Метрологические характеристики датчика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Южный федеральный университет” г. Таганрог

Факультет РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ

Кафедра МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Доклад

по курсу "Физические и алгоритмические основы построения интеллектуальных датчиков"

на тему: "Метрологические характеристики датчика"

Разработал студент группы МГР-12 Д.С. Убирайло

Проверил к. т. н., доц. Е.В. Удод

Таганрог 2013

Датчик - первый элемент измерительного канала - является основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи должна обеспечивать обработку и использование сигнала.

Основные метрологические характеристики сенсоров:

1. Погрешность измерений

Единственными измеряемыми величинами, значения которых известны достаточно точно, являются величины, воспроизводимые эталонами.

Датчик всегда дает погрешность - разность между истинным и измеренным значением величины. Погрешность измерений всегда можно оценить приблизительно, поскольку истинное значение величины как правило не известно.

- Систематические погрешности

а) погрешности значения опорной величины, смещение нуля прибора, ошибки при определении опорной температуры (термопара), опорного напряжения (измерительный мост);

б) погрешности, связанные с определением характеристик датчика (коэффициент преобразования), ошибки при градуировке;

в) погрешности, связанные со способом и условиями применения самого датчика (быстродействие, влияние самого датчика на измеряемый параметр);

г) погрешности из-за использования необработанных надлежащим образом данных (отклонение от линейности, саморазогрев и т.д.)

- Случайные погрешности

а) погрешности, связанные с собственными параметрами измерительной аппаратуры (порог чувствительности, погрешности считывания прибора, погрешности гистерезиса, погрешности квантования АЦП и др.)

б) появление в измерительной цепи паразитных случайных сигналов (шумы, наводки электромагнитных полей, флуктуации питающего напряжения и др.)

в) погрешности, вызванные влияющими величинами (температура, влажность и др.)

Пути уменьшения случайных погрешностей:

- защита измерительного канала от причин погрешностей;

рациональные измерительные процедуры (дифференциальные схемы измерения, устранение наводок и др.)

- обработка результатов

Разброс результатов измерений характеризуется СКО

Если случайные погрешности независимы. то вероятность их появления описывается нормальным законом распределения (закон Гаусса)

Тогда

Р (т ± а) = 68,27%

Р (т ± 2а) = 95,45%

Р (т± За) = 99,73%

На основании вышеизложенного следует отметить следующие важные свойства сенсоров:

Постоянство - качество средства измерения, для которого характерны малые случайные погрешности;

метрологический датчик электрический сигнал

Правильность - способность средства измерения выдавать результат с малой систематической погрешностью;

Точность - способность средства измерения давать результаты индивидуально близкие к истинному значению.

2. Градуировка датчиков

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.

3. Пределы применимости датчиков

Область применения, в которой обеспечиваются номинальные параметры динамический диапазон от порогового значения до максимального;

- область обратимого ухудшения параметров;

- область необратимого ухудшения параметров. Пределы измерений определяются разностью предельных величин m в области применения

4. Чувствительность

Как было показано выше, физическая величина т, характеризующая объект измерений (температура, давление и др.) называется измеряемой величиной. При измерениях используются электрические средства обработки сигнала. Следовательно необходимо преобразовать измеряемый параметр в электрический сигнал R.

Рис. 1. Градуировочные характеристики сенсоров - линейная, нелинейная

Важнейшей проблемой при использовании датчиков является обеспечение постоянства чувствительности S, которая должна как можно меньше зависеть от т, частоты измерений, времени и воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение.

5. Линейность характеристик

В статическом режиме линейность определяется наличием прямолинейного участка статической характеристики. Очевидна выгода линейности характеристики.

В случае нелинейности датчика оказывается целесообразным делать измерительную схему линейной, включая в нее корректирующие элементы. Данная процедура является - линеаризацией.

В динамическом режиме линейность зависит от чувствительности статического режима и параметров частотной характеристики (например).

6. Быстродействие датчика

Быстродействие - это параметр датчика, позволяющий оценить как выходная величина следует во времени за изменениями измеряемой величины.

Вклад переходных режимов должен быть сведен к минимуму.

Погрешности измерений

Единственными измеряемыми величинами, значения которых достаточно точно известны, являются величины, воспроизводимые эталонами.

Значения всех других измеряемых величин становятся известными только после обработки результатов измерений с помощью измерительной схемы. Воздействие на датчик определяется истинным значением измеряемой величины, но экспериментатор воспринимает только общую реакцию всей измерительной цепи; эта реакция, выраженная в единицах измеряемой величины,, и есть ее измеренное значение. Разность между измеренным и истинным значениями величины называется погрешностью измерения; она возникает из-за несовершенств измерительной цепи, в которой частично теряется информация о сигнале в процессе его обработки¹^ Погрешность измерений можно оценить лишь приближенно, поскольку истинное значение измеряемой величины нам неизвестно. Однако строгое и точное понимание особенностей измерительного канала позволяет уменьшить погрешность измерений и, следовательно, более уверенно приблизиться к истинному значению измеряемой величины.

Систематические погрешности

Для данного значения измеряемой величины систематическая погрешность постоянна или меняется медленно по сравнению с продолжительностью измерения; она, следовательно, вносит постоянное расхождение между истинным и измеренным значениями величины. В общем, систематические погрешности возникают из-за ошибочного или неполного представления о характеристиках измерительной системы или неправильного ее использования. Наличие систематической погрешности можно установить по расхождению между наиболее вероятными значениями величины, полученными из двух серий измерений, проведенных для одной и той же измеряемой величины с помощью различных методик и аппаратуры. Частные случаи возникновения систематических погрешностей описаны в следующих разделах.

Погрешности значения опорной величины. Смещение нуля прибора при регистрации отклонения стрелки, ошибка при опре - делении опорной температуры термопары (например загрязнение смеси воды со льдом), неточная величина напряжения питания в мосте - эти погрешности могут быть уменьшены при тщательной проверке используемой аппаратуры.

Погрешности, связанные с определением характеристик датчика. К ним относят погрешности, связанные с чувствительностью или градуировочной кривой. Так, например, коэффициент преобразования К тензодатчика обычно определяют при изготовлении, измеряя коэффициент К одного датчика из пар" тии, так что какой-то конкретный датчик может иметь коэффициент К, несколько отличающийся от величины К для испытывавшегося датчика. В более общем случае это может быть старение датчика - механическая усталость его деталей или ухудшение его параметров вследствие химических воздействий, что приводит к прогрессирующим изменениям первоначальной градуировочной кривой; этот случай особенно характерен для термопар и термисторов.

Специальная градуировка датчика для более жестких условий применения часто позволяет уменьшить, хотя и не полностью устранить, погрешности этого типа. Кроме того, градуировка датчика, включающая целую совокупность экспериментальных операций, сама вносит некоторые дополнительные погрешности, которые влияют на результаты последующих измерений.

Погрешности, связанные со способом или условиями применения. Динамическая погрешность вызывается либо ограниченностью скорости нарастания выходного сигнала датчика или всего измерительного канала, либо завершением измерения до момента достижения установившегося режима. Так, 'например, скорость реакции одного и того же температурного зонда значительно изменяется в зависимости от того, помещают ли его в покоящуюся или движущуюся жидкость.

Присутствие датчика может заметно изменить измеряемую величину, например, в случае термометрического зонда, теплоемкость и теплобомен которого с окружающей средой являются факторами, которыми нельзя пренебречь по сравнению с аналогичными свойствами самой среды, в которую помещают зонд. Это погрешность чистоты опыта.

Погрешности из-за использования не обработанных надлежащим образом данных измерений. Эти погрешности возникают из-за неправильного введения поправок в результаты измерений, например:

— не учитывается отклонение от линейности датчика или электрической схемы формирования сигнала (например, моста Уитстона), ошибочно предполагаемых линейными;

— не учитывается самонагрев термометрического сопротивления измерительным током;

— не учитывается разность между температурами датчика и исследуемой среды, обусловленная теплопроводностью корпуса датчика или подводящих проводов.

Случайные погрешности

Проявление этих погрешностей происходит со случайной амплитудой и случайным знаком. Причины их возникновения могут быть ясны, однако величины погрешностей в момент измерений неизвестны. Различные возможные причины возникновения случайных погрешностей рассматриваются ниже.

Погрешности, связанные с собственными параметрами измерительной аппаратуры. Порог чувствительности. Ниже определенного значения вариации измеряемой величины уже не вызывают. обнаруживаемых изменений электрического датчика сигнала.

Погрешность считывания отклонения стрелки прибора. С одной стороны, это "следствие квалификации оператора, а с другой - (Качества аппаратуры, например, толщины стрелки.

Совокупность порога чувствительности (е_п) и погрешности считывания (е_с) определяет погрешность разрешения (е_Р), которая представляет собой минимальную вариацию измеряемой величины, измеримую с помощью данной аппаратуры:

Погрешность гистерезиса. Если какой-либо элемент измерительного канала проявляет гистерезисные свойства (механический гистерезис пружины или магнитный гистерезис ферромагнитного материала), то выходной сигнал в определенной мере зависит от предшествующих условий эксплуатации. Погрешностью гистерезиса называют половину максимальной разности выходных сигналов, соответствующих одной и той же измеряемой величине, если она получена в процессе возрастания или убывания входной величины.

Погрешность квантования аналого-цифрового преобразователя. Погрешность такого рода сопровождает операцию квантования, когда совокупности аналоговых величин в диапазоне^ соответствующем интервалу квантования в единицу младшего разряда, приписывается единственное значение. Максимальная вносимая погрешность равна при этом половине интервала квантования.

Погрешности из-за появления в измерительной цепи паразитных сигналов случайного характера. К ним относятся:

а) шумы, возникающие в результате теплового возбуждения носителей заряда в резисторах или активных элементах, которые вызывают появление на их зажимах флуктуаций напряжения, накладывающихся на полезный сигнал;

б) наводки от электромагнитных полей промышленной частоты, а также иных частот;

в) флуктуации напряжения питающих устройств, изменяю" щие характеристики измерительной аппаратуры (электрических схем формирования сигнала, усилителей и пр.), а также искажающие амплитуду обрабатываемого сигнала, причем так, что эти искажения нельзя отделить от изменений, связанных с измеряемой величиной;

г) временной дрейф напряжения на выходе усилителя.

Погрешности, вызванные влияющими величинами. Если последствия вариаций влияющих на измерение величин не учтены при градуировке, то можно считать, что их вклад носит случай - ный характер. Если градуировка производилась при 20°С, то вариации температуры или отличная от 20°С постоянная температура будут влиять на характеристики измерительной системы, а следовательно, и на измеряемый сигнал. Следует отметить, что погрешности, связанные с влияющими величинами, могут относиться как к систематическим, так и к случайным в зависимости от того, является ли продолжительность измерений соответственно слишком малой или слишком большой по сравнению с "периодом" влияющего явления. Так, если на результат измерений влияет окружающая температура, то ее изменение в течение дня может привести

— к систематической погрешности, если все измерения проводятся в течение нескольких минут;

— к случайной погрешности, если измерения занимают несколько дней.

Уменьшение случайных погрешностей. Величина случайных погрешностей может быть в определенных случаях уменьшена путем применения соответствующих устройств или экспериментальных методов.

Защита измерительного канала от причин погрешностей. Поддержание стабильной температуры и контролируемой влажности; применение антивибрационных оснований; стабилизация напряжения питания; применение усилителей с малым дрейфом и АЦП с достаточным (разрешением; надлежащее заземление экранов и установок; применение усилителей с высокой степенью подавления синфазных помех; применение фильтров.

Рациональные измерительные процедуры. Методы дифференциальных измерений (например, применение пушпульных схем); устранение паразитных сетевых наводок путем применения преобразователей с подводкой сигнала по двухпроводной линии; извлечение сигнала из шумов, его селекция путем синхронного детектирования и использования корреляционных методов.

Постоянство - правильность - точность

Случайные ошибки приводят к разбросу результатов при повторении измерений, однако статистическая обработка результатов позволяет определить наиболее вероятное значение измеренной величины и оценить пределы его погрешности.

Если измерение одной и той же (неизвестной) величины повторяется п раз и дает результаты Ши m2,. т_п, то среднее значение т по определению равно:

Разброс результатов характеризуется среднеквадратическим отклонением о:

Если случайные погрешности, сопровождающие различные серии измерений, взаимно независимы, то вероятность появления различных результатов обычно удовлетворительно описывается нормальным законом, называемым также законом Гаусса. Вероятность Р (ти т₂) получить результат измерения, при котором измеряемая величина будет лежать в пределах от rri\ до т₂, можно записать в виде

m2

Р (т_г, /п₂) = ^ р (т) dm,

mi

где р (т) - плотность вероятности для измеряемой величины т.

В случае соблюдения закона Гаусса

р (т) = 1/0 УГexp J ^(OT~^{m) 2}-j

наиболее вероятная величина т равна т, а вероятность появления результатов измерения в указанных ниже пределах равна:

Р (т ± а) = 68,27%,

Р (т ± 2а) = 95,45%

Р {т ± За) = 99,73%.

Постоянство - такое качество средства измерения, для которого характерны малые случайные погрешности. Это находит отражение в том, что последовательность значений, полученных в серии измерений, группируется вокруг среднего значения. Среднеквадратическое отклонение является важнейшим показателем разброса измерений и часто рассматривается как погрешность воспроизведения, что позволяет дать воспроизводимости количественную оценку. Значение измеряемой величины, полученное из серии измерений с малым среднеквадратическим отклонением, может оказаться достаточно далеко отстоящим от истинного значения, если на случайные погрешности накладываются существенные систематические погрешности.

Правильность - это способность средства измерений выдавать результат с малой систематической погрешностью: наиболее вероятное значение измеряемой величины, которое определяется на этой аппаратуре, оказывается очень близким к истинному значению.

Точность определяет способность средства измерений давать результаты, индивидуально близкие к истинному значению измеряемой величины: точное средство измерений выдает, следовательно, результат, характеризующийся одновременно высоким постоянством и выской правильностью.

Точность может быть численно выражена через суммарную (учитывающую случайную и систематическую составляющие) погрешность, которая определяет доверительный интервал вокруг измеренного значения, внутри которого с известной вероятностью находится истинное значение измеряемой величины.

Для достижения заданного уровня точности измерения физической величины требуется:

а) выбор надлежащего метода измерений;

б) выбор соответствующего датчика;

в) разработка и реализация - измерительного канала.

При дальнейшем описании каждого типа датчика будут излагаться и наиболее рациональные методы его применения, а в данной главе мы рассмотрим лишь обобщенные характеристики, определяющие выходной сигнал и через него оказывающие влияние на точность измерения.

Размещено на Allbest.ru