Основные характеристики датчиков (функция преобразования, чувствительность, динамический диапазон, время реакции, стабильность параметров)

Перечислим основные характеристики датчиков:

1) функция преобразования – функциональная зависимость выходной величины у от измеряемой входной величины х, которая описывается аналитическим выражением у = f(x), таблицей или графиком. Наиболее простым и удобным случаем является прямо пропорциональная зависимость у = kх;

2) порог чувствительности – минимальное значение измеряемого параметра, которое можно устойчиво зафиксировать с помощью данного датчика. Он измеряется в единицах определяемой величины. Например, для датчика температуры порог чувствительности равен 0,1 ⁰С, для датчика давления – 0,5 мм.рт.ст. и т.д.

3) чувствительность Z характеризуется отношением Dy/Dх, где Dу — изменение выходной величины, вызванное изменением входной величины на Dх, т.е.: Z=Dy/Dx. В зависимости от вида датчика она выражается в Ом/см, мВ/К и т. д.;

4) динамический диапазон — диапазон значений входных величин, измерение которых производится без заметных искажений, связанных с конструктивными особенностями датчика и условиями измерения. Например, для кремниевого датчика температуры динамический диапазон равен: - 40 – +180 °С;

5) полоса пропускания – диапазон частот измеряемого сигнала, в котором его преобразование датчиком осуществляется без существенных искажений формы;

6) время реакции — минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установление показаний датчика на уровень, соответствующий измеряемому значению входной величины.

Применяемые в медицине датчики, температуры как правило, основаны на зависимости их электрического сопротивления от температуры (параметрические датчики) или возникновении ЭДС, пропорциональной измеряемой температуре (генераторные датчики).

7. Термистор как датчик температуры, его чувствительность.

7.1. Датчики на основе металлов

Электрическое сопротивление металлических проводников обычно возрастает с повышением температуры T по линейному закону (рис. 3, прямая 1), то есть для датчиков на основе металлов функция преобразования имеет вид:

,[1] (4)

где a — температурный коэффициент сопротивления, который, как следует из формулы (3), вычисляется по формуле: ; здесь R₀ — сопротивление датчика при 0°С (273°К); DR — изменение сопротивления, соответствующее изменению температуры на DT. Обычно a используется как характеристика чувствительности датчика, причем a=const во всем рабочем интервале температур.

Чаще всего для изготовления датчиков применяется медь (a = 4×10^-3 С^-1), никель (a=5,4×10^-3 °С^-1) и платина (a=3,9 10^-3 °С^-1).

Такие датчики обычно имеют сопротивление 100 Ом при 0°С и являются достаточно точными (они отличаются хорошей повторяемостью результатов), но их существенный недостаток — небольшая температурная чувствительность.

7.2. Термисторы

Это термочувствительные элементы, изготовленные из полупроводниковых материалов, например, германия или кремния. Большинство выпускаемых термисторов характеризуются высокой чувствительностью, примерно в 10 раз большей, чем у платиновых и никелевых датчиков в физиологически значимом температурном интервале.

Связь между сопротивлением и температурой многих полупроводниковых материалов (функция преобразования) для температур, меньших 500 К, определяется формулой:

, (4)

где А и В — константы, зависящие от вида полупроводника. Графически температурная зависимость сопротивления полупроводникового материала имеет вид кривой 2 на рисунке 3. Температурный коэффициент сопротивления для них, согласно (4), оказывается равным:

, (5)

т.е он зависит от температуры.

Термисторы и датчики на основе металлов принято называть резистивными датчиками (от англ. resistor — сопротивление).

8. Термопара как датчик температуры, ее чувствительность.

Термопара – это устройство, состоящее из двух соединенных на одном из концов разнородных металлических проводников, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платино-родиевого сплава. Место соединения проводов называется спаем (на практике — это сварной контакт). Если температура спая и свободных концов различны, то между последними возникает электродвижущая сила (ЭДС), зависящая от разности температур. Соединив между собой две такие термопары, получают так называемую дифференциальную термопару или полный датчик. Он обычно и используется при измерениях температуры (рис. 4). Если теперь один спай в таком датчике содержать при 0°С (тающий лед) или поместить в среду с некоторой температурой Т₁ а второй — в среду с температурой Т₂, которая отлична от 0 °С или от Т₁, то на свободных концах такого устройства возникает ЭДС e (термо-ЭДС), а в замкнутой цепи — электрический ток (эффект Зеебека). На рисунке 4 цифрами 1 и 2 обозначены металлы, образующие термопару. Спай термопары, имеющий более низкую температуру обычно называется холодным, более высокую — горячим.

Термо-ЭДС определяется следующей формулой:

, (6)

где b — чувствительность термопары, коэффициент, показывающий на сколько изменяется термо-ЭДС при изменении разности температур на 1°С. Эта величина сильно различается для различных пар проводников и составляет несколько микровольт на градус.

Поиск по сайту: