Producătorii de instrumente nu furnizează de obicei informații dinamice complete pentru produsele lor. În cele mai multe cazuri, nu este realist să vă așteptați la modele dinamice complete (în domeniul-timp sau în domeniul-frecvență) și valori de parametri asociate pentru instrumentele complexe din sistemele mecatronice. Caracteristicile de performanță oferite de producători și furnizori sunt în principal parametri statici. Cunoscute sub numele de evaluări ale instrumentelor, acestea sunt disponibile ca valori ale parametrilor, tabele, diagrame, curbe de calibrare și ecuații empirice. Caracteristici dinamice, cum ar fi funcțiile de transfer (de exemplu, curbele de transmisibilitate exprimate în raport cu frecvența de excitație) ar putea fi furnizate și pentru instrumente mai sofisticate, însă informațiile dinamice disponibile nu sunt niciodată complete. În plus, definițiile parametrilor nominali folosite de producătorii și furnizorii de instrumente nu sunt, în unele cazuri, aceleași cu definițiile analitice utilizate în manuale. Acest lucru este valabil în special în ceea ce privește termenul de liniaritate. Cu toate acestea, evaluările instrumentelor furnizate de producători și furnizori sunt foarte utile în selectarea, instalarea, operarea și întreținerea componentelor într-un sistem mecatronic. Acum, vom examina unii dintre acești parametri de performanță.

5.3.1 Parametrii de evaluare

Parametrii tipici de evaluare furnizați de producătorii de instrumente sunt următorii:

1. Sensibilitate
2. Gamă dinamică
3. Rezoluție
4. Linearitate
5. Deriva de zero și deriva la scală completă
6. Gama de frecvență utilă
7. Lățime de bandă
8. impedanțe de intrare și ieșire

Am discutat deja despre înțelesul și semnificația unora dintre acești termeni. În această secțiune, vom analiza definițiile convenționale date de producătorii și furnizorii de instrumente.

Sensibilitatea unui dispozitiv (de exemplu, traductor) este măsurată prin magnitudinea (vârful, valoarea rms, etc.) a semnalului de ieșire corespunzător unei intrări unitate (de ex., măsurand). Aceasta poate fi exprimată ca raportul dintre (ieșire incrementală)/ (intrare incrementală) sau, analitic, ca derivate parțiale corespunzătoare. În cazul semnalelor vectoriale sau tensoriale (de exemplu, deplasarea, viteza, accelerația, deformația, forța), trebuie specificată direcția sensibilității.

Sensibilitatea-încrucișată este sensibilitatea de-a lungul direcțiilor care sunt ortogonale la direcția principală de sensibilitate. În mod normal, este exprimată ca procent de sensibilitate directă. Sensibilitate ridicată și sensibilitate-încrucișată redusă sunt de dorit pentru orice dispozitiv de intrare/ieșire (de exemplu, instrument de măsurare). Sensibilitatea la variațiile parametrilor și zgomot trebuie să fie mică în orice dispozitiv, iar acest lucru este un indiciu al robusteței sale. Pe de altă parte, în cazul controlului adaptiv și al reglării automate, sensibilitatea sistemului la parametrii de control trebuie să fie suficient de ridicată. Adesea, sensibilitatea și robustețea sunt cerințe contradictorii.

Gama dinamică a unui instrument este determinată de limitele inferioară și superioară admise ale intrării sau ieșirii sale (răspuns), astfel încât să se mențină un nivel necesar de acuratețe la ieșire. Această gamă este de obicei exprimată ca raport în decibeli. În multe situații, limita inferioară a gamei dinamice este egală cu rezoluția dispozitivului. Prin urmare, raportul gamei dinamice este de obicei exprimat ca (gama de operare)/rezoluție.

Rezoluția unui instrument de intrare/ieșire este cea mai mică variație a unui semnal (intrare) care poate fi detectată și indicată cu acuratețe (ieșire) de către un traductor, o unitate de afișare sau orice instrument relevant. Aceasta este de obicei exprimată ca procent din gama maximă a instrumentului sau ca inversă a raportului gamei dinamice. Rezultă că gama dinamică și rezoluția sunt foarte strâns legate.

Exemplul 5.1

Noțiunea de gamă dinamică (și rezoluția) poate fi extinsă cu ușurință pentru a acoperi instrumente digitale. De exemplu, se consideră un instrument care are un convertor analogic-digital (A/D) de 12 biți (ADC). Estimați gama dinamică a instrumentului.

Soluţie

În acest exemplu, gama dinamică este determinat (în primul rând) de mărimea cuvântului ADC. Fiecare bit poate lua valoarea binară 0 sau 1. Întrucât rezoluția este dată cu cel mai mic increment posibil, adică o modificare cu cel mai puțin semnificativ bit (LSB), este clar că rezoluția digitală = 1. Cea mai mare valoare reprezentată de un cuvântul de 12 biți corespunde cazului în care toți cei 12 biți sunt unitate. Această valoare este zecimal 2¹² - 1. Cea mai mică valoare (când toți cei doisprezece biți sunt zero) este zero. Acum, utilizați definiția

Gama dinamică a instrumentului este dată de

Un alt mod (poate mai corect) de a privi această problemă este de a considera rezoluția ca o anumită valoare δy, mai degrabă decât o unitate, în funcție de aplicația particulară. De exemplu, δy poate reprezenta un increment al semnalului de ieșire de 0,0025 V. În continuare, observăm că un cuvânt de 12 biți poate reprezenta o combinație de 2¹² valori (adică 4096 valori), cea mai mică fiind ymin și cea mai mare fiind

Rețineți că ymin poate fi zero, pozitiv sau negativ. Cel mai mic increment între valori este δy, care este, prin definiție, rezoluția. Există 2¹² valori cu ymin și ymax (cele două valori finale) inclusiv. Atunci,

Așadar, sfârșim cu același rezultat pentru gama dinamică, dar interpretarea rezoluției este diferită.

Linearitatea este determinată de curba de calibrare a unui instrument. Curba amplitudinii de ieșire (valoarea de vârf sau rms) față de amplitudinea de intrare în condiții statice în gama dinamică a unui instrument este cunoscută sub numele de curba de calibrare statică. Apropierea ei de o linie dreaptă măsoară gradul de liniaritate. Producătorii furnizează aceste informații fie ca abatere maximă a curbei de calibrare de la aproximarea în linie-dreaptă cu cele mai mici pătrate, fie de la o altă linie dreaptă de referință. Dacă aproximarea cu cele mai mici pătrate se utilizează ca linia dreaptă de referință, abaterea maximă se numește liniaritate independentă (mai corect, neliniaritate independentă, deoarece cu cât abaterea este mai mare, cu atât neliniaritatea este mai mare). Neliniaritatea poate fi exprimată ca un procentaj fie din citirea reală la un punct de operare fie din citirea la scală maximă.

Deriva de zero este definită ca deriva din citirea de nul a instrumentului atunci când intrarea este menținută constantă o perioadă lungă de timp. Rețineți că, în acest caz, intrarea este păstrată la zero sau la orice alt nivel care corespunde cu citirea de nul a instrumentului. În mod similar, deriva la scală maximă este definită în raport cu citirea la scală maximă (intrarea este menținută la valoarea de scală maximă). Cauzele obișnuite ale derivei includ instabilitatea instrumentului (de exemplu, instabilitatea în amplificatoare), variații ale mediului (de exemplu, variații ale temperaturii, presiunii, umidității și nivelul vibrațiilor), variații ale alimentării (de exemplu, variații ale tensiunii DC de referință sau ale tensiunii de linie AC), și variații ale parametrilor într-un instrument (datorită îmbătrânirii, uzurii, neliniarităților etc.). Deriva datorată variațiilor parametrilor care sunt cauzate de neliniaritățile instrumentului este cunoscută sub numele de derivă parametrică, derivă de sensibilitate sau derivă de factor de scală. De exemplu, o schimbare a rigidității arcului sau a rezistenței electrice datorate variațiilor temperaturii mediului duce la o derivă parametrică. Rețineți că derivă parametrică depinde de nivelul de intrare. Se presupune însă că deriva de zero este aceeași la orice nivel de intrare dacă celelalte condiții sunt menținute constante. De exemplu, o modificare a citirii cauzată de dilatarea termică a mecanismului de citire din cauza variațiilor de temperatură ambientală este considerată o derivă de zero. Drift-ul (deriva) în dispozitivele electronice poate fi redus folosind circuite AC, mai degrabă decât circuite DC. De exemplu, amplificatoarele cuplate AC au mai puține probleme de derivă decât amplificatoarele DC. Verificarea intermitentă a nivelelor de răspuns a instrumentului cu intrare zero este o modalitate populară de a calibra pentru derivă zero. În dispozitivele digitale, de exemplu, acest lucru se poate face automat din când în când între punctele de eșantion când semnalul de intrare poate fi ocolit fără a afecta operarea sistemului.

Gama de frecvență utilă corespunde unei curbe de câștig plate și unei curbe de fază zero în caracteristicile răspunsului în frecvență ale unui instrument. Frecvența maximă în această bandă este de obicei mai mică de jumătate (să zicem, o cincime) din frecvența de rezonanță dominantă a instrumentului. Aceasta este o măsură a lățimii de bandă a instrumentului.

Lățimea de bandă a unui instrument determină viteza sau frecvența maximă la care instrumentul este capabil să opereze. O lățime mare de bandă implică o viteză mai rapidă de răspuns.

Lățimea de bandă este determinată de frecvența naturală dominantă ωn sau frecvența de rezonanță dominantă ωr a dispozitivului. (Notă: Pentru amortizarea scăzută, ωr este aproximativ egală cu ωn). Este invers proporțională cu timpul de creștere și constanta de timp dominantă. Lățimea benzii la jumătate de putere este, de asemenea, un parametru util. Lățimea de bandă a instrumentului trebuie să fie de câteva ori mai mare decât frecvența maximă de interes în semnalele de intrare. De exemplu, lățimea de bandă a unui dispozitiv de măsurare este importantă, în special, atunci când se măsoară semnale tranzitorii. Rețineți că lățimea de bandă este direct legată de gama utilă de frecvențe.

5.4 Lățime de bandă