Датчики-преобразователи информации: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

Е. А. Воробьев

ДАТЧИКИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 321 ББК 66.01 В75 Воробьев E. A. В75 Датчики-преобразователи информации: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 43 с. Учебное пособие к дисциплине “Физические основы получения информации” раскрывает материал первой части программы курса, где рассматриваются датчики-преобразователи информации по темам: назначение, решаемые функциональные задачи, характеристики, калибровка и их классификация. Предназначено для студентов всех специальностей.

Рецензенты: кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности Северо-Западного гocyдaрственнoгo технического университета; доктор технических наук профессор заслуженный деятель наук РФ А. И. Потапов

Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

© Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

© Е. А. Воробьев, 2001 2

1. НАЗНАЧЕНИЕ ДАТЧИКОВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Получение информации техническими способами невозможно без применения средств измерений. Наиболее простая форма уравнения измерений физической величины N техническими средствами имеет вид (1) N=KN1, где N1 – единичное значение величины N; K – некоторый коэффициент пропорциональности, устанавливаемый экспериментально в результате проведения калибровки (градуировки) средств измерения. Суммарная погрешность измерения, ∆ΣN величины N в соответствии с общим определением погрешности измерения представляет собой разность (2) ∆ΣN=KN1–N01, где KN1 – результат измерения; N01 – фактическое, единичное значение измеряемой величины. За исключением простейших случаев прямых измерений (например, измерения геометрической длины линейкой), техническая реализация уравнений (1) и (2) требует построения специальной измерительной системы, состоящей как минимум из трех обязательных и взаимосвязанных узлов (рис. 1). Ф 1

X

2

Y

3

Z

Рис. 1. Простейшая схема измерений

На измерительную систему от объекта контроля, измерения, т. е. от объекта получения информации поступает некоторая физическая величина Ф. 1 – датчик-преобразователь (ДП) физической величины Ф в некоторую другую физическую величину X, которая в узле 2 может усиливаться, трансформироваться в другую физическую величину Y; эта 3

величина Y в узле 3 считывается, записывается или сохняется, образуя тем самым конечный продукт измерения Z. Понятно, что наиболее ответственным и предопределяющим эффективность и работоспособность измерительной системы, является 1-й узел ДП. Поэтому датчиком-преобразователем называется первичный приемник измеряемой и несущей информацию величины Ф, преобразующий ее в соответствии с выбранным физическим эффектом преобразования в некоторую другую величину X, которая далее системой измерения трансформируется в требуемый конечный продукт – информацию об объекте измерения (контроля). Понятно, что ДП должен также обладать необходимыми характеристиками в соответствии с функциональными задачами, которые он должен решать и быть пригодным для серийного изготовления. Следует сделать уточнение к данному выше понятию “датчика-преобразователя”. Дело в том, что все ДП подразделяются на два класса; к первому классу, наиболее многочисленному, относятся так называемые пассивные ДП, которые действительно поступающую на их вход физическую величину Ф преобразовывают в другую физическую величину X. Ко второму классу ДП, очень малочисленному, относятся, так называемые активные ДП, которые под воздействием поступающей на них физической величины Ф и пропорционально ей сами вырабатывают физическую величину X; активным датчикам (но не к “преобразователям”!) относятся, например датчики Холла, пьезодатчики и некоторые другие. Как видно, в измерительной системе (рис. 1) происходит прием, преобразование и регистрация информации, что возможно только в том случае, когда существует носитель информации. Таким носителем информации могут быть матриалы и (или) энергия, существующие в форме определенного их распределения в пространстве и времени, и которые могут быть описаны математически. Иначе говоря, и величина Ф, и величина X, и величина Y, и величина Z (рис. 1) являются носителями информации. Изменение величины Ф во времени принято называть сигналом, а сама физическая величина Ф является носителем сигнала. Такой подход лежит в основе схемотехнического проектирования любых измерительных систем, и причем так, чтобы получение сигнала, обработка сигнала и преобразование сигнала выполнялись оптимальным образом по критериям наиболее полного, точного и надежного объе4

ма получаемой информации. Заметим, что подобное характерно не только для технических измерительных систем, но и для измерительной биологической системы человека (рис. 2). Измерительная биологическая система (человек) Получение сигнала

Техническая измерительная биологическая система

Чувства

Датчики-преобразователи

Обоняние Вкус Слух Осязание

Газоанализатор рН-метр Микрофон Температура Перемещение Поток Усилие и т.д. Датчик излучения Датчик положения Телекамера (распознавание образа)

Зрение

Обработка, трансформация и усиление сигнала

Мозг

ЭВМ Память

Преобразование и использование сигнала

Органы Руки Ноги Речь Жестикуляция Письмо

Запоминающее устройство

Исполнительное устройство Механика Динамик Индикация Печать (графопостроитель)

Рис. 2. Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в биологических (человек) и технических системах измерения

Полное подобие между биологической измерительной системой человека и технической измерительной системой, решающей аналогичные задачи, причем “чувства” человека являются своеобразными биологическими ДП информации (т. е. преобразователями сигналов). 5

Характерно и то, что и биологическая измерительная система и техническая измерительная система своими исходными сигналами соответственно обеспечивают жизнедеятельность человека и управление определенными исполнительными устройствами. А это значит, что специально построенная техническая измерительная система, может быть использована и в качестве управляющего фактора для обеспечения качества изделий радиоприборостроения. В заключение раздела особо подчеркнем значимость ДП технических измерительных систем для получения надежной и полной информации, состояний и фактических характеристиках объекта измерения, а главное – значимость выбираемых характеристик и принципа действия ДП в минимизации результирующей погрешности измерений ∆ΣN.

6

2. ЧАСТНЫЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ДАТЧИКАМИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ Итак, главная задача ДП – это преобразование измеряемой физической величины Ф в некоторую другую физическую величину X, причем обе эти величины являются носителями информационного сигнала. Содержание информации в сигнале (т. е. в величинах Ф и X) принято описывать степенью изменения информационного параметра P этих величин; применительно к информационным характеристикам полей волн, рассмотренным ранее, параметр P описывает глубину, степень изменения последних, через которые возможно количественно оценить состояние, характеристики и другие интересующие нас признаки объекта контроля, т. е. объекта, о котором необходимо получать информацию. Понятие информационного параметра P поясним простейшим примером работы ДП как преобразователя высокой частоты в более низкую или в постоянный ток. Если мощность сигнала Ф во времени будет постоянна, то и сигнал X по своей величине будет постоянным и,следовательно, оба эти параметра никакой информации не несут. Если же сигнал Ф промодулирован по амплитуде, то только тогда сигнал X будет нести информацию о изменяющихся во времени свойствах или характеристиках объекта измерения. Чем больше глубина модуляции, т. е. изменение информационного параметра P, тем больше должен нести информации и сигнал Ф и полученный в результате преобразования сигнал X. Для нашего примера: при P = 0 сигналы информации не несут, при P = 1 – информативность обоих сигналов максимально возможная. Следует сделать два важных вывода, относящихся к любым ДП, применяемых в радиоприборостроении вообще. Во-первых, для получения максимальной информации информативный параметр P должен быть максимально возможным. Во-вторых, в результате преобразования величины Ф в величину X ДП (т. е. при его функциональной работе) потери информативного па7

раметра P должны быть минимальны. Разнообразие частотных функциональных задач, решаемых ДП различного назначения по преобразованию сигналов различной физической природы и соответствующие им информационные параметры, даны в табл. 1. Разнообразие композиционных задач, решаемых ДП различного назначения, когда информационный сигнал является сложным (непрерывный, дискретный, одномерный, двумерный, трехмерный), и когда сигнал можно представить в виде его составных частей, иллюстрирует табл. 2. Рассмотрение табл. 1 и 2 позволяет сделать еще одно немаловажное общее заключение – правильность и полнота информации при работе ДП должна достигаться за счет минимизации линейных и нелинейных искажений информативного параметра P при преобразовании ими информативных сигналов. Последнее заставляет для приборов различного уровня качества применять ДП, обладающие соответствующими характеристиками преобразования информативных сигналов. Подтверждающими это являются приборы для передачи и воспроизведения речевой и визуальной информации различных классов (приемники, магнитофоны, проигрыватели, телевизоры), а также измерительная техника повышенных классов точности. Как видно, многообразие и иногда достаточно сложные функции преобразования сигналов датчиков-преобразователей могут быть реализованы с помощью элементарных комбинаций изменения сигнала. Иначе говоря, простейшее преобразование сигнала (например, преобразование высокочастотного сигнала в постоянный ток) осуществимо простейшим ДП, решающим одну, частную функциональную задачу (например, детектором электромагнитного излучения); а ложные преобразования сигналов соответственно требуют применения сложных ДП, решающих одновременно несколько простейших функциональных задач, но связанных непосредственно с процессом преобразования сигналов, т. е. с процессом получения необходимой информации. Поэтому применительно к сложным ДП следует говорить об их сложной структуре, в которую входит не только собственно элемент преобразования сигнала Ф(P) в сигнал X(P) (например, полупроводниковый слой детектора излучения), но и дополнительные элементы, которые в своей совокупности и обеспечивают требуемую работоспособность сложного ДП. 8

Таблица 1 Âèäû ñèãíàëîâ, èõ ñîñòàâíûå ÷àñòè, íîñèòåëè ñèãíàëîâ, èõ èíôîðìàòèâíûå ïàðàìåòðû è âèäû èíôîðìàòèâíîãî ñèãíàëà íà âûõîäå äàò÷èêà-ïðåîáðàçîâàòåëÿ Сигнал Ф = (x, y, z, t)

Временной Ф = f(t) (форма, используемая в основном для передачи сигналов): – непрерывный – дискретный Пространственный Ф = f(x, y, z), (форма, используемая в основном для хранения сигналов): – одномерный Ф = f(x), – двумерный Ф = f(x, y), – трехмерный Ф = f(x, y, z),

Носитель сигнала Ф

9

Механический (скорость, ускорение, сила, масса, давление, работа и др.) Геометрический (длина, толщина, угол, площадь, объем, высота, печатные знаки и др.) Гидравлический (давление, перепад давлений, расход жидкости и др.) Пневматический (давление, перепад давлений, расход газа и др.) Акустический (интенсивность звука, высота звука, и др.) Тепловой (температура, количество теплоты и др.) Магнитный (индуктивность, напряженность магнитного поля, магнитный поток и др.) Электрический сигнал (ток, напряжение, мощность и др.) Оптический (яркость, коэффициент преломления, длина волны и др.) Ядерно-физический (плотность потока нейтронов и др.) Химический сигнал (показатель рН, концентрация газа и др.)

Информационный параметр сигнала Р

Вид сигнала на выходе ДП

Аналоговый Амплитуда (Р может принимать любые Частота значения в заданных предеФаза Количество импуль- лах) Дискретный сов Длительность им- (Р может принимать только конечные значения): пульса – бинарный (Р может приПоследовательнимать только два значения); ность импульсов Положение импуль- – цифровой (значения Р соответствуют словам уссов Количество точек ловного алфавита) Расположение точек – многоточечный (дискретРасстояние между ный без условного алфавита) точками и началом Непрерывный (Р может изменяться в люкоординат Расположение точек бой момент времени) Расстояние между Дискретный точками и началом (Р может изменяться только в определенные моменкоординат ты времени)

Таблица 2 Êîìáèíàöèîííûå çàäà÷è, ðåøàåìûå äàò÷èêàìè-ïðåîáðàçîâàòåëÿìè ïðè ïðåîáðàçîâàíèè ñëîæíûõ ñèãíàëîâ Сложный сигнал

Вид сигнала, информационный параметр Р

Возможный видеосигнал на выходе ДП

Временной, Аналоговый непрерывный: непрерывный амплитуда

t

Временной, Аналоговый, прерывистый: дискретный амплитуда

t

Дискретный, непрерывный: L амплитуда (два значения: 0 или L) 0

t

Дискретный прерывистый: амплитуда

t

Временной, Аналоговый, непрерывный: непрерывный частота t

Трехмерный, Дискретный: двумерный число и расположение точек

10

Перфокарта

Усложнение структуры ДП, решающих усложенные функциональные задачи преобразования, иллюстрирует табл. 3, в которой первой позицией выделена основная функция преобразования информативного сигнала, а ниже дополнительные, но без которых работоспособность сложного ДП не может быть обеспечена. Таблица 3 Ïðèìåðû ÷àñòíûõ ôóíêöèîíàëüíûõ çàäà÷, ðåøàåìûõ äàò÷èêàìè-ïðåîáðàçîâàòåëÿìè è òåõíè÷åñêèå ðåøåíèÿ, ñîîòâåòñòâåííî, óñëîæíÿþùèå èõ ñòðóêòóðó Вид частной функциональной задачи

Превращение (простейшее преобразование) I

Ф

x

Модуляция II

Ф

x = f (Ф)

x

Количественное изменение III

Ф

.K .K

x

Переключение IV Ф

x

Фильтрация V

Ф

∆f

x

Характеристика решаемой задачи

Примеры технического решения

Изменение материального или энергетического качества входного сигнала Ф (Ф и x физически различны)

Детектор радиоизлучения, терморезистор, фотодиод, термопара, детектор рентгеновского излучения (простейшие ДП преобразователи) Модулятор радиосигнала, модулятор светового сигнала в ДП

Изменение характера состояния сигнала во времени (Ф и x физически одинаковы) Изменение величины входного сигнала (K>1 – усиление; K<1 – ослабление)

Передающая рупорная антенна, приемная рупорная антенна, соответствующие уменьшающая и увеличивающая плотность потока электромагнитной энергии или усилитель сигнала Запирающий детектор при Прерывание и (или) восстановление потока превышении мощности, полупроводниковый диод сигналов Ф и x в режиме переключения и т.п.

Выбор (селектирование) части из множества входных сигналов в соответствии с задачей функционирования

Электронный фильтр в виде электронной цепи, одномодовый световод в качестве фильтра

11

Продолжение табл. 3 Вид частной функциональной задачи

Характеристика решаемой задачи

Примеры технического решения

Объединение или разде- Соединение или разделение сигнала ление одного сигнала на несколько сигналов (Ф = х1, х2, ... , хn) x1 VI Ф

+ –

xn

Преобразование VII Ф~ 1

+ –

x ~3 x2~ 2

Передача VIII Ф

Разветвитель первичного сигнала на зондирующий и опорный; одна приемнопередающая антенна, объединяющая зондирующий и информативный сигналы, электронный переключатель Физическое смещение Все виды ДП гетеродиннои выделение разностно- го приема го сигнала

Передача сигнала от вхо- Волновод, световод, рентгеда к выходу (Ф = xK) новод, совмещенный с ДП x

Формирование метроло- Формирование метрологических характеристик гических характеристик ( в соответствии с функIX Ф x циональной задачей)

Волноводный излучатель, линза перед световодом, размеры апертур, которые предопределяют локальность измерений

Примеры табл. 3 касаются ДП электромагнитного излучения, но аналогичные иллюстрирующие таблицы можно составить и для механических, акустических, пневматических, гидравлических и других ДП сложной структуры, и решающих комбинированные задачи преобразования сигналов. Позиция I табл. 3 иллюстрирует основную функциональную задачу, решаемую электромагнитным ДП; все остальные позиции от II до IX показывают как может быть усложнена структура электромагнитного ДП, следовательно и его конструкция, если ДП должен решать сложную, комбинированную задачу преобразования сигналов. 12

Рассмотрим остальные позиции табл. 3. Так, позиция II – “Модуляция” высокочастотного сигнала Ф необходима для удобства его обработки на выходе ДП и последующей индикации; понятно также, что при этом информативный параметр P должен быть без заметных искажений и перенесен на более низкую частоту. Позиция III – “Количественные изменения” позволяет реально повысить чувствительность ДП за счет того, что суммарная мощность несущего сигнала Ф будет увеличена за счет приемного рупора, имеющего большую апертуру и располагаемого непосредственно перед детектором электромагнитного излучения или с помощью усилителя, встроенного в ДП (поз. I табл. 3). Позиция IV – “Переключение” оказывается необходимой для защиты детектора электромагнитного излучения при вариациях мощности сигнала Ф, превышающих предельно допустимую. Позиция V – “Фильтрация” заставляет усложнять структуру ДП и его конструкцию в тех случаях, когда на вход преобразователя, кроме полезного для нас основного сигнала, могут поступать или поступают другие сигналы или помехи. Позиция VI – “Объединение или разделение сигнала” – случай применения электромагнитного ДП в сложных измерительных системах. Позиция VII – “Преобразование” – случай сложных электромагнитных ДП, работающих в гетеродинном режиме. Позиция VIII – “Передача” – осложнение структуры и конструкции ДП, когда необходимо сигнал Ф транспортировать и непосредственно подавать в ограниченную область преобразующего сигнал Ф в сигнал x элемента преобразования. Позиция IX – “Формирование метрологических характеристик” – вариант вынужденного усложнения структуры и конструкции при необходимости формирования метрологических характеристик сложного ДП. Сделаем выводы, логически вытекающие из всего рассмотренного материала. Во-первых, с технической точки зрения ДП не всегда следует рассматривать формально в виде элементарного, простейшего преобразователя сигнала (как это дано вышеприведенным определением понятия “датчик-преобразователь”); ДП, как правило, представляет собой сложную структуру, которая способна и должна выполнять поставленную комбинированную функциональную задачу. 13

Во-вторых, ДП определенного функционального назначения должен иметь соответствующую, иногда достаточно сложную, но единую конструкцию, которая не только защищает ДП от всей совокупности внешних дестабилизирующих факторов, но и обязательно участвует в формировании требуемых его характеристик. В-третьих, в непосредственной близости от преобразовательного элемента ДП или перед ним могут, и иногда и должны располагаться дополнительные элементы, обеспечивающие его рабочие характеристики. И, в-четвертых, все результирующие метрологические и надежностные характеристики любой измерительной системы (рис. 1) однозначно предопределяются параметрами ее входной части, т. е. датчиком-преобразователем, поэтому проектирование ДП для измерительных систем конкретного назначения оказывается наиболее ответственным этапом разработки системы в целом. Значимость сложной структуры и специальных, дополнительных решений в конструкции ДП проиллюстрируем рис. 3.

fм << f0

2

Ф 1

3

Ф(P) 4

5

6

7

9

Фfм(P)

8

Xfм(P) 2

y

3

z

Рис. 3. Структура и схема конструкции ДП радиоволновой системы контроля радиопрозрачных материалов: блоки 2 и 3 показаны на рис. 1

На рис. 3 приведена типовая структура и схема конструкции электромагнитного датчика-преобразователя, предназначенного для контроля неоднородности и присутствия дефектов в радиопрозрачном листовом материале: 1 – это первичный излучатель генератора, обеспечива14

ющий подачу зондирующего сигнала Ф на объект контроля 2: на пластину диэлектрика с возможными дефектами 3. Зондирующий сигнал Ф – “гладкий” и не несет информативного параметра P только при прохождении зондирующего сигнала Ф области с дефектом он приобретает информативный параметр P (т. е. изменяется мощность или скорость (фаза) распространения сигнала в диэлектрике Ф(P), этот сигнал, уже несущий полезную информацию от ОК, т. е. информацию о наличии дефекта, попадает в приемный рупор 4, размеры раскрыва которого обеспечивают требуемую локальность контроля. Отрезок волновода с элементом 5 – это фильтр, выделяющий из всего спектра зондирующего, излучения нужную для измерений полосу частот ∆f0 сигнала Ф(P); 6 – элемент защиты детектора излучения от предельной зондирующей мощности (например, для случая, если контролируемый материал будет отсутствовать между рупорами 1 и 4; отрезок волновода с элементом 7 – это низкочастотный модулятор частоты f0 частотой fм, что после соответствующего преобразования на электромагнитном детекторе 8 технически упрощает обработку и индикацию преобразованного сигнала Xf (P). м Дополнительный, но необходимый элемент структуры и конструкции 9 – это поглотитель той части мощности сигнала Фf , которая была 0 не преобразована в сигнал Xf (P) и которая могла бы дать отраженные м волны и исказить резулътаты измерений. Таким образом, и схематически, и конструктивно ДП в рассматриваемом примере оказывается в виде связанной структуры элементов 4, 5, 6, 7, 8 и 9, совместно работающих и решающих казалось бы простейшую функциональную задачу преобразования (детектирования) высокочастотного сигнала в низкочастотный. Поэтому, говоря о датчиках-преобразователях информации, следует иметь ввиду два уровня их абстрагирования: – уровень собственно элемента преобразования одной физической величины в другую (это может быть детектор электромагнитного излучения, терморезистор, пленочная структура, термопара, фотодиод и т. п.); – уровень реального структурного и конкретного конструктивного решения ДП, способного автономно решать поставленную функциональную задачу в простых и сложных системах измерения и контроля. Очень часто ДП второго, более сложного уровня абстрагирования, трансформируются в соответствии с комбинационной решаемой задачей в измерительные внешние каналы средств измерения и контроля. 15

Так, на рис. 3 фактически представлен измерительный канал радиоволновой системы контроля качества диэлектрических материалов, имеющий в качестве своей основы элементарный ДП (детектор) электромагнитного излучения. Все сказанное выше в полной мере относится к “пассивным” ДП, хотя и “активные” датчики способны решать эти же частные функциональные задачи, перечисленные в табл. 3.

16

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Преобразование сигнала в ДП всегда должно осуществляться так, чтобы преобразование информации от Ф(P) в X(P) было оптимальным. Поэтому основной количественный критерий качества преобразования сигнала (по аналогии с КПД энергопотребляющих машин и систем можно постулировать в виде КПД передачи информации, т. е. как максимальное сохранение и минимальное искажение правильности преобразованной информации. Формально это означает сохранение неизменной заданной функции обработки информации за счет минимизации линейных и нелинейных ее искажений, что возможно при максимальном подобии преобразованного сигнала X(P) первоначальному сигналу Ф(P). Это справедливо для всех случаев преобразования сигналов, когда существует носитель сигнала (например, радиочастотный сигнал) и носитель информации, т. е. информативный параметр P (например, определенная модуляция радиочастотного сигнала по амплитуде, частоте или по фазе), и преобразование сигнала Ф(P) сводится к выделению этого информационного параметра на более низкой частоте. В то же время в технике измерений применяется огромное количество ДП, когда информативный параметр P в явном виде в процессе преобразования отсутствует. Это область механических ДП, когда, например, давление воздуха или жидкости преобразуется в перемещение мембраны или полой пружины, или преобразование температуры в термо-ЭДС, термопары и т. п. В свою очередь это означает, что обобщенные, частные, но количественные характеристики ДП должны охватывать все возможные варианты процесса преобразования, но критерий оптимальности преобразования всегда должен учитываться и через эти характеристики оцениваться. Прикладная метрология и опыт технических измерений позволяют предложить нижеследующие количественные характеристики, которыми может быть оценена работоспособность, возможности и эффективность ДП любого типа, вида и уровня абстрагирования. 17

Приводимые ниже характеристики ДП большинстве своих трактовок по смысловому содержанию совпадают с официально принятыми метрологическими характеристиками, широко применяемыми для оценки качества средств измерения и контроля (ГОСТ 16253-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения М., 1970. 54 с.), но в этих характеристиках в то же время отражена и специфика ДП, как технического устройства, принимающего и преобразующего одну физическую величину в другую. Чувствительность ДП можно определить как минимальную (предельно малую) мощностъ, массу, давление и т. п., при которых в ДП начинается процесс преобразования первичного сигнала, т. е. ДП срабатывает и появляется различимый вторичный сигнал X(P) чувствительность измеряется минимальными абсолютными значениями физических величин, поступающими на вход ДП. Рабочий диапазон ДП – эта характеристика показывает в какой области изменений напряженности электромагнитного поля, мощности, массы, давления, частоты и т. п. первичного сигнала работоспособность ДП сохраняется. Диапазон работы ДП может изменяться в абсолютных величинах – от min до max первичного сигнала, или в относительных цифрах, показывающих во сколько раз верхняя точка рабочего диапазона превышает его чувствительность. Самая нижняя часть рабочего диапазона опасна тем, что при первичном сигнале по своей абсолютной величине, близкой к чувствительности ДП, велика вероятность его несрабатывания, а самая верхняя часть рабочего диапазона – его разрушением. Заметим также, что рабочий диапазон, как и чувствительность ДП зависят от целого ряда объективных, внешних и внутренних факторов, влияющих на его работу, таких как: температура, давление, влажность, вибрации, внешние электромагнитные поля и т. п. Погрешность преобразования ДП ∆пр может быть определена как ошибка преобразования сигнала во вторичный по сравнению с тем, если бы это преобразование было бы идеальным, т. е. для идеального случая полного отсутствия в процессе преобразования линейных и нелинейных искажений, о которых речь шла выше. Здесь имеется полная аналогия с процессом измерения и с техническими средствами измерения (2) и рис. 1, поэтому величина погрешности преобразования зависит не только от физико-технических параметров ДП, но и от условий его работы, воздействия на него дестабилизи18

рущих факторов и в значительной степени от области его работы в рабочем диапазоне. Коэффициент полезного действия (КПД) ДП – это чисто энергетическая оценка работы ДП, показывающая какая доля первичного информационного сигнала теряется в процессе его преобразования. Любое преобразование – как переход из одного физического состояния в другое – невозможно без разного рода потерь, поэтому КПД ДП равным 100% быть не может. При КПД ДП близком к 100% он имеет большую чувствительность, а при малых значениях КПД ДП повышается вероятность его разрушения за счет значительного выделения тепла или больших механических нагрузок; КПД ДП зависит от внешних условий и области его рабочего диапазона. Величина КПД ДП в то же время ощутимо влияет и на погрешность преобразования, так как это всегда связано с потерей части информативного сигнала и с неизбежным уменьшением информативного параметра P. Локальность ДП – специфическая характеристика датчиков-преобразователей первичной информации и она определяется, как минимальная область, с которой первичный информативный сигнал может быть воспринят. Локальность – важнейшая характеристика технических средств дефектоскопии; малые дефекты в изделиях и материалах могут быть обнаружены и определены их размеры только при высокой локальности первичного ДП. Локальность ДП зависит не только от размеров его конструкции и, в первую очередь, от размеров его преобразующего элемента (например, точечный детектор электромагнитного излучения обладает большей локальностью, чем детектор, выполненный в виде пленочной структуры). Разрешение ДП определяется как минимальное приращение первичного информативного сигнала, которое может быть зафиксировано на выходе ДП. Разрешение измеряется в абсолютных значениях величины первичного информативного сигнала. Разрешение ДП не может быть одинаковым во всем его рабочем диапазоне, для некоторых видов ДП оно подчиняется определенному закону (например, для детекторов), зависимость разрешения от условий работы и воздействия внешних дестабилизирующих факторов очевидна. 19

Надежность ДП понимается как вероятность сохранения ДП при его работе. По аналогии с оценкой надежности средств измерений надежность ДП формально вычисляется через следующие два вероятностных параметра: Pн.д – вероятность “необнаруженного дефекта”, т. е. пропуск дефекта и Pл.т – вероятность “ложной тревоги”, т. е. появление сигнала о дефекте, которого в действительности нет. Применительно к ДП первый параметр Pн.д – это несрабатывание ДП при превышении информативного сигнала его чувствительности или разрушения; второй параметр Pл.т – появление на выходе ДП информативного сигнала при его отсутствии на входе. В соответствии с общепринятой методикой расчета надежности, т. е. вероятности безотказной работы – результирующая надежность ДП HΣ(н.д;л.т) может быть найдена из соотношения (3) HΣ(н.д;л.т)≈ (1–Pн.д)(1–Pл.т) причем и численное значение ожидаемой величины Pн.д и численное значение ожидаемой величины Pл.т должно находиться для данного, конкретного вида ДП по результатам испытаний партии ДП, находящихся в одинаковых эксплуатационных условиях. Подобные результаты испытаний данного вида ДП на надежность в дальнейшем могут быть использованы для формирования табличных значений коэффициента λ-отказов, используемых для оценок надежности более сложных технических устройств, в которые данный вид ДП входит в качестве комплектующего функционального узла. Надежность ДП, как любого технического устройства определяется вероятностью отказов материальных элементов, образующих его конструкцию. Понятно, что надежность ДП в значительной степени зависит и от условий его эксплуатации – более тяжелые условия эксплуатации всегда увеличивают вероятность отказов элементов конструкции и, особенно, преобразующего сигнал элемента. Универсальность ДП – чисто качественная эксплуатационная характеристика ДП, в том смысле, что она показывает как применим ДП данного типа и вида для использования его в измерительных системах различного назначения. Обратимость ДП – еще одна из специфических характеристик ДП – это их свойство преобразовывать информативный сигнал в прямом и обратном направлениях; это характеристика свойственная не всем ти20

пам и видам ДП, а только некоторым, у которых возможен процесс преобразования прямого сигнала в выходной и при обратном включении ДП – преобразование сигнала первоначально выходного в первичный. Эффект обратимости в простейшем его виде (иногда еще его называют эффектом взаимности) давно известен в электрорадиотехнике и суть его сводится к тому, что некоторые элементы и узлы в виде четырехполюсников, будучи подключенными к первичному источнику с любой своей стороны, не изменяют своих характеристик (это резисторы, емкости, индуктивности и т. п.). К невзаимным элементам и узлам в электрорадиотехнике принято относить такие, у которых характеристики прохождения изменяются в зависимости от того с какой стороны они подключаются к источнику электрического питания (это полупроводники, вентили и т. п.). Понятие “Обратимости” ДП принципиально иное и предполагает работу некоторых типов и видов ДП в качестве преобразователей физических величин при прямом и обратном их включении. Примерами таких “обратимых” ДП могут быть: – пьезоэлектрический преобразователь, у которого при подаче механического усилия на кристалл появляются на поверхности электрический заряд (прямой пьезоэффект), и наоборот – при подаче напряжения (заряда) на поверхность кристалла – механическая сила, изменяющая его форму и размеры (обратный пьезоэффект); – некоторые виды полупроводниковых и пленочных преобразователей, которые к примеру, при подаче на них света вырабатывают постоянный электрический ток, и наоборот и т. п. Эффект “обратимости” ДП широко используется не только в контрольно-измерительной аппаратуре, но и в специальных технических системах (например, в телефонах, громкоговорителях, микрофонах, в преобразователях звуковой и видеоинформации и т. п.). Отметим, что не все упомянутые выше характеристики ДП применимы к “активным” датчикам: – погрешность преобразования ДП ∆пр применительно к “активным” датчикам должна быть заменена погрешностью формирования, соответственно, сигнала X относительно поступающего на датчик сигнала Ф. – коэффициент полезного действия ДП применительно к “активному” датчику следует понимать как отношение выработанной “активным” датчиком мощности выходного сигнала X к мощности входного сигнала Ф. 21

4. КАЛИБРОВКА И АТТЕСТАЦИЯ ДАТЧИКОВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Приводимый ниже достаточно подробный материал по вопросам калибровки является общим как для ДП, так и для технических средств измерения любой сложности. Поэтому любой ДП можно представить в виде элементарного измерительного устройства, которое принимает первичный сигнал, измеряет его и пропорционально величине первичного сигнала преобразует его во вторичный. Поэтому к ДП применима форма простейшего уравнения измерений, данная формулой (1), и как результат этого формула (2), показывающая формирование суммарной погрешности измерений, но для нас не измерений, а преобразования. Тогда величина K должна иметь размерность, соответствующую выходному сигналу X. Под калибровкой ДП будем понимать экспериментальное определение (например, путем сравнения с образцовым ДП) значений величины K во всем рабочем диапазоне работы калибруемого ДП. Иначе говоря, при калибровке одновременно проводится два процесса прецизионных, сравнительных измерения при непрерывной, и чаще при дискретной вариации входного сигнала Ф(P) во всем рабочем диапазоне его возможных изменений и сравнительных измерений в том смысле, что величина Kк калибруемого ДП устанавливается путем сличения с величиной Kэт, например образцовогоДП. При этом появляется неизбежная ошибка сравнений этих двух измерений, которую принято называть неопределенностью калибровки. Как результат любого измерения неопределенность калибровки имеет: – нормальную составляющую (характерную для идеальных условий калибровки данными прецизионными техническими средствами); – дополнительную, обусловленную воздействием на процесс калибровки различных дестабилизирующих причин и факторов; – методическую, зависящую от использованной методики калибровки. “Дискретная” калибровка по фиксированным точкам значений входного информативного сигнала Ф(P) более точная, чем динамические 22

измерения, при непрерывном изменении сигнала Ф(P), которым присущи дополнительные составляющие погрешности, имеющие различную природу возникновения. В аналитической записи результат калибровки ДП может быть представлен в виде функционала


, K ) ( X ( P ) ,…
, X (P ) + ( K min ,… max min max
,Ф ( P ))  = +∆ Σн.к (Ф ( Pmin ) ,… max 
= f Ф ( Pmin ) ,…,Ф ( Pmax ) ,

)

(4)

где первое слагаемое в левой части функционала есть результат калибровки, т. е. количественная зависимость выходного сигнала ДП X(P) от входного Ф(P) во всем диапазоне возможных изменений, а слагаемое
,Ф ( P ) – это суммарная неопределенность калиб∆ Σн.к  Ф ( Pmin ) ,… max  ровки, которая может быть неодинаковой по рабочему диапазону ДП. Результат калибровки может быть представлен в виде таблиц, в графическом виде или в виде численного массива данных, в том числе и в памяти ЭВМ. При калибровке значительной партии ДП одного типа получают семейство кривых или семейство численных данных, по которым строятся обобщенные, среднестатистические их характеристики, которые прилагаются в виде паспорта к стандартизованным ДП, выпускаемым серийно. Последнее облегчает их выбор и эксплуатацию для решения конкретных функциональных задач – это, например вольтамперные характеристики полупроводников, зависимости термо-ЭДС от температуры для термопар, зависимости внешнего электромагнитного поля от электромагнитного поля наводимых вихревых токов вихретоковыми преобразователями и т. п. По характеру изменений этих данных нетрудно определить для данного типа ДП их среднестатистические характеристики, такие как чувствительность, рабочий диапазон, КПД, разрешение и некоторые другие, но естественно с погрешностью, не меньшей неопределенности их калибровки. Конечные точность и устойчивость технологических процессов, серийного производства и неоднородность свойств исходных материалов приводит к тому, что даже при прецизионных калибровках партий ДП получается значительный разброс их откалиброванных характеристик. 23

Тогда для таких партий ДП каждую откалиброванную характеристику можно представить в виде массива трех характеристик, которые с определенной вероятностью дают среднестатистическое значение и ожидаемые максимальные и минимальные ее отклонения от среднестатистического. В качестве примера на графиках рис. 4 приведены калибровочные вольт-амперные характеристики полупроводникового ДП и областями 1, 2 и 3 показаны области квадратичного, линейного и нелинейного (область насыщения) детектирования соответственно. Последнее позволяет пользователям и разработчикам измерительной техники по таким данным устанавливать с определенной достоверностью погрешность преобразования, т. е. основную метрологическую характеристику для конкретного типа ДП, изготовляемых серийно для всего диапазона их работы. Так, из калибровочных кривых рис. 4 с определенной достоверносФ(U) 3 тью может быть количественно оценена погрешность преобразования – ∆пр.3 ∆пр.2 Ф(U) для начальной, квадратичной области; Ф(U) – для линейной обла2 сти и Ф(U) – для области насыщения полупроводникового ДП. Из кривых рис. 4 видно, что в пределах рабоче1 Х(А) го диапазона погрешность преобра∆пр.1 зования ∆пр не одинакова и зависит от областей, где происходит преобРис. 4. Типовой график калибровразование первичного сигнала Ф(U) ки партии полупроводниковых во вторичный X(A). ___ детекторов: – среднестатисКалибровка ДП, как и средств техтическая калибровочная кривая; _ _ _ – максимальные; . . . – нических измерений, может быть минимальные отклонения сквозной и многоступенчатой. калибровочной кривой от среднеПервый вариант калибровки статистического значения предполагает калибровку всего измерительного устройства в сборе и с ДП, когда измерительное устройство настроено, отрегулировано, а отдельные его части 1, 2 и 3 (рис. 1) согласованы. Сквозная калибровка средств измерений чаще всего применяется при введении в них не стандартных, оригинальных по принципу действия ДП. 24

Второй вариант – многоступенчатая калибровка, как правило, применяется для стандартизованных ДП, представляющих собой самостоятельные, автономные устройства, их начальная калибровка выполняется по схеме, оговоренной выше, а ее результаты представлены в паспорте ДП. При этом варианте отдельно калибруются ДП и другие узлы измерительного устройства, например узлы 2 и 3 (рис. 1). После сборки всех узлов в единое измерительное устройство и окончательной отладки сквозную калибровку проходит все устройство. Вариант сквозной калибровки в сочетании с многоступенчатой дает при всех прочих равных условиях лучший результат по точности и надежности работы измерительных устройств. Функциональные возможности ДП предопределяются не только результатами их калибровки, но в значительной степени зависят и от качества изготовления последних. Качество изготовления ДП – это выполнение соответствующих норм и условий (т. е. производственных допусков!) на линейные размеры и форму конструкций ДП, требований к микро- и макрогеометрии функциональных поверхностей, и особенно требований к физическим свойствам непосредственно преобразующих сигналы элементов. Современные ДП, как правило, представляют собой миниатюрные устройства, поэтому предельные значения точности и устойчивости даже прецизионных технологических процессов и физическая неоднородность используемых материалов не позволяют изготовлять ДП идеальными в том смысле, что их реальные характеристики будут совпадать с расчетными. Производственная неточность изготовления ДП фактически негативно проявляется дважды: – во-первых, при их калибровке (так как невозможно неточно изготовленное измерительное устройство точно откалибровать); – во-вторых, при эксплуатации (так как невозможно неточным устройством, да и откалиброванным, неточно проводить точные измерения и преобразования первичного информативного сигнала Ф(P) в выходной X(P). Рассмотрим причины, приводящие к такой неблагоприятной ситуации. Многолетний опыт производства изделий различного назначения и различных абсолютных размеров и формы показал, что их основные функциональные размеры конструкций в серийном производстве сред25

ней точности не МОГУТ быть изготовлены с относительной погрешностью меньшей, чем 10–4, а в высокоточном, прецизионном производстве с погрешностью не меньше, чем 10–5. Приведенные значения погрешностей относятся к “средним” размерам. Очень малые абсолютные и очень большие размеры конструкций изделий удается реализовать с пони∆L женными точностями 10–4 и 10–5 со1 –5 10 ответственно. Практически это 2 10–4 можно объяснить тем, что очень малые и очень большие размеры кон10–3 струкции технически сложно изготовлять и контролировать. Стати10–2 стический анализ точностных воз10–3 10–2 1 10 102 L, м можностей различных производств Рис. 5. Статистическаие данные и обработка данных, заимствовано предельной относительной точности воспроизведения геомет- ных из специальной литературы, рических размеров и формы ∆L позволили построить усредненные конструкций в зависимости от их диаграммы предельных относиабсолютных размеров L, м: 1– тельных неточностей ∆L воспроизпрецизионное изготовление; 2 – ведения конструктивных размеров обычное изготовление L изделий (рис. 5). Как видно из усредненных диаграмм, только “средние” размеры удается воспроизводить с относительной ошибкой 10–4 и 10–5 в производстве средней точности и в прецизионном производстве соответственно. Заштрихованная область усредненных диаграмм рис. 4 – это область возможных размеров современных конструкции ДП, и чем миниатюрней ДП, тем с меньшей относительной точностью он может быть реально изготовлен. Все это в определенной мере относится и к возможности воспроизведения физически однородных функциональных пленок, покрытий, полупроводниковых структур и других функциональных элементов, которые широко используются в преобразующих элементах современных ДП. Отсюда следуют следующие важные выводы: – во-первых, по своим функциональным характеристикам никакой ДП не может быть идеально изготовленным; 26

– во-вторых, конечная неточность изготовления обязательно проявится при калибровке партии однотипных ДП в виде соответствующего разброса калибруемых характеристик; – в-третьих, по аналогии с повышенной неточностью воспроизведения в технологии изготовления очень малых и очень больших размеров – неопределенность калибровки ДП по очень малым и очень большим входным информационным сигналам Ф(P) оказывается повышенной. В этой связи технологическое обеспечение полной взаимозаменяемости ДП в некоторых случаях оказывается весьма проблематичным. Теперь формализуем для себя понятие “очень малого” и “очень большого” информационного сигнала, применительно к ДП – это означает его калибровку в начале и в конце рабочего диапазона. Эта характерная зависимость хорошо прослеживается на кривых рис. 4. Физически это объясняется так. При калибровке ДП на очень малых входных информационных сигналах Ф(P), как и образцовый ДП, работает в области, близкой к своей предельной чувствительности, поэтому и не может быть откалиброван с повышенной точностью. При калибровке ДП на очень больших входных информационных сигналах Ф(P), как и образцовый ДП, испытывает перегрузки, а постановка перед ними какого-либо “ослабителя” в виде аттенюатора, демпфера, ответвителя, поглотителя части входного сигнала и т. п. неизбежно в результате калибровки внесет дополнительную систематическую погрешность за счет этих устройств и поэтому на очень больших входных сигналах ДП опять будет откаN либрован с повышенной неопреде- 10–3 2 ленностью. Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих это положение, а 10–2 1 также зависимость неопределенности калибровки от точностных воз10 можностей, применяемых для калибРminРабочий диапазон ДП Рmax , Вт ровки технических средств. На графиках рис. 6 показана Рис. 6. Типовые графики неопределенности калибровки N ДП по мощности неопределенность калибровки ДП в пределах их рабочего диапазона: 1 – в пределах рабочего диапазона в калибровка обычными техническими зависимости от абсолютной вели- средствами; 2 – прецизионная калибчины мощности, поступающей на ровка высокоточными техническими средствами по высокоточным образцам вход ДП (т. е. от Pmin до Pmax). 27

Графики рис. 6 характерны для различных видов ДП. Это могут быть различные детекторы, фотодиоды и фотоэлементы, преобразователи рентгеновского излучения и т. п. Кроме возрастания неопределенности калибровки на краях рабочего диапазона, из графиков видно, что применение более точных средств измерения и более точных образцов позволяет значительно снизить неопределенность калибровки. Отметим важный факт – рабочий диапазон различных видов ДП может быть неодинаков, как по отношению Pmin/Pmax, так и по абсолютным значениям этих величин. Например, “точечные” детекторы электромагнитного излучения имеют рабочий диапазон в пределах от тысячных до сотых долей Вт, т. е. порядка 102 по отношению Pmin/Pmax. В то время как некоторые виды фотодетекторов имеют отношение порядка 105 в средней части рабочего диапазона есть значительный участок линейной зависимости фототока Ф(I) от поступающей мощности первичного сигнала Ф(P). Значительные линейные участки калибровочных характеристик ДП позволяют технически более просто производить усиление и обработку информативного сигнала, а это, в свою очередь,означает возможность построения менее сложных и дешевых технических средств измерения (узлы 2 и 3 на рис. 2). Отметим еще один важный момент – все виды ДП, работающих в электромагнитном диапазоне – от длинной части светового диапазона до рентгеновского, и вне зависимости от того в “точечном” или в “пленочном” виде у них реализован преобразующий первичный сигнал элемент – имеют электрические шумы. Возникновение электрических шумов в полупроводниковых ДП обусловлено физическими процессами, протекающими в полупроводниковых материалах при подаче на них электромагнитной мощности первичного информационного сигнала Ф(P), а также значительно зависит и от абсолютной температуры полупроводника. Исследования показали, что минимальная мощность шумов Pmin полупроводниковых ДП при нормальной температуре для отношения сигнал/шум равном 1 может быть рассчитана

Pш.min ≈ 10−15 28

f , Вт,

(5)

где f – средняя частота спектра электромагнитных колебаний, подаваемых на ДП, Гц, т. е. в максимуме кривой чувствительности детектора. Наличие шумов при преобразовании электромагнитных сигналов, естественно, снижает чувствительность полупроводниковых ДП и она не может быть меньше, чем это определено формулой (5). Первичный информативный сигнал Ф(P), меньший по мощности, чем Pш min, невозможно будет выделить на фоне шумов, хотя при этом сам процесс преобразования сигнала Ф(P) в сигнал X(P) в ДП и будет происходить. Отметим еще одну важную закономерность, которая следует из формулы (5), на низких частотах электромагнитного излучения шумы ДП могут быть на несколько порядков меньше, чем на очень высоких радиочастотах и в рентгеновском диапазоне. Последнее предопределяет возможности и области применения ДП, принцип которых основан на преобразовании электромагнитного первичного сигнала. Второй пример, касающийся неопределенности калибровки, относится к ДП, преобразующим первичный информативный сигнал, физически представляющий собой давление или усилие во вторичный сигнал X, удобный для усиления, обработки и индикации. Датчики-преобразователи, у которых первичный сигнал Ф представляет собой давление (усилие), по своим принципам преобразования весьма разнообразны. Это могут быть, например механические ДП и ДП, работающие на прямом пьезоэффекте; типовые N кривые неопределенности калиб- 10–3 ровки показаны на рис. 7 и отно2 сятся к подобным ДП. Как видно из графиков рис.7, 10–2 в начале рабочего диапазона нео1 пределенность калибровки очень 10 высока, и объясняется это пониРmin Рабочий диапазон ДП Рmax , Вт женной чувствительностью к начальной деформации металличесРис. 7. Типовые графики неопредекого элемента-преобразователя и ленности калибровки N ДП давления пониженной чувствительностью в пределах их рабочего диапазона: 1 – калибровка обычными техническими по электрическому напряжению средствами; 2 – прецизионная (поверхностному заряду) пьезодаткалибровка высокоточными техничика при очень малых давлениях ческими средствами по высокоточным образцовым ДП на их поверхность. В средней ча29

сти рабочего диапазона неопределенность калибровки ДП давления зависит только от точности технических средств, применяемых для калибровки и качества образцовых ДП. В верхней части рабочего диапазона при больших давлениях, естественно, неопределенность калибровки рассматриваемых ДП должна резко возрастать, так как упругие свойства металлических элементов преобразователей выходят из области линейной деформации (т. е. уже не подчиняются закону Гука), а внутренний объем пьезокварцевого ДП значительно обеднен подвижными зарядами, и даже повышенное давление практически не способно увеличить заряд на его поверхности. Как правило, включая рассматриваемые типы ДП давления, и все возможные другие виды и типы ДП по своему схемо-конструктивному решению, по физическим свойствам преобразующего элемента и по способу включения в систему измерения реализуются так,чтобы исключить их работу при перегрузках входного сигнала Ф. Поэтому и типовые графики неопределенности рис. 7 построены с учетом этого правила. Приведенные примеры по неопределенности калибровок еще раз подтверждают постулат в отношении построения и применения ДП любого вида и типа (как пассивных,так и активных) – стремление исключить или максимально уменьшить из процесса преобразования первичного сигнала во вторичный влияние причин, приводящих к линейным и нелинейным искажениям. С течением определенного промежутка времени эксплуатации любые средства измерения (включая и входящие в них ДП) утрачивают свои метрологические характеристики, достигнутые в результате начальных калибровок. Дело в том, что материалы, из которых они изготовлены, со временем стареют, а также из-за износа и воздействия дестабилизирующих факторов сопутствующих их эксплуатации, они разрегулируются, и поэтому средства измерения теряют свои первоначальные характеристики, т. е. уже не могут обеспечить требуемый уровень информативности. Как нам уже известно, под информативностью контроля и измерений понимаем получение информации об объекте контроля или об объекте получения информации данных о них с допустимой погрешностью и с заданной надежностью в период эксплуатации. Сказанное в полной мере относится и к ДП, как к устройствам приема, измерения и преобразования первичного информативного сигнала Ф(P). 30

Рассмотрим два принципиально отличающихся друг от друга способа обеспечения заданной информативности (работоспособности ДП во время их эксплуатации) и технических средств контроля и измерения любой сложности. Первый способ состоит в стремлении спроектировать и изготовить высокоточные и стабильные по своим метрологическим характеристикам ДП и средства измерения на весь период их эксплуатации. Тогда первоначальная калибровка гарантирует эксплуатационные нормы по метрологическим характеристикам на весь период их эксплуатации. Как видно, первый способ обеспечивает полную взаимозаменяемость ДП, так как метрологические характеристики любого ДП из партии данного вида будут в пределах допустимых норм повторять требуемые метрологические характеристики и сохранять их в течение всего времени их эксплуатации. Однако не все виды ДП и технические средства измерения могут быть реализованы по первому способу и ограничения все те же: предельные возможности технологии и конечная физическая однородность исходных материалов в сочетании с высокими требованиями к их эксплуатационным характеристикам. К тому же изготовление высокоточных и высокостабильных ДП всегда требует дополнительных затрат на их производство и связано с обязательным применением качеСотн ственных исходных материалов, это положение иллюстрирует рис. 8, на 0,75 котором показано как растет отно0,5 сительная стоимость Cотн миниатюрных ДП в зависимости от от0,25 носительной точности изготовления их конструкций Tотн. Хотя пер0 вый способ технически сложен и Tотн 10–3 10–1 10–2 экономически не выгоден, в некоРис. 8. Увеличение относительной торых специальных случаях все же стоимости Сотн изготовления приходится изготовлять ДП и техминиатюрных ДП в зависимости нические средства измерений по от относительной точности Тотн изготовления конструктивного оговоренному первому способу, параметра, представляющего его когда требуется на весь период экфункциональное назначение сплуатации иметь высокоточные и 31

стабильные характеристики – типовой пример – ДП и измерительные приборы для аэрокосмического приборостроения. Второй способ реализации ДП и технических средств измерения предполагает их проектирование и изготовление с пониженными значениями метрологических характеристик и с пониженной стабильностью последних. При этом снижается сложность и стоимость их изготовления, но появляется обязательная необходимость проведения в период эксплуатации контрольно-восстановительных операций и периодически проводимых калибровок, которые принято называть аттестациями. Реализация по второму способу ДП, да и любой контрольно-измерительной аппаратуры, но с периодическими контрольно-воостановительными операциями, позволяет при относительно невысокой стоимости производства гарантировать достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Понятно, что применение контрольно-восстановительных операций для ДП возможно только в том случае, если это допускает их конструктивное решение, обеспечивающее доступ и регулировку их чувствительного элемента и других вспомогательных узлов, т. е. если ДП ремонтопригодны, Результаты обобщенных сравнительных исследований первого и второго способов серийного производства ДП и средств измерения в графическом виде представлены на рис. 9. Iф; Iдоп; Iрасч 1,0

4

Iрасч 1 Iдоп

3

2

Iф (tэкспл) 0,5

5 0

tэкспл

t1

t2

t3 0,5

t4

t5

∆tвосст 1,0

Рис. 9. Графическая интерпретация информативности ДП и технических средств измерения, изготовленных первым и вторым способами

32

В качестве основного переменного параметра в этом исследовании принята информативность I, а контрольно-восстановительные операции в период эксплуатации направлены на поддержание ее на уровне не ниже допустимого; на графиках рис. 9 прямая 1 и 2, соответственно, расчетное и допустимое снижение информативности Iрасч и Iдоп при заданном времени эксплуатации tэкспл. Кривая 3 показывает изменение информативности при изготовлении ДП по первому способу. ДП во время эксплуатации Iэкспл имеет значение информативности не ниже Iдоп. Кривая 4 иллюстрирует изменение информативности ДП, изготовленного по второму способу – более дешевому; как видно, при достижении времени эксплуатации t1 ДП имеет уровень информативности ниже допустимого Iдоп. Ломаная кривая 4 – это изменение информативности ДП и средств измерения, допустимые в результате проведения ремонтно-восстановительных операций и периодических аттестаций в период его эксплуатации, а кривая 5 падение информативности ДП, изготовляемых по второму способу, а также без ремонтно-восстановительных операций. Пунктирные части кривой 4 иллюстрируют восстановление информативности ДП и средств измерения до расчетного уровня, но на эту операцию затрачивается время ∆tвосст и таких операций во все время эксплуатации ДП может быть несколько, например n, (на рис. 9 это временные точки t2, t3, t4, t5 и т. д., с которых должны начинаться ремонтно-восстановительные операции). Понятно, что ∆tвосст n – время, которое исключается из полного времени эксплуатации ДП и средства измерения, т. е. приводит к определенным экономическим потерям Cп, ∆tвосст; n и, кроме того, периодические ремонтно-восстановительные операции и калибровки (аттестации) требуют в свою очередь дополнительных затрат Cдоп, n на приобретение соответствующих технических средств и оплату труда. Результаты сравнительных исследований в обобщенном виде, представленные на рис. 9, позволяют сделать два важных вывода. Во-первых, необходимая информативность ДП и технических средств измерения может быть достигнута двумя способами: высокоточным изготовлением со стабильными характеристиками, когда их информативность медленно уменьшается за все время эксплуатации tэкспл от Iрасч до Iдоп, (кривая 3 на рис. 9); в результате относительно дешевого производства, но с обязательными ремонтно-восстановительными операция33

ми и периодическими аттестациями, за счет которых уровень информативности поддерживается не ниже допустимого Iдоп, (ломаная кривая 4 на рис.9). Во-вторых, имеется возможность сравнения по критерию полной стоимости изготовления и эксплуатации ДП и технических средств измерения, реализуемых по первому и второму способам. Подобное экономическое сравнительное исследование разработчиками и технологами всегда проводится, и суть его сводится к следующему. Пусть CΣI – суммарная стоимость изготовления ДП и технических средств измерения первым способом, включая и стоимость их первичной ступенчатой и сквозной калибровок – в этом случае эксплуатационные затраты отсутствуют. В то время как полная стоимость изготовления и эксплуатации ДП и технических средств измерения, изготавливаемых по второму способу будет состоять из суммы следующих частных затрат: (6) CΣII= Cизг II+Cдоп n+ Cп(∆tвосстn) + Cск, где Cизг II – стоимость изготовления и первичных калибровок; Cск – дополнительные затраты, вызванные тем, что ремонтно-восстановотельным операциям и калибровкам в процессе эксплуатации подвергается вся контрольно-измерительная аппаратура вместе с ДП; остальные слагаемые в формуле (6) понятны из приведенных выше рассуждений. Решение уравнения вида

∂ СΣII (
) ∂ ( I доп )

=0

(7)

формализует задачу поиска минимально возможных затрат на изготовление и эксплуатацию ДП и средств измерений – CΣII opt[min, max]. Сравнение по абсолютным значениям CΣI c CΣII opt[min, max] позволяет по экономическому критерию установить какой из способов изготовления и эксплуатации ДП и средств измерений более выгоден. Заметим, что особенно в аэрокосмическом приборостроении и для обеспечения контроля в специальных технологических процессах, и для физических исследований приходится строить и применять ДП и технические средства измерения повышенной точности и стабильности в соответствии с их функциональным назначением, и тогда экономический критерий их реализации теряет смысл. 34

Все сказанное в отношении изготовления, калибровки и аттестации справедливо как для “пассивных” ДП, так и для “активных” датчиков. Общим для пассивных ДП и “активных” датчиков является зависимость их характеристик от внешних дестабилизирующих факторов, и, в первую очередь, зависимость характеристик от температуры. Зависимость характеристик от температуры корректируется следующими тремя способами: – калибровкой и аттестацией ДП и измерительных устройств, куда они входят на рабочей температуре; – при значительных диапазонах рабочих температур, введением поправок в результаты ступенчатых и сквозных калибровок; – построением таких систем измерения, которые автоматически корректируют зависимость характеристик ДП и “активных” датчиков от температуры. Последний способ наиболее прогрессивен и он широко используется при разработке современных средств измерения и контроля. Весь приведенный выше материал в отношении калибровок будет необходим в последующей части этого лекционного курса при рассмотрении способов и методик использования конкретных технических средств измерений, таких как акустических, радиоволновых, тепловых и др.

35

5. КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Четкая, однозначная и единая классификация ДП невозможна в связи с разнообразием их видов и типов, принципа действия, областей применения, конструктивных решений и т. п. Эта тенденция прослеживается в монографиях, посвященных проектированию ДП различных видов, типов и разного назначения, в этих книгах делаются попытки дать “частные” классификации. Основными направлениями являются: – классификация ДП по “назначению” (например, ДП для измерения влажности, но они могут быть и электрическими, электромагнитными, химическими, оптоэлектронными и т. п.); – классификация ДП по “области применения” (например, ДП для промышленной техники измерений, для аэрокосмической техники или ДП для автомобилей, но в то же время все они могут быть построены по различным физическим принципам); – классификация ДП по “виду выходного информативного сигнала” – это могут быть ДП с аналоговым выходным сигналом выходным сигналом (например, бинарный сигнал, цифровой, многоточечный или сигнал, соответствующий буквам или словам условного алфавита (табл.1 и 2) и т. п.), но в то же время они могут быть очень различны по своему принципу действия и конструктивным решениям; – классификация ДП по “их конструктивному и схемотехническому решению” (например, ДП на сосредоточенных или на распределенных электрических элементах, на волоконных световодах, в полосковом или пленочном исполнении, в миниатюрном исполнении и т. п.), но, опять таки, все они могут иметь отличные друг от друга физические принципы работы и области применения и т. п.; – классификация первичных преобразователей информации на “пассивные” и “активные”, но и эта классификация не может быть принята в качестве рабочей, так как является уж слишком общей. Естественно, любая из приведенных “частных” классификаций не является единой и обобщенной. 36

Подход при классификации ДП должен быть принципиально другим и это возможно сделать на основе существующего ГОСТ 18353-81. “Контроль неразрушающий”. Классификация видов и методов, который предусматривает девять видов (групп) неразрушающего контроля: акустический, радиационный, магнитный, оптический, радиоволновой, электрический, вихретоковый и проникающих веществ. Под неразрушающим контролем (НК) (согласно ГОСТ 18353-81) понимают проведение различных измерений, которые позволяют количественно оценивать признаки, характеристики, параметры или какой-либо другой показатель качества материалов, изделий,технологических процессов и т. п. без ухудшения присущих им на момент измерения свойств. Неразрушающий контроль по своей сути базируется на различных физических принципах измерений и на технологических средствах измерений, реализующих тот или иной метод. Классификация НК по группам, отражающим физический принцип измерений и по техническому методу их возможной технической реализации приведена в табл.4. По своей сути ГОСТ 18353-81 классифицирует все возможные методы измерений по физическому принципу их действия, т. е. определенная смысловая аналогия с нашим курсом “Физические основы получения информации” с этим ГОСТом имеется. Кроме того, ГОСТ 18353-81 для каждой из групп физических методов измерения указывает на возможные способы их технической реализации, а если это так, то каждый из способов технической реализации средств измерений должен иметь свои ДП, работающие на соответствующем физическом принципе. Частично это положение отражено в табл. 4, например, для 6–7-й групп, для которых указаны и возможные виды применяемых ДП. Поэтому предполагаемая нами классификация ДП должна быть построена аналогично этому ГОСТу и содержать девять основных видов ДП (т. е. для каждого физического метода измерений) и для каждого вида несколько типов ДП, отражающих особенности частных технических решений средств измерений. Так, для 2-й группы физических методов НК – это будет вид радиационных ДП, среди которых следует различать следующие типы: – ДП, работающие в рентгеновском диапазоне радиоволн; – ДП гамма-излучения; – ДП бета-излучения; 37

– ДП нейтронного излучения; – ДП позитронного излучения. По такой аналогии можно составить классифкацию ДП и для других групп, физических методов измерений, а именно для 1-й, 3-й, 4-й, 5-й, 9-й. Предложенная классификация ДП все же будет неполной и неточной по нескольким причинам. Во-первых, для каждого физического метода измерений существуют ДП, которые не упомянуты в табл. 4. Во-вторых, существуют ДП, которые с успехом применяются в различных средствах измерений, использующие отличные методы технической реализации (например, детекторы радиоизлучения применяются в аппаратуре для измерения прошедшего, отраженного и собственного излучения, а термопары – для любого из способов тепловых измерений), В-третьих, существуют комбинированные и сложные по своей структуре и физическому принципу действия ДП и они никак не отражены в предложенной классификации. В-четвертых, существуют ДП для динамических измерений, для измерений в экстремальных условиях (например, в области высоких температур, в химически агрессивных средах и т. п.) – наша классификация также это не отражает. В-пятых, предлагаемая нами классификация, как и ГОСТ 18353-81, не подразделяет все преобразователи первичной информации на “пассивные” и “активные”. И, наконец, в-шестых, предложенная классификация имеет и принципиальную неточность – так, рентгеновские ДП, оптические ДП, радиоволновые ДП, вихретоковые ДП и электрические ДП в принципе своей работы имеют взаимодействие с электромагнитными полями и волнами различной частоты, а это из нашей классификации не следует. Понятно, что ГОСТ 18353-81 составлен с учетом возможностей существующих и перспективных технических средств измерений и существующих методик проведения измерений, поэтому и предлагаемая классификация не лишена упомянутых выше недостатков. Есть и еще одна важная причина, не позволяющая в настоящее время сделать полную, обобщенную и исчерпывающую классификацию ДП. Существующие ГОСТы на ДП имеются не на все группы физических методов контроля, например для 5-й группы – это ГОСТ 6616-74. “Преобразователи термоэлектрические ГСП. Общие технические усло38

Таблица 4 Êëàññèôèêàöèÿ íåðàçðóøàþùåãî êîíòðîëÿ ïî ãðóïïàì, îòðàæàþùèì ôèçè÷åñêèé ïðèíöèï èçìåðåíèé è ïî âîçìîæíîìó ìåòîäó èõ òåõíè÷åñêîé ðåàëèçàöèè (ÃÎÑÒ 18353-81) Группа НК

1

2

Технический метод реализации

Акустические Теневые Эхоимпульсные Резонансные Методом свободных колебаний Эмиссионные Импедансные Велосимметрические Прочие акустические Радиационные Рентгеновские Гамма-излучения Бета-излучения Нейтронные Позитронные

Группа НК

Технический метод реализации

5

Тепловые Прошедшего излучения Отраженного излучения Собственного излучения

6

Магнитные Магнитопорошковые Магнитографические феррозондовые Индукционные Магнитополупроводниковые Вихретоковые С проходными преобразователями С накладными преобразователями С экранными преобразователями С комбинированными преобразователями

39

3

Оптические Методом прошедшего излучения Методом отраженного излучения Методом собственного излучения

7

4

Радиоволновые Прошедшего излучения Отраженного излучения Собственного излучения

8

Электрические

9

Проникающих веществ

вия” и для 7-й группы – это ГОСТ 23048-83. “Контроль неразрушающий. Преобразователи вихретоковые. Общие технические требования”. Формирование ГОСТов по ДП на остальные группы физических методов контроля должно расширить элементную базу средств измерений и позволит подойти к более совершенной классификации датчиков-преобразователей физических величин.

40

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Воробьев Е. А., Михайлов В. Ф., Харитонов А. А. СВЧ-диэлектрики в условиях высоких температур. М.: Сов. радио, 1977. 2. Воробьев Е. А. Радиоволновой контроль радиотехнических конструкций и материалов. Л.: Судостроение, 1986. 3. Воробьев Е. А. Управление качеством изготовления изделий радиоприборостроения: Текст лекций / ЛИАП. Л., 1991. 4. Воробьев Е. А., Селезнев А. В. Энергетические процессы в каналах изменения средств неразрушающего контроля: Текст лекций / ЛИАП. Л., 1993. 5. Потапов А. И. Контроль качества и прогнозирования надежности материалов и изделий из композиционных материалов. Л.: Машиностроение. 1980. 6. Пиатровский Я. Теория измерений для инженеров: Пер. с польск. М.: Мир, 1989. 7. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник в 2-х кн. / Под ред. В. В. Клюева, М.: Машиностроение, 1976. 8. Гурвич А. М. Физические основы радиационного контроля и диагностики. М.: Энергоиздат, 1989. 9. Виглеб Г. Датчики / Пер. с нем. под ред. М. А. Хацернова, М.: Мир. 1989. 10. Осипов В. В. Проектирование измерительных преобразователей. Изд-во Моск. станко-инстр. ин-та, 1988. 11. Воробьев Е. А. Неопределенность калибровки средств радиоволнового конроля // Дефектоскопия, 2000. № 7. 12. Воробьев Е. А. Технико-экономическое обеспечение проектного уровня метрологических характеристик, обеспечивающих необходимую информативность контроля // Дефектоскопия, 1996. № 2. 13. Богданов Г. П. и др. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники. М.: Радио и связь, 1990. 14. Новицкий П. В. и др. Динамика погрешностей средств измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

41

Оглавление 1. Назначение датчиков-преобразователей первичной информации в измерительных системах ................................................................ 2. Частные и композиционные задачи, решаемые датчикамипреобразователями ............................................................................ 3. Характеристики датчиков-преобразователей .................................. 4. Калибровка и аттестация датчиков-преобразователей ................... 5. Классификация датчиков-преобразователей ................................... Библиографический список ...................................................................

42

3 7 17 22 36 41

Учебное издание

Воробьев Евгений Александрович

ДАТЧИКИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ Учебное пособие

Редактор А. А. Семенчук Компьютерная верстка А. Н. Колешко Лицензия ЛР №020341 от 07.05.97. Сдано в набор 18.10.01. Подписано к печати 18.10.01. Формат 60×84 1/16. Бумага тип. №3. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,35. Усл. кр.-отт. 2,44. Уч. -изд. л. 2,75. Тираж 150 экз. Заказ № Редакционно-издательский отдел Лаборатория компьютерно-издательских технологий Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП 190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

43