5.2.3. Быстродействие датчика

Правильные измерения датчика обеспечиваются в установившемся режиме его работы.

Установившемуся режиму предшествует переходный процесс.

Время переходного процесса датчика можно определить решением дифференциального уравнения, описывающего этот датчик.

Быстродействие – это параметр датчика, позволяющий оценить, как выходная величина следует во времени за изменяющейся измеряемой величиной.

Параметр, используемый для количественного описания быстродействия – это время установления, т.е. интервал времени, который должен пройти после резкого ступенчатого воздействия до достижения фиксированной величины относительно установившегося значения.

Время установления нужно определять, указывая величину , которой оно соответствует.

Покажем, как определять время установления для датчиков, описываемых уравнениями первого и второго порядка.

Датчик первого порядка

При ступенчаом изменении величины по закону

(5.19)

решение дифференциального уравнения вида (5.11)

(5.20)

с начальными условиями

(5.21)

имеет вид

, (5.22)

где - величинав установившемся режиме;

- постоянная времени датчика.

Время установления можно определить из (5.22) после соответствующих элементарных преобразований:

(5.23)

Датчик второго порядка

В этом случае решается дифференциальное уравнение вида (5.16)

(5.23)

с начальными условиями

(5.24)

Для установившегося режима имеет место .

В этом случае переходный режим описывается синусоидой с амплитудой, убывающей по экспоненте:

, (5.25)

где

. (5.26)

Время установления опеделяется из последних выражений выражений (5.25) и (5.26) аналитическим или гафоаналитическим способом. В виду громоздкости аналитического способа наиболее эффективным является второй.

5.3. Схемы формирования сигналов пассивных датчиков

5.3.1. Общие характеристики

Вариации импеданса пассивного датчика, связанные с изменениями измеряемой величины, могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения датчика с источником напряженияили токавизмерительную схему.

При этом измерительная схема характеризуется собственным импедансом , а измеряемая величина преобразуется либо в напряжение выходного электрического сигнала

, (5.27)

как в случае потенциометрических и мостовых схем, либо - в изменение частоты

(5.28)

как в генераторных схемах.

Изменению измеряемой величины соответствует изменениеимпеданса датчика, которое в зависимости от типа схемы вызывает изменение либоамплитуды, либо частоты измеряемого напряжения.

Общая чувствительность измерительной схемы равна:

- для амплитуды сигнала

, или (5.29)

-для частоты сигнала

, или .(5.30)

Здесь ,- чувствительности собственной схемы формирования;

- чувствительность датчика.

Примеризмерительной потенциометрической схемы c пассивным датчиком представлен на рисунке 5.8.

5.3.2. Потенциометрические схемы датчиков

Схема с резистивными датчиками

Схема такого датчика приведена на рисунке 5.9.

Датчик с изменяющимся сопротивлением включен последовательно с резистором постоянного сопротивления, питается источником с внутренним сопротивлением, э.д.с.которого постоянна или переменна.

Напряжение на выходе датчика обычно не зависит от используемого измерительного прибора, оно определяется по выраженрию:

. (5.31)

Вобщем случае напряжение, определяемое по приведенной формуле (5.31), является нелинейной функцией от сопротивления. Поэтому выражение необходимо линеаризовать. При этом желательно, чтобы вариациибыли пропорциональны вариациисопротивления датчика.

Схема с индуктивными и емкостными датчиками

Схема такого датчика представлена на рисунке 5.10. Здесь полагается, что импеданс датчика определяется выражением

, (5.32)

где - активное (резистивное) сопротивление датчика;

- индуктивное или емкостное сопротивление датчика.

Импеданс измерительной схемы соответственно в общем виде определяется выражением

, (5.33)

Сопротивления ивключены последовательно в цепь с источником синусоидальной э.д.с..

Недостатки потенциометрической схемы

Потенциометрические схемы датчиков имеют недостатки:

1) Они связаны с опасностью изменения чувствительности из-за дрейфа источников питания и паразитных влияний;

2) Кроме того, в выходном сигнале может присутствовать постоянная составляющая, не содержащая полезной информации.

5.3.3. Мостовые схемы датчиков

Мостовые схемы позволяют исключить постоянную составляющую измеряемого напряжения, присутствующего в потенциометрических схемах.

Мостовая схема представляет собой двойной потенциометр с дифференциальным включением. Соответствующая обобщенная схема представлена на рисунке 5.11.