1. Основные метрологические характеристики измерительных преобразователей. Методы их оценки.

• погрешность восприятия и преобразования (желательно знать случайную, систематическую, статическую, динамическую составля­ющие);

• характеристику (функцию) преобразования датчика, представля­ющую связь входной с выходной величинами: у = fix) и её линейность;

• диапазон восприятия и преобразования входной величины;

• чувствительность;

• частотные и динамические характеристики (переходная, амплитуд- но-фазовая, амплитудно-частотная характеристики; время реакции; посто­янная времени и др.).

К основным систематическим погрешностям датчика следует отнести следующие погрешности.

• Погрешности значения меры. Например, загрязнение смеси воды со льдом при определении «нулевой» температуры термопары.

• Погрешности при определении характеристик датчика. Напри­мер, при определении функции преобразования тензодатчиков уста­навливают её для одного датчика из изготовленной партии. Какой- то конкретный датчик может иметь отличную от испытанного датчика характеристику.

• Методические погрешности. К ним относятся, например, иска­жение температуры объекта измерения за счёт теплопроводности дат­чика температуры, «саморазогрев» термометра сопротивления «из­мерительным» током и др.

Основные причины возникновения случайных погрешностей в датчиках:

Во-первых, погрешности, связанные с изменениями собственных параметров датчика. Примером может служить вариация порога чув­ствительности у потенциометрического датчика. Порог чувствитель­ности датчика определяется как максимальное изменение измеряе­мой величины, которое не вызывает обнаруживаемого изменения выходного сигнала датчика. Если в датчике есть элемент с гистерезисными свойствами, то выходной сигнал зависит от предшествую­щих условий эксплуатации.

Во-вторых, погрешности из-за появления в измерительной цепи датчиков паразитных сигналов случайного характера (тепловые шумы, наводки от внешних электромагнитных полей, временной дрейф сигналов и параметров элементов датчика и др.).

Характеристика преобразования датчика должна определяться для нескольких значений входной величины, чаще всего для трех: х = 0; х = 1/2; х = 1. Более детальное представление характеристики бывает необходимо при нелинейном её характере.

Определение характеристик .Для выполнения этой работы необходимо создать специальное оборудование и разработать методику его использования. Можно использовать следующее оборудо­вание: генераторы входных величин в заданных динамическом и час­тотном диапазонах с заданной точностью (создание источника входной величины с погрешностью не более трети допустимой часто является трудной задачей); генераторы влияющих величин (они могут быть ме­нее точны). Наиболее квалифицированные работы по определению ха­рактеристик датчиков выполняют в специальных лабораториях, напри­мер, тепловых, оптических, акустических и др.

Важной характеристикой является время преобразования сигна­ла в датчике (время реакции). По виду переходного процесса, возни­кающего при подаче на вход датчика ступенчатой известной по размеру величины, датчики можно отнести к апериодическим, диф­ференцирующим, интегрирующим или колебательным звеньям дина­мической системы. Динамика цифровых устройств определяется временем, последовательностью и количе­ством выполнения операций преобразования сигнала.

Постоянные времени датчиков различны. Для кратковременного применения мож­но изготовить термопары и терморезисторы из тонких (диаметром порядка 50 мкм) калиброванных проволок и добиться уменьшения постоянных времени таких датчиков до десятков миллисекунд. Если же

термодатчики размещены в защитной оболочке, то тогда постоянная вре­мени их существенно увеличивается.

Динамические свойства датчиков зачастую определяют быстро­действие всего измерительного устройства. Имеются методы коррек­ции динамических характеристик путем введения обратных связей по производным от входной величины и других приемов, позволяющих на порядок уменьшить инерционность устройств.

2. Средства измерений: контрольно-измерительные системы, измерительные приборы, измерительные преобразователи и датчики.

Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для

преобразования измерительного сигнала в форму, позволяющую наблюдателю

воспринимать значение измеряемой величины.

Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерения, предназначенное для выработки информативного измерительного сигнала в форме удобной для передачи, преобразования, обработки, хранения, но не для непосредственного восприятия. Это техническое устройство, построенное на определенных физических принципах и выполняющее одно частное измерительное преобразование. Обычно неэлектрическая физиологическая или физическая величина преобразуется в электрическую ил наоборот. В общем случае ИП может состоять из нескольких преобразовательных

элементов, в каждом из которых происходит одно из последовательных

преобразований измерительного сигнала

Датчик – это конструктивно завершенное устройство, размещаемое в зоне действия объекта и выполняющее функцию измерительного преобразователя

3. Классификация ИП по принципу преобразования энергии.

• неэлектрических величин в неэлектрические (рычаги, редукторы, мембраны, пружины и др.);

• неэлектрических величин в электрические (потенциометры, термопары, емкостные и индуктивные ИП и др.);

• электрических величин в электрические;

• электрических величин в неэлектрические (измерительные механизмы электроизмерительных приборов).

4. Генераторные и параметрические датчики. Структурная схема, примеры.

Генераторным датчиком называется такой преобразователь, в котором под

воздействием измеряемой величины генерируется электрический сигнал. К ним

относят пьезоэлектрические, термоэлектрические, индукционные датчики.

В параметрическом датчике под влиянием измеряемой величины изменяется

какой-либо его параметр. Если изменяется индуктивность - то датчик индуктивный, если емкость - емкостной, если оммическое сопротивление - резистивный.

Активные преобразователи преобразуют неэлектрическую. энергию

непосредственно в электрическую (термоэлементы, фотоэлементы и др.).

Для действия пассивных преобразователей требуется вспомогательная энергия:

сам преобразователь не использует внешнюю энергию, а под действием

неэлектрической энергии только изменяет величину вспомогательной энергии

(например, термистор).

5. Определения "датчик", "микроэлектронный датчик ", "первичный измерительный преобразователь", "сенсор"

Датчик – это конструктивно завершенное устройство, размещаемое в зоне действия объекта и выполняющее функцию измерительного преобразователя. Сенсор – термин «сенсор» акцентирует внимание на восприя­тии входной величины, а термин «датчик» — на формировании и выдаче измерительного сигнала. Под сенсором понимается первич­ный измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий измерительный сигнал. На конструкцию и на другие особенности при этом никаких ограничений не наклады­вается. Следовательно, и сенсор и датчик выполняют одну и ту же функцию восприятия входной величины и формирования измеритель­ного сигнала.

Первичный измерительный преобразователь – это ИП, являющийся первым в цепи последовательно соединенных преобразователей.

6. Классификация измерительных преобразователей.

По виду входных величин: активные; пассивные.По количеству входных величии: одномерные (п = I); многомер­ные (я = 2, 3 ... п).По количеству измерительных функций: однофункциональные (т = I); многофункциональные(т = 2, 3 ... т).По количеству преобразований энергии п вещества: одноступен­чатые (/ = 1); многоступенчатые (/ = 2, 3 ... I).По наличию компенсационной обратной связи: компенсационные; некомпенсационные. По виду модуляции выходного сигнала: амплитудные; частотные и фазовые; непрерывные; импульсные.По технологии изготовления: элементные; интегральные.

По восприятию пространственных величии: точечные; простран­ственные.

По взаимодействию с источниками информации: контактные; бес­контактные (дистанционного действия).По виду измерительных сигналов: аналоговые; цифровые.По динамическому характеру сигналов преобразования: дискрет­ные (дискретное представление в виде импульсной последовательности); непрерывные (представлены в виде непрерывного процесса).

7. Особенности работы ИП. Общие и специальные требования. Понятие артефакта.

   В точном смысле слова измерительный преобразователь является прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой.

     Измеряемая величина - это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение, перемещение, сила, расход, уровень, положение, давление, механическое напряжение, температура, скорость и т. п. В некоторых случаях измеряемой может быть и электрическая величина, такая, как ток, напряжение или частота, которая преобразуется в электрический сигнал, пригодный для использования в других частях системы. При этом измерительный преобразователь является электрическим преобразующим элементом.  Входной преобразователь, преобразующий измеряемую величину в электрический сигнал, - это прибор, пригодный для использования в других частях системы.  Линии связи - это линии между входным преобразователем и другой частью системы. Таких линий в строгом смысле может иногда и не быть, если, скажем, входной  преобразователь размещается в нескольких сантиметрах от другой части системы. Если же он располагается на другом расстоянии от системы, то должны быть предприняты шаги к тому, чтобы линии связи не влияли, либо слабо влияли на эффективность работы системы. Там, где в системе имеются существенные линии связи, требуется один или более каскадов сопряжения сигналов, чтобы малый выходной сигнал входного преобразователя усилить, подвергнуть аналого-цифровому преобразованию, фильтрации, модуляции и т. п. Это необходимо для того, чтобы информация, выдаваемая первичным преобразователем, не терялась при передаче ее к другим частям системы. Отображающие или запоминающие приборы - это приборы, которые индицируют текущее значение измеряемой величины для удобства работы оператора системы или запоминают соответствующую информацию для ее последующего использования. В случае управляющей системы применяются некоторые виды приборов, предназначенных для сравнения обрабатываемых данных с некоторыми опорными значениями и получения разностного сигнала. Работающий по разностному сигналу выходной преобразователь используется для управления измеряемой величиной.

Метрологические требования:

– чувствительность и точность;

– быстродействие, пространственное разрешение, соответствие масштабу исследуемого процесса;

– минимальное возмущение полей измеряемых величин;

– малая чувствительность к неинформативным воздействиям.

Эксплуатационные требования:

– надежность и срок службы;

– устойчивость к перегрузкам, температуре, химическим, биологическим, механическим воздействиям;

– удобство обслуживания и метрологической аттестации.

Конструктивные требования:

– унифицированность и взаимозаменяемость;

– малая масса и габаритные размеры;

– технологичность и экономичность изготовления.

Артефакты - любое искусственное изменение измеряемого показателя. Это то, что присуще исследуемому объекту, но не интересует исследователя. Артефакты - шумы, помехи, интерференционные явления, наводки кабеля и др.

Основная задача ИП - выделение из всех сигналов значения измеряемой физиологической величины.

8. Характеристики измерительных преобразователей в статическом режиме.

Статические характеристики описывают свойства преобразователя при работе в лабораторных условиях с малыми изменениями измеряемой величины. Эти характеристики называются градуировочными. Условия измерений - температура 25°С, влажность < 90%, нормальной давление 100 кПа.

Основной характеристикой ИП является функция преобразования Y=f(X), определяющая зависимость выходной величины Y от входной X, которые представляют собой истинные (при теоретическом анализе) и действительные (при экспериментальных исследованиях) значения величин. Чаще всего эта зависимость описывается аналитическим выражением, иногда графически или задается в виде таблицы. В качестве обобщенной характеристики ИП данного типа принимается некоторая усредненная функция преобразования большой группы однотипных преобразователей.

Отношение выходной величины Y ко входной Х называется коэффициентом преобразования k(X)= Y/X - в общем случае - функция входной преобразуемой величины.

Производная от функции преобразования S=dY/dX=F’(X) называется чувствительностью ИП. Чувствительность характеризует степень реагирования ИП на входную величину. Для преобразователей функция преобразования которых линейна, чувствительность будет постоянной. Если же функция преобразования нелинейна, то чувствительность является функцией входной величины.

Номинальными характеристиками называют действительные, полученные в результате эксперимента. Они учитывают все параметры (факторы), влияющие на результат эксперимента.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности средства измерений.

Точность измерений - характеризует близость измеренного значения физической величины к действительному. Количественное выражение точности - погрешность. Погрешности могут быть классифицированы по различным признакам: способу выражения (абсолютные, относительные и приведенные), условиям возникновения (основные и дополнительные), степени неопределенности (систематические и случайные) и др.Наибольшая точность, с которой осуществляются измерения - разрешающая способность. Обобщенная характеристика, определяющая пределы допустимых погрешностей - класс точности.

9.Характеристики измерительных преобразователей в динамическом режиме.

Характеристики, которые проявляются при преобразовании переменных во времени величин.

Реакция преобразователя на быстроменяющийся сигнал будет зависеть от типа преобразователя.

В зависимости от конструкции датчиков, уравнение, описывающее работу датчика, может иметь разный порядок: датчики 0-го порядка(линейная передаточная функция от времени), датчики, описываемые диф. уравнением 1-го порядка(1 энергонакопительный элемент, экспоненц. перед хар-ка.), датчики, описываемые диф. уравнением 2-го порядка(2 энергонакопительных элемента). Для оценки времени срабатывания датчика удобно использовать пост. времени τ – мера инерционности датчика.

так же используются АЧХ(Модуль комплексной чувствительности) и ФЧХ(аргумент комплексной чувствительности)

11. Классификация погрешностей. Систематическая, случайная и прогрессирующая погрешности.

Погрешность измерения — оценкаотклоненияизмеренногозначениявеличиныот её истинного значения. Погрешность измерения являетсяхарактеристикой(мерой)точностиизмерения.

Классификация погрешностей:

1.По форме представления:

- абсолютная погрешность

- относительная погрешность

- приведенная погрешность

2. По причине возникновения:

- инструментальные/ приборные погрешности

- методические погрешности

- субъективные / операторные / личные погрешности 

3. По характеру проявления:

- случайная погрешность 

- систематическая погрешность 

- прогрессирующая (дрейфовая) погрешность 

- грубая погрешность (промах) 

4. По способу измерения:

- погрешность прямых измерений

- погрешность косвенных воспроизводимых измерений 

- погрешность косвенных невоспроизводимых измерений

Случайная погрешность — погрешность, меняющаяся (по величине и по знаку) от измерения к измерению. Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений. Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во времени по определённому закону Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором. Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.

12. Аддитивная и мультипликативная погрешности. Погрешность нелинейности.

аддитивные  не зависящие от измеряемой величины;

мультипликативные которые прямо пропорциональны измеряемой величине;

нелинейные  имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.

Аддитивная (а), мультипликативная (б) и нелинейная (в) погрешности

Примеры аддитивных погрешностей — от постоянного груза на чашке весов, от неточной установки на нуль стрелки прибора перед измерением, от термо-ЭДС в цепях постоянного тока. Причинами возникновения мультипликативных погрешностей могут быть: изменение коэффициента усиления усилителя, изменение жесткости мембраны датчика манометра или пружины прибора, изменение опорного напряжения в цифровом вольтметре. Ярким примером аддитивной погрешности является погрешность квантования (оцифровки). Класс точности измерений зависит от вида погрешностей.

12. Основная, дополнительная и эксплуатационная погрешности.

Основной называется погрешность СИ, определяемая в нормальных условиях его применения. Для каждого СИ в нормативно-технических документах оговариваются условия эксплуатации — совокупность влияющих величин (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение и частота питающей сети и др.), при которых нормируется его погрешность. Дополнительной называется погрешность СИ, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин.

12. Статическая и динамическая погрешности. Погрешность квантования.

Статическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения, то есть при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей; возникает при измерении с его помощью постоянной величины. Если в паспорте на средства измерений указывают предельные погрешности измерений, определенные в статических условиях, то они не могут характеризовать точность его работы в динамических условиях. Динамическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения; появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средсва измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий. Статические и динамические погрешности относятся к погрешностям результата измерений. В большей части приборов статическая и динамическая погрешности оказываются связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины. 

12. Порог чувствительности. Диапазон преобразования датчиков. Рабочий диапазон преобразования.

Термин "порог чувствительности" описывает определенное отношение сигнала к шуму. Порог измеряется в децибелах. Чем ниже порог чувствительности устройства, тем лучше будет принимаемый сигнал. Оптимальное значение порогового уровня чувствительности – 6 децибел. Устройства с низким порогом способны принимать аудио- и видеосигналы меньше 6 децибел. Рабочий диапазон измерения (преобразования) - Диапазон, для которого нормируется погрешность. Рабочий диапазон измерения может состоять из нескольких поддиапазонов (частей рабочего диапазона), в пределах которых цифровой прибор (преобразователь) может иметь различные погрешности.

12. Инструментальная и методическая погрешности.

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели. Причиной может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. Например, методическая погрешность возникает при измерениях падения напряжения на участке цепи с помощью вольтметра, так как из-за шунтирующего действия вольтметра измеряемое напряжение уменьшается. Механизм взаимного влияния может быть изучен, а погрешности рассчитаны и учтены. Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы. Отличительной особенностью методических погрешностей явля­ется то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на используемое СИ, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеряе­мую им величину и величину, подлежащую измерению.