Лекция 11. Измерительные элементы автоматики

Датчики

Измерительные элементы автоматики служат для измерения регулируемой величины, возмущающего воздействия или других величин, дающих необходимую информацию для управления.

Приведем некоторые понятия и определения.

Измерительный преобразователь – средство измерений служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки. Простейшим измерительным преобразователем является первичный преобразователь или чувствительный элемент, который изменяет свое состояние под действием внешнего возмущения. Например, фотодиод, тензорезистор. В технике широкое распространение получили датчики.

Датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, который под воздействием физической величины выдает эквивалентный сигнал, являющийся однозначной функцией измеряемой величины.

Измерительный прибор (ИП) – это устройство, предназначенное для получения значения измеряемой физической величины в установленном диапазоне. По форме регистрации измеряемой величины приборы делятся на аналоговые и цифровые. По назначению – на приборы для измерения электрических и неэлектрических величин.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия. Она может содержать в своем составе меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительная система – это совокупность функционально объединенных, соединенных между собой каналами связи средств измерений, ЭВМ и других технических устройств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин и выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления.

Измерительно-вычислительный комплекс представляет измерительную систему, предназначенную для конкретной измерительной задачи.

Информация о свойствах объектов измерения поступает на вход средств измерения в виде сигналов. В зависимости от природы физических явлений, сформировавших сигнал, они делятся на механические, электрические, магнитные, световые и др. В зависимости от характера изменения различают сигналы постоянные и переменные во времени. Переменные во времени сигналы в свою очередь подразделяются на случайные, детерменированные и квазидетерменированные сигналы. Квазидетерменированные сигналы имеют известные характеристики закона изменения во времени, но неизвестные один или несколько параметров. Например, косинусоидальный сигнал имеет известную частоту и амплитуду, но неизвестную фазу.

В общем, рассматриваемые здесь датчики, служат не только для измерения, но также они осуществляют необходимое для управления преобразование изменений требуемых величин в величину другого вида, удобную для передачи сигналов в информационно-измерительной системе. Большинство датчиков преобразуют различные физические величины в электрические за исключением пневматических датчиков.

В САУ входят технические устройства, реализующие процессы информационно-измерительной технологии. Датчики являются одним из важных элементов информационно-измерительной системы САУ. Как показано на рис. 7.20, датчик состоит из чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразователя сигналов (ПС). В соответствии с физическими принципами, положенным в основу преобразования информации, различают следующие ЧЭ, применяемые в автоматике:

· Резистивные (включая тензо- и фоторезисторы);

· Электромагнитные (индуктивные, индукционные и др.);

· Преобразователи Холла;

· Оптические;

· Пьезоэлектрические.

Для ИП применяют два вида измерительных схем, предназначенных в основном для преобразования информации ЧЭ в электрические сигналы: параметрические и генераторные. В параметрических ИП производится преобразование сигналов с ЧЭ в электрический сигнал в форме напряжения или тока. В генераторных измерительных схемах ИП ЧЭ входит в состав генератора, при этом частота генерации сигнала равна резонансной частоте контура созданного с катушкой индуктиности и конденсатором.

Рис. 11.1. Схема датчика

В зависимости от выполняемой функции, датчики делятся на кинестетические, локационные, визуальные и тактильные. К кинестетическим датчикам относятся датчики положения и перемещения (резистивные датчики положения, электромагнитные датчики положения, фотоэлектрические датчики положения); датчики скорости (тахогенераторы); датчики динамических величин (пьезоэлектрические, магнитоупругие; электростатические, электромагнитные).

К локационным датчикам относятся:

Магнитные локационные системы;

Вихретоковые локационные системы;

Электромагнитные локационные системы;

Акустические локационные системы;

Оптические локационные системы.

К зрительным датчикам и системам относятся системы технического зрения.

Системы тактильного типа представляют датчики систем силомоментного очувствления, контактные датчики, датчики касания.

К статическим характеристикам датчика относятся: чувствительность, разрешение, статическое усиление, дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость. Чувствительность позволяет оценить выходной сигнал по пределам изменения измеряемой величины. Различают статическую и динамическую чувствительность. Статическая чувствительность измеряется на основании статической функции преобразования при этом, если обозначить сигналов на входе x и выходе y то y = Sx, где S -чувствительность или коэффициент преобразования.

Разрешение – это наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком. Статическое усиление – это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах.

Дрейф представляет отклонение показаний датчика от нуля или от максимального показания, когда измеряемая величина остается постоянной в течение сравнительно продолжительного времени. Рабочий диапазон определяется максимальными значениями входных и выходных сигналов. Повторямость воспроизводимости определяется многократными измерениями одной и той же величины в разные моменты времени. При определении воспроизводимости берется большой интервал времени.