Условия хранения — совокупность предельных значений факторов окружающей среды, воздействующих на датчик в течение определенного промежутка времени, при которых не происходит существенного изменения его рабочих характеристик и обеспечивается поддержание его работоспособности. Обычно условия хранения устанавливают: максимальную и минимальную температуры хранения, а также максимальную относительную влажность при этих температурах. К значению относительной влажности необходимо добавить такую характеристику, как «отсутствие конденсата». В зависимости от физической природы датчика могут указываться дополнительные условия хранения, например, максимальное давление, присутствие некоторых газов или отсутствие вредных испарений.
Краткосрочная и долгосрочная стабильность (дрейф) — характеристики точности датчиков. Краткосрочная стабильность описывает изменения рабочих характеристик датчика в течении минут, часов и даже дней. Выходной сигнал датчика может увеличиваться или уменьшаться, что может быть выражено через величину шума сверхнизкой частоты. Долгосрочная стабильность зависит от процессов старения, которые изменяют электрические, механические, химические и термические свойства материалов датчика. Долгосрочный дрейф параметров может измеряться достаточно длительными интервалами времени: месяцами и годами. Долгосрочная стабильность является очень важной характеристикой для датчиков, используемых для прецизионных измерений. Скорость старения определяется условиями хранения и эксплуатации, а также тем, насколько хорошо элементы датчиков изолированы от окружающей среды, и какие материалы использовались для их изготовления. Интенсивное старение типично для датчиков, в состав которых входят органические компоненты, и не столь существенно для датчиков из неорганических элементов. Например, металоксидные термисторы в стеклянных корпусах обладают лучшей долговременной стабильностью, чем такие же термисторы, покрытые эпоксидной смолой. Для повышения долговременной стабильности элементы датчиков подвергают термоцикличной подготовке, моделирующей экстремальные условия работы. Например, датчик может периодически перемещаться из среды с температурой замерзания в среду с очень высокой температурой. Такая термоцикличная подготовка повышает стабильность характеристик датчиков, позволяет обнаружить скрытые дефекты и произвести отбраковку негодных устройств. Например, стабильность термисторов с эпоксидным покрытием значительно повышается, если перед калибровкой и установкой в прибор они в течение месяца выдерживались при температуре +150°С.
В перечень условий окружающей среды, воздействующих на датчики, практически никогда не входят физические параметры, измеряемые датчиками. Например, для датчика, определяющего давление воздуха, учитываются следующие факторы окружающей среды: температура воздуха и рядом расположенных объектов, влажность, вибрации, ионизирующая радиация, электромагнитные поля, гравитационные силы и т.п. Все эти параметры не только могут, но и влияют на рабочие характеристики датчика. При этом необходимо учитывать, как динамические, так и статические составляющие этих факторов. Многие из параметров окружающей среды имеют мультипликативную
2.17. Факторы окружающей среды
природу, т.е. они влияют на передаточную функцию датчика, например, меняют его коэффициент усиления. Одним из подтверждений этого эффекта является поведение резистивного датчика напряжений, чувствительность которого увеличивается с ростом температуры.
Очень важным требованием для современных датчиков является обеспечение их стабильной работы в разнообразных условиях окружающей среды. Поэтому разработчики, а также экспериментаторы всегда должны учитывать все возможные внешние воздействия, способные повлиять на рабочие характеристики датчиков. Например, на выходе пьезоэлектрического акселерометра могут появляться паразитные сигналы из-за: резкого изменения окружающей температуры, электростатического разряда, образования электрических зарядов (эффект трибоэлектричества), вибрации соединительных проводов, электромагнитной интерференции (ЭМИ) и т. п. Даже если производитель датчика не указал эти факторы, экспериментатор должен проверить его поведение в конкретных условиях эксплуатации и в случае необходимости (при реальном ухудшении рабочих характеристик от влияния внешних факторов) принять соответствующие меры (см. четвертую главу), на пример поместить датчик в защитный корпус, использовать электрический экран, применить теплоизоляцию или термостат.
Температура окружающей среды влияет на рабочие характеристики датчиков, поэтому всегда должна приниматься во внимание. Рабочий диапазон температур — это интервал окружающих температур, задаваемых верхним и нижним предельными значениями (например, -20...+100°С), внутри которого датчик работает с заданной точностью. Передаточные функции многих датчиков сильно зависят от окружающей температуры. Для снижения температурных погрешностей в состав самих датчиков или в схемы преобразователей сигналов часто встраиваются специальные компенсационные элементы. Самый простой способ определения допусков по температуре заключается в установлении интервалов внутри рабочего диапазона температур, для каждого из которых указывается индивидуальная погрешность. Например, в паспортных данных может быть указано, что в интервале температур 0...50°С точность датчика составляет 1%, в интервалах -20...0°С и +50...100СС — 2%, в остальных интервалах в пределах диапазона измеряемых температур (-40...+150°С) —3%. Температура окружающей среды также влияет на динамические характеристики, особенно в случаях, когда применяется вязкостное демпфирование. Сравнительно быстрые изменения температур могут привести к появлению паразитных сигналов на выходах датчиков. Например, пироэлектрический чувствительный элемент, используемый в детекторах движения, практически не реагирует на медленное изменение окружающей температуры. Однако при быстром скачке температуры на его выходе может появиться электрический сигнал (ток), распознаваемый электронными цепями как отклик на внешнее воздействие, что приводит к ошибкам детектирования.
Погрешность саморазогрева появляется в датчиках, нагревающихся от сигнала возбуждения настолько, что это начинает влиять на его точностные характеристики. Например, через термисторный датчик температуры необходимо пропускать электрический ток, что приводит к рассеянию тепла внутри его конструкции. При этом степень саморазогрева датчика зависит от его конструкционных особенностей и от условий окружающей среды: либо это сухой воздух, либо жидкость и т.д.
з*
Глава 2. Характеристики датчиков
Саморазогрев датчика приводит к появлению ошибок при измерении температуры, поскольку термистор начинает работать как источник дополнительной тепловой энергии. Самый сильный разогрев датчиков наблюдается в среде стоячего воздуха. Для термисторов производители часто указывают погрешность саморазогрева при работе в воздухе, стоячей жидкости и других средах.
Увеличение температуры датчика относительно температуры окружающей среды можно найти при помощи формулы:
где ξ, - плотность массы датчика, с — удельная теплоемкость, v — объем датчика, а - коэффициент теплопроводности (описывающий взаимосвязь датчика с внешней средой), R — электрическое сопротивление, V — эффективное напряжение на сопротивлении. Это выражение часто используется разработчиками для оценки погрешности от саморазогрева. Из выражения (2.25) видно, что для увеличения коэффициента а необходимо обеспечивать плотный контакт датчика с объектом измерения при одновременном увеличении площади контакта, для чего можно применять теплопроводные смазочные и адгезионные вещества. С целью уменьшения погрешности саморазогрева предпочтительнее использовать высокорезистивные датчики и датчики с низким рабочим напряжением.
Надежность
Надежность — это способность датчика выполнять требуемые функции при соблюдении определенных условий в течение заданного промежутка времени. Если использовать статистические термины, можно дать следующее определение: надежность — это вероятность того, что устройство будет функционировать без поломок в течение указанного интервала времени или заданного количества циклов. Следует отметить, что надежность не является характеристикой дрейфа или шума. Она отражает время до выхода устройства из строя (отказа), либо временного, либо постоянного при соблюдении регламентированных условий эксплуатации.
Несмотря на то, что надежность является очень важной характеристикой, она редко указывается производителями датчиков. Возможно, причина этого заключается в отсутствии общепринятых способов ее измерения. В США для многих электронных приборов в качестве способа определения эксплуатационной надежности применяется процедура вычисления среднего времени между отказами (СВМО), описанная в стандарте MIL-HDBK-217. Эта процедура основана на определении СВМО всего устройства после вычисления СВМО его отдельных элементов, при этом необходимо учитывать влияние внешних факторов: температуры, давления, механических напряжений, степени экранирования и т.д. К сожалению, процедура нахождения СВМО не позволяет оценить надежность напрямую, и такую характеристику трудно применять на практике. Поэтому часто для определения надежности датчиков их подвергают квалификационным испытаниям, которые проводятся в наихудших условиях. Напри-
2.18. Надежность
мер, датчики заставляют непрерывно работать при максимальной рабочей температуре в течение 1000 часов (эта методика описана в стандарте MIL-STD-883). Но этот метод не учитывает ситуации резких изменений внешних условий, например, быстрого повышения температуры. Он имитирует работу датчика в модели реального окружения, но при этом стремится сжать годы в недели. Перед такими квалификационными испытаниями стоят три задачи: оценка СВМО, определение самого уязвимого места конструкции (места первой поломки) для последующего усовершенствования датчика и нахождение эксплуатационного срока жизни всей системы.
Другим возможным способом «ускоренного старения» является использование той же самой совокупности параметров, что и в реальных режимах эксплуатации, включая максимальную нагрузку и циклы включения/выключения, но проверку системы проводить в расширенных диапазонах окружающих условий (по сравнению с регламентированными в паспортных данных). При этом допускается, чтобы рабочие характеристики датчиков выходили за пределы, указанные в их описаниях, но в нормальных условиях эксплуатации они должны возвращаться к требуемым значениям. Например, если в документации говорится, что датчик должен работать при температуре, не превышающей 50°С, и наибольшей относительной влажности 85% при максимальном рабочем напряжении +15 В, его следует тестировать в цикличном режиме при температуре 100°С, относительной влажности 99% и напряжении +18 В. Для оценки количества циклов («) можег применяться следующая эмпирическая формула, предложенная в Sandstrand Aerospace, (Rockford, IL) и Interpoint Corp. (Redmond, WA) [1]:
где N — приблизительное количество циклов за весь эксплуатационный период, — максимально возможная флуктуация температуры,
- максимальная флуктуация температуры, зафиксированная во время тестирования. Например, пусть нормальная рабочая температура датчика равна 25°С, максимальная рабочая температура, указанная в описании, составляет 50°С, тестирование проводилось при температуре 100°С. Также было оценено, что датчик за период своей эксплуатации (допустим, 10 лет) подвергается 20000 рабочим циклам, тогда количество тестовых циклов, определенное по формуле (2.26), составит:
Это значит, что для тестирования, моделирующего весь срок эксплуатации, проведенного при вышеуказанных условиях, потребуется 1300 циклов вместо 20000. Следует отметить, что коэффициент 2.5 получен для мест соединения припоем, поскольку именно эти элементы наиболее подвержены выходу из строя. Но некоторые датчики не имеют паянных соединений, а элементы других устройств обладают более высоким коэффициентом, чем 2.5 (например, соединения при помощи
Глава 2. Характеристики датчиков
электропроводных эпоксидных смол), поэтому на практике этот коэффициент может либо слегка снижаться, либо слегка увеличиваться. В результате тестирования на «ускоренное старение», надежность выражается через вероятность отказов. Например, если при проведении тестирования 100 датчиков два из них вышли из строя (при оцененном сроке службы 10 лет), можно утверждать, что надежность данного типа устройств составляет 98% в течение первых 10 лет их эксплуатации. Датчик, в зависимости от области применения, может подвергаться воздействию и других факторов окружающей среды, которые потенциально могут менять его рабочие характеристики или помогать обнаруживать скрытые дефекты. Поэтому иногда применяются следующие виды дополнительных испытаний:
• Тестирование при высокой температуре и высокой влажности при максимальном напряжении питания. Например, датчик заставляют работать при максимально допустимой температуре и относительной влажности 85-90% в течение 500 часов. Такое тестирование является очень полезным для обнаружения загрязнений и оценки целостности корпусов устройств. Срок службы датчиков часто определяется по тесту ускоренного старения, проводимого при температуре 85°С и относительной влажности 85%. Такую проверку часто называют «тестированием 85-85».
• Для моделирования неблагоприятных условий окружающей среды при проверке надежности соединений: проводных, клеевых и т.п., датчики часто подвергаются воздействию механических ударов и вибрациям. Для получения высоких значений ускорений моделируется падение датчика. Часто требуется проводить такие испытания относительно разных осей устройства. Частота гармонических колебаний, прикладываемых к датчику при вибрационном тестировании, должна изменяться в интервале, включающем его собственную частоту. В США в оборонной промышленности при проведении механических тестов часто используются методы 2016 и 2056 стандарта 750.
• Для моделирования экстремальных условий хранения и перевозок датчик, как минимум, 1000 часов выдерживается либо при очень высоких (+100°С), либо при очень низких температурах (-40°С). Этот вид тестирования проводится, как правило, на неработающих устройствах. Выбор верхнего и нижнего температурных пределов должен проводится в соответствии с физической природой датчиков. Например, для пироэлектрических TGS датчиков фирмы Philips, характеризуемых точкой Кюри +60°С, эта температура никогда не должна превышать +50°С, что всегда должно быть четко указано на их корпусах.
• Для проверки поведения датчиков при экстремально изменяющихся внешних условиях их подвергают воздействию теплового шока или циклических температур. Например, устройство находится в течение 30 минут в среде с температурой -40°С, после чего быстро перемещается на 30 минут в среду с температурой + 100°С и так много раз. Количество таких циклов, как правило, лежит в пределах 100... 1000. Этот тест помогает обнаруживать дефекты разных типов соединений и проверяет целостность корпуса.
• Для моделирования условий морских перевозок датчики могут подвергаться воздействию соляных туманов в течение определенного интервала времени (например, 24 часов). Такое тестирование помогает определять устойчивость устройств к коррозии и обнаруживать дефекты корпусов.
Характеристики датчиков, диктуемые условиями их применения
2.19. Характеристики датчиков, диктуемые условиями их применения
Для возможности применения в различных областях важными становятся следующие характеристики датчиков: их конструкция, вес и габариты. Если для датчиков главными параметрами являются точность и надежность, такая характеристика, как стоимость отходит на второй план. Так если устройства предназначены для систем жизнеобеспечения, оборонных комплексов или космических кораблей, их высокая стоимость всегда оправдана предъявляемыми требованиями по точности и надежности. Однако существует ряд других областей применения датчиков, где их стоимость является основополагающей.
Статистическая оценка
В этом мире нет ничего совершенного. Все наши знания о материалах носят весьма приблизительный характер, и, на самом деле, они представляют собой не совсем то, что мы думаем о них. Все станки тоже весьма несовершенны и никогда не производят детали в точном соответствии с чертежами. У всех компонентов любых устройств существует дрейф характерист ик, связанный с окружающими условиями и старением. Внешние помехи могут влиять на рабочие параметры систем и менять их выходные сигналы. Работники также неидеальны, и всегда присутствует человеческий фактор. Производители борются за однородность и согласованность технологических процессов, но, несмотря на это, ни один из производимых элементов не является совершенным и говорить о значениях их параметров можно только с некоторой степенью определенности. Любые измерительные комплексы состоят из множества компонентов, включая датчики. Поэтому вне зависимости от того, насколько точно проводились исследования, можно говорить лишь о приблизительной оценке значения реальной физической величины, являющейся объектом измерений (т.е. внешним воздействием). Результаты измерений могут рассматриваться законченными, только когда они сопровождаются статистической оценкой полученных данных, поскольку никогда не бывает 100% уверенности в точности определенных значений.
В зашумленных условиях показания датчика s' будут отличаться от реального значения внешнего сигнала s на величину ошибки измерения S, которую можно выразить в следующем виде:
Необходимо всегда четко понимать разницу между погрешностью измерений, которую можно определить при помощи формулы (2.27), и статистической ошибкой результатов. Погрешность измерений можно до некоторой степени снизить за счет корректировки систематических составляющих. Но, несмотря на достигнутую малую величину погрешности, статистическая ошибка при этом может быть очень высокой. В таком случае мы не можем считать результаты измерений достоверными. Другими словами можно сказать, что погрешность измерений — это то, что мы реально получаем во время проведения конкретных измерений, а статистическая ошибка — это то, насколько мы можем поверить полученным результатам.
Глава 2. Характеристики датчиков
Международный Комитет по Мерам и Весам считает, что статистические ошибки можно разделить на две группы, хотя между группами А и Б нет четких границ [2, 3]:
Группа А: погрешности, оцениваемые статистическими методами.
Группа Б: погрешности, оцениваемые другими методами.
Статистическая ошибка типа А обычно определяется по стандартному отклонению 5, равному положительному квадратному корню из статистически определенной дисперсии Σ st2, деленной на число измерений υt. Для отдельных компонентов стандартная статистическая ошибка utобычно равна st. Стандартная ошибка показывает вклад каждого компонента в общую статистическую ошибку.
Для оценки дисперсии обычно применяют статистическую обработку результатов измерений. Для этого методом наименьших квадратов находят уравнение зависимости, наиболее точно описывающей полученные экспериментальные данные, и определяют отклонения каждого измеренного значения от полученной таким образом осредненной кривой.
Для определения статистической ошибки типа Б обычно используют всю доступную информацию, включающую:
• Все данные, полученные в предыдущих измерениях,
• Знания, полученные из анализа характеристик и поведения аналогичных датчиков, использования подобных материалов и инструментов,
• Спецификации, выданные производителем,
• Данные, полученные в процессе калибровки,
• Статистические данные, полученные из справочников и другой литературы. Для получения более подробной информации, связанной с определением
статистических ошибок измерений, рекомендуем обратиться к специализированным литературным источникам, например, [4].
После получения оценок всех статистических погрешностей их необходимо объединить и определить полную стандартную статистическую ошибку. Это можно сделать при помощи закона распространения статистических погрешностей, который заключается в нахождении квадратного корня из суммы квадратов всех компонентов статистических ошибок:
где п — число компонентов полной стандартной статистической ошибки.
В таблице 2.2 приведен пример распределения статистических погрешностей электронного термометра, реализованного на основе термистора, измеряющего температуру воды в ванной. При вычислении полной статистической погрешности по данной схеме необходимо учитывать ошибку каждого компонента измерительной цепи: датчика, интерфейсной схемы, экспериментальной установки и самого объекта измерений. Все это должно быть выполнено для разных условий окружающей среды, включая температуру, влажность, атмосферное давление, колебания в сети питания, шумы при передаче данных, старение и многие другие факторы.
Несмотря на то, что все конкретные измерения проводились достаточно аккуратно, ни у кого не можег быть уверенности в том, что полученная температура соответствует реальной температуре объекта Стандартная ошибка, равная О 068°С, вовсе не означает, что погрешность измерений не превышает О 068°С Это значение всего лишь соответствует величине стандартного отклонения, и если экспериментатор внимательно проанализирует результаты измерений, он обнаружит, что индивидуальные погрешности могут намного превышать стандартную статистическую ошибку Величина стандартного отклонения позволяет лишь оценить достоверность получаемых результатов
Литература
1 Better reliability via system tests Electron Eng Times 40 41, Aug 19, 1991
2 CIPM B1PM Proc Verb Corn Int Poids et Mesures 49, pp 8-9, No 26, 1981 (in French)
3 ISO Guide to the Expression of Uncertainty m Measurements International Organization for Standardization, Geneva, 1993
4 Taylor, В N and Kuyatt, С E Guidelines for Evaluation and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results NIST Technical Note 1297 Gaithersburg 1994