ЭиС лек10. Тема 10. Источники сигналов
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
ТЕМА 10. ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ 1.Классификация, основные характеристики и особенностей датчиков и сенсоров. ............. 1 Общие характеристики датчиков. ............................................................................................. 4 2. Основные виды типовых воздействий на датчики ............................................................. 10 Электроконтактные датчики.................................................................................................... 13 Реостатные датчики ................................................................................................................. 14 Тензорезисторные датчики...................................................................................................... 16 Пьезоэлектрические датчики................................................................................................... 17 Магнитометрические датчики на основе эффекта Холла ...................................................... 20 Емкостные преобразователи.................................................................................................... 21 Оптоэлектронные преобразователи ........................................................................................ 23 Электромагнитные преобразователи....................................................................................... 26 Датчики положения.................................................................................................................. 29 3 Типовые способы ввода сигнала .......................................................................................... 33 Мостовая измерительная схема............................................................................................... 33 Дифференциальная измерительная схема............................................................................... 34 Компенсационная измерительная схема. ................................................................................ 35 Введение Прежде всего необходимо внести разграничение между понятиями «сенсор» и «датчик». Под датчиком традиционно понимается устройство, способное преобразовать входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Сегодня существует ряд требований, предъявляемых к современным датчикам: Однозначная зависимость выходной величины от входной. Стабильные показания независимо от времени использования. Высокий показатель чувствительности. Небольшие размеры и малая масса. Отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс. Возможность работы в различных условиях. Совместимость с другими устройствами. Работа сенсоров серьезно отличается от работы датчиков. Прежде всего необходимо остановиться на определении понятия «сенсор». Под сенсором понимается устройство, способное преобразовать изменения, произошедшие в объекте наблюдения, в информационный сигнал, пригодный к дальнейшему хранению, обработке и передаче. Сенсор – преобразователь физической величины, например, температуры, яркости или давления в другую, легко оцениваемую величину. Обычно выполняется преобразование в электрический сигнал: в напряжение, в ток или в частоту. Слово «сенсор» происходит от латинского «sensus» («чувство», «ощущение»). Работа многих сенсоров основана на разработках из полупроводниковых технологий. Сигнал сенсора усиливается и обрабатывается таким образом, чтобы его можно было далее обработать на компьютере. Многие сенсоры имеют встроенный усилитель и управляющую электронику и могут быть подключены непосредственно к микроконтроллеру. Многие сенсоры обладают цифровым выходом. При разработке микромеханики механические компоненты сенсора также интегрированы в кремниевый чип. Прежде всего, это мембраны, пружины или 2 вибрирующие тела на которых, как правило реализованы сенсоры вращения и перемещения. Хорошие механические свойства кремния, в частности его высокая упругость, выгодно сочетаются в микромеханике с конкретными электрическими свойствами кремния. «ГОСТ Р 8.673–2009. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения 3.1 Первичный измерительный преобразователь (sensor): Измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует явление, физический объект или вещество, являющееся носителем величины, подлежащей измерению. Примеры Чувствительная пластина платинового термометра сопротивления. Ротор турбинного расходомера. Трубка Бурдона в манометре. Фотоэлемент спектрометре. Термотропный жидкий кристалл, который изменяет цвет в зависимости от температуры. 3.2 Датчик: Конструктивно обособленное устройство, содержащее один или несколько первичных измерительных преобразователей. Датчик может дополнительно содержать промежуточные измерительные преобразователи, а также меру. Датчик может быть вынесен не значительное расстояние от устройства, принимающего его сигналы. При нормированном соотношении значения величины на выходе датчика с соответствующим значением входной величины. Датчик является средством измерений. Примеры Термометр сопротивления платиновый. Датчик давления, содержащий в качестве первичного преобразователя мембрану, а в качестве промежуточного – тензорезистивиый мост. Датчик давления, содержащий помимо первичное о и промежуточного преобразователей (мембраны и тензорезистивного моста) дополнительный первичный преобразователь температуры (для коррекции дополнительной погрешности. связанной с влиянием температуры), а также дополнительный промежуточный преобразователь и микроконтроллер. Датчик, содержащий в одном корпусе два независимых термометра сопротивления или две термопары, измерительные сигналы которых обрабатываются совокупно» Классификация сенсоров основана, главным образом, на физических величинах, которые должны быть измерены, а во-вторых, на принципе работы или применения. Имеются сенсоры для многих физических величин: Геометрические величины: положение, расстояние, длина, траектория, деформация, наклон, скорость, ускорение, угол поворота, вращение и свойства поверхности различных деталей; Величины, связанные с силой: сила, вес, давление, крутящий момент и механическая сила; Величины перемещения вещества: расход и уровень газов, жидкостей и твердых веществ; Температура: температура, тепловое излучение и количество тепла; Оптические величины: мощность излучения, энергия излучения, яркость и фотометрические величины, такие как световой поток, количество света, интенсивность света, яркость, интенсивность освещения; Звуковые волны: звуковое давление, звуковая энергия, громкость и частота звука; Электрические величины: напряжение, ток, электрическая энергия и электрическая мощность, а также напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля и электромагнитное излучение; Радиоактивное излучение: рентгеновское или гамма-излучение, альфа- и бета-излучение; Анализ химических веществ: газы, ионы, вода в разных состояниях влажности, точки росы и сенсоры обледенения. Датчики также можно различить по типу выходного сигнала: Бинарные датчики (как правило контактные) генерируют только два выходных сигнала «включено» и «выключено». Переключение между этими состояниями происходит при определенных заданных значениях измеряемых физических величин. Обычно значение точки включения отличается от значения точки выключения. Разница между этими пороговыми значениями называется гистерезисом. Гистерезис уменьшает частоту переключения и приводит к улучшению стабильности системы. Система перестает реагировать на шумы. Аналоговые датчики генерируют непрерывно меняющийся электрический сигнал при таком же изменении измеряемой физической величины. Соотношение между физической величиной и сигналом сенсора не обязательно должно быть линейным, но в отличие от бинарных датчиков всегда позволяет сделать вывод о текущем значении измеряемой физической величины. Как уже говорилось, значение выходного сигнала также может быть предоставлено в виде цифрового кода, например, через интерфейс I2C или SPI. Цифровые датчики имеют на выходе цифровой код. Преобразователь напряжение – ток При подключении сенсоров часто возникает проблема, заключающаяся в том, что между сенсором и измерительным устройством или компьютером лежит относительно большое расстояние. Поэтому существует риск искажения сигнала от датчика на этом расстоянии (влияние помех, сопротивление линии и т. д.). Это можно исправить только конструктивно. С одной стороны, это достигается за счет использования экранированных кабелей между датчиком и электроникой, причем последняя должна располагаться как можно ближе к датчику. Расстояние до цифро-аналогового преобразователя может тогда покрываться с более высоким напряжением или с применением трансформаторов напряжения или тока. В промышленности применяют два стандарта для выходного аналогового сигнала: выход с напряжением в диапазоне 0–10 В; 4 токовый выход в диапазоне 0 – 20 мА или 4 – 20 мА. Все, о чем говорится во введении, в объеме одной лекции не представляется возможным. С другой стороны, производители сенсорной техники выпускают не только подробные описания своих устройств с рекомендациями по применению (так называемые datasheet), но и написанные на высоком техническом уровне справочные книги, находящиеся в свободном доступе в интернете, но к сожалению, сегодня не хватает литературы с описанием физических принципов функционирования датчиков и связанных с этим особенностей их применения. 1.Классификация и основные характеристики и особенностей датчиков и сенсоров. Общие характеристики датчиков. Электронные устройства предназначены для преобразования физических параметров окружающей среды в вид доступный для непосредственной оценки (регистрации) или последующий обработки. Основную роль поставщика исходных данных для оценки и преобразования играет датчик – устройство, воспринимающее измеряемый параметр и вырабатывающее соответствующее изменение параметров электрического сигнала в целях передачи его для дальнейшего использования или регистрации. Часто в технической литературе понятия датчиков (pick up) и измерительных преобразователей (sensor) между собой не разделяют и измерительные преобразователи называют просто датчиками. Хотя с функциональной точки зрения понятия измерительного преобразователя и датчика совпадают, но в конструкторской практике под датчиком следует понимать первичный измерительный преобразователь, заключенный в корпус и снабженный устройствами для его установки и фиксации на объекте, а также кабелем для передачи сигнала и соответствующими разъемами. Таким образом, измерительное преобразование представляет собой отражение одной физической величины с помощью другой физической величины или набора таких физических величин. Выполняющий измерительное преобразование датчик работает в реальных условиях эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, связанных с высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно воздействует большое число параметров. Среди этих параметров только один является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внешние параметры, характеризующие окружающую среду. Эти внешние параметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величину, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной величины. При построении датчиков используются различные физические принципы, которые в значительной степени определяют области рационального применения того или иного датчика. Параметрический датчик изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому- либо внешнему источнику энергии. Генераторный датчик сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии. В качестве примеров датчиков такого рода можно назвать различные пьезоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчики скорости вращения. К параметрическим датчикам относятся: резистивные; индуктивные; трансформаторные; емкостные. К генераторным датчикам относятся: термоэлектрические; индукционные; пьезоэлектрические; фотоэлектрические. Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины. Функция преобразования измерительного преобразователя – это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей. Чувствительность преобразователя – это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя – (с -1 )/В (обороты в секунду на 1 вольт) и т.д. Разрешающая способность преобразования – это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем. Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины. Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений. Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину. Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения. В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется. Входной величиной в таком случае может быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр. Различают статическую и динамическую характеристики датчика. Под статической характеристикой датчика понимают зависимость между 6 установившимися значениями входной и выходной величин. Под динамической характеристикой датчика понимают поведение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной величины. Если в статической характеристике датчика строится зависимость только между значением выходной величины Y в ответ на изменение входной величины X, то в динамической характеристике датчика участвует параметр времени t и такая характеристика представляет собой зависимость вида Y= Y(t). Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов, т. е. при t →∞. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой. Различные виды статических характеристик измерительных датчиков с пропорциональным выходом приведены на рис. 10.1. На рис. 10.1–1 приведена идеализированная статическая характеристика такого датчика. Нулевому значению входной величины в этом случае соответствует нулевое значение величины на выходе. На рис. 10.1–2 приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности. У такого датчика изменение входной величины до значения ΔХ, называемого порогом чувствительности, не ведет к появлению какого-либо сигнала на выходе. Лишь после того как окажется, что X> ΔХ, выходная величина будет расти, начиная от нуля, пропорционально изменению входной величины. На рис. 10.1–3 приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной, и насыщением выхода. 1 – идеализированная статическая характеристика; 2 – идеализированная статическая характеристика с зоной нечувствительности; 3 – идеализированная статическая характеристика с зоной нечувствительности и насыщением; 4 – идеализированная статическая характеристика с зоной нечувствительности, насыщением и гистерезисом. Рис. 10.1. Статические характеристики датчиков с пропорциональным выходом У такого датчика, после достижения порога чувствительности выходная величина растет пропорционально росту входной величины, но до некоторого предельного значения ΔY, которое называется значением насыщения выходной величины. После того как окажется, что Y> ΔY, дальнейший рост входной величины X не приводит ни к какому росту Y Наконец, на рис. 10.1–4 приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности на входе, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерезисом называется различие между характером соответствия выходной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины. Практически это выражается в том, что значение выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность датчика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной величины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом случае говорят о положительном гистерезисе, а во втором – об отрицательном. Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на выходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной петли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса настолько велика, что тарировочная кривая датчика заходит в область отрицательных значений входной величины, то это означает, что Y= 0 при X < 0, а при X = 0 имеет место Y> 0. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе остается ненулевое значение и после того, как на его входе установится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными словами, наблюдая за 8 состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «памятью». Однако в реальной жизни практически не существует датчиков с идеализированной пропорциональной (линейной) зависимостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единичное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины. Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существенным изменениям выходной величины, а в конце изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. В ряде случаев для удобства дальнейшего анализа фактическая нелинейная статическая характеристика датчика в определенных пределах измерения и с определенным влиянием на показания этого датчика может быть приближенно заменена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации. В ряде случаев нелинейный характер статической характеристики датчика не является вредным, а может быть эффективно использован для различных задач автоматизации. Примером такого рода, широко используемым в различных устройствах автоматизации, является датчик со статической характеристикой релейного типа. При возрастании входной величины, до того как она достигнет порога срабатывания, на выходе датчика будет наблюдаться нулевое значение выходной величины, а как только входная величина достигнет порога срабатывания, выходная величина сразу же («щелчком») достигнет своей максимальной величины и при дальнейшем возрастании входной величины возрастать больше не будет. Примером такого рода может служить так называемое двухпозиционное регулирование температуры в обычном домашнем холодильнике. Обычно для сравнения при равных условиях динамических характеристик различных датчиков считают, что на их входы поступают воздействия одного и того же вида, а именно: ступенчатые. Это означает мгновенный «наброс» входной величины. Практически это соответствует, например, включению напряжения на электродвигатель либо помещению термопары в закалочную печь и т.д. Двигатель будет набирать обороты не мгновенно, а в соответствии с динамическими свойствами привода, в который он включен. Показания термопары также начнут отражать температуру в печи не мгновенно, а по мере разогрева спая этой термопары и т.д. Для динамических характеристик датчиков характерны три случая. Первый случай соответствует чистому запаздыванию в датчике, когда его выходная величина просто повторяет (в определенном масштабе) входную величину, запаздывая по отношению к ней на постоянную величину. Второй случай соответствует апериодическому характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению монотонным образом (монотонно убывая или же монотонно возрастая). Третий случай соответствует колебательному характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению, совершая за время переходного процесса одно или несколько колебаний, превышая на время новое значение выходной величины, а затем возвращаясь к нему. Динамические процессы в датчиках характеризуются показателями качества переходного процесса. К их числу относятся: время завершения переходного процесса; величина превышения в течение переходного процесса выходного параметра над его новым установившимся значением; число колебаний выходной величины за время завершения переходного процесса. Используется также интегральный показатель качества переходного процесса, обычно представляющий собой подынтегральную площадь кривой переходного процесса. Для датчиков автоматизированных систем управления (АСУ) важными характеристиками являются также диапазон измерений, а также полоса пропускания, представляющая собой разность между максимальной и минимальной частотами изменения входной величины. Что касается погрешностей измерений производственных параметров, неизбежно возникающих в любых практических системах автоматизации, то их принято классифицировать на систематические, прогрессирующие, случайные и пользовательские. 10 |