Факторы окружающей среды

Условия хранения - совокупность предельных значений факторов окружающей среды, воздействующих на датчик втечение определенного промежутка времени, при которых не происходитсущественного изменения его рабочих характеристик и обеспечивается поддержание его работоспособности.Обычно условия храненияустанавливают: максимальную и минимальную температуры хранения, а также максимальную относительнуювлажность при этих температурах. К значению относительной влажности добавляется такаяхарактеристика, как «отсутствие конденсата». В зависимости от физическойприроды датчика могут указываться дополнительные условия хранения, например,максимальное давление,присутствие некоторых газов или отсутствие вредных испарений.

Краткосрочная и долгосрочная стабильность(дрейф) - характеристики точности датчиков.

Краткосрочнаястабильность - изменениерабочих характеристикдатчика в течении минут, часов и даже дней. Выходной сигнал датчика может увеличиваться или уменьшаться,что может быть выражено через величину шума сверхнизкой частоты.

Долгосрочнаястабильность зависитот процессов старения, которыеизменяют электрические, механические, химические и термические свойства материалов датчика. Можетизмеряться достаточно длительными интервалами времени: месяцами и годами. Долгосрочная стабильность являетсяважной характеристикой для датчиков, используемых для прецизионных измерений. Cкоростьстарения определяется условиямихранения и эксплуатации, а также тем, насколько хорошо элементы датчиков изолированы от окружающейсреды, и какие материалы использовались для их изготовления.

Интенсивное старение типично длядатчиков, в состав которыхвходят органические компоненты, и не столь существенно для датчиков из неорганических элементов. Например,металоксидныетермисторы в стеклянных корпусах обладают лучшей долговременной стабильностью,чем такие же термисторы,покрытые эпоксидной смолой.
Для повышения долговременнойстабильности элементы датчиков подвергают термоцикличной подготовке,моделирующей экстремальные условия работы. Например, датчик может периодическиперемещаться из среды стемпературой замерзания в среду с очень высокой температурой. Такая термоцикличнаяподготовка повышает стабильность характеристик датчиков, позволяет обнаружитьскрытые дефекты и произвести отбраковку негодных устройств. Например, стабильность термисторов сэпоксидным покрытиемзначительно повышается, если перед калибровкой и установкой в прибор они в течение месяца выдерживались притемпературе +150°С.

Вперечень условий окружающей среды, воздействующих на датчики, практически никогда не входят физическиепараметры, измеряемые датчиками. Например, длядатчика, определяющего давление воздуха, учитываются следующие факторы окружающей среды: температура воздуха и рядом расположенных объектов, влажность, вибрации, ионизирующаярадиация, электромагнитные поля, гравитационные силы и т.п. Все эти параметры влияют на рабочие характеристики датчика. Приэтом необходимо учитывать, какдинамические, так и статические составляющие этих факторов. Многие из параметров окружающей среды имеютмультипликативную природу, т.е. они влияют на передаточную функциюдатчика, например, меняют его коэффициентусиления. Одним из подтверждений этого эффекта является поведениерезистивного датчика напряжений, чувствительность которого увеличивается с ростом температуры.

Очень важным требованием для современных датчиковявляется обеспечение ихстабильной работы в разнообразных условиях окружающей среды. Например, на выходе пьезоэлектрическогоакселерометра могут появляться паразитные сигналы из-за: резкого изменения окружающей температуры,электростатического разряда, образования электрических зарядов (эффекттрибоэлектричества),вибрации соединительных проводов, электромагнитной интерференции (ЭМИ) и т. п. Даже если производительдатчика не указал эти факторы, экспериментатор должен проверить его поведение в конкретныхусловиях эксплуатации и вслучае необходимости (при реальном ухудшении рабочих характеристик от влияния внешних факторов) принять соответствующиемеры, на пример поместить датчик в защитный корпус, использовать электрическийэкран, применитьтеплоизоляцию или термостат.

Температура окружающей среды влияет на рабочие характеристики датчиков, поэтому всегда должна приниматься вовнимание.

Рабочий диапазон температур - интервал окружающих температур, задаваемых верхним инижним предельными значениями(например, -20...+100°С), внутри которого датчик работает с заданной точностью.
Передаточные функции многих датчиковсильно зависят от окружающейтемпературы. Для снижения температурных погрешностей в состав самих датчиков или в схемы преобразователейсигналов часто встраиваются специальные компенсационные элементы.
Самый простой способ определениядопусков по температурезаключается в установлении интервалов внутри рабочего диапазона температур, для каждого из которыхуказывается индивидуальная погрешность. Например, в паспортных данных может бытьуказано, 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 динамическиехарактеристики, особеннов случаях, когда применяется вязкостное демпфирование. Сравнительно быстрые изменения температур могутпривести к появлению паразитных сигналов на выходах датчиков. Например, пироэлектрическийчувствительный элемент, используемый в детекторах движения, практически не реагирует на медленное изменениеокружающей температуры.Однако при быстром скачке температуры на его выходе может появитьсяэлектрический 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 этоначинает влиять на его точностные характеристики. Например, через термисторный датчик температурынеобходимо пропускать электрическийток, что приводит к рассеянию тепла внутри его конструкции. При этом степень саморазогрева датчиказависит от его конструкционных особенностей и от условий окружающей среды: либо это сухой воздух,либо жидкость и т.д.

Саморазогревдатчика приводит к появлению ошибок при измерении температуры, поскольку термистор начинаетработать как источник дополнительной тепловой энергии. Самый сильный разогрев датчиков наблюдаетсяв среде стоячего воздуха. Для термисторов производители часто указываютпогрешность саморазогревапри работе в воздухе, стоячей жидкости и других средах.
Увеличение температуры датчика относительно температурыокружающей среды(оценка):

где ?, - плотностьмассы датчика, с - удельная теплоемкость, ? — объем датчика, а - коэффициент теплопроводности(описывающий взаимосвязь датчика с внешней средой), R — электрическое сопротивление, V — эффективное напряжение на сопротивлении.

Видно, что для увеличения коэффициента а необходимообеспечивать плотный контакт датчика с объектом измерения при одновременном увеличении площадиконтакта, для чего можноприменять теплопроводные смазочные и адгезионные вещества. С целью уменьшения погрешности саморазогрева предпочтительнееиспользовать высокорезистивные датчики идатчики с низким рабочим напряжением.