Зависимость выходного сигнала датчика от воздействия измеряемой величины называется

1. Объект, процесс.

2. Сбор, обработка и проверка достоверности информации.

3. Промежуточное хранение данных.

4. Вторичная обработка информации

5. Принятие решения.

Автоматизированная информационная система (АИС)— совокупность средств, методов для получения, хранения, обработки и выдачи информации.

Информационные характеристики средств измерения.

Типы сигналов:

— дискретный сигнал (0 и 1; вкл . и выкл. и т.д.)

— аналоговый сигнал (непрерывный)

Измерительный преобразователь. Измерительная система. Датчик. Статические и динамические характеристики .

Средства измерений — это средства, предназначенные для измерений, вырабатывающие сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины или воспроизводящие эту величину.

Измерительный прибор — это средство информатизации для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для восприятия оператора.

Измерительный преобразователь (датчик) — это средство информатизации предназначенной для выработки сигнала измеряемой информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, обработки и хранения.

Измерительная система — это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, которая предназначена для выработки измерительной информации в форме удобной для автоматической обработки, передачи, хранения и использования в автоматических системах контроля и управления.

Статическая характеристика датчика — зависимость выходного сигнала, от входного выраженная аналитически: Y = f ( X )

Любой датчик и измерительный прибор состоит из n последовательных звеньев.

Y 01 =f 1 (X 01 ); Y 02 = f 2 ( Y 01 ) Y 02 =f 2 (f 1 (X 01 )). Каждое из звеньев: Y 0 i = f ( X 0 i )

Порогом чувствительности датчика называют наименьшее значение входной величины способное вызвать на выходе датчика малейшее изменение показания прибора.

Величина обратная чувствительности — это цена деления шкалы прибора.

Динамическая характеристика — это характеристика, которая зависит от времени.

Погрешности средств измерения и методы устранения погрешностей.

Классификация погрешностей:

1. Погрешность измерительного преобразователя.

2. Погрешность измеряемой величины.

3. По закономерностям появления.

Погрешность измерительного преобразователя.

1. Абсолютная (абсолютная погрешность считается по выходному сигналу).

Y = Y — Y 0 Y — фактический выходной сигнал, Y 0 — идеализированный выходной сигнал

2. Относительная (отношение абсолютной погрешности к значению выходного сигнала).

Погрешность измеряемой величины.

1. Методическая — это погрешность, связанная с методикой измерения.

2. Инструментальная — это погрешность самого средства измерения.

3. Систематическая — возникает с многократными измерениями, прогрессирует.

4. Случайная — возникает с многократными измерениями, изменяются случайно.

По закономерностям появления.

1. Статические (возникают при установившемся режиме измерения).

2. Динамические (измеряемый параметр зависит от времени).

Для датчиков существует 3 группы динамических погрешностей:

Аддитивная погрешность — при увеличении входного сигнала полоса погрешности имеет постоянное значение.

Мультипликативная погрешность — полоса расширяется.

Методы повышения точности измерения.

Выделяют две основные группы методов для уменьшения погрешности результатов измерений:

1. Технологические (классические) методы.

Цель: Повышение стабильности статической характеристики датчика.

Общие рекомендации — это изготовление датчиков и элементов со стабильными характеристиками.

2. Структурные методы.

Цель: Введение в процесс измерения структурности или временной избыточности.

Метод уменьшения случайной составляющей погрешности.

Способ многоканального измерения.

Недостатки: сложные, дорогие.

Преимущества: выигрываем по времени.

Цель ВУ: поиск математического ожидания

и дисперсии вычисляемой величины.

Устройства получения информации.

1. По измеряемым параметрам:

Теплоэнергетические параметры (температура, давление, расход, уровень).
Электротехнические параметры (сила тока, напряжение, мощность, частота)
Механические параметры (размеры, усилие, масса, крутящий момент)
Химический состав (хим. состав газовой среды, концентрация)
Физические свойства (твердость, влажность, вязкость, плотность)

Основные характеристики устрой ств дл я получения информации.

Легкость преобразования сигнала
Возможность простой коммутации без потери точности информации
Унификация выходных сигналов

Создание цифровых измерительных преобразователей.
Создание измерительных преобразователей которые подключаются по двухпроводной системе.
Создание нормально-пассивных измерительных преобразователей.

Интеллектуальный датчик — наличие первых 3пунктов (см. выше).

Измерение температуры.

Методы измерения температуры: 1.Контактные. 2.Бесконтактные.

Температурные шкалы.

0 — замерзание соленой воды

96 — температура тела

0 — застывание воды, 100 — кипение воды
t = t ‘+ ( U — U ‘) ( t »- t ‘)

( U »- U ‘) Градуировка термометра: где: U ‘( t ‘=0), U »( t »=100).

0 — точка абсолютного нуля.

Х — тройная точка воды 273,16 К ;

Точка кипения воды 373,15 К

Образцовые средства измерения:

113,81 К — 903,89 К — Платиновый термометр сопротивлений.

903,89 К — 1337,58 К — Термопара.

свыше 1337,58 К — Спектральный пирометр.

Методы измерения температур :

Контактные : терморезисторный , термоэлектрический (термопара)

Бесконтактные : тепловизор , спектрометр

Принцип действия тепловизора :

Каждое нагретое тело испускает тепловое излучение, интенсивность и спектр которого зависят от свойств тела и его температуры. Принцип действия тепловизора сравнительно прост: инфракрасное (тепловое) излучение от исследуемого объекта через оптическую систему передается на приемник, представляющий собой неохлаждаемую матрицу термо-детекторов . Далее полученный видеосигнал, посредством электронного блока измерения, регистрации и математической обработки оцифровывается и отображается на экране компьютера или дисплее тепловизора .

Изменение сопротивления с изменением температуры. Их зависимость объясняется ТКС (температурный коэффициент сопротивления).

Требования для чувствительных элементов термопреобразователя:

· Значение ТКС должно иметь стабильную монотонную стабильность.

· ТКС должно быть большим значением

· Материал (физические и химические свойства материалов должны быть стабильными во всем диапазоне температур, устойчивость к неблагоприятным воздействиям внешней среды).

Платина: +стабильность хим. состава . — р еагирует с углеродом.

хим. инертность . в ысокая цена.

Медь: +линейная зависимость R от t . — сильно окисляется при высоких

дешевизна . т емпературах.

маленькое активное сопротивление.

Никель: +высокое значение ТКС. — сильно окисляется при высоких

высокое удельное сопротивление . т емпературах.

Термисторы, Позисторы: + высокое R . — нестабильность характеристики.

Классификация термопреобразователей сопротивления.

По виду чувствительного элемента:

Металлические
Полупроводниковые

2. По конструктивному исполнению:

Обычного исполнения
Пленочные

3. По степени инерционности:

Малоинерционные
Среднеинерционные
Инерционные

Измерения электрического сопротивления термопреобразователей сопротивления.

1. В делителе напряжения:

R н — постоянное ; Rt — сопротивление термопреобразователя

2.С помощью мостов (уравновешенных и неуравновешенных)

Схема термометра сопротивления.

Мы должны учитывать сопротивление подводящих проводов (они вносят погрешность).

Уравновешенный: В условиях равновесия потенциал точки b = потенциалу точки d . R2 — уравновешивает мост.

Сопротивление подводящих проводов при изменении t окружающей среды не влияет на точность измерения.

Неуравновешенный: вых. Сигнал на bd будет напряжение.

Измерение температуры термоэлектрическими преобразователями (термопары).

В основе лежит эффект Зеебека (термоэлектрический эффект).

Замкнутая цепь (2 разнородных проводника) возникает эл . т ок, если хотя бы 2 места соединения этих проводников имеют различную температуру.

1. Стабилизировать температуру опорного контакта (Т 0 ).

2. Удалить Т 0 как можно дальше от технологического процесса (для этого используют компенсационные провода).

Способы подборки удлинителей:

подбирают провода идентичные по термоэлектрическим свойствам термоэлектродам.
способ суммарной компенсации (удлинители должны иметь номинальные статические характеристики такие же как и термоэлектроды в небольшом интервале температур 0-100 С).

ab — питающая диагональ

cd — измерительная диагональ

на ab подается стабилизированное напряжение постоянного тока

R ₁, R ₂, R ₃ — материал Манганит

R ₄ — материал Медь

Мост в равновесии когда t _сопр _. R ₄=0 0 С. Чем больше отклонение от градуировочной t , тем больше разбаланс моста. На вершинах c и d возникает разность потенциалов которая ровна по величине и разная по знаку изменению термоЭДС термопары вызванному отклонением температур свободны концов от градуировочной .

2 способа соотношения термоЭДС и температуры:

1. Реализуется при размещении в памяти машины таблицы зависимости t — mV .

2. Аппроксимация температуры и ЭДС полиномиальной зависимостью.

Измерение температуры бесконтактными методами.

Конструкции и принцип действия пирометров.

Квазимонохроматические пирометры.

· Сравнения яркости излучения эталонного тела и объекта (оптические пирометры).

· Используется зависимость фотоэлемента менять фототок в зависимости от падающего излучения (фотоэлектрические пирометры).

оптический прибор :

— поддиапазон 800-1400

— поддиапазон 1400-2500

фотоэлектрический прибор: от комнатных температур до тыс. градусов.

Измерение давления и разряжения.

1. Электрические манометры сопротивления.

Принцип действия: измерение эл . с опротивления проводника в зависимости от измеряемого давления. Используется сплав манганит. Точность измерения зависит от точности измерения сопротивления.

2. Тензометрический преобразователь.

Принцип действия: преобразование усилия или деформации в изменение сопротивления проволочки. Принцип действия тензопреобразователей основан на явлении тензоэффекта в материалах. Чувствительным элементом служит мембрана с тензорезисторами , соединенными в мостовую схему. Под действием давления измеряемой среды мембрана прогибается, тензорезисторы меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста Уитстона . Разбаланс линейно зависит от степени деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Преимущества: 1. малая инерционность 2. высокий предел измерения.

Недостатки: 1. небольшая чувствительность.

3. Пьезоэлектрический манометр.

Принцип действия: способность материалов (сегнетова соль, титанат бария и др.) создавать эл . п оле под действием давления.

Недостатки: 1. воздействие температуры (до 500 0 С).

Конструкция датчика Метран.

Принцип действия: Сигнал перемещения с мембраны передается на тензопреобразователь — кремния на подложке из сапфира (КНС).

основание
крышечка
герметическая прокладка
мембрана
воздух
надмембранное пространство
структура КНС
выходной сигнал

Основные методы измерения расхода вещества.

Расход — количество вещества, протекающее через сечение за какое-то время.

Тахометрические устройства для измерения расхода.

В основе лежит турбинка , она вращается за счет энергии потока. Число оборотов пропорционально расходу.

1.1 Магнитоиндукционный способ.

Турбина из ферромагнитного материала находится в зоне постоянного магнита. Число импульсов пропорционально скорости вращения турбины.

1.2 Магнитоэлектрический способ.

Одна лопасть имеет полюс N , другая полюс S . Принцип магнитоэлектрического генератора. В обмотке наводится ЭДС, с частотой = частоте вращения турбины.

Принцип действия: оптический сигнал прерывается при вращении турбины.

Применение ультразвука при измерении расхода.

Для измерения расхода воды и водных растворов.

Принцип действия расходомера, счетчика воды: Измерение эффекта зависящего от расхода при прохождении акустических колебаний через поток воды. Почти все акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне, поэтому называются ультразвуковыми. Подразделяются на расходомеры, основанные на :

— перемещении ультразвуковых колебаний движущейся средой

Большое распространение получили расходомеры, счетчики воды, основанные на измерении разности времен прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против него.

Объем воды определяется по формуле: V=КнКм (1/t1-1/t2)T, где:

V — объем прошедшей воды, м3

Т — время работы счетчика воды, сек

t1— время распространения ультразвукового импульса по направлению потока, сек

t2 — время распространения против направления потока, сек

Кн — гидродинамический коэффициент

Км — коэффициент, учитывающий геометрию первичного преобразователя.

Как видно из формулы скорость ультразвука отсутствует в выражении. Переносной расходомер представляет собой накладные ультразвуковые датчики, которые устанавливаются на трубопровод. Параметры трубопровода (толщина стенки, диаметр трубопровода) и воды (температура) вводятся во вторичный преобразователь расхода.

— отсутствие движущих частей

— широкий диапазон диаметров

— есть энергонезависимая память

Измерение уровня. Электрические уровнемеры.

Положение уровня преобразуется в какой-либо электрический сигнал.

1. Емкостный уровнемер.

Построен на измерении электрической емкости плоского, цилиндрического конденсатора.

Емкость конденсатора зависит от E и Еж (среды)

Конденсаторные пластины покрыты специальными покрытиями ( вторпласт ).

— контактный способ измерения Еж

2. Омические уровнемеры.

Сигнализаторы уровня жидкости (дискретный сигнал).

Замыкание электроцепи источника питания через контролируемую среду (электропроводящая жидкость).

— невозможность применения в вязких, кристаллизующихся средах.

3. Радиоизотопные уровнемеры.

Принцип действия: проникающие гамма лучи.

Приемник излучения

SHAPE \* MERGEFORMAT Источник излучения

4. Ультразвуковые акустические уровнемеры.

Принцип действия: отражение сигнала от поверхности контакта и контроль времени прохождения сигнала.

Техническое решение. Специальные промежуточные отражатели

Инженерные решения. TSO 1 (для жидкостей)

TSO2 ( узконаправленная антенна)

5. Уровнемеры для сыпучих тел.

Принцип действия: измерение массы.

Измерение состава и параметров вещества.

Анализаторы — приборы для определения состава.

Газовые анализаторы. Методы для анализа газов (отбор пробы газа):

— тепловые и кинетические способы

— магнитные и термомагнитные

— спектрометрический метод анализа газа.

Термокондуктометрические газоанализаторы.

В основу положен метод зависимости коэф. теплопроводности различных веществ от температуры. Реализация данного метода:

Недостаток:

— Влага очень сильно влияет на газоанализатор.

Принцип действия основан на зависимости электрического сопротивления проводника, помещенного в камеру с анализируемой газовой смесью и нагреваемого током, от теплопроводности окружающей проводник смеси.

В современных кондуктометрических газоанализаторах часто используется мостовая схема, питающихся от сети переменного тока через трансформатор. Плечи моста выполнены из платины и заключены в стеклянные баллончики. Плечи R 1 и R 3 моста являются рабочими и омываются анализируемым газом. Плечи R 2 и R 4 находятся в среде, состав которой соответствует началу шкалы.

Термстатирование всего блока.
Напряжение питания должно быть стабилизировано.
Точно поддерживать расход газовой смеси.

08 семестр / Разное / Раздаточные материалы (pdf) / Тема 1

Тема 1. Основы проектирования информационных устройств План занятия 1. Основные понятия и определения 2. Датчики и их характеристики 3. Основы теории измерений 1. Основные понятия и определения Чувствительным элементом (ЧЭ) или первичным преобразователем , называется простейший элемент инфор- мационной системы, изменяющий свое состояние под действием внешнего возмущения. Примерами ЧЭ являются фотодиод, катушка индуктивности, тензорезистор. Датчик (измерительный преобразователь) представляет собой устройство , которое под воздействием измеряемой физической величины выдает эквивалентный сигнал (обычно электрической природы –– заряд, ток, напряжение или частоту), являющийся однозначной функцией измеряемой величины. Простейший датчик состоит из одного или нескольких первичных преобразователей и измерительной цепи . Большинство датчиков имеет внешний источник питания, а в качестве нагрузки может быть использован усилитель, измерительный прибор, блок сопряжения с компьютером и т. п. Информационная система –– система передачи и приема информации, включающая источник информации, передатчик, канал связи, приемник информации и источник помех. Состав информационной (сенсорной) системы

датчики различной модальности

согласующие элементы

коммутаторы

нормирующие усилители

интерфейсы

Генераторные датчики являются источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала. Это – термоэлектрические преобразователи; устройства, в основе функционирования которых лежат пиро- и пьезоэлектрические эффекты, явление электромагнитной индукции, фотоэффект, эффект Холла и др. В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняются некоторые параметры выходного импеданса. Импеданс датчика обусловлен геометрией и размером ЧЭ, а также электромагнитными свойствами материала: • удельным электросопротивлением ρ, • относительной магнитной проницаемостью μ, • относительной диэлектрической проницаемостью. Унифицированным преобразователем — трансмиттером — является датчик, имеющий нормированный диапазон сигнала на выходе. Международный стандарт DIN/VDE 26001, а также ГОСТ 26.011-80 устанавливает допустимые диапазоны унифицированных сигналов, а также вводят ограничения на величину сопротивления источников и приемников этих сигналов В робототехнике среди стандартных выходных сигналов унифицированных датчиков наиболее популярен сигнал напряжения 0 … 10 В, в промышленности — токовый сигнал 4 … 20 мА. Адаптивной называется система, которая может приспосабливаться к изменению внутренних и внешних условий. Простейшей адаптивной системой можно считать систему с обратной связью — следящую систему .

2. Датчики и их характеристики Математическое (или графическое) описание связи изменения выходного сигнала датчика в зависимости от изменения входного называется функцией преобразования датчика Функция преобразования датчика может быть как линейной, так и нелинейной

линейная	y =
логарифмическая	y =
экспоненциальная	y =
степенная	y =

Избирательностью k -го канала измерительной системы называется выражение вида: Для линейных систем избирательность характери- зуется коэффициентом влияния каналов:

Наряду с избирательностью часто используют тер-	Изменение сигналов на входе и выходе датчика ( а ) и его
мин селективность –– способность датчика выде-	функции преобразования ( б — г )
лять полезный сигнал на фоне посторонних воздей-

ствий (помех). В радиотехнике наиболее распространена частотная селективность. Чувствительность датчика — свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Абсолютная чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к абсолютному изменению измеряемой величины. Относительная чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к относительному изменению измеряемой величины. Порог чувствительности (пороговая чувствительность) — характеристика датчика в виде наименьшего значения изменения физической величины, измеряемое данным средством. Динамическую чувствительность можно определить лишь в случае, когда измеряемая величина x является периодической функцией и выходной сигнал y имеет ту же периодичность, что и x. Обычно измеряемый сигнал x не является гармонической функцией и сложным образом изменяется во времени. В этом случае функцию y ( t ) раскладывают в ряд Фурье: Зависимость динамической чувствительности от частоты сигнала представляет собой частотную характеристику датчика. Датчики первого порядка (например, свето- и фотодиоды) в своей структуре не содержат колеблющихся частей и характеризуются граничной частотой f г : Датчики второго порядка (например, пьезоэлектрические акселерометры) содержат в своей структуре колеблю- щиеся элементы и характеризуются собственной частотой f 0 и коэффициентом затухания : Частотные характеристики датчиков первого и второго порядков: Зависимость амплитуды датчика от его частоты представляет собой его амплитудно- частотную характеристику . Для датчиков первого порядка наклон АЧХ составляет — 20 дБ/дек, для датчиков второго порядка — 40 дБ/дек

Полоса пропускания В датчика –– это диапазон частот, в котором ординаты АЧХ уменьшаются относительно их максимального значения не более чем на 3 дБ Для датчика первого порядка Для датчика второго порядка Обычно диапазон частот входных воздействий датчика выбирают либо значительно ниже , либо выше собственной частоты f 0 Датчик называется линейным в некотором диапазоне измеряемой величины x , если его чувствительность не зависит от значения этой величины. В динамическом режиме линейность датчика зависит от чувствительности в статическом режиме S (0) и от параметров частотной характеристики f г , f 0 и . На практике линейность датчика определяют по его градуировочной характеристике . Эту характеристику снимают экспериментальным путем, причем распределение экспериментальных данных аппроксимируют уравнением некоторой прямой, используя метод наименьших квадратов. Основные параметры градуировочной характеристики: гистерезис (разность значений выходного сигнала для одного и того же значения входной величины при ее возрастании и убывании), мертвая зона (нечувствительность в некотором диапазоне входных величин) насыщение (значительное отклонение от линейности при значениях входной величины, большей некоторого значения). Быстродействие –– это параметр датчика, позволяющий оценить, как выходной сигнал следует во времени за изменением измеряемой величины Параметр, используемый для количественного описания быстродействия, называется временем установления t уст –– это интервал времени, который должен пройти после приложения ступенчатого сигнала, для того чтобы сигнал на выходе датчика достиг уровня, отличающегося от входного не более чем на заданную величину . Переходная функция h ( t ) — в теории управления реакция динамической сис- темы на входное воздействие в виде функции Хевисайда . Зная переходную функцию (характеристику), можно определить реакцию системы y ( t ) на произвольное входное воздействие x ( t ) с помощью интеграла ДюамеляКарсона: Электрическим аналогом датчика можно считать последовательный RLC -контур Переходные характеристики ( б ) для различных значений активного сопротивления в электрической цепи ( а ) Время установления t уст датчика можно определить по графику переходного процесса Для датчиков первого порядка Для датчиков второго порядка Переходные функции датчиков первого ( а ) и второго ( б ) порядка На быстродействие датчика также влияют факторы, не связанные с ним непосредственно, например окружающая среда. Декремент затухания (не путать с коэффициентом затухания ) –– величина, обратная числу колебаний, по истечении которых максимальное значение амплитуды убывает в е раз:

3. Основы теории измерений В теории управления понятия измерение и информация связаны с представлениями о неопределенности и энтропии . Измерение –– процесс устранения некоторой части неопределенности в системе в процессе получения информации. Информация –– сообщения, получаемые системой из внешнего мира при адаптивном управлении (приспособлении, самосохранении системы управления). Согласно Шеннону, количество информации I , полученной при измерении определяется как разность неопределенностей до и после проведения измерения: Неопределенность результата измерений характеризуется стандартным отклонением и доверительным интер- валом . Стандартное (среднеквадратичное) отклонение — наиболее распространенный показатель рассеивания значений случайной величины относительно её математического ожидания. Доверительный интервал –– это интервал, построенный с помощью случайной выборки из распределения с неизвестным параметром, такой, что он содержит данный параметр с заданной вероятностью . Погрешность прибора — разность между показаниями данного прибора и действительным значением измеряемой величины, которая вычисляется или определяется по эталону В метрологии погрешность прибора (датчика) определяют через реальную и номинальную функции преобразования. Реальная функция преобразования является полной харак- теристикой датчика и сложной функцией измеряемого параметра; ее вид зависит от множества влияющих факторов. Номинальная функция преобразования –– это функция, приписываемая датчику и приближенно выражающая зави-

симость информативного параметра на выходе от значений
измеряемого параметра.
Объективное свойство измерителя, связанное с различием реальной и
	номинальной функций преобразования, называется погрешностью .	Реальная и номинальная функции преоб-
Датчик характеризуется диапазоном измерения или динамическим	разования
диапазоном .

Диапазоном измеряемых значений (в зарубежной литературе –– FS ) называется динамический диапазон внешних воздействий, который может воспринять датчик. Численно он приблизительно соответствует максимальному значению входного сигнала. Диапазоном выходных значений ( FSO ) называется разность между выходными сигналами датчика, полученными при максимальном и минимальном внешнем воздействии. Для датчиков с нелинейной функцией преобразования диапазоны измеряемых и выходных значений часто выражают логарифмическими единицами – децибелами . Под термином « динамический диапазон измерения » или «диапазон преобразования» часто понимают отношение (или логарифм отношения) максимально возможного значения измеряемой величины к минимально возможному, определяемому уровнем собственных шумов или внешних помех . Классификация погрешностей

по способу выражения (		)
по функции преобразования		)
			(
по форме проявления (	)

Аддитивная ( а ) и мультипликативная ( б ) погрешности датчика Функция преобразования датчика при наличии погрешности имеет вид Относительная аддитивная погрешность определяет порог чувствительности или разрешающую способность датчика. Аддитивная погрешность часто называется « погрешностью нуля ».

Систематической называется погрешность, имеющая детерминированную функциональную связь с вызывающим ее источником, при этом как сама функция, так и ее аргумент известны. Случайной является погрешность, появление которой происходит со случайной амплитудой и фазой. Причины ее возникновения могут быть ясны, однако значение в момент измерений неизвестно.

Способы компенсации погрешностей
систематической (		)
случайной (	)

Пример компенсации температурной систематической погрешности (для датчика с металлическими ЧЭ) Для устранения случайной погрешности применяют схемотехнические решения (симметричные дифференциальные схемы), а также корреляционные методы обработки результатов. Если же ее устранить не удается, используют статистическую обработку результатов измерений для определения наиболее вероятного значения измеренной величины и погрешности датчика. Результаты измерений и их расхождение характеризуют следующие показатели: математическое ожидание средняя квадратическая погрешность дисперсия Если погрешности различных измерений независимы между собой, то вероятность их появления описывается нормальным (Гауссовым) распределением Р(у) При этом, наиболее вероятное значение y = y ср , а вероятность попадания результатов измерения в заданные пределы составляет:

Зависимость формы распределения Гаусса
	Интегральные оценки точности		от среднеквадратичного отклонения

Постоянство датчика –– это такое его свойство, для которого характерна малая случайная погрешность. В этом случае обеспечивается высокая сходимость результатов измерений. Правильностью называется способность датчика выдавать результат с малой систематической погрешностью. (Наиболее вероятное значение измеряемой величины близко к истинному.) Точность обозначает способность датчика выдавать результаты, индивидуально близкие к истинному значению измеряемой величины. Высокие постоянство и правильность датчика обеспечиваются одновременно.

Кривые распределения выходной величины, характеризующие постоянство ( а ), правильность (б) и точность ( в ) датчика

Датчик

Датчик (англ. Sensor от лат. sensus — ощущение ) — устройство, воспринимающее внешние воздействия и преобразующее их в изменение электрического сигнала или других выходных данных, которые оцениваются визуально или передаются в управляющее или измерительное устройство [1] . В качестве внешних воздействий могут быть механические перемещения, интенсивность света, температура, расстояние, давление, влажность и так далее.

По типу выходной величины датчики можно разделить на неэлектрические и электрические. Классическими примерами неэлектрических датчиков являются лабораторные термометры, механические барометры, пружинные весы и тому подобные устройства.

Большинство датчиков являются электрическими и в дальнейшем рассматривается именно этот тип датчиков, опуская слово «электрический».

В зависимости от типа датчика его выходными данными могут быть напряжение, ток, сопротивление или другие электрические величины [2] .

Датчики широко используются в самых разных областях человеческой деятельности — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях, являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.

В промышленных автоматизированных системах управления датчики играют роль инициирующих устройств, информирующих систему о состоянии параметров объекта и необходимости производить те или иные действия в соответствии с заданным алгоритмом. В случае использования человеко-машинного интерфейса, являющегося частью SCADA-системы, показания датчиков в том или ином виде выводятся на экраны диспетчерских компьютеров, информируя операторов о состоянии технологического процесса.

Классификация датчиков

Датчики могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

принцип действия;
характер выходного сигнала;
тип чувствительного элемента;
число выполняемых функций;
количество входных величин и пр.

Классификация по принципу действия

По принципу действия датчики можно разделить на два класса:

Активные (генераторные), осуществляющие непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Таковыми являются, например, термопары, содержащие два проводника различной химической природы. При нагревании спай термопары является местом возникновения термо-ЭДС. В датчике с пьезоэлектрическим эффектом механическое воздействие на кристалл (обычно кварца) приводит к его деформации и появлению на противоположных поверхностях кристалла электрических зарядов противоположного знака. В датчиках, использующих фотоэлектрические эффекты, общим является генерирование носителей электрических зарядов под действием света [3] . Поскольку сигнал на выходе датчиков такого типа мал, применяют специальные усилительные устройства, приводящие его к стандартному уровню напряжения или тока. Обычно это (0—10) В или (4—20) мА.
Пассивные (параметрические) датчики преобразуют входную величину в изменение какого-либо электрического параметра, измерение которого возможно лишь при включении датчика в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала; к таковым относятся потенциометрические, ёмкостные и индуктивные датчики [4] .

Классификация по характеру выходного сигнала

По характеру выходного сигнала можно привести следующую классификацию датчиков [5] :

Дискретные (бинарные) датчики. Это в основном нажимные контактные датчики с двумя состояниями выхода — «включено/выключено», а также пороговые датчики — компараторы (от лат. comparare — сравнивать );
Аналоговые датчики. Это устройства, регистрирующие мгновенное значение изменяющегося во времени внешнего воздействия. Таковыми являются, например, датчики давления или температуры;
Импульсные датчики. К таковым относятся устройства, на выходе которых формируется последовательность импульсов. Это, в основном, оптические датчики угла поворота (энкодеры) или линейного перемещения, а также разнообразные датчики расхода и измерения скорости потока с импульсным выходным сигналом;
Цифровые датчики — это составные устройства с аналоговым входом и встроенным аналого-цифровым преобразователем. Эти датчики генерируют дискретные выходные сигналы, представленные в числовом формате. Полученные данные могут быть прочитаны цифровой системой регистрации или управления и обработаны соответствующим образом [6] .

Классификация по типу чувствительного элемента

Датчики, основанные на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Зеебека). Самым распространённым датчиком такого типа является термопара — устройство в виде пары проводников из разнородных электрических проводников, соединённых на одном конце в виде спая и образующих электрический переход. Предназначены для измерения температуры;
Полупроводниковые термометры. Основаны на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещённом в прямом направлении. Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики такого типа встраиваются в микропроцессоры и микроконтроллеры [7] ;
Ёмкостные датчики. Конструктивно датчики этого типа выполнены так, что внешнее воздействие приводит к изменению ёмкостиконденсатора. Конденсатор может представлять собой разделенные диэлектриком пластины, между которыми меняются расстояние, площадь взаимного перекрытия либо изменяется свойство диэлектрика[8] . Другая разновидность ёмкостного датчика — одна из пластин конденсатора является конструктивом датчика, а вторая внешним объектом (пальцем, касающимся сенсорного экрана или деталью на движущемся конвейере). В этом случае конденсатор формируется динамически;
Потенциометрические датчики. В общем случае потенциометрический датчик представляет собой обмотку или полосу из материала с высоким электрическим сопротивлением (как правило, выполненную в виде неподвижного элемента конструкции), на которую подается питающее напряжение, и подвижного контакта, с которого снимается выходной сигнал;
Индуктивные датчики. Эти датчики представляют собой встроенную катушку индуктивности с пропускаемым по ней переменным ток от внутреннего генератора, создающей вокруг себя магнитное поле. При внесении в активную зону датчика металлического, магнитного или ферромагнитного материала происходит изменение индуктивности катушки и, как следствие, изменение её индуктивного сопротивления [9] ;
Оптические датчики (фотодатчики) представляют собой оптическое электронное устройство, в котором используются различные типы фотодетекторов — фотодиодов, фоторезисторов;
Магнитоэлектрические датчики, принцип работы которых основан на эффекте Холла — возникновении напряжения на гранях помещённой в магнитное поле пластины с протекающим по ней постоянным током. Возникающее при этом напряжение прямо пропорционально напряжённости магнитного поля. Этот метод используется в тех случаях, когда надо производить измерения бесконтактным способом (например, больших токов в подводящих силовых шинах или жилах кабелей, или измерение скорости вращающихся механизмов в труднодоступных местах) [10] ;
Пьезоэлектрические датчики используют пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах, когда на стороне, противоположной приложенному механическому усилию, возникает электрический заряд, пропорциональный величине усилия. Устройства этого типа относятся к активным датчикам [11] ;
Тензометрические датчики также преобразуют величину деформации в электрический сигнал, и представляют собой резистивные элементы, электрическое сопротивление которых изменяется при растяжении или сжатии, то есть это датчики параметрического типа. Используются тензометрические датчики в основном в устройствах для измерения приложенной силы или определения веса [11] ;
Волоконно-оптические датчики. Общий принцип таких устройств заключается в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передаётся через оптическое волокно, испытывая слабое изменение параметров света в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках под воздействием температуры или механического напряжения. В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:
- датчики состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют подводки электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким электрическим напряжением;
- датчики можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, поскольку отсутствует риск возникновения электрической искры, даже в случае поломки датчика;
- датчики не подвержены влиянию электромагнитных помех (даже вблизи разряда молнии) и сами по себе не электризуют другие устройства;
- датчики могут быть изготовлены из химически инертных материалов, что исключает загрязнение окружающей среды и коррозию датчиков;
- у датчиков очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больший, чем у электронных устройств) [12] .
Кроме вышеперечисленных типов датчиков существуют датчики температуры, работающие в диапазоне инфракрасного излучения, детекторы ионизирующих излучений, газоанализаторы, радиоволновые и электрохимические датчики.
Динамические характеристики датчика

В стационарных условиях датчик полностью описывается своей передаточной функцией, диапазоном измеряемых значений,калибровочными коэффициентами и т.д. Однакона практике выходной сигнал датчика не всегда достаточно точно отслеживает изменение внешнего сигнала. Причины: инерционностьсамого датчика и особенности егосоединения с источником внешних воздействий, не позволяющая сигналам распространяться с бесконечно большойскоростью.

Динамические характеристики— параметры датчика, зависящие от времени.
Динамические погрешности – погрешность датчика из-за ограниченности его быстродействия.Отличие между статическими и динамическими погрешностями — последние всегда зависят от времени.Если датчик входит в составизмерительного комплекса, обладающего определенными динамическими характеристиками, внесениедополнительных динамических погрешностей может привести, в лучшем случае, к задержке отображенияреального значения внешнего воздействия, а, в худшем случае, — к возникновению колебаний.

Время разогрева —время междуподачей на датчик электрического напряжения или сигнала возбуждения и моментом, когда датчикначинает работать, обеспечиваятребуемую точность измерений. Многие датчики обладают несущественным временем разогрева. Однако некоторыедетекторы, особенно работающие в устройствах с контролируемой температурой(термостатах), для своего разогрева требуют секунды, а то и минуты.
В теории автоматическогоуправления (ТАУ) принято описывать взаимосвязь междувходами и выходами устройства в виде линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Очевидно, чтопри решении таких уравнений можно определить динамические характеристикиустройства. В зависимости от конструкцийдатчиков, уравнения, описывающие их, могут иметь разный порядок.

Датчики нулевого порядка — имеют линейную передаточную функцию и могут быть описаны следующейзависимостью от времени:

Коэффициент а называется смещением, b— статической чувствительностью. Из вида уравнения видно, что оноописывает датчики в состав которых не входят энергонакопительные элементы, такие какконденсаторы или массы. Датчики нулевого порядка относятся к устройствам мгновенного действия.Иными словами, у таких датчиков нет необходимости определять динамическиехарактеристики.

Датчики первого порядка — содержат один энергонакопительный элемент ихарактеризуется уравнением вида:

Типичный пример датчика первогопорядка — датчик температуры, в котором роль энергонакопительного элемента играет теплоемкость.Дляописания датчиков первого порядка существуетнесколько способов.

Частотная характеристика — наиболее часто используемый способ описания инерционностидатчиков — показывающая насколько быстродатчик может среагировать на изменение внешнего воздействия.

Дляотображения относительногоуменьшения выходного сигнала при увеличении частоты применяетсяамплитудно-частотная характеристика. Для описания динамических характеристик датчиков частоиспользуется граничная частота,соответствующая 3-дБ снижению выходного сигнала, показывающая на какой частоте происходит 30%уменьшение выходного напряжения или тока.

Частотные характеристики:
А — частотнаяхарактеристика датчика первогопорядка,
Б — частотная характеристика датчика с ограничениями по верхней и нижней частоте среза, где ?u и ?r -соответствующие постоянные времени

Эта граничная частота называется верхней частотой среза,считается предельнойчастотой работы датчика.

Быстродействие датчика – скорость его реакции, выражаемаяв единицах внешнего воздействия на единицу времени. Способ описания: АЧХ или быстродействие, зависит от типа датчика, областиприменения и предпочтений разработчика.

Другой способ описания быстродействиязаключается в определении времени, требуемого для достижения выходным сигналомдатчика уровня 90% от стационарногоили максимального значения при подаче на его вход ступенчатого внешнеговоздействия.

Постоянная времени — мера инерционностидатчика. Широко используется для датчиков первого порядка.Втерминах электрических величин она равна произведению емкости на сопротивление: ? = CR. В тепловых терминах под С и R понимаются теплоемкость и тепловоесопротивление. Как правило, постоянная времени довольно легко измеряется. Временная зависимостьсистемы первого порядкаимеет вид:

где Sm — установившееся значение выходногосигнала, t — время, а e — основание натурального логарифма. Заменяя tна ?, получаем:

Т.е. поистечении времени, равного постоянной времени, выходной сигнал датчика достигает уровня,составляющего приблизительно 63% от установившегося значения. Аналогично можно показать, что поистечении времени, равного двум постоянным времени, уровень выходного сигналасоставит 86.5%, а после трех постоянных времени — 95%.

Частота среза – наименьшая или наибольшая частота внешних воздействий, которую датчик можетвоспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик реагирует навнешнее воздействие, а нижняя частота среза -с каким самым медленным сигналом он может работать. На практике для установления связи между постоянной времени датчика первого порядка и его частотой среза fc, как верхней так и нижней, используют простую формулу:

Фазовый сдвиг — на определенной частоте показывает насколько выходнойсигнал отстает от внешнего воздействия. Сдвиг измеряется либо в градусах, либов радианах и обычно указывается для датчиков, работающих с периодическимисигналами. Если датчик входит в состав измерительной системы с обратными связями, всегда необходимо знать его фазовыехарактеристики. Фазовый сдвиг датчика можетснизить запас по фазе всей системы в целом и привести к возникновению нестабильности.

Датчики второгопорядка описывают поведение датчиков с двумя энергонакопительными элементами(и описываются дифференциальными уравнениями второго порядка):

Примером датчика второго порядка является акселерометр, всостав которого входитмасса и пружина.Навыходах датчиков второго порядка после подачи на их входы ступенчатого воздействия практически всегдапоявляются колебания. Эти колебания могут быть очень кратковременными, тогда говорят, что датчикдемпфирован, или могут длиться продолжительное время, а то и постоянно. Продолжительные колебанияна выходе датчикаявляются свидетельством его неправильной работы.

Резонансная(собственная) частота – частота датчика второго порядкавыражается в герцах или радианах в секунду. На собственной частоте происходит значительное увеличение выходного сигналадатчика. Обычно производители указываютзначение собственной частоты датчика и его коэффициент затухания (демпфирования). От резонансной частотызависят механические, тепловые и электрические свойства детекторов. Обычнорабочий частотный диапазон датчиков выбирается либо значительно нижесобственной частоты (по крайней мере на 60%), либо выше ее. Однако для некоторых типов датчиков резонансная частотаявляется рабочей. Например, детекторыразрушения стекла, используемые в охранных системах, настраиваются на узкую полосу частот в зоне частоты резонанса,характерную для акустическогоспектра, производимого разбивающимся стеклом.

Демпфирование — это значительное снижение или подавление колебаний в датчиках второго и более высоких порядков. Когдавыходной сигнал устанавливается достаточнобыстро и не выходит за пределы стационарного значения, говорят, что система обладает критическим затуханием, а ее коэффициентдемпфирования равен 1. Когдакоэффициент затухания меньше 1, и выходной сигнал превышает установившееся значение, говорят, что системанедодемфирована. А когда коэффициент затухания больше 1, и сигналустанавливается гораздо медленнее, чем в системес критическим затуханием, говорят, что система передемпфирована.

Дляколебательного выходного сигнала коэффициент затухания или демпфирования определяетсяабсолютным значением отношения большей амплитуды к меньшей пары последовательновзятых полуволн колебанийотносительно установившегося значения, т.е. можно записать: коэффициент демпфирования =F/A = A/B = B/C=….

Возможные варианты выходных сигналовдатчиков в ответ на ступенчатое внешнее воздействие.
Варианты выходныхсигналов:
А — бесконечные верхняя и нижние частоты,
В- система первого порядка с ограниченной верхнейчастотой среза,
С — система первого порядка с ограниченной нижней частотой среза,
D — система первого порядка с ограниченными верхней и нижней частотамисреза,
Е — система с узкой полосой частот (резонанснаясистема),
F — широкополосная система с резонансом.

Популярное
- Проектирование АСУТП. Книга 2. Методическое пособие
- П-, ПИ-, ПД-, ПИД — регуляторы
- В мире АСУТП
- Показатели качества процесса управления
- Типовые звенья систем регулирования
- Законы регулирования: П, ПИ, ПИД
- Первичные преобразователи. Датчики
- Определение параметров переходных характеристик
- Передаточная функция
- Сигналы и стандарты
- Классификация систем автоматического регулирования
- Стадии и этапы создания АСУТП
Похожие публикации:

Зависимость выходного сигнала датчика от воздействия измеряемой величины называется