Средства получения преобразования полученной информации (датчики). Усилители-преобразователи.

Применение и развитие измерительной техники всегда было обусловлено потребностями производства, торговли и других сфер человеческой деятельности. Контрольно-измерительные операции давно стали неотъемлемой частью технологических процессов и в значительной степени определяют качество выпускаемой продукции. Прогресс измерительной техники неразрывно связан с научно-техническим прогрессом. Новые научные и технические задачи приводят и к новым измерительным задачам, для решения которых нужны новые средства измерений (СИ), а новые научные и технические результаты влияют на уровень измерительной техники:

· повышается точность измерений, и расширяются диапазоны измерения;

· увеличивается производительность измерительных операций, и за счет их автоматизации уменьшается влияние человеческого фактора;

Возможность практического применения различных типов датчиков

Основным классификационным признаком датчиков является преобразуемая (измеряемая) величина. Приведем основные классы датчиков и возможные сферы их применения:

Номенклатура датчиков этой группы сравнительно невелика, хотя электрические измерения являются одной из крупнейших областей измерительной техники. Это объясняется тем, что в силу своей физической природы измеряемые электрические величины могут подаваться непосредственно на вторичный преобразователь. К простейшим первичным преобразователям для измерения электрических величин можно отнести шунты, используемые при измерении силы тока, делители, используемые для измерения напряжения, измерительные трансформаторы. К этой же группе можно отнести и болометры, основное применение которых — измерение мощности светового излучения. Однако они применяются и в других областях, например при измерении мощности сигналов сверхвысоких частот (СВЧ) непосредственно в волноводных трактах или при измерении действующего значения электрического тока произвольной формы. Принцип действия болометра основан на изменении его сопротивления при нагревании за счет падающего оптического или СВЧ излучения.

Датчики для измерения напряженности магнитного поля строятся на основе эффекта Холла и эффекта Гаусса.

Датчик на основе эффекта Холла представляет собой генераторный преобразователь.

Датчики на основе эффекта Гаусса, или магниторезистивные датчики, представляют собой параметрические преобразователи поля, изготовленные из материалов, сопротивление которых меняется с изменением напряженности магнитного поля.

К магнитным датчикам можно отнести герконы, хотя они и не показывают величину магнитного поля, а только его наличие. Назначение – появление в зоне датчика магнитного поля от детали, часто закрытой магнитопрзрачным корпусом. Простейший пример: положение намагниченного поршня в концевом положении, датчик находится снаружи.

Бесконтактные датчики координат бывают двух основных видов: на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и локационные.

Приборы с зарядовой связью представляют собой линейные или двумерные структуры, элементы которых под действием света приобретают электрический заряд. Двумерные структуры по существу являются воспринимающей частью видеокамеры. Подаваемое на эти датчики изображение может формироваться как в проходящем (теневое изображение), так и отраженном свете. Следует отметить, что при использовании таких датчиков между исследуемым объектом и первичными преобразователями размещается еще один преобразователь — оптическое устройство, изменяющее масштаб изображения.

Локационные датчики используют отражение световых или акустических сигналов от объекта. Расстояние до него вычисляется путем измерения мощности, фазы или задержки отраженного сигнала по отношению к излученному.

К бесконтактным датчикам координат точек поверхностей относятся и голографические датчики. Их основу составляют лазеры (когерентные источники света), когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи. Они отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило основой их широкого применения в голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение расстояний одновременно от множества точек наблюдаемой поверхности путем сравнения с мерой — длиной волны света, излучаемого лазером, которая известна с высокой точностью.

Наибольшее распространение получили параметрические датчики силы с использованием тензорезисторов.

Тензорезистор представляет собой решетку, изготовленную печатным способом или просто из тонкого проводника. При деформации тензорезистора под действием силы F в указанном направлении его длина увеличивается, площадь поперечного сечения уменьшается и, соответственно, растет его сопротивление. Строго говоря, тензорезистор служит преобразователем перемещений в диапазоне до нескольких десятков микрометров. По прямому назначению он используется при исследовании деформаций элементов различных механизмов и машин. Десятки и даже сотни тензорезисторов наклеиваются на эти элементы, в результате чего исследователь получает полную картину деформаций.

Датчик силы представляет собой упругий элемент, на который наклеены один или несколько тензорезисторов, электрическое сопротивление которых меняется пропорционально деформации упругого элемента и, следовательно, пропорционально приложенной к нему силе. Диапазон измерения зависит от размеров упругого элемента.

Для измерения силы применяются также датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Этот эффект проявляется в поляризации диэлектрика, то есть появлении на его поверхностях электрических зарядов, под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект — возникновение механических деформаций под действием электрического ПОЛЯ. Пьезоэлектрические датчики являются генераторными, однако выходным сигналом является не напряжение или ток, а электрический заряд. Обработка такого сигнала вторичным преобразователем обладает определенной спецификой. Пьезоэффект присущ некоторым кристаллическим веществам (прежде всего кварцу), а также специально разработанным пленочным материалам. Поскольку непосредственной причиной пьезоэффекта является деформация материала, пьезодатчик силы, как и тензодатчик, представляет собой упругий элемент, на котором размещен пьезопреобразователь.

По принципу действия эти датчики сходны с датчиками силы. Измеряемое давление с помощью механических элементов преобразуется в перемещения, величина которых не превышает десятков микрометров. Эти перемещения измеряются с помощью тензорезисторных, пьезоэлектрических, емкостных или индуктивных преобразователей. Механическими преобразователями могут быть сильфоны, мембраны, тонкие пластины. Благодаря малости действующих сил и деформаций пленочные пьезопреобразователи могут использоваться без промежуточных механических преобразователей.

Основными датчиками температуры являются терморезисторы (параметрические датчики) и термопары (генераторные датчики). Терморезисторы изготавливают из металлов или полупроводниковых материалов, удельное сопротивление которых зависит от температуры. Термопара представляет собой два последовательно соединенных спая двух разных металлов, например железо—константан, медь— константан, серебро—палладий и др. На спае возникает контактная разность потенциалов, которая увеличивается с увеличением температуры. Поскольку контактные разности потенциалов спаев направлены навстречу друг другу, напряжение на выходе термопары будет пропорционально разности температур спаев.

Для бесконтактного измерения температуры используются оптические датчики, основанные на анализе отраженного или излучаемого объектом света, и акустические датчики, использующие зависимость скорости звука от температуры среды. Эти датчики используются при измерении температур в экстремальных условиях.

Все датчики расхода реализуют косвенные методы измерения, используя основные законы гидродинамики. Практически все датчики измеряют скорость движения жидкости или газа, а величина расхода рассчитывается с учетом площади поперечного сечения трубопровода. Существуют следующие виды датчиков:

- датчики скорости потока по перепаду давления;

- ультразвуковые расходомеры, измеряющие скорость на основе эффекта Доплера;

- электромагнитные расходомеры проводящей жидкости, основанные на измерении напряжения, индуцированного в соответствии с законом Фарадея в жидкости, движущейся в магнитном поле;

- тахометрические расходомеры с крыльчаткой и турбинные, в которых скорость движения потока преобразуется в скорость вращения и затем подсчитывается число оборотов вращающегося элемента.

В настоящее время наибольшее применение находят электростатические (конденсаторные) и пьезоэлектрические микрофоны; иногда используются электродинамические. Принцип действия этих микрофонов ясен из их названия, разновидностью электростатических микрофонов являются электретные. Электрет — это кристаллический диэлектрик с постоянной электрической поляризацией. Поэтому на пластинах конденсатора с диэлектриком из электрета присутствуют электрические заряды, которые создают электрический потенциал. Величина напряжения на высокоомной нагрузке, подключенной к последовательно соединенным электретному и воздушному конденсаторам, будет зависеть от емкости воздушного конденсатора. В электретном микрофоне одной из обкладок воздушного конденсатора является колеблющаяся мембрана, воспринимающая звук. Поэтому зазор воздушного конденсатора и, следовательно, его емкость будут изменяться в соответствии с изменением звука. Следует отметить, что обычный электростатический микрофон является параметрическим датчиком, а электретный — генераторным.

Существуют также оптоволоконные микрофоны, в которых мембрана, воспринимающая звук, помещена между торцами оптоволокон, и ее колебания модулируют интенсивность светового потока, излучаемого лазерным диодом, проходящего через оптоволокно и воспринимаемого фотодиодом.

Наибольшее применение находят емкостные и резистивные датчики. Принцип действия первых основан на том, что диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от концентрации водяных паров. При построении резистивных датчиков используется тот факт, что удельное сопротивление многих неметаллических материалов зависит от содержания в них воды.

Наиболее распространенными оптическими датчиками являются фотодиоды, величина тока на выходе которых определяется величиной падающего светового потока. Более чувствительными являются фототранзисторы, которые объединяют в одном полупроводниковом приборе фотодиод и усилитель фототока, генерируемого фотодиодом. Естественно, что для выполнения функций усилителя фототранзистор должен иметь внешнее питание.

Параметрическими датчиками светового излучения являются фоторезисторы, изготовленные из материала (например, сульфида кадмия или селенида кадмия), удельное сопротивление которого зависит от освещенности.

Из изложенного видно, что некоторые датчики имеют сравнительно простую конструкцию, непосредственно преобразуя измеряемую величину в электрическую, например терморезисторы или фотодиоды. Другие датчики имеют довольно сложную механическую конструкцию, что относится в первую очередь к датчикам линейных и угловых перемещений, датчикам расхода. Многие датчики оказываются составными, например датчики силы и давления, инфракрасного или радиоактивного излучения, тахометрические расходомеры, химические датчики и др. В них измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, которая затем преобразуется в электрическую. В подобных случаях второй преобразователь можно было бы отнести к вторичным, однако конструктивно оба эти преобразователя, как правило, представляют собой единое целое, и с функциональной и конструктивной точек зрения наличие этого промежуточного преобразования и физическая природа промежуточной величины не имеют значения.

Следует также отметить, что многие первичные преобразователи ориентированы на косвенное измерение, поскольку они преобразуют не непосредственно измеряемую величину, а некоторую другую, связанную с ней взаимно-однозначной зависимостью. Например, большинство датчиков расхода преобразует в электрическую величину скорость потока, датчики влажности основаны на преобразовании диэлектрической проницаемости и т. д.

Датчики различных типов можно встретить практически в любом виде сложной промышленной или бытовой техники. Это и различного вида сигнализации, и датчики положения (концевые датчики, герконы и т.д.), и датчики температуры (различного вида печи или механизмы и приборы, работа которых зависит от температуры), и сенсорные датчики (сразу можно вспомнить сенсорные телефоны, где экран это еще и сенсорный датчик). Существуют датчики, которые редко можно встретить в повседневной жизни, это акустические датчики (чаще всего встречаются в эхолокации или в специализированных сигнализациях) или датчики радиоактивного излучения.

Датчики очень важны, но не стоит их применять избыточно, во-первых, они сами по себе стоят денег, во-вторых, требуются ресурсы для обработки поступающей информации, которая может быть излишней, а в-третьих, датчики могут сломаться под влиянием, так называемых дестабилизирующих факторов, а это грозит остановкой автоматизированного производства, и, в результате простоем целой линии и убытками.

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Дрофа, 2005. - 415 с.

2. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; под ред.Г. Г. Ра-неева. - М.: Высшая школа, 2002. - 454 с.

3. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. - М.: Техносфера, 2005. - 592 с

4. ГОСТ Р 8.596—2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения

5. Грановский В. А. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем. — СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999. — 360 с.

6. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. — М.: Техносфера, 2007.— 384 с.

7. Ливанова Л. Системы контроля в метеорологии // Современные технологии автоматизации – 1999. N 5. – С. – 124 –128.

· повышается точность измерений, и расширяются диапазоны измерения;

Средства получения преобразования полученной информации (датчики). Усилители-преобразователи.

Первичными преобразователями называют преобразователь, который устанавливают в технологическое оборудование и который первым принимает значение контролируемого параметра, преобразуя его в информацию, передаваемую следующим преобразователям или средствам ее использования.

Информация вырабатывается в таком виде, который не поддается непосредственному восприятию наблюдателя, но является удобной для ее хранения, передачи и преобразования. Первичные преобразователи служат для получения первичной информации о состоянии технологического процесса в системах автоматизации и применяются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (Рис.1).

Рис.1. Контроль разрыва ленты емкостным датчиком

Датчиком называют устройство, воспринимающее изменение параметра контролируемой величины и преобразующее это изменение в выходной сигнал. Датчики характеризуются входной и выходной величинами сигнала.

Рис.2. Контроль уровня сыпучих веществ емкостными датчиками

Входная величина – это величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком, например линейное перемещение частей станков, давление в гидро- или пневмосистеме, ток, напряжение, уровень сыпучих веществ (Рис.2) и др. параметрические величины.

Выходной сигнал – это определённое качественное или количественное изменение входной величины используемое для передачи на исполнительное или промежуточное звено.

Датчик – устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них, т.е. это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Датчик – измерительное устройство, обеспечивающее преобразование значения физической величины в однозначно соответствующие этому значению характеристики электрического сигнала или информационный сигнал (например: термоэлектронный, давления, расхода).

Общее назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами или информационные сигналы. Любой датчик – преобразователь энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика – это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии.

Преобразователь – часть датчика, конвертирующая один тип энергии в другой.

Естественный сигнал - сигнал активного первичного преобразователя или изменение характеристик измеряемого сигнала в цепи первичного пассивного преобразователя.

Унифицированный сигнал – пропорциональное значению ФВ значение определенного вида (ток, напряжение) выходного сигнала преобразователя, в определенным диапазоне его возможных изменений (например: ток в диапазоне 4-20мА, напряжение в диапазоне ±5В или 0-10В).

Формат выходного сигнала – это набор его характеристик:

- значение, амплитуда, частота, фаза или цифровой код.

Каждый датчик характеризуется наборами: входных параметров (любой физической природы) и выходных электрических параметров (Рис.3).

Рис. 3. Индуктивные датчики перемещения и положения для промышленной автоматизации SICK

Чувствительный элемент (для датчика прямого действия) – первичный преобразователь обеспечивающий преобразование внешнего воздействия в электрический сигнал.

В качестве чувствительного элемента выбирается элемент или устройство, обладающее следующими свойствами:

- высокая линейность преобразования измеряемой физической величины в максимально широком диапазоне ее изменения,

- воспроизводимость результата в одинаковых условиях измерения,

- минимальная зависимость преобразования от значений физической величины и окружающей среды,

- незначительная скорость деградации физических свойств элемента,

- простота конструктивной и технологической защиты элемента от неблагоприятных воздействий измеряемой ФВ и окружающей среды,

- высокая технологичность (дешевизна) изготовления.

В состав датчика входит один или несколько преобразователей. Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал.

Составной датчик - датчик содержащий несколько преобразователей.

Датчик прямого действия – построен на физическом явлении, позволяющем проводить непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы.

Различают датчики генераторного типа, когда выходной величиной является ток, напряжение или электрический заряд, и параметрические, когда выходной величиной является параметр электрической цепи: активное сопротивление, емкость, индуктивность, комплексное сопротивление. Параметрические датчики иногда называют активными, поскольку для выполнения своих функций они требуют внешних источников энергии, а генераторные — пассивными, поскольку для выдачи сигнала они во внешних источниках не нуждаются. Принципы действия датчиков основаны на использовании различных физических законов и эффектов, о которых кратко упомянем далее, говоря о датчиках различного назначения.

Для датчика генераторного типа, как уже отмечалось, вторичный преобразователь может и не понадобиться, если сигнал самого датчика достаточно велик. В противном случае вторичные преобразователи усиливают сигнал и при необходимости изменяют его постоянную составляющую. В этом случае используется стандартная схема операционного усилителя с отрицательной обратной связью (рис.4, а).

Коэффициент усиления такого усилителя определяется отношением сопротивлений резисторов R2 и R1:

где Ку - коэффициент усиления усилителя без обратной связи. Приближенное соотношение записано в предположении, что Ку много больше требуемого значения коэффициента усиления.

При подаче усиливаемого сигнала на вход 1 он не инвертируется, а при подаче на вход 2 инвертируется. Неиспользуемый вход обычно заземляют. При необходимости на него может быть подан постоянный сигнал для изменения постоянной составляющей.

Усилители могут работать в недифференциальном режиме, когда усиливаемый сигнал подается на один вход, а вторым входом является общая земля (общий нуль), и в дифференциальном режиме, когда исследуемый сигнал подается на оба входа, что имеет место, например, при усилении сигналов с мостовых схем.

Если датчик генераторного типа выдает ток, то вторичный преобразователь должен преобразовать выходной ток в напряжение и при необходимости усилить.

Для этого также может быть использован операционный усилитель, в котором сопротивление R1 много меньше выходного сопротивления датчика, рассматриваемого как генератор тока.

В этом случае коэффициент передачи вторичного преобразователя не зависит от R1.

Из этого следует, что входной резистор может быть исключен, и мы приходим к схеме, изображенной на рис.4, б.

Определенная специфика имеется при усилении зарядов, генерируемых, в частности, пьезоэлектрическими датчиками.

Любое конечное входное сопротивление усилителя приводит к стеканию заряда и уменьшению выходного сигнала.

Поэтому для преобразования и усиления такого выходного сигнала используется интегрирующий усилитель, схема которого показана на рис.4, в. Коэффициент передачи такого вторичного преобразователя

Из этой формулы следует, что коэффициент передачи будет тем больше, чем меньше емкость конденсатора С. Однако нужно иметь в виду, что данное соотношение записано в предположении идеальности конденсатора, то есть его сопротивление утечки R, показанное на схеме, равно бесконечности. Однако реально оно конечно. Поэтому емкость должна быть выбрана такой, чтобы модуль ее сопротивления на низшей возможной частоте изменения заряда была много меньше сопротивления утечки.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: