Пример использования СКВ-метода

В качестве примера использования СКВ-метода рассмотрим синтез структуры вычислительного ядра модуля программируемого контроллера.

Постановка задачи.Требуется разработать одноплатный модуль УВК, выполняющий функции программируемого контроллера. Должна быть обеспечена возможность настройки модуля на реализацию ряда законов регулирования (ΡΙ-, PID-регулирование (Proportional/Integral/Derivative), адаптивное регулирование, смешанные законы), выполняемых с использованием стандартных операций (вычислительные, логические, ввода-вывода и т.д.). Структура модуля должна быть выбрана с учетом общих и специальных системных требований. К общим требованиям относятся:

g₁— интенсивность отказов λ;

g₂— потребляемая мощность Р_м;

g₃— габариты m;

g₄ — стоимость модуля Ст.

Специальные требования: время выполнения цикла регулирования τ – g₅; универсальность, характеризуемая количеством и видами стандартных операций, — g₆; сложность законов регулирования — g₇.Способ задания системных требований — экспертный; значения характеристик , , , , должны быть близки к минимальным на множестве СКВ, доступных реализации; универсальность и сложность (g₆, g₇) должны быть не ниже некоторого заданного значения. Заданы полученные экспертным способом степени предпочтения ( , ..., ) отдельных требований, которые отражают конкретные условия применения модуля.

Исходные предпосылки к синтезу СКВ-модуля.Конструкция — одноплатная с заданным максимальным количеством N_k корпусов микросхем на плате. Альтернативные микропроцессорные (МП) наборы: МП1, МП2 и МПЗ. Альтернативные микросхемы ОЗУ: статическая память (СОЗУ), динамическая память (ДОЗУ). Микросхемы ПЗУ: электрически перепрограммируемые (ЭПП-ЗУ). Внутриплатный интерфейс: шина соответствующего МП-набора.

Назначение ОЗУ — хранение программ для реализации закона регулирования; сложность закона регулирования ставится в соответствие объему ОЗУ. Назначение ПЗУ — хранение программ для реализации стандартных операций; универсальность ставится в соответствие объему ПЗУ. Общий максимальный объем ОЗУ и ПЗУ ограничивается объемом адресного поля МП-набора V, минимальные объемы ОЗУ и ПЗУ V₁ и V₂ определяются путем эмуляции программ, отражающих минимальный уровень выполнения алгоритма регулирования и стандартных программ соответственно.

Описание СКВ.В упрощенной форме правила порождения СКВ задаются следующим образом:

[модуль ПК] :: = [Int (<МП> <ОЗУ> <ПЗУ>)]

<МП>: =МП1|МП2|МПЗ

<ОЗУ> : = <ОЗУ1>|<ОЗУ2>

<ПЗУ> : = ЭППЗУ|<ПЗУ>ЭППЗУ (1)

<ОЗУ1> :: = СОЗУ|<ОЗУ1>СОЗУ

<ОЗУ2> :: = ДОЗУ|<ОЗУ2>ДОЗУ

Ограничения: N_k< N_kmax, . Общий вид СКВ, порождаемых описанием: Х = (х₁, х₂, х₃, х₄, х₅). Компоненты СКВ: х₁ — тип МП, х₂ — тип ОЗУ, х₃ — количество корпусов ОЗУ, х₄ — тип ПЗУ, х₅— количество корпусов ПЗУ. Поскольку внутриплатный интерфейс определяется выбором МП, он в вектор X не включен.

Формирование ТрС.Вводятся в рассмотрение системные требования , задаваемые в виде размытых множеств S_i на множествах значений характеристик z_i: λ, Р_м, т, Ст, τ,V_ОЗУ, V_ПЗУ. Функции принадлежности μ₁,…, μ₇ размытых множеств могут быть представлены аналитическими зависимостями с параметрами k, характеризующими степень размытости:

интенсивность отказов λ (требование g₁):

потребляемая мощность P_м (g₂):

габариты т (g₃):

стоимость Ст (g₄):

быстродействие τ (g₅): (2)

универсальность (g₆):

сложность (g₇):

Параметры k₁, k₂,..., k₅ из соображений симметричности выбираются равными единице (различия в значимости требования отражаются коэффициентами . Параметры k₆ и k₇ варьируются в процессе расчета.

Построение ранжированного множества СКВ.Для каждого СКВ, удовлетворяющего описанию (1), расчетным путем и с помощью эмуляции определяются значения характеристик системы z_i, на которые наложены системные требования g₁,....,g₇. Эти значения подставляются в выражение (2). Результаты вычислений (в предположении ), отнесенные к отдельным СКВ, возводятся в степени соответственно и перемножаются. Полученные для каждого СКВ значения ν определяют его ранг (чем больше ν, тем «выше» место СКВ).

В табл. 3 приведен гипотетический пример расчета СКВ X₁ — Х₅ для типовых значений параметров микросхем и указанных в таблице значений ; V₁=0,5, V₂; k₆=k₇=k^*= 0,2; N_k= 25. Как видим, лучшим оказался СКВ с номером 2. Для проверки полученного решения «на устойчивость» вводилась вариация параметра k* на величину Δk*. При Δk */ k* = 0,5 ранги СКВ не изменились. Таким образом, для дальнейшего инженерного проектирования лучше других подходит СКВ с номером 2.

В процессе разработки моделей семейства микроЭВМ СМ18ХХ СКВ-метод последовательно использовался на различных этапах процесса принятия решений при выборе структуры вычислительного ядра, внутреннего интерфейса, определении структуры модулей связи с периферией, устройств связи с объектом и т.д. Кроме того, метод применялся в процессе выбора микроЭВМ для различных системных применений.

Таблица 3 Гипотетический пример расчета СКВ

Номер СКВ X

Компоненты СКВ

Функция принадлежности

x₁

x₂

x₃

x₄

x₅

ν₁

ν₂

ν₃

ν₄

ν₅

ν₆

ν₇

ν_j

X₁

МП1

СОЗУ

ЭППЗУ

0,54/0,88

0,61/0,98

1/1

0,8/0,94

0,63/0,72

0,86/0,98

0,96/0,99

0,556

0,554

X₂

МП2

СОЗУ

ЭППЗУ

0,45/0,85

0,57/0,97

1/1

0,68/0,88

0,5/0,9

0,86/0,98

0,96/0,99

0,631

0,621

X₃

МПЗ

СОЗУ

ЭППЗУ

0,43/0,84

0,31/0,94

1/1

0,48/0,82

1/1

0,86/0,98

0,96/0,99

0,629

0,617

X₄

МП1

ДОЗУ

ЭППЗУ

0,54/0,88

0,52/0,97

1/1

0,48/0,82

0,63/0,72

0,86/0,98

0,96/0,99

0,462

0,471

X₅

МП1

4 х ДОЗУ

ЭППЗУ

0,44/0,84

0,39/0,95

1/1

0,64/0,89

0,63/0,72

0,99/1

0,96/0,99

0,506

0,485

Коэффициенты предпочтения α

0,2

0,05

0,1

0,26

0,15

0,12

Примечания: 1. В числителе и знаменателе записаны и

соответственно. 2. Значения получены при изменении k* на величину Δk*.

СКВ-метод позволяет формализовать некоторые этапы проектирования микропроцессорных средств и систем. Образуя фундамент научно обоснованного принятия решений при анализе многочисленных альтернатив, возникающих в процессе разработки, этот метод является достаточно универсальным инструментом проектирования УВК и прикладных систем на их основе.

2. Вимірювальні перетворювачі (сенсори, датчики) План 2.1. Характеристики (параметри) датчиків 2.1.1. Статичні характеристики датчиків 2.1.2. Динамічні характеристики датчиків 2.2. Сфери застосування датчиків 2.3. Класифікація ВП 2.4. Фізичний принцип дії датчиків 2.5. Області використання датчиків 2.5.1. Вимірювання температури 2.5.2. Вимірювання механічних величин 2.5.3. Акустичні датчики 2.5.4. Оптичні вимірювання 2.5.5. Хімічні виміри 2.5.6. Датчики магнітного поля Назви перетворювачів: датчик, давач, детектор, вимірювач, чутливий елемент, зонд, сенсор, рецептор. Вимірювання – перетворити неперервну фізичну величину у число (з певною кількістю значущих цифр); Використовують абсолютні та відносні величини, калібрування; Розрізняють природно-квантовані (довжина хвилі світла) та штучно-квантовані (напруга) фізичні величини. Техніка конструювання і застосування датчиків (сенсорика), за останні роки розвилася у самостійну галузь вимірювальної техніки. Для більшості фізичних величин існує багато різноманітних вимірювальних технологій, що характеризуються залежністю між сигналом на виході і вимірюваною величиною. Вимірювальний пристрій або датчик (sensor), складається з двох частин – вимірювальної головки (sensor head) і перетворювача (transducer). “Сенсор” – у відповідності з ГОСТ 16263-70 цей пристрій називається первинним вимірювальним перетворювачем (primary measuring transducer), його частина на яку безпосередньо діє вимірювана величина, – чутливим елементом (detector), а всі наступні складові вимірювального ланцюгу – вимірювальним перетворюванням (measuring transducer). Вихідний сигнал вимірювального пристрою (датчика) є вихідний сигнал перетворювача. В більшості керуючих систем цей вихідний сигнал, як правило, - і переважно електричний, однак доволі часто зустрічаються і пневматичні датчики. Розрізняють три класи датчиків: аналогові датчики, тобто датчики, які виробляють аналоговий сигнал; цифрові датчики, що генерують послідовність імпульсів або двійковий код; бінарні (двійкові) датчики, які виробляють сигнал тільки двох рівнів: (0 / 1). 2.1. Характеристики (параметри) датчиків 2.1.1. Статичні характеристики датчиків Статичні характеристики датчиків показують, наскільки коректно вихід датчика Y відображає вимірювану величину X через деякий час після її зміни, коли вихідний сигнал встановлюється у нове значення. Важливими статистичними параметрами являються: чутливість, роздільна здатність, лінійність, дрейф, робочий діапазон, повторюваність і відтворюваність результату. Чутливість (sensitivity) датчика визначається як відношення величини вихідного сигналу до одиничної вхідної величини Sn(X) = dY / dX, де X – вхідний сигнал, Y – вихідний. Роздільна здатність (resolution) – це найменша зміна вимірюваної величини, котра може бути зафіксована і точно показана датчиком. Точність (accuracy) визначає різницю між вимірюваною і дійсною величиною; вона може бути стосуватися датчика в цілому або до конкретного його показника. Лінійність (linearity) не описується аналітично, а визначається виходячи з градаційної кривої датчика. Статична градаційна крива показує залежність вихідного сигналу від вхідного при стаціонарних умовах. Наближення цієї кривої до прямої лінії і визначає степінь лінійності. Статичне підсилення (static gain) чи підсилення по постійному струму (d.c. gain) – це коефіцієнт підсилення датчика на дуже низьких частотах. Дрейф (drift) визначається як відхилення показників датчика, коли вимірювана величина залишається постійною на протязі довготривалого моменту часу. Величина дрейфу може визначатися при нульовому, максимальному чи деякому проміжному значенні вхідного сигналу. Передавальна характеристика ВП Y=f(X), де X – сигнал довільної фізичної природи. Смуга пропускання (bandwidth) при передачі інформації і керуванні зі зворотнім зв’язком означає діапазон частот, в межах якого амплітудно-частотна характеристика залишається не меншою заданого значення (як правило 0,707 від максимального). Сигнал, що передаються від датчика по електричному провіднику, може піддаватися дії шумів під впливом середовища через небажані зв’язки резистивного, індуктивного чи ємнісного характеру. Цей шум може спотворити вихідний сигнал. 2.1.2. Динамічні характеристики датчиків Динамічні властивості датчика характеризуються цілим рядом параметрів, які, однак, доволі рідко наводяться в технічних описах виробників. Динамічну характеристику датчика можна експериментально отримати з реакції на стрибок вимірюваної вхідної величини. Параметри, що описують реакцію датчика, дають уяву про його швидкодію (наприклад час нарощення, запізнювання, час досягнення першого максимуму), інерційних властивостей (відносне перерегулювання, час встановлення) і точності (зміщення). Потрібно мінімізувати наступні параметри. Час проходження зони нечутливості (dead time) – час між початком вимірювання фізичної величини і моментом реакції датчика, тобто моментом початку зміни вихідного сигналу. Запізнювання (delay time) – час, через який показання датчика перший раз досягають 50 % значення, що встановилося. В літературі зустрічаються і інші визначення запізнення. Час нарощення (rise time) – час, через який вихідний сигнал збільшується від 10 до 90 % значення, що встановилося. Інше визначення часу нарощення – величина, зворотна нахилу кривої реакції датчика на стрибок вимірювання величини в момент досягнення 50 % від значення, що встановилося, помножене на значення, що встановилося. Час досягнення першого максимуму (peak time) – час досягнення першого максимуму вихідного сигналу (перерегулювання). 2.2. Сфери застосування датчиків Можливі області застосування датчиків дуже різноманітні: промислова техніка вимірювання і регулювання, робототехніка, автомобілебудування, побутова техніка, медична техніка. Застосування того чи іншого датчика в цих сферах визначається перш за все відношенням ціна / ефективність. В промисловому застосуванні визначаючим фактором являється похибка, яка при регулюванні процесів повинна складати 1…2%, а для задач контролю – 2…3%. Завдяки упровадженню нових технологій виготовлення (високовакуумне напилення, розпилення, хімічне осадження з газової фази, фотолітографія, тощо) і нових матеріалів безперервно розширюють сфери застосування датчиків. Значним попитом користуються датчики нових типів, до яких відносять, наприклад: датчики положення і переміщення, датчики зображення на ПЗЗ (обробка зображень), оптичні датчики, волоконно-оптичні датчики, біодатчики (біотехнологія), багатокоординатні датчики (аналіз шумів, розпізнавання образів). 2.3. Класифікація ВП І. Активні і пасивні перетворювачі 1. Пасивний отримує енергію від об’єкту дослідження (вимірюваної величини) / фотодіод. 2. Активний – отримує зовнішнє живлення (фоторезистор) ІІ. По розмірності 1) одиничні (точкові) 2) одномірні (розміщені вздовж однієї лінії, датчик фотоприймачів сканера) 3) двомірні (ПЗЗ – матриця цифрового фотоапарату) 4) об’ємні (набір шарів датчиків, детектори космічних променів) ІІІ. По зоні дії (локалізації) 1) контактні та ємнісні 2) дистанційні (випромінювач / не обов’язково/ + приймач). ВП можна класифікувати: 1) по фізичному принципу дії датчика. 2) за фізичною природою вимірюваної величини. 2.4. Фізичний принцип дії датчиків Методи ВП (за фізичним явищем, що використовується у перетворенні): термоелектричні, оптоелектричні, акустоелектричні, п’єзоелектричні, електромагнітні, магнітоелектричні. 1) Ємнісні перетворювачі: зміна вхідної величини – зміна С – напруга. , де ε – діелектрична проникливість діелектрика, А – площа кожної пластини, х –відстань між пластинами. Величини ε, А, х – залежать від вологості, температури, переміщення. Матриці ємнісних датчиків. чутливі до зовнішніх об’єктів на відстанях 10-15 мм. 2) Іонізаційні перетворювачі. В газі, рідині або твердому тілі при дії іонізуючого випромінювання виникає струм іонізації між електродами. 3) Електромагнітні перетворювачі. Провідник рухається у магнітному полі, тому генеруються електрорушійна сила (ерс). (мікрофони) 4) Електромеханічні перетворювачі (механічний контакт, що керується зовнішнім впливом – біметалічна пластинка), вимикачі – замикання і розмикання контакту 5) Магнітні, ВП на ефекті Холла. Через напівпровідник, розміщений в магнітному полі, пропускають електричний струм. При цьому в поперечному напрямі до магнітного поля і струму виникає різниця потенціалів, яка пропорційна до напруженості магнітного поля (в магнітному полі розділяються електрони та дірки). 6) П’єзоелектричні перетворювачі. Механічна сила приводить до виникнення електричної напруги. П’єзоелектричні матеріали: природні (кварц); синтетичні (сульфат літія). 7) Резистивні ВП. Засновані на зміні опору певної області під дією зовнішньої дії (нагрівання, освітлення, вологість, деформація): Терморезистори. Фотопровідні перетворювачі (фоторезистори). Опромінення світлом приводить до зміни опору резистора (Se, CdS, CdTe) 8) Термоелектричні, ВП на основі термоелектричного ефекту. 9) Фотоелектричні перетворювачі (фотодіоди), засновані на явищі зовнішнього або внутрішнього фотоефекту, реагують на ІЧ, видиме, УФ, Х та γ випромінювання (генерується напруга). ПЗЗ – матриці 2.5. Області використання датчиків Більшість датчиків з перетворювачем, що використовуються в системах керування, генерують аналоговий сигнал. Як правило, при керуванні вимірюються наступні фізичні величини: Електричні і магнітні характеристики Параметри переміщення Сила, момент і тиск Температура Рівень заповнення ємкості, Витрачання Щільність, в’язкість, консистенція Концентрація (газу, рідини, розчинених і зважених речовин) Хімічна чи біохімічна активність 2.5.1. Вимірювання температури Велика кількість процесів регулюються температурою, наприклад: регулювання опалення на основі вимірювання температури теплоносія на вході і на виході, а також температури в приміщенні і зовнішньої температури; регулювання температури води в пральній машині; регулювання температури електропраски, електроплитки, духовки, тощо. Шляхом виміру температури можна посередньо визначити і інші параметри, наприклад потік, рівень, тощо. При використанні такого роду датчиків температура вимірюється, як правило, на основі залежності електричного опору від температури. В залежності від того, зростає чи знижується електроопір датчика при зростанні температури, розрізняють напівпровідникові датчики відповідно з позитивним чи негативним температурним коефіцієнтом опору (ТКС). При вимірюванні температури є два варіанти взаємодії датчика з об’єктом: термометрична взаємодія, тепло від об’єкта передається датчику через середовище шляхом теплопровідності або конвекції. тепло передається через випромінювання (радіаційна пірометрія). Залежність властивостей багатьох матеріалів від температури не завжди являється недоліком – з таких матеріалів виготовлюються датчики температури. Конструкція вибирається таким чином, щоб підсилити температурну залежність якої-небудь електричної характеристики. Ця залежність, як правило, являється нелінійною, що утворює додаткові труднощі при її застосуванні. Як правило, застосовуються три типи датчиків температури: термоелементи; резистивні детектори температури; термістори; напівпровідникові сенсори температури. Таблиця 1. Типи датчиків температури Термопари РДТ Термістори Напівпровідникові датчики температури Самий широкий діапазон температур (-184˚С до 2300˚С) Діапазон: -200˚С до 850˚С Діапазон: 0˚С до 100˚С Діапазон: -55 Діапазон: -200˚С до 850˚С до 150˚С Висока точність і повторюваність Висока лінійність Низька лінійність Лінійність: 1˚С Точність: 1˚С Необхідність компенсації холодного спаю Потрібне зовнішнє живлення Потрібне зовнішнє живлення Потрібне зовнішнє живлення Низька вихідна напруга Низька вартість Висока чутливість Вихідний сигнал близько 10 мВ/˚С Термопари (Термоелементи) Термопара – це два провідника (термоелектрода), виготовлені з різних металів і сплавів, спаяні (зварені) в одній точці. Чутливість термопар до температури заснована на термоелектричному ефекті (ефекті Сібека (Seebeck), по імені винайденим його в 1821 році дослідника), при якому використовується з’єднання двох матеріалів (металів і сплавів). Коли кінці провідника знаходяться при різних температурах, між ними виникає різниця потенціалів, пропорційна до різниці температур (термоерс). Розміщуючи спай з металів з різними термоерс в середовище з температурою Т1, а інші кінці провідників при температурі Т2, то на кінцях провідників отримається напруга, пропорційна до різниці температур Т1 і Т2. Рис. 2.2. Принцип роботи термоелемента. Якщо температури точок А і В різняться, то по замкнутому ланцюгу циркулює струм. Точка А відповідає “гарячому” спаю, а В і С холодному. Залежності U(T) для різних матеріалів відомі, що дозволяє визначати T через U. Якщо один спай занурити, наприклад, в лід що тане (0°С), а інший ввести в контакт з об’єктом вимірювання, то між ними з’являється термо-ЕРС, яку можна виміряти, і яка складає 7…75 мкВ/°С. Часто одночасно використовується два спаї (диференційна термопара), один з яких знаходиться при відомій (опорній) температурі, а другий вимірює температуру об’єкту і називається чутливим або вимірювальним. Таблиця 2. Параметри термопар. Матеріали контакту №1 Матеріали контакту №2 Типовий температурний діапазон (˚С) Номінальна чутливість (мкВ/˚С) Позначення за ANSI Платина Pt + родій Rh (6%) Платина Pt + родій Rh (30%) від 38 до 1800 7.7 B Вольфрам W + реній Re (5%) Вольфрам W + реній Re (26%) від 0 до 2300 16 С Хромель (Ni+Cr) Константан (Cu+Ni) від 0 до 982 76 E Залізо Fe Константан (Cu+Ni) від 0 до 760 55 J Хромель (Ni+ Cr) Алюмель (Ni+Al) від -184 до 1260 39 K Хромель (Ni+ Cr) Копель (Ni+Cu+ Fe) від -184 до 600 73 L Платина Pt + родій Rh (13%) Платина Pt від 0 до 1593 11.7 R Платина Pt + родій Rh (10%) Платина Pt від 0 до 1538 10.4 S Мідь Константан від -184 до 400 45 T Резистивні детектори температури (RTD) Резистивні датчики засновані на зміні опору провідників при зміні температури (при підвищенні температури опір збільшується). Для точного виміру температури в діапазоні від -200 до +850°С частіш за все використовують датчики температури з нікелю чи платини. Електричний опір металевих провідників змінюється згідно рівнянню: , де – опір при 0°С (тобто при 273 К), – опір при температурі , α - температурний коефіцієнт опору (платини α=0.004 [°C-1]). Рис. 2.3. Температурна характеристика опору термістора і резистивного детектора температури (RTD) В якості матеріалу часто використовується платина завдяки високій хімічній стійкості, стійкості до високих температур. Може бути використана при температурах від -220˚С до +1050˚С. Термістори Термістор (thermistor) – це напівпровідниковий резистивний прилад, опір якого залежить від температури. Опір термістора при збільшенні температури зменшується, використовуються в діапазоні температур від -50˚Сдо +300˚С (600). Матеріалами для термісторів служать суміші сульфідів і селенідів. Його опір нелінійно залежить від температури де Т – температура в градусах Кельвіна, R0 – опір при опорній температурі T0 (як правило 298 К, тобто 25 °С), а β – постійна. Радіаційна пірометрія Радіаційна пірометрія – це вимірювання температури тіла без безпосереднього контакту з ним, як сигнал використовується енергія нагрітого тіла. Пірометр – це первинний перетворювач температури, який складається з : оптичної системи, наприклад лінзи для фокусування енергії випромінювання на перетворюючому елементі. Перетворюючий елемент енергії випромінювання в електричний сигнал. Електричної схеми обробки сигналу (підсилювачі) В якості перетворюючих елементів використовують термопари, резистивні елементи та напівпровідникові прилади. Пірометр з резистивним елементом (золота чернь) називається болометром. Можливо вимірювати спектр випромінювання. Цифрові датчики температури Сучасні моделі температурних датчиків суміщують аналоговий температурний сенсор, схему керування і АЦП в одному кристалі. Наприклад, мікросхема DS1620 – це дев’ятирозрядний термометр і термостат, який служить для вимірювання і відображення температури. Пристрій вимірює температуру від -55ºС до +125ºС з кроком 0,5ºС, перетворення виконується 1 с. У температурному діапазоні від -50°С до +150 °С велику перевагу мають кремнієві датчики. 2.5.2. Вимірювання механічних величин Вимірювання механічних властивостей твердих тіл: переміщення, швидкість, прискорення, деформація, тиск. Деформація. Розповсюдженим пристроєм виміру деформації є тензометр, що містить тонкий провідний елемент, який деформується разом з поверхнею. Опір тензометра змінюється внаслідок п’єзоелектричного ефекту, що можна виміряти електрично. Переміщення, швидкість, прискорення Для зміни параметрів переміщення застосовуються наступні типи пристроїв: потенціометри для вимірювання переміщень; вони працюють як змінні резистори; датчики на основі принципу електромагнітної індукції, наприклад диференціальні трансформатори, резольвери, синхро-трансформатори (сельсини); ємнісні датчики для вимірювання переміщень, обертів і рівнів рідини; п’єзоелектричні датчики, для вимірювання тиску, напруги, прискорення, швидкості, сили; лазерні датчики для точного вимірювання малих переміщень; ультразвукові датчики для вимірювання відстаней в медичних приладах, системах авто фокусування фото- і телекамер, вимірювання рівню і швидкості. Для вимірювання переміщення використовують кодувальні пристрої, які можуть бути оптичними та магнітними. Знаючи переміщення об’єкта в певні моменти часу, можливо також визначити його швидкість та прискорення. Оптичні кодувальні пристрої. Основа таких пристроїв – це диск з отворами, який при обертанні перекриває пучок світла від світлодіода до фотодіода. Таким чином, при обертанні диску система рахує число отворів в диску, через яке можна судити про поворот диска та переміщення датчика. Прикладом такої системи є маніпулятор миша. Рис.2.4. Оптичний кодувальний пристрій Магнітні кодувальні пристрої. Основа магнітного датчика переміщення – це рухомий диск з нанесеним на нього періодичними мітками з магнітного матеріалу. При обертанні диску магнітні мітки проходять близько від магнітного датчика, який виконує підрахунок міток. Бінарні датчики використовуються для визначення положення при механічних переміщеннях, для підрахунку елементів в дискретних потоках (наприклад числа пляшок на виході лінії розливу), для контролю досягнення граничних значень рівня або тиску або крайніх положень рухомих частин. В якості датчиків положення (position sensor) використовуються вимикачі. Вони складаються з електричних контактів, що механічно замикаються чи розмикаються, коли будь яка змінна (положення, рівень) досягає визначеного значення. Різні типи датчиків використовуються для визначення моменту, коли аналогова величина (наприклад, рівень, тиск, температура чи витрати) досягає деякого порогового значення. Тому їх часто називають пороговими датчиками (point sensors, limit sensors). Індикатор рівня (level switch) спрацьовую, якщо резервуар заповненим до заданої висоти. Принцип дії залежить від властивостей контрольованої речовини – рідина, цементний розчин та ін. Зміна електричних властивостей елементів коливальних контурів при наближенні до зовнішнім об’єктам можна використати для виготовлення датчиків наближення (proximity sensors). Електричні датчики наближення використовують наступні принципи. Індуктивні датчики наближення працюють на основі випромінювання високочастотного електромагнітного поля обмоткою, яка входить в коливальний контур (відстаньн 2-30 мм). Ємнісні датчики наближення містять затухаючий коливальний RC-контур. Ємність залежить від відстані між обкладинками конденсатора їх площі і властивостей діелектрика між ними. Діапазон спрацювання для таких датчиків, як правило, лежить між 5 і 40 мм. Магнітні датчики наближення розпізнають наближення об’єкту по зміні характеристик магнітного поля і не мають рухомих частин. Принцип роботи може базуватися на індуктивності, магнітному опорі (reluctance), магніторезистивному ефекті або ефекті Холла. 2.5.3. Акустичні датчики Для вимірювання звуку в повітрі використовують різні типи мікрофонів. Найбільш поширеними є кристалічні мікрофони, які працюють на п’єзоелектричному ефекті, і конденсаторні, які працюють на ємністному ефекті. В п’єзоелектричних мікрофонах мембрана зв’язана з п’єзокристалом (керамікою або кристалом кварцу). В конденсаторних мікрофонах діафрагма утворює електрод конденсатора. Рух діафрагми змінює ємність такого конденсатора, а зміна ємності перетворюється у напругу. Для вимірювання звуку в воді використовують спеціальні мікрофони (гідрофони), принцип дії яких п’єзоелектричний. 2.5.4. Оптичні вимірювання Безконтактне вимірювання ряду фізичних величин, як, наприклад, переміщень, вібрувань, температури, тощо, виявляється можливим лише за допомогою оптичних датчиків. При цьому інформація передається не по кабелю, а світловими хвилями, котрі можуть змінюватися за інтенсивністю, по фазі, кольору чи геометричному розподіленню у просторі. Світло – це електромагнітне випромінювання з наступними довжинами хвиль: Х-промені (0,01- 10 нм), ультрафіолет (10- 400 нм), видиме світло (400 – 700нм), інфрачервоне (0,7 мкм – 3000 мкм), радіохвилі (більше 3 мм). Датчиком світла служить фотодетектор (звичайно фотодіод, фототранзистор, фоторезистор), принцип дії якого заснований на внутрішньому фотоефекті (на різних сторонах р-п переходу виникає різниця потенціалів. Фотодіоди. При опроміненні кремнієвих фотодіодів світлом в них виникає напруга (внутрішній фотоефект), що певним чином залежить від сили світла. Фоторезистори. У деяких матеріалів (наприклад CdS, CdSe, PbS, PbSe) електричний опір змінюється під дією світла із-за утворення електронно-дірочних пар. Виникаючі при цьому вільні носії заряду викликають різке зниження опору. CdS володіє максимальною чутливістю в зеленій ділянці спектру і тому особливо придатний для використання при вимірювання освітленості. Максимум спектральної чутливості CdSe – в червоній ділянці, а у фоторезисторів із PbS / PbSe – навіть і в ІЧ ділянці. Теплові приймачі випромінювання Тепловими приймачами випромінювання називають детектори, в яких під дією випромінювання світлом відбувається нагрівання, що викликає виникнення в них вторинних процесів (зміна опору, виникнення термічних напруг). Теплові приймачі випромінювання використовуються частіш за все для ІЧ ділянки спектру. Датчики зображення на основі приладів із зарядовим зв’язком (ПЗЗ) Датчики зображення на ПЗЗ складаються з кремнієвих МОП-конденсаторів чи МОП-фотодіодів, з’єднаних у вигляді послідовного ряду чи матриці. ПЗЗ типу ТН7803 (Thomson CSF) складаються з 1728 елементів, розміщених в один ряд. Середня відстань між цими фотоелементами розміром 10х13 мкм складає 10 мкм, в результаті чого на стрічці ПЗЗ довжиною 17,28 мм досягається оптична роздільна здатність 50 ліній на 1 мм. В якості фотоелементів використовуються фотодіоди np-типу. Кожному фотодіоду відповідає окремий МОП-конденсатор як елемент пам’яті. Контроль якості поверхні деталей при автоматизованому виробництві являється можливим завдяки застосуванню лінійних датчиків зображення (чи послідовного ряду фотодіодів). Дія датчика шорсткості (тип RM400S, Rodenstock) основана на вимірюванні світлорозсіювання від поверхні. Датчики ІЧ-випромінювання Для ІЧ-діапазону від 0,8 до 12 мкм існує множина датчиків випромінювання на основі селеніду свинцю (PbSe), сульфіду свинцю (PbS), арсеніду індію (InAs), антимоніду індію (InSb) і германію, а також п’єзоелектричні детектори. Важливою областю застосування таких детекторів є виявлення людей. При розгляданні спектрального складу ІЧ-випромінювання, що випускається людиною при температурі тіла біля 36,4°С, можна відмітити максимум в ділянці довжин хвиль 10 мкм. Волоконно-оптичні датчики Волоконно-оптичні датчики використовують: 1) як лінії передачі; 2) як сенсори. Волоконно-оптичні лінії чутливі до електричного поля (ефект Керра), магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформації (вигину). Чутливість волокна до зовнішніх дій для лінії передачі є недоліком, а для сенсора – основою його роботи. Використовують одномодові волокна (діаметр сердечника близько 10 мкм), багатоходові (більше 50 мкм), n2

Вимірювальний перетворювач — технічний засіб служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або вимірювальний сигнал, зручний для обробки, зберігання, подальших перетворень, індикації і передачі, але безпосередньо не сприймається оператором. ВП або входить до складу якого-небудь вимірювального приладу (вимірювальної установки, вимірювальної системи і ін.), або застосовується разом з яким-небудь вимірювальним пристроєм.

Класифікація

По місцю у вимірювальному колі:

Первинний вимірювальний перетворювач (датчик) — вимірювальний перетворювач, на якого безпосередньо впливає вимірювана фізична величина. Первинний вимірювальний перетворювач є першим перетворювачем у вимірювальному ланцюзі вимірювального приладу;

Вторинний вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, що займає місце у вимірювальному ланцюзі після первинного перетворювача.

По характеру перетворення :

перетворювачі електричних величин в електричних (резистивні дільники, підсилювачі, трансформатори, шунти і тому подібне); перетворювачі неелектричних в неелектричних (важелі, пружини, редуктори, мембрани);

перетворювачі електричних в неелектричних (електромотори, освітлювачі, двигуни, електричні нагрівачі, холодильники);

перетворювачі неелектричних в електричні.

По виду залежності ФВ величин від часу на вході і на виході:

аналогові (вхідні і вихідні величини є аналоговими сигналами, можуть змінюватися безперервно і гладко);

цифрові (дискретні; вхідні і вихідні величини змінюються дискретно);

аналого-цифрові (АЦП) (вхідний сигнал аналоговий, вихідний – дискретний);

цифро-аналоговий (ЦАП) (вхідний – цифровий, вихідний – аналоговий).

<15 16 17 181920 21 >

Дата добавления: 2017-01-13; просмотров: 992;