Техника первичных измерительных преобразователей (датчиков).

Автор:

Валов О. П.  «Автоматизация сбора и первичной обработки информации». Учебное пособие по дисциплине «Системы реального времени» для студентов спец. 230102(2202). РИО КГТУ.2002г.
Ссылки на цитирование в eLiBRARY: https://elibrary.ru/defaultx.asp

В основе организации автоматической системы ввода данных лежит применение датчиков входной информации с электрическим выходом и последующим преобразованием электрического сигнала в цифровую форму. Так как основные характеристики датчиков являются определяющими для системы сбора данных и систем управления, работающих в реальном масштабе времени, то только они и представляют интерес.

В настоящее время существует примерно следующее распределение доли различных физических величин, измеряемых в промышленности: температура( ) – 50%, расход (массовый, объемный)( ) –15%, давление (Р) – 10%, уровень – 5%, количество (массовый, объемный)(V) – 5%, время(t) – 4%, электрические и магнитные величины (ЭМ) - менее 5%.

Отсюда видно ,что подавляющее число измерений представляет собой измерения неэлектрических величин. При этом представляет интерес также абсолютный объем выполняемых измерений. Так на атомной электростанции среднего размера имеется около 3000 точек измерений различных физических величин. На крупном предприятии химической промышленности только для измерения температур имеется около 2000 точек измерений. Космическая система Шаттл – 300000 датчиков.

Таким образом основную долю составляют измерения неэлектрических величин, которые с помощью множества физических явлений и эффектов, могут быть преобразованы в электрические.

Физические явления и преобразования энергии на их основе.

Эффект,явление,св-во.	Физическая сущность преобразования.
Теплопрводность (тепловая энергия физ. св- ва )   Тепловое излучение (тепловая инфра-красное излучение)   Эффект Зеебека (1870-1831 нем) (тем-ра электрич-во)   Эффект Пелтье (1748-1845 нем.) (Э тепловая энергия)     Пироэлектрический эф-т (тем-ра электр-во)   Термоэлектронный эф-т (тепловая эн-я эл-во)     Эффект Томсона (1824-1907 англ) (тем-ра теплов.эн-я)	Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область более низкой температуры.   Оптическое излучение при повышении температуры объекта.   Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев. На ЭЗ реализованы термопары.     Поглощение или генерация тепловой энергии при электрическом токе в цепи с биметаллическим соединением (один нагревается, др.охлаждается). На ЭП работают малогабаритные холодильники.     Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры.     Испускание электронов при нагревании металла в вакууме .   Генерация или поглощение (в зависимости от направления тока) тепловой энергии в электрической цепи из однородного материала при различных температурах участков цепи (открыт в 1856 году)
Фотогальванический эффект (свет - электричество)   Эф-т фотопроводимости (свет - сопротивление)   Эффект Зеемана(1865-1943 голланд). (свет, магнетизм - спектр)   Эффект Римана (свет свет)   Эффект Поккельса (нем.)   Эффект Керра (1824-1907 Шотландия)     Эффект Фарадея (1791-1867 англ.) (свет магнетизм свет)	Появление свободных электронов и положительных дырок (возникновение ЭДС) в облучаемом светом p-n переходе.     Изменение электрического сопротивления полупроводника при его облучении светом .     Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле (используется в лазерах). (открыт в 1896 году)     Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического.   Появление электрических зарядов на гранях кристаллов при их деформациях – сжатии, растяжении (кристаллы нелинейны и лишены центра симметрии). Обратный ПЭ – деформации кристалла под воздействием внешнего электрического поля (открыт в 1884 году)     Расщепление светового луча на поляризованный и неполяризованный в изотропном веществе с приложенным к нему электрическим напряжением в перпендикулярном лучу направлении. (использ. в системах управления световыми потоками с помощью элек-го поля, быстродействующие оптические затворы 10 нс – Керра, двойное преломление луча).   Поворот плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитные вещества ( вдоль магнитно силовых линий).
Эффект Холла (1855-1938 америк) (магнит.+ Э Э)   Магнитосопротивление (магнетизм сопр-е)   Магнитострикция	Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электрического тока и приложении магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока.   Увеличение электрического сопротивления твердого тела в магнитном поле (обусловлено искривлением в магнитном поле траектории носителей заряда).   Деформация ферромагнитного тела, помещенного в магнитное поле (магнит + лат.strictio – сжатие). Обратное по отношению к магнитострикции явление - эффект Виллари.
Пьезоэлектрический эф-фект Э   Тензометрический эффект	Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением.   Изменение электрического сопротивления проводника в результате его деформации.

В соответствии с измеряемым параметром удобно разделить существующие датчики на группы:

- измерения температуры;

- параметров движения;

- измерения угловых и линейных величин;

- усилий, крутящихся моментов, давлений, напряжений.

В зависимости от требуемой точности измерения используют различные принципы построения преобразователей физических величин в электрические. Необходимость преобразования неэлектрической величины в электрическую обуславливается следующими достоинствами электрических измерений:

- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

- электрические величины легко преобразуются в цифровой код;

- электрические измерения позволяют достигнуть высокой точности чувствительности и быстродействия средств измерений.

Однако среди датчиков далеко не все построены на основе прямого преобразования того или иного физического явления в электрические сигналы. Во многих датчиках необходимы еще дополнительные преобразования. Датчики подобного типа реализуют косвенное преобразование.