Измерения. Основные понятия

Обозначим буквой m физическую величину, которую мы измеряем

(температура, давление,…).

Процесс измерения – это совокупность операций направленных на установление численного значения это величины. Часто необходимо преобразовать измеряемую величину в электрическую, в чём-то эквивалентную, причём как можно точнее.

Датчик – это устройство, которое под воздействием измеряемой величины выдает эквивалентный сигналS, обычно электрический (заряд, ток, напряжение), являющейся функцией измеряемой величины:

S = F(m),

где S- выходная величина датчика.

m - входная измеряемая величина.

Физическая связь между m и s может быть самой разнообразной, на вид функции влияют материалы, конструкция датчика, технология, окружающая среда и др. Проще всего определять вид функции F экспериментально при градуировке. Но грамотно спроектировать датчик, получать оптимальную точность, чувствительность и другие параметры, его характеризующие, можно только на основе понимания физики его работы и основных количественных соотношений, её характеризующих.

На рисунке приведена типичная градуировочная кривая S=F(m). Стрелки вверх – влево соответствуют процессу градуировки, вправо – вниз использованию градуированной кривой для определения измеряемой величины по отсчёту показаний датчика S:

Рис. 2. Градуировочная кривая датчика

Идеальной градуировочной характеристикой является прямая линия, отклонения от неё характеризует нелинейность преобразования.

С точки зрения формирования сигнала датчик может быть активным (генератором), выдающим заряд, напряжение или ток, либо пассивным с выходным сопротивлением, индуктивностью или ёмкостью, изменяющимися под влиянием входной величины. Иногда их называют соответственно генераторными и параметрическими.

В случае, активного датчика выдаваемый им переменный электрический сигнал может измеряться непосредственно или после вспомогательных преобразований. При использовании пассивных датчиков обязательно присутствует электрическая схема, формирующая электрический сигнал. В таблицах 3 и 4 приведены примеры физических эффектов, используемых для построения активных датчиков и преобразований, характерных для пассивных.

Наряду с активными и пассивными возможны комбинированные датчики, реализующие цепочку последовательных преобразований.

Например, давление измеряется с помощью мембраны (первичный преобразователь) деформация которой вызывает изменения сопротивления.

Колоссальное практическое значение имеет вопросы влияния внешней среды (стабильность), погрешностей измерения и др., которые здесь не рассматриваются.

Таблица 3 - Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков

Измеряемая величина	Используемый эффект	Выходная величина
Температура	Термоэлектрический эффект Пироэлектрический эффект	Напряжение Заряд
Поток оптического излучения	Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводниках с p-n переходом Фотоэлектромагнитный эффект	Ток Напряжение Напряжение
Сила, давление, Ускорение	Пьезоэлектрический эффект	Заряд
Скорость	Электромагнитная индукция	Напряжение
Перемещение	Эффект Холла	Напряжение

Таблица 4 - Физические принципы преобразования величин, используемых для построения пассивных датчиков

Измеряемая величина	Электрический параметр, изменяющийся под действием измеряемой величины	Используемые материалы (тип)
Температура Сверхнизкие температуры Поток оптического излучения Деформация Перемещение Влажность Уровень	Сопротивление Диэлектрическая проницаемость Сопротивление Сопротивление Магнитная проницаемость, сопротивление, ёмкость Диэлектрическая проницаемость, сопротивление Диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления	Металлы (платина, никель, медь), полупроводники Стекло, керамика Полупроводники Сплавы никеля, легированный кремний Ферромагнетики магниторезистивные материалы, висмут, антимонид индия Хлористый литий, окись алюминия, полимеры. Жидкие материалы