3.1. Характеристики датчиків

Тут ми розглянемо загальні характеристики датчиків, незалежно від фізичної природи або кроки, які необхідно зробити для перетворення енергії. Ми будемо розглядати датчик як «чорну шухляду», де нас буде цікавити тільки взаємозв'язок між його вихідним електричним сигналом і вхідним впливом. Крім того, ми будемо обговорювати ключові питання вимірів: обчислення значення вхідного впливу від величини електричного вихідного сигналу, вимірюваного датчиком.

3.1.1.Функція передачі

Ідеальна або теоретичний зв'язок вхід-вихід (вплив-реакція) існує для кожного датчика. Якщо датчик ідеально спроектований і виготовлений з ідеальних матеріалів ідеальними працівниками, що працюють в ідеальнім середовищі, використовуючи ідеальні інструменти, вихідний сигнал такого датчика буде завжди представляти дійсну величину впливу. Цей ідеальний взаємозв'язок між входом і виходом може бути виражений у вигляді таблиці значень, графіком, математичною формулою, або у вигляді розв'язку математичного рівняння. Якщо функція входу-виходу є незалежною від часу, її звичайно називають функцією передачі (перетворення). Функція передачі являє собою відношення між впливом і відповідним електричним сигналом S, виробленим за допомогою датчика. Це співвідношення може бути записане у вигляді S = f (s).

Зазвичай вплив невідомий, тоді як вихідний сигнал S може бути виміряний. Потрібно знайти зворотну функцію передачі s = f^-1(S), щоб вичислити вплив за відгуком датчика S.

Значення S, про яке стало відомо під час виміру, є просто числом (напругою, струмом, числом і т.д.), і являє собою результат впливу s. У дійсності, будь-який датчик приєднаний до вимірювальної системи. Однієї із завдань системи є "зламати код S " і одержати невідому величину s з вимірюваного значення S. Таким чином, у системі виміру зворотна функція передачі s = f^-1(S), яку ми будемо позначати як F(S), використовується для одержання значення впливу s.

3.1.2. Чутливість

У випадку лінійної функції перетворення S=a+bs. коефіцієнт b в називається чутливістю:.

b=dS(s)/ds

.Для нелінійної функції передачі, чутливість b не є фіксованим числом, як було б у випадку лінійної функції перетворення. Нелінійна функція перетворення демонструє різну чутливість у різних точках на інтервалі вхідних впливів. У випадку нелінійних функцій передачі, чутливість визначається як перша похідна функції передачі:

b_i(s_i) = dS(s_i)/ds ≈ ΔS_i/Δs_i, (2)

де, традиційно, Δs_i є малим приростом вхідного впливу й ΔS_i є відповідною зміною у вихідному сигналі S функції передачі.

3.1.3. Калібрування

Якщо допуски виготовленого сенсора й допуски схеми інтерфейсу (перетворення сигналу) ширші, ніж це вимагає точність системи, необхідне калібрування датчика або комбінації вимірювального датчика та інтерфейсної схеми, щоб звести до мінімуму помилки. Наприклад, якщо потрібно вимірювати температуру з точністю ± 0.1°С, а доступний

датчик має точність ± 1°С, це не означає, що датчик не може використовуватися. Швидше за все, цей конкретний датчик потребує калібрування. Тобто, повинна бути знайдена його унікальна функція передачі, яка буде відповідати реакції реального датчика або повинні бути скоректовані конкретні параметри функції передачі для забезпечення більш точного обчислення впливу по відгуку датчика. Тут немає необхідності калібрувати датчик по багатьом вхідним впливам. Як правило, досить калібрувати тільки в декількох обраних точках (вхідних впливів), які генерує відоме еталонне джерело. Вхідні й вихідні точки будуть лежати на реальній функції передачі. Метою калібрування є знаходження невідомих коефіцієнтів (параметрів) інвертованої функції передачі, таким чином, щоб функція повною мірою могла бути використана в процесі виміру для обчислення будь-якого впливу в бажаному діапазоні, а не тільки в точках, що використовуються у процесі калібрування, але й у будь-якім місці між ними. При калібруванні, кілька вхідних впливів групуються з відповідними вихідними електричними відгуками й у результаті ці пари включаються в інвертовану функцію передачі для обчислення її параметрів (коефіцієнтів). Після того, як функціональні параметри встановлені й збережені, датчик готовий до використання. Таким чином, або повинна бути відома математична модель функції передачі до калібрування, або повинно бути знайдене гарне наближення відгуку датчика у всьому діапазоні. У більшості випадків, такі функції є гладкими й монотонними.

Дуже рідко вони є специфічними, і якщо це так, такі характерні риси є корисним явищем, яке використовується для виміру. Калібрування датчика може бути зроблено декількома можливими способами, деякі з них є наступними:

1. Розрахунки функції передачі або її наближення на відповідність обраним точкам калібрування (припасування кривої шляхом обчислення коефіцієнтів обраного наближення).

2. Регулювання системи збору даних для упорядкування (заміни) вимірюваних даних, щоб можна було їх вписати в нормалізовану або "ідеальну" функцію передачі. Як приклад, можна привести масштабування отриманих даних.

3. Модифікація (настроювання) «властивостей» датчика, для припасування заданої функції перетворення.

4. Створення еталонного пристрою для специфічних сенсорів з відповідними властивостями в конкретних точках калібрування.

При калібруванні термістора він занурюється у ванну з рідиною, що перемішується й з керованою й контрольованою температурою (термостат). Рідина повинна бути не електропровідною, такою як масло або FluorinertTM. Температуру ванни контролюють за допомогою прецизійного опорного термометра. Опір термістора виміряється Ом-метром, який є частиною калібрувального устаткування., Формуються кілька каліброваних пар при різних температурах і опорах. Тут ванна з рідиною встановлена на 2, 3, або 4 різних температури й датчики (вбудовані в зонд) виробляють відповідні відгуки, які використовуються каліброваним пристроєм для генерації відповідних коефіцієнтів зворотної функції передачі, яка буде зберігатися в пам'яті застосовуваного пристрою (наприклад, термометра).