Измерительный контроль (стр. 8 из 13)

Темновой ток фотодиода и температурная зависимость абсолютной чувствительности достаточно хорошо изученные зависимости. Как отмечают многое авторы, величина темнового тока конкретного прибора может служить мерой температуры его перехода в соответствии с известным выражением для тока полупроводникового диода:

(30)

Где Id - ток фотодиода в конкретном режиме с начальным темновым током;

I0(Т) зависящем от температуры;

V — напряжение на переходе, которое зависит от схемы использования;

е — заряд электрона (1,6*10^-19 Кл);

k — постоянная Больцмана (1,38*10^-23);

T — абсолютная температура перехода.

Шумовые свойства и восприимчивость к электромагнитным помехам зависят и от исходных свойств материала, технологии изготовления и конструктивного оформления прибора и от режима работы прибора. В соответствии с особенностями решаемых в настоящей работе задач, имеется возможность работы приемника излучения на основе собственного поглощения материала не используя дополнительного легирования для смещения красной границы фотоэффекта. Выше проводилось обоснование выбора типа приемника излучения и его режима работы для обеспечения линейности световой характеристики в большом динамическом диапазоне освещенности или энергетической облученности.

Использование схемы обработки сигнала без предварительной модуляции полезного сигнала приводит к необходимости учета сверх-низкочастотных шумов фотоприемника и входа электронной схемы.

Температурные дрейфы всех усилительных каскадов приведенных ко входу АЦП определят дополнительную систематическую аддитивную погрешность, в то время как температурная зависимость абсолютной чувствительности приемника излучения, температурная зависимость коэффициента передачи канала усиления сигнала приемника излучения и погрешность напряжения опорного источника напряжения формируют величину дополнительной систематической мультипликативной температурной погрешности измерения.

Погрешности АЦП необходимо разделить на методические и инструментальные. Так как даже идеальный квантователь ограниченной разрядности имеет ступенчатую функцию преобразования h(u), то представление реальной аналоговой величины u(t) возможно только с погрешностью;

Где g — номинальная ступень квантования;

Fr — символ обозначающий дробную часть числа.

Используемые в составе рабочего средства измерения АЦП двойного интегрирования характеризуются следующими параметрами: число однозначных ступеней квантования равно 1999, погрешность преобразования соответствует ± 1 емр (единица младшего разряда АЦП), погрешность поддержания опорного напряжения за время преобразования 0,2%, дополнительная температурная погрешность ±1 емр при изменении температуры от 10 и до 40 °C. Дополнительной инструментальной погрешностью будет погрешность опорного напряжения.

Если учесть, что для удобства работы с прибором выбран переход между шкалами по аналоговому сигналу равный 10 , то погрешность представления результата измерения будет:

(32)

Где f6 — составляющая основной погрешности прибора согласно рекомендациям МКО;

k — коэффициент перехода между шкалами;

d — погрешность квантования;

P — максимальное число квантований.

Величина погрешности получается равной 0,02%.

Проведем рассмотрение прохождения аддитивной составляющей ошибки измерения под воздействием температуры. Диапазон вариаций температуры окружающей среды должен соответствовать ТЗ на создаваемые приборы, для случая приборов цехового контроля этот диапазон обычно ограничивается 20°C.

Погрешности и возмущения отдельных звеньев проявляются в показаниях прибора с учетом коэффициента связи конкретного звена.

Первое звено электронной схемы — фотодиод является звеном с наибольшим разбросом параметров, как в части спектральных свойств, так и в части абсолютной чувствительности.

Начальное смещение сигнальной характеристики компенсируется в звене согласующего каскада сигналом компенсатора начального смещения.

Величина темнового тока зависит от температуры в соответствии с изменением темнового тока:

(33)

Тогда систематическая погрешность смещения фотодатчика может быть выражена:

Где Ku — коэффициент передачи канала от фотодатчика до измерительного АЦП.

Для типового датчика при допустимом интервале изменении температуры окружающей среды величина этой компоненты аддитивной составляющей погрешности измерения оценивается в относительных величинах 0,2 % на младшей шкале прибора.

Как уже отмечалось выше, температурная погрешность опорного источника проявляется, в том числе, в виде смещения компенсации начального уровня. В практике цифровых приборов среднего уровня точности, особенно переносных и малогабаритных, широко используются опорные источники на базе полевого транзистора с p/n переходом. По данным фирмы Siliconix они характеризуются следующими параметрами:

номинальный ток стабилизации — 0,22 до 4,7 мА

Допуск — 10%

Температурный коэффициент — 0,15 %/°C

Эта температурная погрешность проявляется через величину сигнала компенсирующего начальное смещение и влияние этой погрешности будет тем больше чем больше будет начальное смещение фотодатчика.

С учетом выше сказанного можно написать выражение для зависимости аддитивной составляющей систематической погрешности источника опорного напряжения в виде:

Операционные усилители используемые в составе схемы тоже вносят свой вклад в аддитивную погрешность прибора. С точки зрения ухода начала шкалы прибора все операционные усилители характеризуются величиной начального смешения и его температурным коэффициентом, а так же величиной начальных входных токов, их разностью и их температурным коэффициентом. При правильно спроектированной схеме токовой температурной зависимостью можно пренебречь, и в этом случае остается температурный дрейф начального смещения.

Величина начального смещения усилителя компенсируется в процессе настройки прибора, а температурный коэффициент отдельных звеньев приводит к дополнительной погрешности. Если ввести обозначение для коэффициента передачи от входа данного каскада до входа АЦП вида Kik то выражение для температурного смещения показания прибора из-за дрейфа входных цепей ОУ напишем в виде :

Где aik — температурный коэффициент i-того каскада.

В случае использовании указанных выше приборов температурный дрейф можно оценить величиной 90 мкВ / К, что при перепаде температуры в 20°C приведет к погрешности в 0,2% относительной величины на младшей шкале прибора.

Кроме влияния окружающей температуры, на показания прибора в принципе оказывает влияние изменение напряжения питания электронной схемы. Эти воздействия производятся через смещения начального уровня ОУ и через изменение коэффициента сбора носителей фотодатчика. Современные ОУ характеризуются коэффициентом подавления влияния источника питания на уровне от 90 до 120 дб и нестабильность на уровне долей вольта не оказывает заметного влияния на показания прибора.

Под влиянием вариаций температуры происходят процессы приводящие и к изменению коэффициентов передачи отдельных звеньев. В частности приемник излучения при температурах в близи нормальных характеризуется температурным коэффициентом равным - 0,003 /°С. Отмеченная выше температурная погрешность источника опорного напряжения приводит не только к смещению начального уровня , но и к изменению чувствительности АЦП.

Положительный температурный коэффициент опорного источника приводит к возрастанию величины опорного напряжения, что с учетом используемой схемотехники приводит к уменьшению чувствительности прибора.

Выражение для зависимости приведенной чувствительности от изменения рабочей температуры можно привести в виде:

В соответствии с этим выражение для мультикативной составляющей систематической дополнительной температурной ошибки примет вид :

Мультипликативная погрешность является дополнительной и систематической и может быть скомпенсирована в процессе обработки сигнала. Если подставить численные значения температурных коэффициентов в предыдущее выражение, то можно написать выражения для учета этой компоненты систематической погрешности.

Где Ei и Ek — измеренные и компенсированные значения энергетической яркости.

Для оценки относительной величины вклада отдельных составляющих погрешности приведем сводную таблицу №4 для электронного измерительного канала.

Таблица №4

N	Источник ошибки и ее характеристики
1	АЦП основная дискретизации случайная	0,05%
2	АЦП дополнительная систематическая	0,2 %
3	АЦП дополнит. систематическая от Т	0,02 %
4	ИОН дополнит.систем. мултип. от Т	0,15 %/К
5	ИОН дополнит систем. адоттив. от Т	0,009%/К
6	Фотодиод адитив. систем. допол. отТ	0,002%/К
7	Фотодиод мультип. системат. допол. отТ	0,3%/К
8	Дрейф нуля усилителя случайн. допол.	0,0005%
ИТОГО при работе в цеховых условиях ( DТ = 20К ) 2,135 %

Как видно из таблицы, основной вклад в погрешность измерения электронного канала вносят температурные зависимости чувствительности и начального тока фотодиода и источника опорного напряжения.