авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

УДК 002.52/.54(075.8)

ББК 32.973.202я73

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

У 91

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА»

(ФГБОУ ВПО «ПВГУС»)

Рецензент Кафедра «Информационный и электронный сервис» д.т.н., проф. Иванов В. В.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине ОД.А.04 «Преобразовательные элементы и устройства» для аспирантов специальности 05.13.05 Учебно-методический комплекс по дисциплине ОД.А.04 «Пре «Элементы и устройства вычислительной техники и У 91 образовательные элементы и устройства» / сост. В. И. Воловач, систем управления»

В. Г. Карташевский. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2012. – 124 с.

Для аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления»

Одобрено Учебно-методическим Советом университета Научно-техническим Советом университета Составители: Воловач В. И., Карташевский В. Г.

© Воловач В. И., Карташевский В. Г., составление, © Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти СОДЕРЖАНИЕ 1. Рабочая учебная программа дисциплины 1.1. Цели и задачи дисциплины 1.2. Компетенции аспиранта, формируемые в результате освоения дисциплины 1.3. Структура и объем дисциплины 1.4. Содержание дисциплины 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего и промежу точного контроля 1.6. Содержание самостоятельной работы 2. Учебно-методическое пособие 2.1. Основное назначение, типы и физические принципы датчиков 2.1.1. Понятие датчиков 2.1.2. Классификация датчиков 2.1.3. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия 2.1.4. Содержание практических занятий по теме № 1 2.2. Виды преобразовательных элементов и устройств 2.2.1. Датчики механических величин (линейных и угловых перемещений, ско- рости, ускорений, давлений и напряжений) 2.2.2. Понятие и основные характеристики тензочувствительных элементов и интегральных тензопреобразователей 2.2.3. Средства измерения температуры, напряженности магнитного поля 2.2.4. Содержание практических занятий по теме № 2 2.2.5. Термоэлектрические преобразователи, терморезисторы, термопары, дат чики Холла, магниторезисторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магни точувствительные интегральные схемы 2.2.6. Содержание практических занятий по теме № 3 2.2.7. Интерферометрические, дифракционные и волоконно-оптические датчи ки. Ультразвуковые датчики. Пьезорезоаннасные детчики. Акустооптические преоб разователи и спектроанализаторы. Интеллектуальные датчики 2.2.8. Содержание практических занятий по теме № 4 2.3. Основы теории погрешности и чувствительности преобразователей 2.5.3. Содержание практических занятий по теме № 5 3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины...………………………...………..

3.1. Перечень основной и дополнительной литературы…………………………… 3.2. Методические рекомендации преподавателю………………………………….

3.3. Методические указания аспирантам по изучению дисциплины…………… 3.4. Материально-техническое обеспечение дисциплины 3.5. Программное обеспечение использования современных информационно коммуникативных технологий 1. РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Цели и задачи дисциплины Целью изучения дисциплины «Преобразовательные элементы и устройства» является формирование у аспирантов системных знаний в области преобразовательных элементов и устройств.

Место дисциплины в учебном процессе: дисциплина «Преобразовательные элементы и устройства» относится к циклу обязательных дисциплин программы подготовки аспиранта по специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» и относится к дисциплинам по выбору аспиранта.

Дисциплина «Преобразовательные элементы и устройства» является разделом про граммы-минимум кандидатского экзамена по специальности. В рамках данной дисциплины рассматриваются: датчики;

назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия;

датчики механических величин (линейных и угловых перемещений, скорости, ус корений, давлений и напряжений);

тензочувствительные элементы, интегральные тензопре образователи;

средства измерения температуры;

напряженности магнитного поля;

термо электрические преобразователи, терморезисторы, термопары, датчики Холла, магниторези сторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магниточувствительные интегральные схемы;

интерферометрические, дифракционные и волоконно-оптические датчики;

ультра звуковые датчики;

пьезорезонансные датчики;

акустооптические преобразователи и спек троанализаторы;

интеллектуальные датчики;

основы теории погрешности и чувствительно сти преобразователей;

методы математического описания чувствительности и точности средств преобразования.

Основная задача дисциплины заключается в подготовке аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» к канди датскому экзамену по специальности, а также в формировании знаний в области преобразо вательных элементов и устройств вычислительной техники и систем управления.

Дисциплина «Преобразовательные элементы и устройства» основана на знании дисци плин: общая электротехника и электроника;

метрология, стандартизация и сертификация;

основы теории управления;

микропроцессорные системы;

информационная техника;

конст руирование, проектирование и технология автоматических электронных и микроэлектрон ных систем физических установок и автоматизированных систем научных исследований;

технические средства автоматизации и управления;

схемотехника ЭВМ.

1.2. Компетенции аспиранта, формирующиеся в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины аспирант должен:

• Знать: основные проблемы в области профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (ОК-7);

• Уметь: выбирать, комплексировать и эксплуатировать современное оборудование и приборы (ОК-7);

• Владеть: навыками решения прикладных задач в области профессиональной экс плуатации современного оборудования и приборов (ОК-7).

1.3. Структура и объем дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.

Распределение фонда времени по семестрам, неделям, видам занятий № Количество часов по плану Количество часов в неделю Самостоятель семе- ная работа недель Число стра лек- практ. сам. практ. сам. часов всего всего лекции реферат ции занят. раб. занят. раб. всего 3, 4 10 72 12 24 36 7 1 2,4 3,6 16 1.4. Содержание дисциплины Распределение фонда времени по темам и видам занятий Лек- Практ. Сам. Всего № Наименование разделов по темам ции занятия работа часов 1 2 4 8 Основное назначение, типы и физические принципы действия датчиков Понятие датчиков. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия.

2 4 8 8 Виды преобразовательных элементов и уст ройств (часть 1) Датчики механических величин (линейных и уг ловых перемещений, скорости, ускорений, давле ний и напряжений). Понятие и основные характе ристики тензочувствительных элементов и инте гральных тензопреобразователей. Средства изме рения температуры, напряженности магнитного поля.

3 2 4 6 Виды преобразовательных элементов и уст ройств (часть 2) Термоэлектрические преобразователи, терморези сторы, термопары, датчики Холла, магниторези сторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магниточувствительные интегральные схемы.

4 2 4 6 Виды преобразовательных элементов и уст ройств (часть 3) Интерферометрические, дифракционные и воло конно-оптические датчики. Ультразвуковые дат чики. Пьезорезонансные датчики. Акустооптиче ские преобразователи и спектроанализаторы. Ин теллектуальные датчики.

5 2 4 8 Основы теории погрешности и чувстви тельности преобразователей Погрешность и чувствительность преобразовате лей. Методы математического описания чувстви тельности и точности средств преобразования.

Всего 12 24 36 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего и промежуточного контроля Текущий и промежуточный контроль знаний осуществляется путем проведения тести рований, контрольных работ, решения задач на практических занятиях и в ходе подготовки к ним. В связи с этим, для успешного освоения дисциплины аспирантам необходимо:

– регулярно посещать лекционные занятия;

– осуществлять регулярное и глубокое изучение лекционного материала, учебников, учебных пособий, научной литературы по дисциплине;

– активно работать на практических занятиях;

– выступать с сообщениями по самостоятельно изученному материалу;

– участвовать с докладами на научных конференциях.

Текущий контроль знаний осуществляется путем выставления балльных оценок за вы полнение тех или иных видов учебной работы (отчет по практическим занятиям, прохожде ние тестирования, контрольной работы и т. п.).

Итоговый контроль знаний по дисциплине проводится в форме письменного зачета.

Для подготовки зачету аспиранты используют приводимый ниже перечень вопросов, кото рый полностью соответствует содержанию дисциплины. Вместе с тем, конкретная формули ровка вопросов к зачету, не выходя за пределы изученных на аудиторных занятиях и в ходе самостоятельной работы, может отличаться от представленного перечня.

Примерные вопросы для подготовки к зачету 1. Датчики. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия.

2. Датчики механических величин (линейных и угловых перемещений, скорости, уско рений, давлений и напряжений).

3. Тензочувствительные элементы, интегральные тензопреобразователи.

4. Средства измерения температуры, напряженности магнитного поля.

5. Термоэлектрические преобразователи, терморезисторы, термопары, датчики Холла.

6. Магниторезисторы, магнитотранзисторы, магнитные варикапы, магниточувствитель ные интегральные схемы.

7. Интерферометрические, дифракционные и волоконно-оптические датчики.

8. Ультразвуковые датчики.

9. Пьезорезонансные датчики.

10. Акустооптические преобразователи и спектроанализаторы.

11. Интеллектуальные датчики.

12. Основы теории погрешности и чувствительности преобразователей.

13. Методы математического описания чувствительности и точности средств преобра зования.

По результатам изучения дисциплины выставляется оценка:

«зачтено» – аспирантам, владеющим знаниями по основным и дополнительным вопро сам дисциплины, активно работающим на практических занятиях, выполняющим различные индивидуальные задания, в достаточной мере разбирающимся в знаниях, полученных в ходе самостоятельной работы (51 балл и выше);

«незачтено» – аспирантам, не посещающим аудиторные занятия без уважительной причины, не владеющим основными вопросами изучаемой дисциплины, выполняющим практические работы на низком уровне, слабо разбирающихся в вопросах, вынесенных на самостоятельное изучение (менее 50 баллов).

1.6. Содержание самостоятельной работы В разделе «Самостоятельная работа» раскрывается содержание каждого вида самостоя тельной работы и указывается время, необходимое для его выполнения.

Распределение самостоятельной работы студентов по темам с указанием времени № Количество Наименование темы п/п часов 1 Основное назначение, типы и физические принципы действия датчиков. 2 Виды преобразовательных элементов и устройств (часть 1). 3 Виды преобразовательных элементов и устройств (часть 2). 4 Виды преобразовательных элементов и устройств (часть 3). 5 Основы теории погрешности и чувствительности преобразователей. Итого Самостоятельная работа выполняется в течение отведенного на дисциплину времени и предусматривает самостоятельную проработку учебной и научной литературы по темам, а также изучение научных статей, опубликованных в периодической печати.

Часы, отведенные на самостоятельную работу аспирантов, представляют собой вид за нятий, которые каждый аспирант организует и планирует сам. Прежде всего, следует обра тить внимание на изучение литературы, рекомендуемой преподавателем. Поскольку соотно шение аудиторной и самостоятельной нагрузки смещено в сторону самостоятельной работы аспиранта, самостоятельная работа должна быть организована преподавателем (аспирант все гда может получить консультацию преподавателя по трудным и проблемным вопросам в от веденные для консультаций дни) и затем осуществлен контроль за ее выполнением.

2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ В учебно-методическое пособие по дисциплине включены теоретические сведения для изучения дисциплины, в которых содержаться основные вопросы по темам курса, опреде ленные программой-минимумом кандидатского экзамена по специальности 05.13.05 «Эле менты и устройства вычислительной техники и систем управления», и перечень литературы, необходимой для их изучения, а также содержание практических занятий по дисциплине.

2.1. Основное назначение, типы и физические принципы датчиков 2.1.1. Понятие датчиков Измерительная информация. Под термином «информация» подразумеваются сведения или совокупность сведений. Информация является отображением существа материального мира, отображением свойств физических объектов в виде физических величин. Количест венная информация о свойствах физических объектов (информация о числовых значениях физических величин), получаемая в результате измерений, носит название измерительной информации.

Измерительные сигналы и их параметры. Материальным носителем измерительной информации является измерительный сигнал. Входной измерительный сигнал, т. е. сигнал, воздействующий на вход средства измерения (преобразователь, прибор или система), явля ется в большинстве случаев физическим процессом, параметры которого – та или иная функция времени. Измеряемая же величина – это определенное свойство или определенный параметр этого процесса. Поэтому различают понятия измерительного сигнала и измеряемой величины. Физический процесс может обладать многими параметрами, но в каждом кон кретном случае нас интересуют определенный параметр этого процесса, какая-то одна физи ческая величина. Активные величины (ток, напряжение, температура и т. п.) сами являются параметрами измерительных сигналов, а при измерении пассивных величин (сопротивление, емкость, индуктивность и др.) измерительный сигнал образуется путем воздействия на объ ект активной величины. Тогда один из параметров этого сигнала содержит информацию о размере измеряемой величины.

Параметр входного сигнала, который является измеряемой величиной либо функцио нально связан с ней, называют информативным параметром.

Неинформативным называют параметр входного сигнала, который функционально с измеряемой величиной не связан. Такой параметр может оказывать воздействие на средство измерения и быть источником погрешности. Так, при измерении амплитуды гармонического сигнала неинформативным параметром является частота.

Выходным называют сигнал, возникающий на выходе средства измерений. В большин стве случаев выходным сигналом также является некоторый физический процесс, который может характеризоваться многими параметрами.

Информативный параметр выходного сигнала – это параметр выходного сигнала, одно значно функционально связанный с информативным параметром входного сигнала.

Измерительное преобразование и измерительный преобразователь. Измерительное преобразование – это преобразование с заданной точностью входного измерительного сигна ла в функционально связанный с ним выходной сигнал. Рассматриваемый процесс зачастую реализуется путем преобразования сигналов одной физической природы в сигнал иной фи зической природы. Физической основой измерительного преобразователя является преобра зование и передача энергии. Передача и преобразование измерительных сигналов осуществ ляется цепями измерительного преобразования. Последние состоят из преобразовательных элементов, которые сами по себе не имеют нормированных метрологических характеристик, однако их характеристики (стабильность, погрешность, частотный диапазон и т. п.) должны соответствовать качеству тех средств измерений, в состав которых они входят. Элемент цепи измерительного преобразования, на который воздействует преобразуемая величина, называ ется чувствительным элементом.

Измерительный преобразователь (ИП) как средство измерений является преобразовате лем его входного измерительного сигнала в выходной сигнал, более удобный для дальней шего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но непригодный для непосредственного восприятия наблюдателем. В отличие от измери тельного преобразователя измерительный прибор является средством измерений, вырабаты вающим выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно воспринять значение измеряемой физической величины. Измерительный преобразователь как средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики и выполняется обычно в виде отдельного независимого устройства.

В общем выходной сигнал измерительного преобразователя формируется под воздей ствием не только информативного параметра входного сигнала, но и многих других пара метров как измерительного сигнала, так и окружающей среды, например, температуры, влажности, внешних и внутренних помех и т. п. В условиях воздействия указанных факторов измерительный преобразователь должен быть максимально чувствительным к измеряемой величине (информативному параметру входного сигнала) и очень незначительно реагировать на влияющие факторы.

Измерительные преобразователи, включенные первыми в цепи измерительных преоб разований, называются первичными (ПП).

Наряду с термином «первичный измерительный преобразователь» (ПИП) широкое рас пространение в автоматике и измерительной технике получил термин датчик. Иногда эти термины отождествляются, что приводит к неправильным представлениям и недоразумени ям, усложняющими общение специалистов различного профиля и уровня.

Датчиком следует называть средство измерения, представляющее собой конструктивно завершенное устройство, размещаемое непосредственно в зоне исследуемого объекта. Надо отметить, что в состав датчика может входить ряд измерительных преобразователей.

Наличие датчика дает возможность реализовать важные особенности современных ме тодов измерений, в частности преобразование одних физических величин в другие величины (обычно – электрические), последующие преобразования, хранение и использование;

дис танционность измерительных преобразований.

Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик – это устрой ство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них». Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охватывает почти все: от че ловеческого глаза до спускового крючка в револьвере. Рассмотрим систему контроля за уровнем жидкости, показанную на рис. 1. Оператор управляет уровнем жидкости в резервуа ре при помощи клапана. При этом оператор должен учитывать расход жидкости, изменение температуры (от которого зависит вязкость жидкости, и, следовательно, скорость ее прохож дения через клапан), а также другие параметры, оказывающие влияние на эту систему. Без осуществления контроля резервуар либо перельется, либо, наоборот, станет пустым. Для принятия правильного решения оператору необходимо постоянно получать информацию об уровне воды в резервуаре. В рассматриваемом примере информация поступает от датчика, состоящего из двух основных частей: смотровой трубки на резервуаре и глаза оператора, по дающего импульсы на зрительный нерв. Сами по себе ни глаз оператора, ни смотровая труб ка не являются датчиками, но их комбинация формирует детектор, обладающий избиратель ной способностью определять уровень жидкости. При корректном проектировании системы изменение уровня жидкости в резервуаре быстро отразится на уровне жидкости в смотровой трубке, поэтому, можно сказать, что рассматриваемый датчик характеризуется хорошей ре акцией или малой инерционностью. Но если внутренний диаметр трубки будет слишком мал для вязких жидкостей, уровень в ней будет отставать от уровня в резервуаре. Поэтому необ ходимо учитывать фазовые характеристики такого датчика. Для некоторых применений та кая задержка может быть приемлемой, тогда как для других надо использовать иную конст рукцию смотровой трубки. Отсюда видно, что рабочие характеристики каждого датчика можно оценить только относительно конкретной системы сбора данных.

Рис. 1. Система контроля за уровнем воды. Смотровая трубка и глаз оператора формиру ют датчик (устройство, преобразующее информацию в электрический сигнал) Окружающий нас мир можно разделить на две части: природа и объекты, созданные человеком. Естественные сенсоры, которыми снабжен любой живой организм, обычно реа гируют на электрохимические сигналы, т.е. их физический принцип действия основывается на передаче ионов в нервных тканях, как это было в рассмотренном примере со зрительным нервом оператора. В системах же, созданных людьми, в передаче сигналов участвуют элек троны. Датчики в таких системах «разговаривают» с устройствами, в которые они встроены, на одном языке. Язык общения здесь – электрические сигналы, в которых информация, пере дается при помощи электронов, а не ионов. (Хотя в оптических системах связи информация передается через фотоны, но этот раздел выходит за рамки книги.) В данной книге будут рассматриваться датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волок на. Исходя из этого, перефразируем определение датчика:

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.

Термин внешние воздействия широко используется в этой книге, поэтому его необхо димо правильно воспринимать. Под внешним воздействием понимается количественная ха рактеристика объекта, его свойство или качество, которые необходимо воспринять и преоб разовать в электрический сигнал. В некоторых книгах для этих целей используется термин измеряемая величина, имеющий аналогичное значение, однако в этом термине делается ак цент на количественной характеристике сенсорной функции.

Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Дру гими словами, можно сказать, что датчик – это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напря жение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом вы ходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных парамет ров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров.

Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряе мой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Ра бота датчика – это особый случай передачи информации, а любая передача информации свя зана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может прохо дить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, на пример, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту.

Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит передача информации о существовании именно такой особой ситуации. Напри мер, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрица тельное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта.

Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером преобразователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустических волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Интересно отметить тот факт, что если громкоговоритель подклю чить ко входу усилителя, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. При вод можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преобразует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Примером привода явля ется электрический мотор, преобразующий электрическую энергию в механическую.

Рис. 2. Датчик может состоять из нескольких преобразователей. е1, е2, …– различные виды энергии;

причем последний элемент данной схемы является датчиком прямого действия Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 2). 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. Комбинация этих двух преобразователей представляет собой химический датчик – устройство, вырабатывающее электрический сигнал в ответ на химиче скую реакцию. Отметим, что в рассмотренном примере химический датчик является состав ным датчиком, состоящим из преобразователя и еще одного датчика – датчика температуры.

В структуру составных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, которые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредственное преобразо вание энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. Примерами таких физиче ских явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека.

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непо средственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое яв ление, в то время как в составных датчиках, прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобра зований энергии.

На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав изме рительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных детекторов, пре образователей сигналов, сигнальных чтобы они реагировали на внешние воздействия и со общали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддер жания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой ча стью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших изме рительных комплексов с множеством обратных связей.

Рис. 3. Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в сис теме сбора данных.Датчик 1 является бесконтактным, датчики 2 и 3 – пассивными уст ройствами, датчик 4 – активным, датчик 5 – внутренним элементом системы сбора данных На рис. 3 показана блок-схема автоматизированного измерительного комплекса, со стоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Из этого рисунка хорошо видна роль датчиков в таких системах. Субъектами измерений могут быть любые матери альные объекты: автомобили, космические корабли, человеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об измеряемом объекте собираются при помощи датчиков, часть из которых, (2, 3 и 4), располагается на поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет непосредст венной связи с объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные камеры и детекторы излучений служат примерами таких датчиков. Даже когда датчик называется бесконтактным, всегда между ним и объектом происходит передача энергии.

Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит для контроля за усло виями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не могут быть напрямую подсое динены к стандартным электронным схемам из-за несоответствия форматов выходных сиг налов. Для их подключения требуются специальные интерфейсные устройства – преобразо ватели сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются пассивными, поскольку для формирования вы ходных сигналов им не требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 – пред ставитель активных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сигнал, получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сигнал в соот ветствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных датчиков является тем пературно-чувствительный резистор, который часто называется термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, являющегося в данном случае схемой возбуждения.

Измерительный комплекс может включать в себя либо один датчик (домашний термостат), либо несколько тысяч (космический корабль).

Электрические сигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор, выполняю щий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков являются аналоговыми, они по ступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), если цифровыми – непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу мультиплексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод, воздействующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут использоваться электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав измерительной системы также входят периферийные устройства (накопи тели данных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не показанные в блок схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи.

Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим простую систему, кон тролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь автомобиля оснащена датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве процессоров, запо минающих устройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того, машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический выключатель. Сигналы от датчиков всех дверей поступают на встроенный микропроцессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП, поскольку сигналы датчиков являются цифровыми: 0 – дверь открыта, 1 – закрыта). Микропроцессор определяет, какая из дверей открыта и посыла ет на соответствующее периферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнали затор) специальный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это сообщение и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь.

Примером более сложной системы является дозатор паров анестезирующих веществ, применяемый в медицине для регулирования количества анестетиков, вдыхаемых пациентом в ходе хирургических операций.

В такую систему входят несколько активных и пассивных датчиков. Концентрация паров анестезирующих веществ контролируется при помощи пьезо электрического датчика, установленного в отводной трубке. Молекулы анестетиков увели чивают массу пьезокристалла, тем самым, изменяя частоту его колебаний. Величина измене ния собственной частоты кристалла и является мерой концентрации паров анестезирующих веществ. Чтобы отличить вдох от выдоха применяется датчик, контролирующий уровень СО2 В дополнение к этому для компенсации некоторых переменных составляющих в систе ме используются датчики температуры и давления. Сигналы от всех этих датчиков поступа ют на мультиплексор, оцифровываются и подаются в микропроцессор, который и определяет реальную концентрацию паров анестезирующих веществ. Анестезиолог задает требуемый уровень подачи анестетиков, а процессор, управляя соответствующим образом приводом (в данном случае клапанами), поддерживает необходимую концентрацию анестезирующих ве ществ.

На рис. 4 показан комплекс, состоящий из комбинации различных датчиков, приводов и сигнализаторов, применяемый в корпорации Nissan для повышения безопасности автомо биля. В его состав входят две системы, борющиеся с засыпанием водителя за рулем автомо биля. Действие одной из этих систем направлено на предупреждение водителя, а другой – на выравнивание курса автомобиля. Для выполнения этих функций необходимы специальные датчики, роль которых могут играть сенсоры слежения за глазным яблоком водителя и де текторы наклона его головы. В систему выдачи сигнала необходимости экстренного тормо жения, построенную на основе датчиков микроволнового, ультразвукового и инфракрасного диапазонов, часто входит устройство опережающего включения индикаторов торможения, позволяющее заранее предупредить об опасности водителей транспортных средств, едущих сзади. В состав системы предупреждения о препятствиях входят инфракрасные детекторы и радар. Адаптивная система круиз-контроля начинает работать в момент, когда водитель слишком приблизился к впереди идущему транспортному средству: при этом скорость авто мобиля немедленно снижается для обеспечения безопасной дистанции. Устройство монито ринга пешеходов определяет присутствие людей на дороге в темное время суток и в зонах, закрытых для обзора, и предупреждает об этом водителя автомобиля. Система контроля по лосы движения определяет ситуации, при которых отклонение автомобиля происходит не по воле водителя. При этом система оповещает водителя об уходе с полосы и автоматически выравнивает транспортное средство.

Рис. 4. Система безопасности автомобиля (с разрешения Nissan Motor Company) Далее будут подробно рассмотрены типы сенсорных элементов, физические основы работы датчиков, их конструктивные решения и электронные схемы интерфейсных уст ройств. Описания других важных элементов измерительных комплексов, таких как приводы, дисплеи, накопители данных, передающие устройства, не вошли в это пособие, и о них будет встречаться только краткое упоминание.

Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически любую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, колебания, пе ремещение, положение, скорость, концентрация ионов – все это примеры внешних воздейст вий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназначения. Для особых усло вий применения может потребоваться разработка специальных корпусов и схем монтажа.

Например, пьезорезистивный датчик для измерения кровяного давления внутри аорты мон тируется в герметичном корпусе и имеет очень миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется чтобы они реагировали только на определенный диапазон входных сигналов. На пример, детектор движения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки.

2.1.2. Классификация датчиков Системы классификации датчиков могут быть очень разными, от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации. В этой книге предлагается несколько практических подходов к этой пробле ме.

Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сигнал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические чувствительные элементы.

Большинство пассивных датчиков являются устройствами прямого действия. В отличие от пассивного собрата активный датчик для своей работы требует внешней энергии, называе мой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала активный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. Поскольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних сигналов, их иногда называются параметри ческими. Фактически, в активных датчиках происходит преобразование изменения их внут ренних характеристик в электрические сигналы, т.е. определенные параметры активных дат чиков модулируют сигналы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об из меряемой величине. Например, термисторы являются температурно-чувствительными рези сторами. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопротивление мо жет быть определено по изменению тока и/или падению напряжения на них. Значение со противления (в омах) отражает измеряемую температуру, которая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных датчиков является резистивный тен зодатчик, чье электрическое сопротивление зависит от величины его деформации. Для опре деления сопротивления датчика через него также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания.

В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолютные и относительные. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физиче ских единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному. При мером абсолютного датчика является термистор. Его электрическое сопротивление напря мую зависит от абсолютной температуры по шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры – термопара – является относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является функцией градиента температуры на проволочках термопары. Поэтому определить конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только отно сительно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относительных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика соответствуют значени ям давления относительно абсолютного нуля по шкале давлений, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давление относительно атмосферного давления, которое не является нулевым.

Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их характери стик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо знать, какие вели чины он может измерять, его характеристики, на каком физическом принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из какого материала он изготовлен, какая об ласть его применения. В табл. 1 – 6 представлена схема такой классификации, которая явля ется наиболее информативной. Для примера рассмотрим акселерометр на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Согласно приведенным таблицам ему можно дать следующее описание.

Внешнее воздействие Ускорение Характеристики Чувствительность определяется как отноше ние изменения частоты на единицу ускоре ния, краткосрочная и долговременная ста бильность измеряется в Гц на единицу вре мени и т.д.

Физический принцип Механический Механизм преобразований Упругоэлектрический Материал Неорганический диэлектрик Область применения Морской и автомобильный транспорт, косми ческие исследования, научные измерения Таблица Характеристики Чувствительность Диапазон входных значений Стабильность(краткосрочная и Разрешающая способность долговременная) Избирательность Точность Окружающие условия Быстродействие Линейность Характеристики при перегрузке Мертвая зона Гистерезис Формат выходного сигнала Эксплуатационный ресурс Другие Стоимость, размеры, вес Таблица Материалы датчиков Неорганические Органические Проводники Диэлектрики Полупроводники Жидкости, газы, плазма Биологические ткани Другие Таблица Средства детектирования Биологические Химические Электрические, магнитные или электромагнитные волны Тепло, температура Механическое перемещение или волна Радиоактивность, излучение Другие Таблица Механизм преобразований Физические Химические Термоэлектричество Химические преобразования Фотоэлектричество Физические преобразования Фотомагнетизм Электрохимический процесс МагнитоэлектричествоСпектроскопия Электромагнетизм Другие Термоупругость Биологические Электроупругость Биохимические преобразования Термомагнетизм Физические преобразования Термооптика Влияние на тестируемые организмы Фотоупругость Спектроскопия Другие Другие Таблица Области применения Архитектура Домашнее применение Гражданское строительство, Окружающая среда, метеорология, проектирование средства безопасности Распределение, торговля, финансы Средства информации, Энергетика телекоммуникация Здравоохранение, медицина Судоходство Оборонная промышленность Отдых, развлечения Научные исследования Космос Транспорт (исключая автомобильный) другие Автомобильный транспорт Таблица Внешние воздействия Акустические Электрические Амплитуда волны, фаза, поляризация Заряд, ток Спектр Потенциал, напряжение Скорость волны Электрическое поле (амплитуда, Другие фаза, поляризация,спектр) Проводимость Диэлектрическая проницаемость Биологические Биомасса Другие (вид, концентрация, состояние) Другие Магнитные Магнитное поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр) Химические Элементы (идентичность. Магнитный поток концентрация,состояние) Проницаемость Другие Другие Оптические Вязкость Амплитуда волны, фаза, Упорядоченность структуры, поляризация, спектр интеграция Скорость волны Другие Коэффициент отражения Излучающая способность Излучение Отражающая способность, Тип поглощение Энергия Другие Интенсивность Другие Механические Положение Тепловые (координаты линейные и угловые) Температура Ускорение Поток Сила Тепло Напряжение, давление Теплопроводность Деформация Другие Масса, плотность Движение, момент Скорость потока, расход массы Форма, шероховатость, ориентация Жесткость, податливость Техника конструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования При этом особое значение придается следующим показателям:

• миниатюрность (возможное встраивания), • дешевизна (серийное производство) и • механическая прочность.

Рис. 5. Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в био логических (человек) и технических (автомат) системах По структурному построению автоматизированные устройства напоминают такие био логические системы, как, например, человек. На рис. 5 проведена аналогия между человеком и автоматом по способам получения сигналов, их обработки и накопления, а также по преоб разованию сигналов Органам чувств человека соответствуют в автоматах (или роботах) дат чики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга как центрального устройства для обработки сигналов служит ЭВМ с ее системой па мяти.

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления Общеупотребительные термины и определения для различных дат чиков четко сформулированы в Инструкции 2600 Общества немецких инженеров и Общест ва немецких электриков ФРГ (VDI/VDE Richtlinie 2600), Типичное устройство датчика пока зано на рис. 6.

Рис. 6. Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием сигнала: ФТ – первичный процесс, Т R – вторичный процесс;

U – измерительный мост, согласование сигналов;

Amp – усилитель 2.1.3. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия В настоящее время существует множество разнообразных по принципу действия и по назначению ИП различных физических величин. С развитием науки и техники ИП совер шенствуются, возникают новые виды ИП. Изучение всего разнообразия ИП невозможно без систематизации их свойств, без классификации.

Для классификации ИП необходимо в первую очередь установить целесообразные классификационные признаки. Эти признаки должны быть достаточно общими, чтобы учи тывать требования как специалистов, работающих в области исследования и проектирования преобразователей, так и тех, кто занимается вопросами их применения.

Одним из классификационных признаков измерительных преобразователей для потре бителя является вид входной и выходной величин.

Для конструкторов и технологов целесообразнее классифицировать ИП по принципу их действия.

В качестве классификационных признаков можно принять также вид ФП, который оп ределяется назначением преобразователя, структурную схему ИП или его место в структур ной схеме средства измерений, энергетические свойства выходного параметра и т. п. Ис пользовав те или иные классификационные признаки, можно привести ряд классификаций, каждая из которых по своему отражает основные свойства преобразователей и имеет свои как положительные стороны, так и недостатки.

Классификация. В зависимости от рода входной и выходной величин различают:

- преобразователи электрических величин в электрические. Входными и выходными величинами таких преобразователей являются электрические величины. Это – преобразова тели размера электрической величины (измерительные трансформаторы, измерительные де лители тока и напряжения), а также преобразователи вида электрической величины (шунты, добавочные сопротивления);

- преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические. Это также могут быть преобразователи размера той или иной неэлектрической величины (рычаги, редукторы) или преобразователи вида входной величины, например консоли, мембраны, пружины и дру гие упругие механические преобразователи. Последние получили широкое распространение в качестве первичных преобразователей элементов датчиков давления, вибраций, ускорений;

- преобразователи электрических величин в неэлектрические. Основную группу этих преобразователей составляют измерительные механизмы электрических приборов непосред ственного преобразования, в которых входная электрическая величина преобразуется в пе ремещение указателя. Вторую большую группу составляют, так называемые обратные ИП (преобразовательные элементы), которые являются составной частью сложных ИП уравно вешивающего преобразования и находятся в цепях обратной связи;

- преобразователи неэлектрических величин в электрические представляют собой наиболее многочисленную и разнообразную группу ИП. Это объясняется, с одной стороны, многочисленностью самих неэлектрических величин и, с другой стороны, преимуществами электрических методов измерений и, соответственно, целесообразностью преобразования неэлектрических величин именно в электрические.

Выходным сигналом ИП может быть энергетический процесс либо определенное свой ство вещества. Соответственно различают генераторные и параметрические преобразовате ли. К генераторным относятся преобразователи, которые под действием входных преобра зуемых сигналов могут вырабатывать энергию, т. е. являются источниками э. д. е., тока, ме ханической силы, давления и т. п. Параметрическими являются те преобразователи, в кото рых изменение входного сигнала приводит к изменению их определенных параметров – со противления, емкости, индуктивности, упругости и др. Для получения выходного энергети ческого сигнала в этих случаях требуются дополнительные источники энергии.

В зависимости от места ИП в структурной схеме средства измерения различают пер вичные, которые являются первыми в цепи последовательно соединенных преобразователей, и промежуточные, занимающие в измерительной цепи место после первичного.

Изучение свойств преобразователей по физическим явлениям и эффектам, положенным в основу их работы, позволяет наиболее полно уяснить общие свойства той или иной группы преобразователей, найти общий подход к вопросу схемного и конструктивного решения це лого ряда задач, связанных с их расчетом, конструированием и применением. Учитывая пре имущество электрических методов измерения физических величин, здесь рассмотрим в ос новном преобразователи с электрическим выходным сигналом.

Таким образом, наиболее распространенные в измерительной технике преобразователи с учетом их физических закономерностей, положенных в основу принципа действия, могут быть разделены на:

1. Резистивные преобразователи. Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопротивление. Рези стивные преобразователи составляют две большие группы: электрические и механоэлектри ческие. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т. п.) положена зависимость ме жду напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротив ления. Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей (например, реостатных) основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. К резистивным преобразователям часто относят и тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопро тивления различных материалов под действием механической деформации. В качестве мате риалов таких преобразователей используются проводники с проволочными и фольговыми чувствительными элементами или полупроводники. В последнее время для построения тен зопреобразователей стали применять эффекты изменения характеристик р-п переходов под давлением механического воздействия (тензодиоды и тензотранзисторы).

2. Термопреобразователи. Среди этого класса преобразователей наиболее распростра нение получили термоэлектрические преобразователи температуры из проводниковых мате риалов (металлов и их сплавов), причем в принципе действия генераторных термоэлектриче ских преобразователей положены явления термоэлектричества. Также применяются полу проводниковые термопреобразователи и преобразователи, принцип действия которых за ключается в изменении свойств р-п перехода при изменении температуры.

3. Фотоэлектрические преобразователи. В основу принципа действия оптических пре образователей положено преобразование потока оптического излучения. Фотоэлектрические преобразователи в зависимости от характера получения и преобразования информации могут состоять из приемника излучения, либо приемника, и источника излучения, либо приемника, источника и оптического канала. Функциональные возможности фотоэлектрических преоб разователей и область их применения значительно расширились в связи с достижениями оп тоэлектронной техники, созданием оптических квантовых генераторов, светодиодов и др.


4. Электростатические преобразователи. К электростатическим относятся преобразо ватели, переносчиком измерительной информации в которых является электрический заряд.

Различают две основные группы электростатических преобразователей: емкостные, принцип действия которых основан на взаимодействии двух заряженных тел, и пьезоэлектрические, возникновение электрического заряда в которых является следствием действия на преобра зователь механических, тепловых и других факторов.

5. Гальваномагнитные измерительные преобразователи. Принцип работы этих преоб разователей основан на использовании гальваномагнитных эффектов, сущность которых за ключается в изменении электрических параметров преобразователей под воздействием пре образуемого магнитного поля, в частности, в изменении электрического сопротивления (эф фект Гаусса) или появлении э. д. с. (эффект Холла). Основными разновидностями гальвано магнитных преобразователей являются соответственно преобразователи Холла и магниторе зисторные преобразователи.

6. Электромагнитные преобразователи. Они составляют очень большую и разнообраз ную по принципу действия и по назначению группу преобразователей, объединенных общ ностью теории, принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений. Это масштабные электромагнитные преобразователи (измерительные трансформа торы, индуктивные делители напряжения и тока), индуктивные трансформаторные и авто трансформаторные преобразователи неэлектрических величин, а также индуктивные и ин дукционные преобразователи 2.1.4. Содержание практических занятий по теме № Тема: Основное назначение, типы и физические принципы действия датчиков ( часа) Цель занятия: Рассмотреть основное назначение, типы и физические принципы дейст вия датчиков.

Содержание темы:

1. Понятие датчиков.

2. Назначение, основные типы датчиков и физические принципы действия.

Литература: [7], с. 21-38, 145-162;

[12], с. 321-335.

2.2. Виды преобразовательных элементов и устройств 2.2.1. Датчики механических величин (линейных и угловых перемещений, скорости, ускорений, давлений и напряжений) Детекторы присутствия и движения объектов 11 сентября 2001 года перевернуло мышление людей: они стали больше задумываться о защите аэропортов, полетов и о безопасности в целом. Угроза подобных акций заставила раз рабатывать более совершенные охранные системы для надежной защиты заданных перимет ров, для чего необходимы соответствующие сенсорные устройства. Датчики присутствия детектируют нахождение людей (а иногда и животных) в контролируемой зоне, тогда как детекторы движения реагируют только на перемещение объектов. Основным их отличием является то, что датчики присутствия вырабатывают выходной сигнал независимо от того движется объект или замер, в то время как сигнал на выходе детектора движения появляется только в случае перемещения объекта. Такие датчики применяются в системах наблюдения и охраны, в устройствах управления энергией (например, для управления включени ем/выключением электрического света), в интерактивных игрушках и т.д. В зависимости от конкретной ситуации присутствие человека может определяться по некоторым параметрам его тела или характеристикам поведения. Например, датчик может реагировать на вес чело века, тепло от его тела, звуки, на изменение диэлектрической проницаемости и т.д. Для оп ределения присутствия людей и их передвижений в настоящее время применяются следую щие типы датчиков:

• Датчики давления воздуха: детекторы перепадов давления воздуха, возникающих при открывании дверей и окон.

• Емкостные датчики: детекторы изменения емкости человеческого тела • Акустические датчики: детекторы звуков, производимых людьми • Фотоэлектрические датчики: детекторы пересечения луча света движущимися объ ектами • Оптоэлектронные датчики: детекторы уровня освещенности или оптической кон трастности в охраняемой зоне • Сенсоры предохранительных ковриков: длинные полоски, располагающиеся на полу под ковриком у входной двери, реагирующие на давление, создаваемое весом непрошеного гостя.

• Детекторы напряжений: датчики деформации, встроенные в пол, ступени и другие конструктивные элементы.

• Детекторы открывания: электрические контакты, встроенные в двери и окна • Магнитные детекторы открывания: бесконтактная версия детекторов открывания • Детекторы вибраций: устройства, реагирующие на вибрации стен или других конст рукций зданий;

такие элементы могут также крепиться к дверям и окнам для обнаружения передвижений объектов.

• Детекторы разбитых стекол: датчики, реагирующие на специфические вибрации, характерные для бьющегося стекла • ИК детекторы движения: устройства, реагирующие на тепловые волны, испускае мые теплыми или холодными движущимися объектами • СВЧ детекторы(микроволновые датчики): активные устройства, реагирующие на СВЧ электромагнитные волны, отраженные от объектов • Ультразвуковые датчики: устройства аналогичные СВЧ датчикам, только в них вместо электромагнитных волн используются ультразвуковые колебания.

• Видеодетекторы появления новых объектов: видео устройства, сравнивающие те кущее изображение охраняемой зоны с записанным в памяти эталонным изображением.

• Системы видеораспознавания: анализаторы изображений, сравнивающие характер ные особенности лиц людей с портретами, хранящимися в базе данных • Лазерные детекторы: устройства, подобные фотоэлектрическим детекторам. Их отличие в том, что они используют узкие лучи света и комбинацию отражателей • Электростатические детекторы: датчики, способные детектировать статические электрические заряды, переносимые движущимися объектами Одним из недостатков детекторов обнаружения присутствия людей или их вторжения в охраняемое пространство является ложное срабатывание. Под ложным срабатыванием по нимается ситуация, когда система указывает на присутствие объектов, которых на самом де ле там нет. В некоторых случаях, например, в игрушках или устройствах управления осве щением, ложное срабатывание не причиняет особых проблем. Однако в охранных и военных системах одинаково опасными являются ситуации как ложного срабатывания, так и пропус кания вторжения посторонних в контролируемую зону. Поэтому при выборе датчиков для таких применений необходимо обращать внимание на их надежность, избирательность и по мехозащищенность. Для повышения надежности охранных систем часто используют не сколько датчиков со своими интерфейсными схемами, работающими независимо друг от друга. Такой прием особенно эффективен в случае воздействия внешних помех. Другим спо собом снижения ошибок при обнаружении вторжения людей является применение несколь ких датчиков, основанных на разных физических принципах (например, очень эффективна комбинация емкостных и ИК детекторов, поскольку для них критичными являются разные виды вносимых помех).

Детекторы положения, пеермещений и уровня Определение положения физических объектов и их перемещений является важной функцией многих автоматизированных систем. Она необходима практически для всех АСУТП, систем управления транспортными потоками, охранных систем, без нее не может обойтись ни один робот. Под определением положения физического объекта понимается нахождение его координат (линейных или угловых) по отношению к заданной точке. Под перемещением объектов подразумевается их передвижение из одного положения в другое, находящееся от первого на определенном расстоянии или под определенным углом. Другими словами, перемещение всегда определяется по отношению к исходному положению объекта.

Для обнаружения опасных расстояний между двумя объектами обычно применяются детекторы сближения. Такие детекторы, по существу, являются пороговыми устройствами, реализованными на базе датчиков положения объекта. Датчики положения – это, как прави ло, линейные устройства, выходные сигналы которых соответствуют расстоянию между объектом и опорной точкой. Детекторы сближения являются более простыми устройствами, сигналы на выходе которых появляются только в случае обнаружения критического расстоя ния до объекта. Например, во многих роботах и движущихся механизмах автоматизирован ных систем применяется очень простой, но очень надежный датчик сближения – концевой выключатель, в состав которого входит пара либо нормально замкнутых, либо нормально разомкнутых контактов. Когда объект при своем движении механически размыкает или за мыкает эти электрические контакты, концевой выключатель посылает сигнал в управляющее устройство. Этот сигнал указывает на то, что объект достиг своего конечного положения.


Однако контактные переключатели имеют ряд недостатков: высокую механическую нагруз ку на движущиеся объекты, гистерезис и т.д.

Детекторы перемещений часто являются составными частями более сложных датчиков, для которых обнаружение движущихся объектов – только одна из нескольких ступеней про цесса преобразования сигнала (см. рис. 1). Пример такого составного преобразователя – дат чик давления, в котором давление приводит к перемещению диафрагмы, а перемещение диафрагмы, в свою очередь, вызывает изменение выходного электрического сигнала. Из приведенных примеров видно, что датчики перемещений, некоторые из которых описаны в данной главе, не только применяются самостоятельно, но и входят в состав многих других детекторов, рассматриваемых в других главах.

Большинство датчиков положения и перемещений являются статическими устройства ми, быстродействие которых, как правило, не сказывается на рабочих характеристиках сис тем. Однако производители таких датчиков обычно приводят в документации величину мак симальной скорости реакции. Но здесь рассматриваются только статические датчики. Су щеествуют и динамические датчики, чьи выходные сигналы, по определению, являются вре менными функциями.

Перед тем как приступить к разработке или выбору детектора положения и перемеще ния, необходимо ответить на следующие вопросы:

1. Какова величина и тип измеряемых перемещений? (существует два типа перемеще ний: угловой и линейный) 2. Какой должна быть разрешающая способность и точность?

3. Из чего изготовлен объект, перемещение которого необходимо измерить? (из метал ла, пластмассы, жидкости, ферромагнитных материалов и т.д) 4. Какой размер пространства отведен для монтажа датчика?

5. Каким должен быть диапазон измерений?

6. В каких условиях окружающей среды предстоит работать датчику? (влажность, тем пература, источники помех, вибрация и т.д.) 7. Какой должна быть потребляемая мощность датчика?

8. Каким может быть срок службы датчика? (этот параметр тесно связан с продолжи тельностью службы всей системы) 9. Какое количество датчиков необходимо изготовить? (ограниченное число, среднее количество, серийный выпуск) 10.Какой должна быть стоимость датчика?

Тщательный предварительный анализ помогает не допустить нежелательных промахов в дальнейшем.

Скорость и ускорение Ускорение – динамическая характеристика объекта. Согласно второму закону Ньютона оно возникает только после приложения к объекту какой-либо силы. Перемещение объекта, его скорость и ускорение являются взаимосвязанными физическими величинами: скорость – это первая производная от перемещения, ускорение – его вторая производная. Однако взять производную сильно зашумленного сигнала практически невозможно, поскольку это приво дит к возникновению очень больших погрешностей даже при использовании очень сложных схем обработки. Поэтому скорость и ускорение объектов нельзя определять по данным, по лученным при помощи детекторов перемещений, и для этого необходимо применять специ альные схемы. Как правило, в низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) до вольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объ ектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики ско рости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения.

Скорость движения может быть либо угловой, либо линейной. Она показывает на сколько быстро объект движется по прямой линии или насколько быстро он вращается. Из мерение скорости зависит от размеров объекта и может выражаться, например, в мм/с или миль/час. В настоящее время разработана глобальная система навигации (GPS), позволяю щая определять скорость и положение крупных объектов, таких как наземные и морские транспортные средства, при помощи радиосигналов от большого количества спутников, вращающихся вокруг Земли. Определение скорости и положения таких объектов вычисляет ся по временным задержкам между сигналами, полученными от разных спутников. Для меньших объектов и меньших расстояний спутниковые системы не подходят. Здесь как пра вило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких де текторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эта лонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и аксе лерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы.

Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивно сти, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скоро сти движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на этом принципе магнитной индукции. В их состав входит постоянный магнит и катушка индуктивности оп ределенной формы. Выходное напряжение на катушке прямо пропорционально относитель ной скорости магнита в пределах рабочей зоны.

В датчиках скорости оба конца магнита находятся внутри катушки. При такой конст рукции на выходе катушки будет всегда нулевое напряжение, поскольку напряжения, инду цируемые разными концами магнита будут взаимно уничтожать друг друга. Чтобы этого не происходило, катушка делится на две части. Северный полюс магнита индуцирует ток в од ной половине катушки, а южный – в другой (рис. 7). Обе катушки подключены последова тельно друг с другом, но в противоположных направлениях. Выходной сигнал такого уст ройства пропорционален скорости движения магнита. Максимальное значение измеряемой скорости определяется в основном входными цепями интерфейсной электронной схемы, а минимальное – уровнем шума, особенно от расположенных рядом мощных устройств пере менного тока. В таблице 7 приведены типовые характеристики электромагнитного датчика скорости. Такие датчики очень похожи на детекторы положения на основе ЛРДТ, за исклю чением того, что ЛРДТ с подвижным ферромагнитным сердечником относится к активным устройствами, в то время как сенсоры скорости являются пассивными, и в них движущимся элементом является сам постоянный магнит. Это означает, что они сами по себе являются генераторами тока и им для их работы не требуется сигнал возбуждения. Очевидно, что ли нейные датчики скорости детектируют скорость в пределах расстояния, ограниченного их размерами, поэтому они в основном используются для измерения скорости вибраций. Угло вой датчик скорости, реализованный на этом же принципе, непрерывно меряет скорость вращения, и в них нет ограничений на количество оборотов.

Таблица Характеристики электромагнитных датчиков скорости Характеристика Значение Перемещение магнитного сердечника, дюйм 0 5 Чувствительность, мВ/дюйм/с 35 Сопротивление катушки, кОм 2 Индуктивность катушки, Гн 0 06 7 Частотная характеристика, Гц (при нагрузке, в500 100 раз превышающей сопротивление катушки) Вес, г 20 Рис. 7. Принцип действия электромагнитного датчика скорости Датчики силы, механического напряжения и прикосновения В то время как кинематика изучает статическое положение объектов и их движение, динамика отвечает на вопрос: «Что является причиной этого движения?». Классическая ме ханика имеет дело с движущимися объектами, чья скорость значительно ниже скорости све та. Движущиеся частицы: атомы и электроны – являются предметами изучения квантовой механики и теории относительности. Классическая механика исследует взаимодействия мак рообъектов, обладающих определенной массой, зарядом, дипольным моментом и т.д. На многие вопросы классической механики в общем виде ответил Исаак Ньютон (1642-1727), который всегда заявлял, что родился в год смерти Галилея (хотя на самом деле он родился января 1643 года). Ньютон развил идеи Галилея и других замечательных физиков. Его пер вый закон звучит следующим образом: «Если на тело не действуют никакие внешние силы, оно будет либо находиться в состоянии покоя, либо двигаться с постоянной скоростью по прямой линии». Часто этот закон называют законом инерции. Этот закон иногда трактуется по-другому: «При отсутствии внешних сил, действующих на тело, его ускорение а равно ну лю».

Если сила приложена к свободному телу (не связанному ни с каким другим телом), оно получает ускорение, направление которого совпадает с направлением силы, которая также является векторной величиной. Ньютон обнаружил, что ускорение, полученное телом, всегда прямо пропорционально приложенной силе F и обратно пропорционально массе тела т, ко торая является скалярной величиной и характеристикой тела:

F а=. (1) m Выражение (1) известно под названием второго закона Ньютона. Это название было дано великим швейцарским математиком и физиком Леонардом Эйлером в 1752 году, спустя 65 лет после публикации закона Ньютона. Первый закон является частным случаем второго закона: когда результирующая всех сил, действующих на тело, равна нулю, ускорение тела также равно нулю.

Второй закон Ньютона позволил ввести механические единицы. В системе СИ масса (кг), длина (м) и время (с) являются основными единицами, в то время как сила и ускорение – производными единицами. Единицу измерения силы назвали Ньютон. Сила 1 Н, приложен ная к телу массой 1 кг, приводит к появлению ускорения 1 м/с2.

В Британской и американской системах единиц основными единицами считаются сила (фунт), длина (фут) и время (с). При этом единица массы определяется как масса, для уско рения которой на 1 фут/с2 необходимо приложить силу 1 фунт. Британская единица массы называется слаг. В таблице 8 приведены механические единицы.

Таблица Механические единицы Система единиц Сила Масса Ускорение м/с СИ Ньютон (Н) Килограмм (кг) Фут/с Британская Фунт-сила Слаг Третий закон Ньютона устанавливает принцип взаимодействия между двумя телами:

Сила действия равна противодействию или взаимное влияние двух тел друг на друга всегда одинаково, но противоположно направлено.

На практике часто необходимо знать плотность тела, которая определяется как количе ство вещества в единице объема. Ее можно выразить через массу т и объем V тела:

m =. (2) V Единицей измерения плотности в системе СИ является кг/м3, а в Британской системе – фунт/фут3. В Приложении приведены плотности некоторых материалов.

В системе СИ единица измерения силы является одной из фундаментальных физиче ских величин. Измерение сил проводится и при проведении механических исследований, и в гражданском строительстве, и при взвешивании объектов, и при изготовлении протезов и т.д.

При определении давления также требуется измерение силы. Считается, что при работе с твердыми объектами измеряется сила, а при работе с жидкостями и газами определяется дав ление. Это значит, что сила рассматривается тогда, когда действие приложено к конкретной точке, а давление определяется тогда, когда сила распределена по сравнительно большой площади.

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качественные. Коли чественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в электрических единицах.

Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качест венные датчики – это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в детектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером таких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Каче ственные датчики часто используются для детектирования движения и положения объектов.

Коврик у двери, реагирующий на давление, приложенное к нему, и пьезоэлектрический ка бель также являются примерами качественных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы;

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвестная си ла;

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой;

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления;

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой.

В современных датчиках наиболее часто применяется 5 метод, а методы 3 и 4 используются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в электрический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных этапов. Поэтому, как прави ло, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто пред ставляет собой комбинацию преобразователя сила-перемещение и детектора положения (пе ремещения). Это может быть простая спиральная пружина, уменьшение длины которой х, вызванное приложенной силой сжатия F, будет пропорционально ее коэффициенту упруго сти:

х = kF. (3) На рис. 8, а показан датчик, состоящий из пружины и детектора перемещений, реализо ванного на основе линейно регулируемого дифференциального трансформатора (ЛРДТ). В линейном диапазоне изменения длины пружины напряжение на выходе ЛРДТ пропорцио нально приложенной силе. На рис. 8, б представлен еще один вариант датчика силы, состоя щий из гофрированной мембраны, заполненной жидкостью, непосредственно на которую и действует сила, и датчика давления. Гофрированная мембрана, распределяя силу на входе по поверхности чувствительного элемента датчика давления, играет роль преобразователя сила давление.

Датчики давления Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, ко торый некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюд цами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю.

Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль на звал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: «Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной». В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления га зов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: «При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается». Более подробное описание динами ческой теории жидкостей и газов можно найти в учебниках физики. В этом разделе будут приведены краткие основы этой теории, необходимые для разработки и использования дат чиков давления.

а) б) Рис. 8. а – датчик силы с нагружаемой пружиной и ЛРДТ, б – датчик силы на основе преобразователя давления В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жид кости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно прило жить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности.

При любом угле кроме 90° жидкость будет просто соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, дейст вующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности А:

dF =. (4) dA Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использо вать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что дав ление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно посто янно во всех направлениях. При увеличении высоты давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

dp = wdh, (5) где w – удельный вес среды, dh – изменение высоты, a dp – соответствующее ему изме нение давления.

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают не очень существенными. Если на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетиче ской энергии молекул:

2 KE = C 2 = NRT, p= (6) 3V где КЕ – кинетическая энергия, V – объем, С2 – среднее значение квадрата скоростей молекул, – плотность, N – число молекул в единице объема, R – универсальная газовая по стоянная, а Т – абсолютная температура.

В уравнении (6) предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной за висимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. На пример, при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1.3 кг/м3, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм – его плотность уже будет 65 кг/м3, т.е. в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диа пазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0°С и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг/м3, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм – плотность равна 1002 кг/м1, а при температуре 100°С и давлении 1 атм – плотность равна кг/м3.

Избыточное давление – это давление газа, превышающее давление окружающей среды.

В противоположном случае – речь идет о вакууме. Давление называется относительным, ко гда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно из меряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

Датчики расхода и скорости В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одно го процента, а иногда и одной десятой процента Довольно точные измерители расхода тре буются иногда и в быту (например, газовый счетчик). При таких требованиях к точности применяют чаще всего механические измерительные приборы. Лишь в самое последнее вре мя появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Допплера. Эти лазерные допплеровские анемометры (рис. 9) используют особый вид рассеяния света (эффект Допплера), рассмотреть который более подробно здесь не пред ставляется возможным. В данном случае луч лазера разделяется светоделителной пластин кой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в про текающей среде. Рассеянный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножи тель), где он преобразуется в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал элек тронным путем преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряже ние.

Рис. 9. Устройство лазерного допплеровскою анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод непригоден.

Измерения расхода можно осуществить чисто электронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследст вие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. На рис.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.