Вплив факторів оточуючого середовища на статичні характеристики сенсорів

Мета роботи.Встановити залежність робочих характеристик сенсора від впливу факторів довкілля (температури, магнітного поля).

Елементи теорії.Умови зберігання– це характеристики середовища, в яких сенсор може зберігатися протягом визначеного періоду без неперервної зміни його експлуатаційних характеристик при нормальних умовах роботи. Часто умови зберігання повинні містити вказівки про найвищу і найнижчу температуру зберігання і максимальну відносну вологість при цих температурах. До величини відносної вологості можна додати слово "неконденсована". В залежності від природи сенсора необхідно враховувати також деякі певні обмеження для зберігання. Наприклад, максимальний тиск, наявність газів або забруднюючої пари та ін.

Коротко-і довготривала стабільностіє складовими такої характеристики як точність. Короткотривала стабільність визначається, як зміни в експлуатаційних характеристиках сенсору за хвилини, години або навіть дні. Довготривала стабільність може визначатися старінням матеріалів і пояснюється незворотною зміною електричних, механічних, хімічних або термічних властивостей матеріалу. Цей довготривалий дрейф в основному однонапрямлений. Він відбувається після відносно довгого часу експлуатації (місяці, роки). Довготривала стабільність є дуже важливою для сенсорів, що використовуються для точних вимірювань. Старіння значною мірою залежить від умов зберігання та умов експлуатації. Покращити довготривалу стабільність можна шляхом прискореного старіння компонентів у екстремальних умовах. Наприклад, для сенсора можна періодично змінювати температуру з температури замерзання води до високої температури. Це прискорене старіння не тільки підвищує стабільність характеристик сенсора, але й покращує його надійність, оскільки процес попереднього старіння виявляє багато прихованих дефектів.

Умови середовища, в яких знаходиться сенсор, здійснюють істотний вплив на його характеристики. Наприклад, сенсор тиску повітря в більшості випадків зазнає не тільки тиску повітря, але й інших впливів, таких як температура повітря і навколишніх елементів, вологість, вібрації, іонізуюча радіація, електромагнітні поля, гравітаційні сили тощо. Всі ці фактори можуть впливати на експлуатаційні характеристики сенсора, прицьому повинні враховуватись і статичні, і динамічні зміни. Деякі умови середовища мають складний характер, тобто вони змінюють функцію перетворення сенсора, наприклад, змінюють його підсилення. Прикладом може бути резистивний сенсор для вимірювання деформацій, чутливість якого зростає з температурою.

Стабільність середовища є дуже важливою вимогою. І конструктор, і інженер по впровадженню повинні враховувати всі можливі зовнішні фактори, котрі можуть вплинути на експлуатаційну характеристику сенсора. Наприклад, піроелектричний сенсор для виявлення руху людей може генерувати помилкові сигнали, викликані раптовою зміною температури довкілля, електростатичним розрядом, утворенням електричних зарядів (трибоелектричний ефект), вітром, шумом, вібрацією опорних конструкцій, електромагнітною інтерференцією тощо. Якщо фактори довкілля погіршують експлуатаційну характеристику сенсора, то необхідні додаткові міри для корекції, наприклад, поміщення сенсора в захисний кожух, використання електричного захисту, теплової ізоляції або термостатування.

Температурні факторидуже важливі для більшості експлуатаційних характеристик сенсора, їх необхідно знати і враховувати. Робочий температурний діапазон задається найвищим і найнижчим значеннями температури (наприклад, від -20 °С до +100 °С), в межах яких зберігається визначена точність. Багато сенсорів зазнають змін на фізичному рівні при зміні температури, в результаті чого їхні характеристики можуть значно змінюватися. Часто використовують спеціальні елементи для компенсації температурних похибок. Температура також може впливати на динамічні характеристики сенсорів. Відносно швидка зміна температури може привести до генерації сенсором помилкових вихідних сигналів.

Похибку самонагрівання потрібно враховувати у тих випадках, коли вхідний сигнал змінює температуру сенсора до такої міри, що може змінити точність. Наприклад, сенсор температури на основі термістора вимагає проходження електричного струму, що зумовлює розсіювання тепла в самому сенсорі. В залежності від контакту з оточенням температура сенсора може зростати згідно з ефектом самонагрівання. Це приводить до похибок вимірювання температури.

Приріст температури сенсора відносно температури оточуючого середовища можна знайти за формулою:

, (1)

де ρ – густина матеріалу сенсору; с – питома теплоємність; V – об'єм сенсору; a – коефіцієнт термічного контакту сенсора з оточенням (питома теплопровідність); R – електричний опір; U – ефективна напруга вздовж опору.

Під надійністю розуміють здатність сенсора виконувати необхідні функції протягом заданого періоду часу при встановлених умовах експлуатації. Надійність можна розглядати як імовірність того, що пристрій буде функціонувати безвідмовно встановлений час або певну кількість разів.

Необхідно відзначити, що надійність не є характеристикою дрейфової або шумової стабільності. Вона встановлює тимчасову чи неперервну відмову в роботі, тобто вихід за межі експлуатаційних характеристик сенсора за нормальних умов роботи.

Випробування під час приймання сенсорів проводяться при комбінації найгірших можливих умов. Найефективнішим є метод прискореного випробування, який повторює роботу сенсора, забезпечуючи реальні навантаження, але стискуючи роки у тижні.

Один з можливих шляхів стиснення часу – використовувати ту саму характеристику, що й при дійсному робочому циклі, включаючи максимальне навантаження, але з розширеним діапазоном факторів довкілля (температури, вологості і тиску). Відповідно, найвища і найнижча межі повинні бути значно ширшими, ніж при нормальних робочих умовах.

Механічні удари і вібрації можуть використовуватись для відтворення несприятливих умов довкілля, особливо при оцінці надійності з'єднань, адгезії епоксидів тощо. Сенсор можуть піддавати прискоренню високого рівня за різними осями. Проводять також дослідження впливу гармонічних вібрацій в діапазоні, що містить його власну частоту.

Екстремальні умови зберігання можуть відтворюватися, наприклад, при +100 °С і -40 °С, при зберіганні сенсора хоча б 1000 годин за цих умов. Це випробування моделює умови зберігання і перевезення. Верхня і нижня межі температур повинні узгоджуватись з фізичною природою сенсора.

Вплив екстремальних умов можна досліджувати, піддаючи сенсор термічним ударам або періодичній зміні температури. Можна, наприклад, витримувати сенсор протягом 30 хвилин при -40 °С, потім швидко переносити на 30 хвилин у температуру +100 °С, а після цього повертати його назад до низької температури. При цьому методі використовується певна кількість циклів, наприклад, 100 або 1000.

Для відтворення морських умов сенсори піддають дії атмосфери розпиленої солі на певний час, наприклад, на 24 години. Це допомагає виявити стійкість до корозії та структурні дефекти.

Поиск по сайту: