристики средств измерений. Первичные средства измерений, сенсоры

1. Средства измерения и их основные элементы

Средства измерения представляют собой совокупность технических средств, используемых при различных измерениях и имеющих нормированные метрологические свойства, т.е. отвечающих требованиям метрологии в части единиц и точности измерений, надежности и воспроизводимости получаемых результатов, также требованиям к их размерам и конструкции.

Основными видами средств измерений являются меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные установки.

Мерой называют средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря - мера массы, температурная лампа - мера яркости, и т.д.).

Измерительным прибором (или просто прибором) называют средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации (электрического, пневматического и др.) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По форме выдачи информации приборы подразделяются на аналоговые, показание которых является непрерывной функцией измеряемой величины, и цифровые, показания которых являются дискретными и представляются в цифровой форме.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не воспринимающейся непосредственно наблюдателем.

В зависимости от назначения измерительные преобразователи делятся на следующие группы.

К первичному преобразователю (датчику) подведена измеряемая величина, т.е. он - первый в измерительной цепи (например, термоэлектрический преобразователь, термометр сопротивления).

Важнейшей характеристикой первичного преобразователя является вид функциональной зависимости между изменениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразователя; предпочтительна линейная зависимость. Если сигнал электрический, то в качестве канала связи электрические провода или кабель. Если сигнал пневматический или гидравлический, то используют металлические или полиэтиленовые трубки.

Промежуточный преобразователь занимает в измерительной цепи место после первичного и предназначен для осуществления всех необходимых преобразований (усиление, выпрямление и т.п.).

Передающий преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации.

Измерительные установки - средства измерения, представляющие собой совокупность функционально объединенных измерительных приборов, измерительных преобразователей и других вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и связанных единством конструктивного исполнения.

Вторичные измерительные устройства (вторичный прибор) - средства измерений, предназначенное для работы в комплекте с измерительными приборами (шкальными и безшкальными), а также с некоторыми видами первичных и промежуточным преобразователей. Один и тот же вторичный прибор можно использовать для измерения вторичных параметров (разница лишь в градуировке шкалы).

Шкалы технических приборов обычно градуируют таким образом, чтобы показания их были численно равны отсчету, следовательно, единица измерения u = 1.

По способу отчета измерительные приборы подразделяются на показывающие, самопишущие, комбинированные, суммирующие и интегрирующие.

Показывающие - это такие приборы, у которых значение измеряемой величины в момент измерения указывается на отсчетном устройстве.

Наибольшее применение имеют шкальные отсчетные устройства. Шкалы выполняют как неподвижными, так и подвижными (шкала перемещается относительно неподвижного указателя). Отметки на шкалах располагают вдоль прямой линии или по дуге окружности, на плоской или цилиндрической поверхности циферблата.

Начало шкалы - отметка, соответствующая наименьшему значению величины, определяемой по данной шкале (нижний предел показаний прибора). Конец шкалы - отметка, соответствующая наибольшему значению измеряемой величины (верхний предел показаний прибора). Нуль шкалы - отметка, соответствующая нулевому значению измеряемой величины. Шкалы, нулевая отметка которых совпадает с началом или концом шкалы, называются односторонними. Шкала называется двусторонней, если нулевая отметка не совпадает с началом или концом шкалы (например, манометрический термометр с пределом показаний от -50 до +50⁰С). шкала называется безнулевой, если она не имеет нулевой отметки (например, шкала термометра с пределами показаний от +50 до +200⁰С).

Положения указателя определяется угловым или линейным его перемещением от нуля или начала шкалы. Зависимость между положением указателя и отсчетом называется характеристикой шкалы. Характеристика шкалы приборов с угловым перемещением указателя выражается уравнением

q = f(),

где - угол поворота указателя от нулевой отметки шкалы (для безнулевых шкал - от начала шкалы); q - отсчет по шкале.

Для приборов с прямолинейными шкалами

q = f₁(N),

где N - линейное смещение указателя (держателя пера) от нуля шкалы (для безнулевх шкал - от начала шкалы).

Линейное смещение указателя от нулевой отметки дуговых и круговых шкал

N = R_ш,

где R_ш - радиус шкалы.

Делением шкалы называется промежуток между осями или центрами двух смежных отметок. Равномерные шкалы имеют одинаковые длины делений. Длины делений неравномерной шкалы неодинаковые.

Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжают приспособлениями, автоматически записывающими на бумажной ленте или диске текущее значение измеряемой величины во времени.

Образцовые меры, измерительные приборы преобразователей (например, термоэлектрические преобразователи) предназначаются для поверки и градуировки по ним рабочих мер, измерительных приборов и преобразователей.

Эталоны служат для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей (метрологической) точностью, достигаемой при данном уровне науки и техники, а также для поверки мер, приборов и преобразователей высшего разряда.

Поверкой называется операция сравнения показаний средств измерений с образцовыми для определения их погрешности или поправок к их показаниям.

Градуировкой называется операция, при помощи которой делениям шкалы придают значения, выраженные в условных единицах измерения.

2. Статистические характеристики и чувствительность измерительных приборов

Зависимость выходной величины от входной, выраженная аналитически или графически, в установившихся режимах работы, называется статической характеристикой измерительного прибора. В общем виде статическая характеристика (уравнение шкалы) прибора имеет вид

= f(x) или N = f(x) (1),

где х - значение измеряемой величины; или N - координаты указателя.

Функциональную зависимость (1) называют также уравнением шкалы прибора, градуировочной характеристикой прибора или преобразователя.

Преобразование измеряемой величины х в выходную ( или N) очень редко осуществляются непосредственно. Обычно приходиться пользоваться несколькими последовательными промежуточными преобразованиями.

Входные величины обозначим через х₀, а выходные - через y₀ с индексами, соответствующими порядковому номеру звена. Индекс 0 обозначает установившееся значение величин. Если прибор снабжен шкаловым отсчетным устройством с вращательным движением указателя, то входная величина х_0n = (координата указателя), а выходная величина y_0n = q (отсчет по шкале).

Статистическую характеристику любого из звеньев можно представить в общем виде

y_0i = f_i(х_0i) (2),

где i = 1, 2, 3, … n - порядковый номер звена.

Входной величиной любого звена, кроме первого, является выходная величина предыдущего звена, т.е. х_0i = y_0(i-1); следовательно y_0i = f_i(y_0(i-1)), но y_0(i-1) = f_i-1(х_0(i-1)). Подставим это значение в уравнение (2): y_0i = f_i[f_i-1(х_0(i-1))]; учитывая, что х_0(i-1) = y_0(i-2) и т.д. получим

Уравнение определяет зависимость выходной величины любого из звеньев от измеряемой величины. На основании этого уравнения выходная величина предпоследнего (n-1) звена

y_0(n-1) = f_n-1{f_n-2(f_n-3… f₂)[ f₁(х₀)]} (4).

Уравнение (4) представляет собой статическую характеристику прибора, выраженную через характеристики звеньев.

Если функциональная связь между входной и выходной величинами в рабочей области непрерывна и однозначна, то каждому значению х₀ отвечает единственное значение y₀. Такое звено называется статическим. Если при этом характеристика линейна (или может быть аппроксимирована прямой), то такое статическое звено называется линейным.

Для статической характеристики (рис1а) y₀ = kx₀. Звенья, не отвечающие требованиям линейности называются нелинейными. Для измерительных средств в большинстве случаев предпочтительна линейная статическая характеристика.

Рис. 1

На рисунке 1 б-г показаны статические характеристики некоторых видов нелинейных звеньев. Наличие участков с y₀ = const на характеристике (рис 1 в) связано с явлением насыщения или наличием конечных упоров и ограничителей. Область, в которой х₀ =a (рис 1г) и y₀ = 0, называется зоной нечувствительности или застоя. Для звеньев часто характерен гистерезис, когда равновесные значения y₀ при тех же значениях х₀ не совпадают при прямом и обратном ходе (рис 1 б).

Особое значение имеют звенья, у которых при каком-то одном значении х₀ = х_ср, называемом параметром срабатывания, входная координата изменяется скачкообразно. Такие звенья называются релейными и относятся к нелинейным.

Применительно к измерительным приборам и преобразователям передаточный коэффициент k (коэффициент преобразования, имеющий единицу измерения y/x) обычно называют чувствительностью. При нелинейности статической характеристики под чувствительностью понимают предел отношений приращений выходного y и входного x сигналов линейная чувствительность характеризует угол наклона касательной к равновесной характеристике. Угловая чувствительность S_y =d/dx₀, где - угол отклонения указателя. Для приборов с дуговыми и круговыми шкалами чувствительность S = S_yR_ш, где R_ш - радиус шкалы.

Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю контролируемой величины можно измерить. Чувствительность является мерой, при помощи которой сравнивают однотипные приборы. Величина, обратная чувствительности, называется ценой деления шкалы прибора.

Порогом чувствительности называется наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызывать малейшее изменение показания измерительного прибора. Порог чувствительности обусловлен главным образом наличием трения в механизмах прибора.

3. Понятие о динамических характеристиках измерительных приборов

Измерительные приборы предназначены для измерения величин, которые обычно меняются во времени. Практически измерительные приборы не могут без запаздывания следить за изменением измеряемой величины.

Величина запаздывания в показаниях измерительного прибора зависит от принципа его действия и конструкции; она обусловлена инерцией подвижных деталей узлов, теплоемкостью термочувствительных элементов, передачей импульса на большие расстояния и т.п.

Зависимость показаний прибора от измеряемой величины в неустановившемся или переходном режиме называется динамической характеристикой измерительного прибора. Вид динамической характеристики зависит от характера изменения измеряемой величины. Динамические характеристики приборов определяются параметрами входящих в них звеньев и условий измерения.

Графическое изображение изменения во времени выходной величины при скачкообразном изменении входной представляет собой переходную характеристику (переходный процесс).

Рис. 2

График переходного процесса, когда значение измеряемой величины х (например, температура) в зависимости от времени изменяется скачкообразно. При скачкообразном изменении измеряемой величины показания прибора Х_д не сразу достигает установившегося значения, а постепенно приближается к значению измеряемой величины. Разность между показаниями приборов и действительным значением измеряемой величины (при отсутствии статической погрешности показания) в данный момент времени называется динамической погрешностью

_д = Х_д - х,

где Х_д - показания прибора в динамических условиях.

На графике переходного процесса (рис.2) указаны следующие параметры:

время начала реагирования _нр - время от момента изменения значения измеряемой величины на выходе прибора до момента начала изменения показаний (значения выходного сигнала);

время переходного процесса Т - время в течении которого показания (значения выходного сигнала) после изменения измеряемой величины (температуры) на входе в прибор входит в пятипроцентную зону установившегося значения;

полное время установления показаний Т_п - время от момента изменения значения измеряемой величины на входе в прибор до момента установления постоянных (неизменных) показаний;

постоянная времени _п (для переходного процесса, описываемого уравнением экспоненты) - период времени, в течении которого показание (значение выходного сигнала) с момента начала его изменения достигает 0,632 от разности между установившемся и начальным показаниями или (для приборов) от разности соответствующих значений выходных сигналов (Х_д = 0,632); постоянная времени (для переходного процесса, график которого не описывается уравнением экспоненты) - проекция на ось времени отрезка касательной, проведенной в точке перегиба графика, ограниченного точками пересечения касательной с осью времени и из прямой (Х_д = 1).

4. Первичные средства измерений, сенсоры

Датчики служат источником информации и состоят из чувствительного элемента, схемы обработки полученного сигнала, а также АЦП или светового табло (т.е. индикатора).

Основным элементом этой триады является чувствительный элемент, называемый первичным преобразователем, или сенсором (с лат. - чувство) [2].

Примером простейшего датчика может служить обыкновенный ртутный термометр, чувствительным элементом которого является ртуть, расширяющаяся при нагревании; капилляр, в котором происходит расширение ртути - схема преобразования; шкала, к которой он прикреплен - индикатор. Однако показания термометра невозможно автоматически ввести в анализирующую или управляющую машину, т.к. это величина не электрическая.

Для сопряжения с АТС необходимо использовать такие чувствительные элементы, в которых под влиянием внешних воздействий меняется один из электрических параметров.

С другой стороны, требования, предъявляемые к современной РЭА, такие как: повышение надежности и помехоустойчивости, снижение цены, габаритов, потребляемой мощности - распространяются и на датчики.

Выполнение этих условий становится возможным при использовании микроэлектронных схемотехники и технологии, поскольку, во-первых, электрофизические свойства полупроводников и полупроводниковых приборов, на которых основана микросхемотехника, сильно зависят от внешних воздействий, во-вторых, микроэлектронная технология основана на групповых методах обработки материалов для изготовления приборов, что снижает их себестоимость, габариты, потребляемую мощность и ведет к повышению надежности и помехоустойчивости.

Кроме того, при использовании полупроводникового сенсора или сенсора, изготовление которого совместимо с технологическим процессом создания интегральных микросхем (ИМС), сам сенсор и схемы обработки полученного сигнала могут быть изготовлены в едином технологическом цикле, на едином полупроводниковом или диэлектрическом кристалле.

Наука, занимающаяся разработкой первичных преобразователей и схем обработки полученных от них сигналов в микроэлектронном исполнении, получила название микроэлектронной сенсорики.

Таким образом, одной из основных задач микроэлектронной сенсорики является изучение влияния на полупроводниковые структуры различных внешних воздействий и выявление принципов создания на основе этих физических эффектов первичных преобразователей различных неэлектрических величин в электрический сигнал.

5. Основные параметры датчиков

На датчик могут одновременно воздействовать различные факторы (давление, температура, влажность, вибрация, радиация и т.д.), но воспринимать он должен только одну величину, называемую естественно измеряемой величиной А [1].

Функциональную зависимость выходной величины В датчика от естественной измеряемой величины А в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической характеристикой датчика.

Статическая чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях:

измерительный датчик сенсор сигнал

.

Понятие статической чувствительности аналогично понятию коэффициента усиления, градиента, коэффициента чувствительности.

Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом под динамической чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

.

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

Нормальными условиями эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды +25 10С, атмосферное давление 750 30 мм. рт. ст., относительная влажность окружающего воздуха 65 15, отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного.

Дополнительные погрешности датчика - это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с нормальными. Они выражаются в процентах, отнесенных к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность 1 на 5С; погрешность от магнитного поля 0,5% на 5 Э и т.д.)

Существуют различные подходы к классификации датчиков при их разработке.

Во-первых, датчики можно классифицировать по технологии изготовления, гибридно - пленочные, твердотельные биполярные, твердотельные МДП и т.д.

Во-вторых, они могут быть классифицированы по выходному электрическому параметру: емкостные, резистивные, индуктивные и т.д.

В-третьих, классификацию можно проводить по измеряемому параметру: датчики температуры, давления, тензодатчики, фотометрические датчики, датчики перемещения, магнитного поля, радиации и т.д.

Таким образом, параметров, измеряемых с помощью датчиков, множество, однако в основе всех современных микроэлектронных датчиков лежат полупроводниковые сенсоры, работающие на нескольких фундаментальных эффектах - это влияние на полупроводник:

1) магнитного поля;

2) деформации, давления;

3) окружающей газовой среды;

4) температуры, света и т.д.

Размещено на Allbest.ru