Схемы измерения и контроль параметров потоков заряженных частиц

 

 

4. Характеристики датчиков

 

Выведенное идеальное соотношение между входным и вы­ходным сигналом можно выразить в виде либо таблицы, либо графика, либо мате­матического выражения. Это идеальное (теоретическое) выражение часто называ­ют передаточной функцией. Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s: S=f(s). Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, лога­рифмической, экспоненциальной или степенной). Во многих случаях передаточная функция является одномерной (т.е. связывает выходной сигнал только с одним внешним воздействием) Одномерную линейную функцию можно представить в виде выражения

(5.1)

где а — постоянная составляющая (т е значение выходного сигнала при нулевом входном воздействии), b — наклон прямой, который часто называют чувстви­тельностью датчика. Параметр S — эта та характеристика электрического сигна­ла, которую системы сбора данных воспринимают в качестве выходного сигнала датчика. В зависимости от свойств датчика это может быть амплитуда, частота или фаза.

Логарифмическая передаточная функция имеет вид

(5.2)

экспоненциальная —

(5.3)

степенная —

(5.4)

где к — постоянное число

Однако датчик может иметь передаточную функцию, которую невозможно описать вышеприведенными аппроксимационными выражениями. В таких случаях приме­няются полиноминальные аппроксимации более высоких порядков. Для нелинейных передаточных функций чувствительность b не является констан­той, как это было в случае линейных зависимостей. Для каждого конкретного зна­чения входного сигнала ее можно определить в виде:

(5.5)

Динамический диапазон внешних воздействий, который датчик может воспри­нять, называется диапазоном измеряемых значений (FS). Эта величина показывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может пре­образовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешно­стей. Для датчиков с очень широкой и нелинейной амплитудно-частотной харак­теристикой (АЧХ) динамический диапазон внешних воздействий часто выража­ется в децибелах, которые являются логарифмической мерой отношений либо мощности, либо напряжений. Всегда необходимо помнить, что децибелы выра­жают не абсолютные значения, а только отношения величин.

Диапазон выходных значений (FSO) — алгебраическая разность между электрически­ми выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внеш­нем воздействии. В эту величину должны входить все возможные отклонения от идеальной передаточной функции.

Точность — очень важная характеристика любого датчика. Правда, когда говорят о точности датчика, чаще всего подразумевают его неточность или погрешность из­мерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину мак­симального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков.

Погрешность датчика можно также представить в виде разности между зна­чением, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением по­данного входного сигнала.

Погрешность датчиков может быть представлена в следующих видах:

1. Непосредственно в единицах измеряемой величины (А),

2. В процентах от значения максимального входного сигнала,

3. В единицах выходного сигнала.

В современных датчиках точность часто характеризуется величиной статис­тической ошибки измерений, учитывающей влияние как система­тических, так и случайных погрешностей, и не зависящих от ошибок, допущенных при определении передаточных функций.

Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы пре­образования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необ­ходимо проводить калибровку. Например, требуется измерить температуру с точностью ±0.5°С датчиком, по справочным данным обладающим погрешнос­тью ± 1°С. Это можно сделать только после проведения калибровки конкретного датчика, что необходимо для нахождения его индивидуальной передаточной функции, а также после проведения полной калибровки системы. В процессе проведения полной калибровки определяются коэффициенты, описывающие передаточную функцию всей системы в целом, включая датчик, интерфейсное устройство и АЦП. Математическое описание передаточной функции необхо­димо знать до начала проведения калибровки.

Для нелинейных функций калибровку требуется проводить более чем в двух точках. Количество необходимых калибровок диктуется видом математического выражения. Если передаточная функция моделируется полиноминальной зависи­мостью, число калибровочных точек выбирается в зависимости от требуемой точ­ности. Поскольку, как правило, процесс калибровки занимает довольно много вре­мени, для снижения стоимости изготовления датчиков на производстве количе­ство калибровочных точек задается минимальным.

Гистерезис — это разность значений выходного сигнала для одного и того же вход­ного сигнала, полученных при его возрастании и убывании. Типичной причиной воз­никновения гистерезиса является трение и структурные изменения материалов.

Нелинейность определяется для датчи­ков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелиней­ностью понимается максимальное откло­нение L реальной передаточной функ­ции от аппроксимирующей прямой ли­нии.

Каждый датчик имеет свой пределы ра­бочих характеристик. Даже если он счи­тается линейным, при определенном уровне внешнего воздействия его выходной сигнал перестанет отвечать приведенной линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошел в зону нелинейности или в зону насыщения.

Воспроизводимость — это способность датчика при соблюдении одинаковых усло­вий выдавать идентичные результаты. Воспроизводимость результатов определя­ется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах калибровки. Обычно она выражается в процентах от максималь­ного значения входного сигнала (FS):

(5.6)

Мертвая зона — это нечувствительность датчика в определенном диапазоне вход­ных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал остается почти постоянным (часто равным нулю).

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой ве­личины, которое может почувствовать датчик.

Величина из­менения входного сигнала, приводящая к появлению минимальной ступеньки на выходном сигнале датчика при определенных условиях, называется его разрешаю­щей способностью.

Разрешающая способность датчиков с цифровыми выходными сигналами часто задается числом бит слова данных.

Если на выходном сигнале не удается определить раз­личимых ступеней, говорят, что датчик обладает бесконечно большим разрешением. Термин «бесконечное разрешение» является ошибочным.

Для некоторых датчиков необходимо указывать специальные характеристики вход­ных сигналов. Например, для детекторов освещенности такой характеристикой явля­ется его чувствительность в пределах ограниченной оптической полосы. Следова­тельно, для таких датчиков необходимо определять спектральные характеристики.

Выходной импеданс Z_M является характеристикой, указывающей насколько легко дат­чик согласовывается с электронной схемой.

Сигнал возбуждения — это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы. Сигнал возбуждения описывается интервалом напряжений и/или тока. Для некоторых типов датчиков также необходимо указывать частоту сигнала возбуж­дения и его стабильность.

Время разогрева — это время между подачей на датчик электрического напряже­ния или сигнала возбуждения и моментом, когда датчик начинает работать, обеспе­чивая требуемую точность измерений. Многие датчики обладают несущественным временем разогрева. Однако некоторые детекторы, особенно работающие в устрой­ствах с контролируемой температурой (термостатах), для своего разогрева требуют секунды, а то и минуты.

Для датчиков первого порядка очень удобно использо­вать параметр, называемый постоянной времени. Постоянная времени τ является мерой инерционности датчика.

Частота среза характеризует наименьшую или наибольшую частоту внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза — с каким самым медленным сигналом он может работать.

Фазовый сдвиг на определенной частоте показывает насколько выходной сиг­нал отстает от внешнего воздействия. Сдвиг измеряется либо в граду­сах, либо в радианах и обычно указывается для датчиков, работающих с периоди­ческими сигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с обрат­ными связями, всегда необходимо знать его фазовые характеристики. Фазовый сдвиг датчика может снизить запас по фазе всей системы в целом и привести к возникно­вению нестабильности.

Любой датчик второго порядка характеризуется резонансной (собственной) частотой, которая выражается в герцах или радианах в секунду. На собственной часто­те происходит значительное увеличение выходного сигнала датчика. Обычно произ­водители указывают значение собственной частоты датчика и его коэффициент зату­хания (демпфирования).

Демпфирование — это значительное снижение или подавление колебаний в дат­чиках второго и более высоких порядков. Когда выходной сигнал устанавливается достаточно быстро и не выходит за пределы стационарного значения, говорят, что система обладает критическим затуханием, а ее коэффициент демпфирования равен 1.

Условия хранения — совокупность предельных значений факторов окружающей сре­ды, воздействующих на датчик в течение определенного промежутка времени, при которых не происходит существенного изменения его рабочих характерис­тик и обеспечивается поддержание его работоспособности.

Краткосрочная и долгосрочная стабильность (дрейф) — характеристики точно­сти датчиков. Краткосрочная стабильность описывает изменения рабочих харак­теристик датчика в течении минут, часов и даже дней.

Долгосрочная стабильность зависит от процессов ста­рения, которые изменяют электрические, механические, химические и термичес­кие свойства материалов датчика. Долгосрочный дрейф параметров может изме­ряться достаточно длительными интервалами времени: месяцами и годами.

Температура окружающей среды влияет на рабочие характеристики датчиков, поэтому всегда должна приниматься во внимание. Рабочий диапазон температур — это интервал окружающих температур, задаваемых верхним и нижним предельными значениями (например, -20...+100°С), внутри которого датчик работает с заданной точностью. Передаточные функции многих датчиков сильно зависят от окружаю­щей температуры.

Погрешность саморазогрева появляется в датчиках, нагревающихся от сигнала возбуждения настолько, что это начинает влиять на его точностные характеристи­ки.

Саморазогрев датчика приводит к появлению ошибок при измерении температу­ры, поскольку термистор начинает работать как источник дополнительной тепло­вой энергии.

Надежность — это способность датчика выполнять требуемые функции при со­блюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. Если использовать статистические термины, можно дать следующее определе­ние: надежность — это вероятность того, что устройство будет функционировать без поломок в течение указанного интервала времени или заданного количества циклов. Следует отметить, что надежность не является характеристикой дрей­фа или шума. Она отражает время до выхода устройства из строя (отказа), либо временного, либо постоянного при соблюдении регламентированных условий эксплуатации.

6. Заключение

 

Задачи по изучению широкого спектра тематической литературы решены мной полностью. Информация из периодических и непериодических изданий структурирована и представлена в электронном виде. В процессе обработки собранной информации, учитывая специфику направления подготовки магистрантов, мной было решено освящать лишь те типы конструкции датчиков, которые вошли в учебное пособие. Магистранты обладают необходимыми знаниями и умениями для самостоятельного изучения неохваченной в пособии информации в случае требующем этого. Считаю, что выбранная мною структура пособия полностью удовлетворяет всем логическим требованиям, а также не отступает от границ учебного плана магистерской подготовки. В работе на должном высоком уровне, в необходимом широком диапазоне и с учетом ограниченного числа аудиторных часов описаны основные типы и конструкции датчиков. Широко дана классификация датчиков по множеству различных критериев, кратко и лаконично описаны основные технические характеристики и требования к датчикам. При необходимости магистранты могут расширить свои знания, воспользовавшись литературой из прилагаемого списка. В работе даны описания основных физических принципов, явлений и эффектов, применяемых при создании и разработке датчиков для электронных систем измерения и контроля. Считаю перечень физических основ достаточным для ограниченного временными рамками курса по данной дисциплине, с учетом того, что на предыдущих ступенях высшего профессионального образования магистранты должны были овладеть необходимыми знаниями по общим и специальным техническим предметам.

Цикл предложенных к проведению лабораторных работ считаю интересным для магистрантов, несложным к подготовке и реализации в условиях материально-технического оснащения кафедры (не требует создания отдельного лабораторного класса). Количество лабораторных работ, на мой взгляд, оптимально с учетом отведенного учебным планом времени. Краткое описание работ позволит преподавателям и сотрудникам кафедры быстро и корректно подготовить лабораторные установки для магистрантов.

Считаю поставленную цель достигнутой, учебное пособие полностью готовым к печати и использованию любым преподавателем, даже без соответствующей подготовки, при чтении лекций по дисциплине «Датчики в электронных устройствах». Оно содержит всю необходимую информацию в достаточном объеме для овладения магистрантами знаниями в этой области науки и техники, а также широкий перечень дополнительной литературы.

 

 

7. Библиографический список

 

1. Датчики измерительных систем: в 2-х книгах [пер. с франц.] / Жорж Аш [и др.] – Под ред. к.ф.м.н. А.С. Обухова. – М.: Мир, 1992. – ISBN 5-03-001641-4.

2. Алейников, А.Ф. Датчики (перспективные направления развития): Учебн. пособие / Под ред. проф. М.П. Цапенко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – 176с. ISBN 5-7782-0300-4/

3. Фрайден, Дж., Современные датчики. Справочник [пер. с англ.] / Под ред. Е.Л. Свинцова. – М.: Техносфера, 2005. – 592с. – ил. ISBN 5-94836-050-4.

4. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение [пер. с нем.] / М.Я Хацернова. – М.: Мир, 1989, 196с. – ил.

5. Щульц, Ю. Электроизмерительная техника. 1000 понятий для практиков. Справочник [пер. с нем.] / Ю.Щульц. - М.: Энегроиздат, 1989. – 288с. – ил.

6. Тиль, Р. Электрические измерения неэлектрических величин [пер. с нем.] / Р. Тиль. - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 193с. – ил.

7. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Советское радио, 1977. – 608с. – ил.

8. Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы». 9-е изд., перераб. и доп. / В.В.Пасынков, Л.К. Чиркин. М.: Лань, 2009. – 478 с. – ил.

9. Случинская, И.А. Основы материаловедения и технологии полупроводников. М.: Мир, 2002. - 376с.

10. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. [пер. с англ.] / С. Зи - 2-е перераб. и доп. изд. - М. Мир, 1984.

11. Осипович, Л.А. Датчики физических величин. – М.: Машиностроение, 1979. – 159с. – ил.

12. Андронов, И.В. Измерение расходов жидкостей и газов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 351с. – ил.

13. Бобровников, Г.Н., Новожилов Б.М., Сарафанов В.Г. Бесконтактные расходомеры. – М.: Машиностроение, 1985. – 204с. – ил.

14. Кремлевский, П.П. Измерение расхода и количества жидкости, газа и пара. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 254с. – ил.

15. Джагунов, Р.Г. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. / Р.Г. Джагунов, А.А. Ерофеев. – Л.: Машиностроение, 1986. – 302с. – ил.

16. Калашникова, В.И., Детекторы элементарных частиц. / В.И. Калашникова, М.С. Козодаев. – М.: Энергоиздат, 1966. – 204с. – ил.

17. Прайс, В. Регистрация ядерного излучения. – М.: Высшая школа, 1960. – 157с. – ил.

18. Кулаков, М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 134с. – ил.

19. Коллеров, Д.К. Метрологические основы газоаналитических измерений. – М.: Высшая школа, 1967. – 231с. – ил.

20. Томпкинс, У. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC [пер. с англ.] / У. Томпкинс, Дж. Уэбстер. — М.:Мир, 1992. – 247с. – ил.

21. Како, Н. Датчики и микро-ЭВМ [пер. с япон.] / Н.Како, Я.Яманэ. — Л.:Энергоатомиздат, 1986. – 187с. – ил.

22. Фолкенберри, Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС [пер. с англ.] / Л. Фолкенберри. – М.: Мир, 1985. – 496с. – ил.

23. Пейтон, А. В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. – М.:БИНОМ, 1994. – 264с. – ил.

24. Григорьев, В. А. Волоконно-оптический сигнализатор уровня жидкости [Текст] / В.А. Григорьев // Датчики и системы, 2010. №8, с.12-15.

25. Лобанов, П. Ю. Электрооптические модуляторы в быстродействующих фильтрах для оптических датчиков [Текст] / П.Ю. Лобанов, И.С. Мануйлович, О.Е. Сидорюк // Датчики и системы, 2010. № 5, с.24-30.

26. Фаррахов, Р. Г. Оптический преобразователь температуры для систем контроля и управления [Текст] / Р.Г. Фаррахов, А.А. Мухамадиев // Датчики и системы, 2010. № 10, с.54-57.

27. Неделько, А. Ю. Новые методы измерения физических величин в условиях производства [Текст] / А.Ю. Неделько // Датчики и системы, 2010. № 2, с.37-41.

28. Рыжов, С. Н. Устройства для контроля за потоками жидкостей и газов. Датчики потока [Текст] / С.Н. Рыжов // Датчики и системы, 2007. № 9, с.42-46.

29. Блокин-Мечталин, Ю. К. Цифровые тензометрические преобразователи и системы [Текст] / Ю.К. Блокин-Мечталин // Датчики и системы, 2009. № 12,с. 5-9.

30. Епифанов, Г.И. Физика твердого тела. – учеб.пособие для студентов физич. и техн. спец.. – 3-е изд., испр. – М.: Лань, 2010. – 288с. – ил.

 

Литература по датчикам на базе магнитооптического эффекта

1. Уханов Ю.И. Магнитооптический эффект Фарадея в полупроводниках. «Успехи физических наук», 1976.

2. Ельяшевич М. А., Атомная и молекулярная спектроскопия, М., 1962

3. Гуревич А. Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1960, гл. 7, 8.

4. Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на сверхвысоких частотах. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1963 гл. 1, 2.

5. Н.И.Калитеевский «Волновая оптика» М., «Высшая школа», 1978, стр. 125-131.

6. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М.Сэндс «Фейнмановские лекции по физике. «Электродинамика» М., Мир, 1977, стр. 221-243

7. Бимс Дж. В. Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле //УФН. -1933. –Т. 13. -С. 209-252.

8. Волькенштейн М.В. Молекулярная оптика. -М.-Л.: ГИТТЛ, 1951. С. 605-620.

9. Верхозин А.Н. Магнитное двойное лучепреломление в переменном магнитном поле, в сб.: Вклад специалистов в ускорение научно-технического прогресса. - Псков: -1987. -С. 63-65.

10. Борн М. Атомная физика. - М.: Мир, 1970. С. 326-337..

11. Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Швец В.А. ЭЛЛИПСОМЕТР. Патент на изобретение №2302623, приоритет от 28 сентября 2005 г.

12. Волькенштейн М. В., Строение и физические свойства молекул, М.—Л., 1955; его же, Молекулярная оптика, М.—Л., 1951; Л а н д с б е р г Г. С., Оптика, 5 изд. М., 1976 (Общий курс физики).

13. Желудев И. С., Симметрия и её приложения, М., 1976;

14. Кринчик. Г.С. Физика магнитных явлений. М.: Изд. МГУ, 1985, глава 5

15. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

16. Котельникова О.А., Перов Н.С., Радковская А.А., Шалыгина Е.Е. Спецпрактикум кафедры магнетизма М: 2003г.

17. Бимс Дж. В. Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле //УФН. -1933. –Т. 13. -С. 209-252.

18. Волькенштейн М.В. Молекулярная оптика. -М.-Л.: ГИТТЛ, 1951. С. 605-620.

19. Верхозин А.Н. Магнитное двойное лучепреломление в переменном магнитном поле, в сб.:

20. Вклад специалистов в ускорение научно-технического прогресса. - Псков: -1987. -С. 63-65.

21. Борн М. Атомная физика. - М.: Мир, 1970. С. 326-337.

22. Спесивцев Е.В., Рыхлицкий С.В., Швец В.А. ЭЛЛИПСОМЕТР. Патент на изобретение №2302623, приоритет от 28 сентября 2005 г.

23. Колотов О.С. Методы и аппаратура для исследования импульсных свойств тонких магнитных плёнок. М. МГУ 1970г. 192с.

24. Семиров А.В. Гаврилюк А.В. М. ФММ. 1999г. Т.87 С. 44-53