Простая градуировка проводится, когда измеряемая величина определяется единственным физическим параметром, а датчик не чувствителен к влияющим на измерение величинам и не подвержен их воздействию. Речь идет, в частности, о статических, т. е. постоянных по времени измеряемых величинах:
- измерение фиксированного расстояния с помощью потенциометрического датчика, показания которого не зависят от такого влияющего фактора, как температура;
- измерение постоянной силы (взвешивание) с помощью температурно-компенсированного датчика;
- измерение стабильной температуры с помощью термопары.
В этих условиях градуировка состоит в установлении связи точно известных измеряемых величин с соответствующими электрическими величинами на выходе; градуировка осуществляется в один прием каким-либо из описанных ниже способов.
Прямая или абсолютная градуировка. Различные значения измеряемых величин получаются или от эталонов, или от образцовых средств, обеспечивающих существенно более высокую» (на два порядка) точность по сравнению с точностью, необходимой для датчиков температуры в реперных точках температурной шкалы, первичных или вторичных, а также для датчиков перемещения или прямолинейного движения (эталоны-калибры, прецизионные нониусы или лазерный интерферометр) (рис. 2.2).
| Схема абсолютной градуировки акселерометра |
|
| Рис. 2.2. Акселерометр подвергается воздействию синусоидального колебания с известной частотой f Амплитуда ускорения Г1 в функции амплитуды отклонения X1 равна Г1=4p2/2Х1. Величину X1 определяют по числу интерференционных полос, регистрируемых приемником оптического излучения за период колебания. Для каждого значения Гi по показанию прецизионного вольтметра определяют сигнал на выходе акселерометра. |
Косвенная или сравнительная градуировка. Используется образцовый датчик, градуировочная кривая которого известна, а ее стабильность высока. Образцовый и градуируемый датчики в одинаковых условиях подвергаются, по возможности одновременно, действию одинаковых измеряемых величин, значения* которых определяются образцовым датчиком (рис. 2.3). Число пар значений измеряемых величин и выходных электрических величин ограничено, однако они позволяют однозначно установить, с учетом точности измерений, соотношение между измеряемыми и выходными величинами
— в графической форме — градуировочная кривая;
— в алгебраической форме — характеристическое уравнение датчика.
| Схема градуировки акселерометра путем сравнения с образцовым акселерометром, |
|
| Рис. 2.3. |
2.2.2. Комплексная градуировка
Если воздействие на датчик измеряемой величины без учета дополнительных условий не позволяет с достаточной точностью провести градуировку, необходимо провести серию последовательных градуировок или комплексную градуировку, уточняющую зависимость выходного сигнала датчика от дополнительных параметров. Например, если датчик имеет гистерезис (механический или магнитный), выходной сигнал зависит не только от значения измеряемой величины в момент измерения, но и от предшествующих ему значений. В этом случае для получения достаточно точной градуировочной кривой требуется такая процедура, при которой датчик подвергается воздействию упорядоченной последовательности номинальных значений измеряемой величины.
Эта процедура в общем случае состоит в следующем:
а) устанавливают датчик на нуль; измеряемая и выходная величины должны соответствовать начальным значениям, от которых начинается их изменение, например, m = 0, s = 0;
б) определяют значения выходного сигнала сначала при возрастании измеряемой величины, а затем — при ее убывании.
Скорость изменения измеряемой величины или, что аналогично, спектр ее частот — важнейший параметр, к которому чувствительны все датчики. Действительно, любые датчики в условиях их применения характеризуются зависимостью чувствительности от частоты. Эта характеристика определяет диапазон частот, внутри которого преобразование дат стики обычно ухудшаются тем сильнее, чем дальше отстоит частота от границ полосы пропускания. В таких условиях необходимо проводить двойную градуировку, определяя:
а) частотную характеристику датчика, получаемую путем измерения выходного сигнала в зависимости от частоты измеряемой величины, амплитуда которой поддерживается постоянной;
б) зависимость выходного сигнала датчика от амплитуды измеряемой величины при фиксированной частоте, выбираемой внутри полосы пропускания.
Физическая природа измеряемой величины также может быть одним из параметров, определяющих реакцию датчика, например:
а) емкость емкостного датчика уровня зависит не только от высоты уровня жидкости, но и от ее диэлектрической постоянной;
б) сопротивление поверхностного термометрического зонда зависит не только от температуры поверхности, но и от сопротивления материала нижележащих слоев, которые могут воздействовать на зонд;
в) показания датчика на основе вихревых токов Фуко зависят не только от расстояния до объекта, но и от его удельного1 сопротивления и магнитной проницаемости. В этом случае необходимо проводить отдельную градуировку датчика для каждого5 материала, с которым он используется.
Сходную процедуру применяют при наличии влияющих величин. Если реакция датчика зависит от температуры, то проводят серию градуировок (каждую — при постоянной температуре); значения температур выбирают так, чтобы они были распределены во всем диапазоне возможных применений датчика. То же относится и к другим влияющим величинам. Чтобы проиллюстрировать необходимые операции при комплексной градуировке, когда на характеристику датчика влияет ряд параметров, рассмотрим фототранзистор. Речь идет о датчике оптического излучения, выходной сигнал которого, его коллекторный ток Ic, зависит: а) от потока излучения Ф с длиной волны l падающего на фототранзистор; б) от угла а между направлением падения излучения и нормалью к облучаемой поверхности; в) от напряжения коллектор — эмиттер и от сопротивления нагрузки; г) от температуры.
Для каждого из указанных параметров разработчик проводит соответствующую градуировку, выявляя их воздействие на ток. По этим градуировочным кривым специалист, применяющий фототранзистор, определяет путем интерполяции характеристику датчика для конкретных условий эксперимента.
2.2.3. Достоверность результатов градуировки: воспроизводимость результатов и взаимозаменяемость датчиков
Степень доверия, с которой можно полагаться на результаты градуировки, нужно оценивать в случаях, когда эти результаты применяются:
— либо для датчика, который уже подвергался градуировке;
— либо для датчика из той же промышленной партии, но не подвергавшегося индивидуальной градуировке.
Воспроизводимость — это индивидуальное свойство датчика,, обеспечивающее уверенность в идентичности выходных сигналов (в пределах, оговоренных в паспорте) всякий раз, когда датчик будет использован в идентичных условиях (та же измеряемая величина и те же влияющие величины). Воспроизводимость определяют, проводя по меньшей мере две последовательные градуировки; при этом выявляются случайные погрешности, сопутствующие градуировке. Взаимозаменяемость датчиков одного и того же типа — это такое качество серии датчиков, которое гарантирует пользователю идентичность результатов (с определенным допуском) всякий раз, когда любой датчик этой серии применяется в идентичных условиях. Воспроизводимость есть результат, с одной стороны, точного соблюдения технологии производства, выбора материалов я качества сборки, и, с другой стороны, проведения выходного контроля при изготовлении, позволяющего выпускать только датчики, укладывающиеся по параметрам в допуске, определяемым техническими условиями.
