Факторы окружающей среды

Условия хранения — предельные значения факторов окружающей среды, воздействующих на датчик в течение допустимой длительности, при которых изменения его рабочих характеристик остаются в допустимых пределах, поэтому сохраняется его работоспособность.

Они устанавливают диапазон температур хранения и влажности при этих температурах, а также иные требования, например отсутствие конденсата. 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 течение 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, металлоксидные 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 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 поведение датчика в конкретных условиях эксплуатации и в случае необходимости (при реальном ухудшении рабочих характеристик от влияния внешних факторов) принять соответствующие меры (см. гл. 4), например: 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—100°С — 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 их 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.

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 ?, — 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 (9.25) 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.