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, то 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 характеристик, 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 стопроцентной уверенности в точности определенных значений.

В зашумленных условиях показания датчика s' будут отличаться от реального значения внешнего сигнала s на величину ошибки измерения 8, которую можно выразить в следующем виде:

Необходимо всегда четко понимать разницу между погрешностью измерений, которую можно определить при помощи формулы (9.27), и статистической ошибкой результатов. Погрешность измерений можно до некоторой степени снизить за счет корректировки систематических составляющих. Но, несмотря на достижение малой величины 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.

Международный комитет по мерам и весам считает, что статистические ошибки можно разделить на две группы, хотя между группами, А и Б нет четких границ [29—31].

• 1. Группа А: погрешности, оцениваемые статистическими методами.
• 2. Группа Б: погрешности, оцениваемые другими методами.

Статистическая ошибка типа, А обычно определяется по стандартному отклонению s_;, равному положительному квадратному корню из статистически определенной дисперсии деленной на число измерений v_f. Для отдельных компонентов стандартная статистическая ошибка обычно равна s,. 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, опыта 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 источникам, например [31; 32].

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.

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.