Тема 8. Характеристики измерительных преобразователей

Важным показателем эксплуатационных возможностей и области применения преобразователей является зависимость выходного сигнала от входного. В общем случае эта зависимость описывается дифференциальным уравнением, учитывающим как сами величины, так и их временные производные. Эта зависимость существенно упрощается, если входной и выходной сигналы не изменяются во времени или изменяются достаточно медленно. В этом случае говорят о статической характеристике преобразователя (или элемента) или просто характеристике (рис. 8.1).

Рис. 8.1 Статическая характеристика

Статическая характеристика может быть выражена аналитически уравнением связывающем выходную величину у с входной х, в числовой форме, в виде таблице или же графически. Графическое представление применяют наиболее часто ввиду его наглядности. Значение входной величины обычно откладывают по оси абсцисс, а значение выходной – по оси ординат.

Рабочий участок характеристики ограничен нижними Х _н и U _ни верхними Х _в и U_в пределами преобразования.

Разность верхнего и нижнего пределов образует диапазон преобразования по входной и выходной величинам.

Рис. 8.2 Линейная характеристика

Значения пределов преобразования и форма характеристики определяются как назначением прибора, так конструкцией преобразователя и параметрами его элементов. В большинстве случаев стремятся к тому, чтобы преобразователь имел линейную характеристику, а нижние пределы преобразования были бы равны нулю. Такая характеристика удобно для показывающих и особенно регистрирующих приборов (рис. 8.2).

Рис. 8.4 Условно линейная характеристика

Линейная характеристика преобразователей в вычислительных устройствах упрощает осуществление математических операций.

Получение строго линейной характеристики сопряжено со значительными усложнениями конструкции преобразователя. Поэтому часто нелинейную характеристику условно считают линейной, если ее нелинейность невелика. Под нелинейностью понимают отношение наибольшей разницы величин , U нелинейной и Х_Л, U_Л линейной характеристик к диапазону (рис. 8.3):

Рис. 8.4 Нелинейные характеристики

Конструктором приборов приходится разрабатывать и использовать преобразователи с различными характеристиками, как с линейными, так и с нелинейными.

Примерами могут служить нелинейные характеристики (рис. 4):

1 – затухающая

2 – возрастающая

3 – произвольная

 

Рис. 8.5 Порог реагирования

Порог реагирования. Если входная величина медленно и непрерывно увеличивается от нуля, а выходная величина начинает изменяться только при определенном значении входной величины, то в этом случае имеет место порог реагирования или нечувствительность в нулевой точке (рисунок 5). Чтобы исключить неопределенность, связанную с обнаружением факта начала изменения показаний, предусматривается определение малое изменение показаний DY_A.

 

Вариация показаний. Вариациейназывается разность показаний, получаемая при одном и том же значении измеряемой величины при медленном непрерывным или шаговом подходе к метке шкалы один раз с большего, а другой раз с меньшего значения.

Причины вариации могут быть различными. При наличии люфта в механическом передающем элементе. Для люфта характерна постоянная, не зависящая от измеряемого значения вариации (рис. 8.6 а).

(а)	(б)	(в)
Рис. 8.6

Рис.2

Аналогичная характеристика может иметь место при сухом трении. Правда, в этом случае вариация может зависеть от измеряемого значения (рис. 8.6 б).

Аналогичная характеристика может иметь место и в механических системах. Например, внутреннее трение в материале пружинное приводит к тому, что после снятия нагрузки деформации может не восстановиться в полной мере (рис. 8.6 в). При этом остающаяся разность зависит, прежде всего, от величины нагрузки (отклонения).

Разрешающая способность. Понятие «разрешающая способность» разрешающая способность употребляется в самых разных значениях, применительно к измерительным системам под разрешающей способностью понимают изменение входной величины, необходимое для начала изменения выходной.

Если показания изменяются дискретно, как, например у растровых, резистивных преобразователей, то часто разрешающей способностью называют шаг дискретности. Для цифровых приборов разрешающую способность понимают как значение младшего разряда цифрового отсчета.

Чувствительность. Одним из удобных, и поэтому наиболее часто используемых, показателей, характеризующих преобразователь, является его чувствительность. Чувствительностью преобразователя называется отношение приращения выходной величины к приращению входной.

Для линейной характеристики S=const по всему диапазону измерения.

Для нелинейной характеристики S – величина переменная и является функцией измеряемой величины.

Для сравнения преобразователей с нелинейной характеристикой иногда пользуются понятием средней чувствительности или чувствительностью по диапaзону ;

В различных областях приборостроения преобразователей называют по размеру. Например, чувствительность различных передаточных механизмов обычно определяется отношением скоростей движения выходного и входного звеньев и называется передаточным отношением, чувствительность упругих элементов приборов иногда называют податливостью и т. д.

Не следует путать чувствительность с порогом чувствительности,под которым понимают наименьшее значение входного сигнала, при котором уверенно обнаруживается изменение выходного сигнала.

Итак, статическая характеристика может быть представлена графически, таблицей, в числовой форме, или аналитически – уравнением и представляет собой функцию преобразования.

Функция преобразования. Функция преобразования – функциональная зависимость между выходной величиной У и входной Х.

В аналитическую функцию преобразования обычно входят конструктивные параметры прибора или преобразователя и поэтому она исключается при расчете и проектировании.