Электрические датчики физических величин

Входные данные измерительной системы о величинах, характеризующих состояние объекта и окружающей среды, получают с помощью датчиков, под которыми подразумевают конструктивно завершенные устройства, размещаемые на объекте и выполняющие функции одного или нескольких измерительных преобразователей. Большинство датчиков имеет на выходе электрический сигнал, который предоставляет возможность его последующей обработки электронными средствами. Разработка совокупности электрических датчиков с однотипными выходными сигналами позволила осуществить унификацию проектирования измерительных средств регистрации физических величин и дала возможность построения многопараметровых измерительных систем, использующих электрические сигналы для объединения индивидуальных измерительных канатов.

Структура современных электрических датчиков физических величин может содержать необходимый набор встроенных преобразователей для получения и обработки информационных сигналов (рис. 21.16).

Энергетическое взаимодействие чувствительного элемента (ЧЭ) с объектом при их контакте или посредством восприятия создаваемых объектом физических полей позволяет получить информацию об исследуемой величине. В общем случае выходная величина чувствительного элемента может быть неэлектрической, как, например, деформация мембраны в датчиках давления. С помощью первичных преобразователей (ПП) переходят к электри;

Рис. 21.16. Общая структура электрического датчика.

(расшифровку обозначений см. в тексте) ческой величине (току, напряжению) или изменению параметра элемента электрической цепи (резистивного, индуктивного, емкостного). В последнем случае варьируемый параметр в дальнейшем преобразуется в электрический сигнал с помощью измерительной цепи (ИЦ).

Полученное с выхода ПП напряжение u (t) подвергается усилению, нормализации и частотной фильтрации (УН + ЧФ) в аналоговой форме. Нормализованный аналоговый сигнал может быть с помощью передатчика (ПД) введен в аналоговый канал связи (КСд) для передачи во внешние устройства обработки. Применяется также вариант подачи нормализованного сигнала на АЦП и его передачи в цифровой форме по каналу связи (КСц). Цифровой сигнал поступает в микропроцессор (МП), осуществляющий обработку данных, контроль параметров преобразователей и локально е управление режимом измерения. Электропитание всех преобразователей осуществляет встроенный или внешний источник электропитания (ИЭП).

Современный интеллектуальный датчик представляет многофункциональное измерительное средство с микропроцессорной обработкой информации и программируемыми характеристиками. Электронный этап развития датчиков проявился также в применении полупроводниковой технологии микросхем для изготовления в слое кремния объемных элементов (мембран, струн, балок) для чувствительных элементов датчиков. Объединение базовых технологических направлений (микроэлектроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники, мехатроники) образовало направление микросистемной технологии (МСТ). Приборная микросистема включает три основных элемента автоматики: микросенсор, преобразователь информационных сигналов и регулятор. Использование пьезоэлектрических свойств кремния является основой создания микроэлектромеханических систем (МЭМС), или integrated Micro Electro Mechanical System (iMEMS), на базе которых строятся датчики ускорения, скорости, силы, перемещения.

Предельно достижимые параметры датчика определяются фундаментальными физическими ограничениями, сопутствующими функционированию чувствительного элемента, а также характеристиками первичного преобразователя. Полученное на его выходе сообщение обладает максимальной информационной емкостью, которая определяется временем проведения измерения t_w максимальной частотой спектра F_M сигнала, соотношением мощностей полезного сигнала Р_с и помехи Р_ш: С = t_MF_M lg (Р_с/Р_ш). Все последующие преобразования изменяют соотношение отдельных составляющих и в целом только уменьшают количество информации за счет искажений сигнала при передаче. Таким образом, первичный измерительный преобразователь определяет предельно достижимые информационные характеристики канала измерения физической величины. Расход энергии для извлечения одного бита информации при абсолютной температуре Т составляет W_x = kT In 2 = = 0,28 *10 ²⁰ Дж — весьма малое значение, и если отбор такого небольшого количества энергии не оказывает заметного влияния на энергетический баланс объекта, то предельная чувствительность датчика определяется схемотехническим исполнением первичного преобразователя и наличием собственных шумов в элементах.

Одним из важных классификационных параметров электрического датчика, который определяет его возможности совместной работы с устройствами обработки информационных сигналов, является характер выходного сопротивления измерительной цепи. Теоретически для сигналов произвольной формы выходное сопротивление имеет сложный комплексный характер (резистивно-индуктивно-емкостный), но в пределах рабочей полосы частот можно при создании математической модели принять однородный характер сопротивления, диапазона скоростей изменения входной величины (или ее спектра), что позволяет выделить основные факторы, определяющие характеристики преобразователя. Как правило, однотипные измерители различных величин (например, резистивные преобразователи температуры и давления) имеют схожие конструкции и идентичные характеристики, а преобразователи разных типов для одной и той же величины (например, индуктивные и емкостные преобразователи перемещения) имеют существенные конструктивные отличия и разные характеристики.

Резистивные преобразователи, принципы действия которых основаны на создании при воздействии измеряемой величины электрических токов в резистивном чувствительном элементе, а также на зависимости сопротивления элементов от различных факторов (температуры, длины и площади сечения проводника), имеют множество разновидностей: термопары, преобразователи Холла, тензорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы. К достоинствам резистивных преобразователей следует отнести независимость коэффициента преобразования от частоты сигнала, а также возможности их изготовления с использованием технологии интегральных микросхем.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на эффекте повышения концентрации свободных электронов на нагретом конце проводника. При соединении двух проводников из различных материалов в спаях образуются контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из области с большей концентрацией. Возникшие термоэлектродвижущие силы определяются видом соединяемых материалов и зависят от разности температур 0! и 0₂ точек соединения проводников (рис. 21.17, а).

Большую группу первичных измерительных преобразователей температуры составляют различные модификации резистивных элементов электрических цепей: термосонротивлений, термисторов, термодиодов. Так, функционирование металлических термочувствительных преобразователей основано на зависимости от температуры удельного сопротивления металлов со стабильным значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Например, сопротивление меди линейно зависит от температуры (Rq = /?о[1 + а (0 — 0_О)]) с коэффициентом, а ~ 4,27 • 10'³ 1/град при ее изменении от -50 до 180 °C. Широкое распространение получили различные типы полупроводниковых термисторов, характеризуемых нелинейной зависимостью сопротивления от температуры (Rq ~ ге^^!), где Т = 273 + 0 К — абсолютная температура; г — константа, имеющая размерность сопротивления и зависящая от конфигурации и размеров полупроводникового элемента; р — константа, зависящая от физических свойств полупроводника.

Общими для всех контактных методов измерения температуры являются погрешности, обусловленные нестабильностью теплового контакта между объектом и датчиком. Для его устранения могут применяться бесконтактные методы измерения температуры, базирующиеся на излучении объектом теплового потока, представляющего собой совокупность монохромных волн в диапазоне длин от 0,3 до 300 мкм или полосе частот от 10¹⁵ до 10¹² Гц. Теория неконтактных методов измерения температуры основана на законах, характеризующих связь излучения нагретого тела с его температурой, условиях распространения в пространстве теплового потока и его взаимодействии с чувствительными элементами датчиков. Датчики, реагирующие на воздействие электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн, называются оптическими приемниками излучения или фотоприемниками. В качестве полупроводниковых фотоприемников широко используются различные виды фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов.

Рис. 21.17. Термопара (а) и ее динамическая характеристика (б).

Применяются также резистивные датчики с многоступенчатым преобразованием измеряемой величины в электрическое напряжение. Примером устройства, реализующего указанный принцип, служит датчик статического давления. Разность значений измеряемого Р_п и опорного Р₀ (например, атмосферного) давлений вызывает деформацию участков мембраны (рис. 21.18, а).

Рис. 21.18. Структура датчика давления (а), конструкция тензорезистора (б) и электрическая схема измерительной цепи (в).

Для измерения деформаций тел применяют тензорезисторы, принцип действия которых основан на вариации сопротивлений при механической деформации, приводящей к относительному изменению линейного размера. Относительное изменение сопротивления R = p//s можно записать в виде соотношения.

где I, s — длина и сечение тензорезистора; р — коэффициент связи продольных и поперечных деформаций.

В качестве материала тензорезисторов используются проводники с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром, манганин, хромель) и полупроводники (кремний, германий). При изготовлении полупроводниковых тензорезисторов методами интегральной технологии в качестве подложки используются кремний или сапфир, обладающие почти идеальной эластичностью. На поверхности диэлектрической сапфировой подложки выращиваются слои легированного кремния, к которым формируются проводящие контакты из поликремния (рис. 21.18, б). На одной подложке обычно формируется несколько тензорезисторов с разными знаками приращения сопротивлений. Две пары тензорезисторов, размещенных на гибкой мембране датчика давления, включаются в мостовую измерительную схему (рис. 21.18, в). Применение симметричной мостовой измерительной схемы увеличивает коэффициент преобразования и повышает помехозащищенность датчика.

Индуктивные и емкостные датчики функционируют на основе явлений магнитной и электрической индукции. Эффект магнитной индукции проявляется в виде ЭДС, которая наводится в помешенной в магнитное поле с индукцией В катушке с N витками (рис. 21.19, а).

Напряжение на разомкнутых зажимах катушки и = nd/dt наводится при изменении магнитного потока Ф, созданного нормальной составляющей В_п индукции в витках площадью 5. Изменение сцепленного с витками магнитного потока можно получить в неподвижной катушке при изменении В", а также посредством перемещения катушки в магнитном поле. Первый способ служит для создания генераторных датчиков магнитной индукции, а второй — при реализации датчиков перемещения пассивного типа.

В большинстве индуктивных датчиков перемещения для концентрации магнитного потока Ф используется ферромагнитный сердечник с обмоткой, содержащей N витков (рис. 21.19, 6). Перемещение подвижной части магнитопровода вдоль оси х изменяет длину зазора, которая приводит к вариации индуктивности L (x). При питании индуктивной катушки от стабильного источника переменного тока i выходное напряжение определяется из выражения u (t) = L (x)di/dt.

Индукционные преобразователи генераторного типа нашли применение для бесконтактного измерения переменного электрического тока i. Конструктивно они представляют собой замкнутый ферромагнитный сердечник с выходной обмоткой, содержащей N витков провода (рис. 21.19, б). Подобную систему можно рассматривать как трансформатор с входной обмоткой, содержащей единственный распределенный в пространстве виток.

В основу принципа действия преобразователей емкостного тина заложено явление электрической индукции, которое состоит в наведении поверхностных электрических зарядов на проводниках, помещенных в электрическое поле. При размещении в области пространства с однородным электрическим полем напряженностью Е пары точечных электродов между ними создается напряжение и = Ejl, где Ei — составляющая напряженности, направлен;

Рис. 21.19. Катушка в магнитном поле («), индуктивные датчики перемещения (б) и тока (в) пая вдоль соединяющей заряды линии; / — расстояние между электродами.

Электроиндукционный датчик составляющей Е/ напряженности электрического поля содержит пару электродов и измеритель напряжения И (рис. 21.20, а).

Рис. 21.20. Электроиндукционный преобразователь (а), плоская система электродов (б) и эквивалентная электрическая схема (в) В однородном электрическом поле между электродами индуцируется напряжение и = ?//_э, причем эквивалентная измерительная база преобразователя 1_Э зависит от расстояния между электродами, их конфигурации и соотношения электрофизических параметров электродов и окружающей среды. Например, для системы из двух близко расположенных в воздухе плоских электродов измерительная база примерно равна расстоянию между электродами d (рис. 21.20, б). Эквивалентную электрическую схему датчика электродов в первом приближении можно представить в виде конденсатора емкостью С и источника наведенного на пластинах напряжения и (рис. 21.20, в). Расчет параметров элементов эквивалентной схемы С и i_y базируется на постановке и решении соответствующих краевых задач электродинамики. При подключении нагрузки сопротивлением Z, выходное напряжение и_вых зависит от соотношения нагрузочного и емкостного сопротивлений.

Двухступенчатые емкостные преобразователи применяются для измерения механических усилий и давления. Например, в качестве чувствительного элемента датчика давления используется мембрана, которая, деформируясь под действием внешнего давления, изменяет конденсаторную емкость между обкладками (рис. 21.21, а).

Рис. 21.21. Емкостный преобразователь давления (я), пьезоэлектрический датчик силы (6) и его эквивалентная электрическая схема (в) Наряду с пассивными преобразователями для измерения давления, силы, ускорения применяются емкостные генераторные сенсоры, использующие пьезоэлектрические свойства кристаллических материалов (кварца, сегнетовой соли, титаната бария). При сжатии кристалла в определенном направлении на его гранях наводятся электрические заряды, которые создают разность потенциалов (напряжение). В зависимости от значения силы сжатия меняется количество зарядов, а следовательно, и напряжение. Структура пьезодатчика силы F содержит мембраны, передающие силовое воздействие на пьезоэлемент (рис. 21.21, б). Приведенный датчик принципиально не предназначен для измерения статического давления, так как реагирует на изменение зарядов на пластинах. Эквивалентную электрическую схему датчика можно представить в виде источника зарядов, образующихся на пластинах, с параллельно подключенным конденсатором (рис. 21.21, в). Для последующего усиления электрических сигналов можно использовать усилитель заряда (интегрирующий усилитель тока).

Оптоэлектронные преобразователи составляют подгруппу элементов и устройств, основанных на использовании разнообразных оптических эффектов. Распространению информационных устройств онтоэлектроники способствуют такие их качества, как весьма большой частотный диапазон преобразуемых сигналов, а также большая информационная емкость и высокое быстродействие оптических каналов связи.

Отдельное направление представляют оптоэлектронные датчики, базирующиеся на регистрации излучения объекта или использующие модуляцию светового потока. В волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин могут изменяться (модулироваться) параметры светового потока: интенсивность, фаза гармонической составляющей, спектральный состав, поляризация волн. Выделяют два типа ВОД: с использованием оптического волокна в качестве чувствительного элемента и с модуляцией светового потока вне оптического кабеля, который служит для передачи оптического сигнала к чувствительному элементу.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Дайте определение измерения и приведите последовательность операций, выполняемых для его проведения.
• 2. Что представляет собой и как работает электромеханический измерительный механизм?
• 3. Каково назначение блоков аналоговых приборов измерения электрических величин?
• 4. Перечислите основные узлы аналогового электронного осциллографа и поясните их взаимодействие.
• 5. Каково назначение базовых модулей цифрового электроизмерительного прибора?
• 6. Что означает разрядность 4S цифрового вольтметра?
• 7. Какие блоки образуют измерительный канал цифрового осциллографа?
• 8. Каковы назначение и состав базовых модулей информационно-измерительной системы?
• 9. Для каких целей разработаны типовые устройства сбора данных, и каков состав базовых функциональных модулей?
• 10. Дайте определение электрического датчика и приведите примерный набор входящих блоков.
• 11. Какие признаки используют для классификации электрических датчиков?