Измерительные преобразователи

Одним из основных положений современной теории измерительных устройств является положение об измерительном преобразователе. В соответствии с ним измерение рассматривается как процесс приема и преобразования измерительной информации об измеряемой величине. Структуру измерительных устройств в связи с этим представляют в виде совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих функциональные измерительные преобразования сигналов различной физической природы.

Определения терминов «измерительный преобразователь», «первичный измерительный преобразователь», «датчик» приведены в РМГ 29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения» в разделе 6 «Средства измерительной техники».

Измерительный преобразователь – техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи.

Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.

По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи.

Измерительная цепь – совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Примеры: терморезистор, фотоэлемент. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей. Пример: ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемого объекта.

Промежуточный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

По другим признакам различают также:

Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения измерительного сигнала в заданное число раз.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Примеры: датчик температуры, датчик силы, датчик перемещения. Датчик, используемый в области измерений ионизирующих излучений, называют детектором.

В боль­шинстве случаев сам датчик представляет собой конструктивную сово­купность одного или нескольких измерительных преобразователей (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктив­ных элементов, предназначенную для измерения (контроля) кон­кретной физической величины и выполненную в виде единой кон­струкции. В этом случае входящий в состав датчика измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, называют в некоторых случаях чувствительным элементом.

По РМГ 29-99 чувствительный элемент— это часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

В ряде случаев четкую границу между терминами «первичный измерительный преобразователь», «датчик», «чувствительный элемент» провести достаточно трудно. Все зависит от измерительной задачи, выбранных типа и конструкции датчика и т.д.

Выход­ные сигналы датчиков в общем случае могут быть электрическими, пневматиче­скими, гидравлическими и др. В современных измерительных системах, как правило, используют датчики с электрическим выходным сиг­налом, так как электроизмерительные схемы имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлически­ми и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов измерений в форме, удоб­ной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие, при наличии программирующего устройства, опера­тивно перестраивать структуру измерительных каналов.

Для преобразования измеряемых величин в удобную для передачи и восприятия форму используются различные физические явления, обладающие достаточно строгими закономерностями, например, тензорезистивный и пьезоэлектрический эффекты, эффекты изменения электрической емкости, омического сопротивления, электромагнитные явления и т.д.

Механические величины, для контроля которых используются измерительные преобразователи, можно классифицировать по группам, например, как приведено ниже.

1) Линейные и угловые размеры, геометрические параметры профилей и шероховатостей поверхностей, уровни сыпучих веществ и жидкостей в различных сосудах (баках, танкерах, паровых котлах и т. п.), перемещения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали, па­раметры износа трущихся частей различных механизмов, биения валов, расстояния и т. д.

Диапазон, охватываемый величинами этой, группы, прости­рается от долей микрона до тысяч метров, т. е. составляет при­мерно десять порядков. Диапазон угловых размеров равен 3— 4 порядкам.

2) Различного рода силовые воздей­ствия. Это механические напряжения в деталях и конструкциях машин и сооружений, силы, крутящие моменты, давления жидко­стей и газов, акустические шумы, разности давлений и т. п.

Диапазоны значений величин этой группы, как правило, весьма широки. Например, в вакуумной технике приходится измерять давления до 1,3-10^-8 Па, а в технике высоких давлений до 10⁸ Па и выше, следовательно, диапазон давлений охватывает ~16 порядков. Примерно такой же диапазон занимают значения сил, встречающихся в технике и научных исследованиях.

3) Так назы­ваемые параметры движения. Это перемещения объектов в про­странстве, линейные и угловые скорости и ускорения перемеще­ний. Значения параметров этой группы могут достигать астроно­мических цифр (космические расстояния и скорости). В эту группу входят также параметры вибраций (вибрационные перемещения, скорости и ускорения), скорости вращения валов и т. д.

Кроме перечисленных, измеряемые величины могут характеризовать свойства вещества (концентрация, pH-уровень, влажность и др.), электрические процессы (ток, напряжение, мощность), оптические параметры и т.д.

Приведенные примеры говорят о том, что существует множество типов и модификаций датчиков, отли­чающихся принципами действия, разными вариантами выполнения схемы и конструкции.

Все датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные и параметрические.

В генераторных датчиках осуществляется преобразо­вание измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). К таким датчикам относятся:

пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин: и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кри­сталлу упруго деформирующих сил;

индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электри­ческом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;

фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;

термоэлектрические датчики (термопары), использующие явле­ние термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термо­пары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свобод­ного спаев;

датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, воз­никающему на границе различных электродов, опущенных в конт­ролируемый раствор;

гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС галь­ванического элемента от состава и концентрации растворов элект­ролитов.

В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи — сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внеш­него источника электрической энергии. К таким датчикам отно­сятся:

емкостные датчики, использующие зависимость электрической, емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;

электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков — индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие: индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердеч­ника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнитопровода. Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздейст­вием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнит­ной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воз­действием приложенных к ним механических сил или напряжений;

электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра;

потенциометрические (реостатные) датчики, использующие за­висимость сопротивления реостата от положения его движка, ко­торый может перемещаться под воздействием контролируемого па­раметра;

жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия которых основан.на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента;

тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от ма­териала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фоль­говые) и полупроводниковые;

датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия;

магнитомодуляционные датчики, представляющие собой устрой­ства, содержащие магнитную систему и магнитометр, при взаим­ном перемещении которых меняется напряженность магнитного поля| пронизывающего магнитометр, и, соответственно, выходной сигнал;

датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства изменять свое сопротивление соответственно в зависимости от тем­пературы, механического напряжения, освещенности и т. д.

К основным характеристикам первичных измерительных преобразователей относятся:

· Входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком;

· Выходная величина, используемая для передачи информации; она обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и др.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).;

· Статическая характеристика датчика. Для каждого измерительного преобразователя можно установить связь между выходной и входной величинами:

Математическое или графическое описание этой связи называется функцией преобразования измерительного преобразователя (или для датчика в целом - функцией преобразования датчика)

Отношение изменения выходной величины DY к соответствующему изменению входной величины DX называется чувствительностью датчика:

S = DY / DX

В общем случае, если функция преобразования нелиней­на, отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины для любого Xi определяется коэффициентом преобразования

Кi = DYi / DXi ,

а чувствительность является функцией входной вели­чины.

Если зависимость между выходной и входной величинами является линейной, то чувствительность преобразователя не зависит от входной величины:

Y = SX ,

В этом случае чувствительность и коэффициент преобразования равны, поэтому для линейных датчиков используют как термин «чувствительность», так и термин «коэффициент преобразования».

Датчик, выполненный в соответствии с приведенной ниже структурной схемой, называется датчиком прямого преобразования. Чувстви­тельность такого датчика определяется произведением чувствительностей отдельных преобразователей:

S = S₁ S₂ … S_n-1 S_n

и может быть найдена для линейной функции преобразования как отношение выходной величины датчика к входной:

S = Y / X

Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации характеристик датчиков, используют различные методы, например, усилители-линеаризаторы, программные методы и др.

Наряду с линейными широкое распространение нашли датчики с различными релейными характеристиками.

· Динамическая характеристика датчика описывает поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков могут быть определены передаточными функциями, переходными, импульсно-переходными (весовыми), амплитудно-частотными, амплитудно-фазовыми и другими характеристиками.

· Порог чувствительности датчика — это минимальное изменение входной величины, вызывающее заметно различимое изменение выходного сигнала.

· Основная погрешность датчика — максимальная разность между получаемой в нормальных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах. В последнем случае погрешность обычно относят к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах (класс точности).

· Дополнительные погрешности датчика — погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, температурная погрешность — 1,5 % на 10 ⁰С).

Структурная схема датчика в наиболее простых случаях вклю­чает в себя один или два элементарных преобразователя. В про­стейшем случае он может состоять только из одного преобразова­теля (рис. 1,а), осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую величину U. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию X измеряемого параметра и преобра­зующего ее в промежуточную неэлектрическую величину Х1, и пре­образователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины Х{ в элект­рический сигнал U (рис. 1, б). В отдельных случаях между чувст­вительным элементом и преобразователем располагается переда­точный механизм или несколько промежуточных преобразовате­лей (структура каскадного соединения, рис, 1,в). Часто встреча­ются более сложные структуры: дифференциальная схема (рис. 1,г), например, в индуктивных датчиках давления, и ком­пенсационная схема (рис. 1,д), например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений.

В более общем виде подавляющее большинство датчиков не­электрических параметров можно представить обобщенной струк­турной схемой (см.рис.1). Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал U3. Например, в некоторых тензометрических датчиках электриче­ская схема служит для преобразования электрического сопротив­ления тензорезистора в постоянное напряжение.

Рис. 1 – Структурные схемы основных типов датчиков: а — структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары), состоя­щего только из одного преобразователя; б — структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выход­ного преобразователя 2; в — схема каскадного соединения (3 — промежуточный преобра­зователь); г — дифференциальная схема (4 — вычитающий элемент); д — компенсацион­ная схема (5 — усилитель; 6 — генератор компенсирующей величины); е — обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины: ЧЭ — упругий чувствительный эле­мент (первичный преобразователь); ПМ — передаточный механизм (промежуточный преобразователь); ПНЭ — преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС — электрическая схема (вторичный преобразователь); Х_в9, Х_а в У₈ — соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выход­ной электрический сигналы