Обобщенная структура измерительных информационных систем. 
Первичные измерительные преобразователи

1. Обобщенная структура ИИС

2. Первичные измерительные преобразователи

2.1. Датчики электрических величин

2.2. Датчики магнитных величин

2.3. Датчики линейных и угловых перемещений, контактирующие с измеряемой деталью

2.4. Бесконтактные датчики координат

2.5. Датчики силы

2.6. Датчики давления

2.7. Датчики температуры

2.8. Датчики скорости и ускорения

2.9. Датчики расхода

2.10. Акустические датчики

2.11. Датчики влажности

2.12. Датчики световых излучений

2.13. Датчики радиоактивного излучения

2.14. Датчики химического состава и концентраций

2.15. Детекторы присутствия и движения объектов

Заключение

Литература

Тема контрольной работы «Обобщенная структура измерительных информационных систем. Первичные измерительные преобразователи» по дисциплине «Измерительные информационные системы».

Измерительные информационные системы (ИИС) являются симбиозом аппаратных средств и алгоритмов обработки измерительной информации. Поэтому как проектирование ИИС, так и их применение невозможны без правильного теоретического обоснования и понимания этих алгоритмов. При этом, благодаря наличию в составе ИИС ЭВМ, возможна дальнейшая обработка результатов измерений, полученных путем обработки первичной измерительной информации. Это позволяет решать с помощью ИИС широкий спектр других задач, не являющихся чисто измерительными, в частности контроль качества, распознавание образов и др.

1.Обобщенная структура ИИС

В литературе [19, 45] рассматриваются различные виды структуры ИИС в зависимости от организации взаимодействия функциональных блоков: цепочечная, радиальная, магистральная с централизованным и децентрализованным управлением, радиально-магистральная. Эти варианты структур отличаются в основном организацией передачи информации. В зависимости от организации сбора измерительной информации выделяются структуры: одноканальная, многоканальная, мультиплицированная, многоточечная, сканирующая. Мы не будем останавливаться на рассмотрении этих структур, поскольку при современном уровне цифровой вычислительной техники все эти структуры с функциональной точки можно рассматривать как частный случай обобщенной структуры., приведенной на рис. 1.

Исследуемый объект (ИО) описывается физическими величинами х_1,… х_п. Номенклатура измеряемых величин определяется заказчиком (пользователем) ИИС, исходя из физических представлений об объекте. Эти величины могут быть одинаковыми, например пространственные координаты. Среди них могут быть однотипные, например электрические (напряжение, сила тока, сопротивление и др.). Эти величины могут быть существенно различными, например метеорологические показатели при мониторинге окружающей среды (температура воздуха, атмосферное давление, влажность, направление и скорость ветра). Даже при четко выраженной области применения ИИС измеряемые физические величины могут быть различными. Например, при контроле размеров деталей в машиностроении в число измеряемых величин кроме координат может входить температура, знание которой необходимо для введения температурных поправок в результаты измерения размеров.

Рис. 1

Первичные измерительные преобразователи (ПИП), или датчики, преобразуют величины x_i в электрические величины у_i (напряжение, ток, сопротивление, емкость, индуктивность и др.). Датчики являются обязательными компонентами ИИС. Вид датчика в первую очередь определяется видом преобразуемой величины. Однако, как мы увидим ниже, для измерения одной и той же физической величины могут использоваться различные первичные преобразователи, отличающиеся принципом действия и своими характеристиками. Поэтому в рамках одной ИИС, если даже преобразуемые величины одинаковы по физическому смыслу, первичные преобразователи могут быть различными, в частности, в зависимости от требуемого диапазона измерения. Например, шунты, являющиеся первичными преобразователями силы тока в напряжения, будут иметь разное сопротивление для разных диапазонов измерения. Диапазоны измерения силы тока могут отличаться на порядки. В силу этого конструкция шунтов в различных каналах также будет различной. Для измерения координат, изменяющихся в пределах десятков миллиметров и больше, целесообразно использовать растровые фотоэлектрические датчики, а для измерения в диапазоне нескольких миллиметров и менее — индуктивные.

Вспомогательным устройством в ИИС является базирующее устройство, с которым могут быть связаны ИО и первичные преобразователи. Вид базирующего устройства определяется видом ИО и необходимыми воздействиями на него в процессе измерения. Базирующее устройство может быть простым механическим приспособлением для установки датчиков. Такими простейшими устройствами являются, например, метеорологическая будка, элементы крепления измерительных микрофонов или датчиков ионизирующих излучений и др.

В других случаях оно может быть сложным устройством, обеспечивающим относительное перемещение датчиков и объекта, подачу на объект необходимых воздействий: нагрев объекта, воздействие на него различными полями, подача входных испытательных сигналов и т. п.

Величины y_i, выдаваемые первичными преобразователями, подаются на вторичные измерительные преобразователи (ВИП), которые преобразуют их в напряжения U_i. Вторичные преобразователи в некоторых каналах могут отсутствовать, если выходной величиной датчика является напряжение, уровень которого достаточен для аналого-цифрового преобразования. В ряде случаев вторичный преобразователь, каждый из которых на рис. 1 обозначен как единое целое, может представлять собой каскадное соединение нескольких вторичных преобразователей, например моста переменного тока, усилителя и фазового детектора. Вид вторичного преобразователя определяется только видом величины y_i.Поэтому в каналах измерения физически различных величин могут использоваться одинаковые вторичные преобразователи, если выходные величины датчиков одинаковы.

В принципе один и тот же экземпляр вторичного преобразователя может использоваться для преобразования выходной величины разных датчиков. Однако практически это не очень удобно.

Конструктивно вторичные преобразователи могут быть совмещены с первичными преобразователями или выполнены в виде отдельных плат (устройств). В состав вторичных преобразователей могут входить простейшие вычислительные устройства, например для введения поправок или для линеаризации характеристик (так называемые интеллектуальные датчики).

Напряжения U_i поступают на аналого-цифровые преобразователи (АЦП), где преобразуются в цифровые коды С_i подаваемые на ЭВМ. По выполняемым функциям АЦП в принципе можно отнести к вторичным преобразователям, реализуется иногда конструктивно. Однако они выделены в отдельные функциональные блоки в силу следующих обстоятельств:

— АЦП, как это отражено на рис. 1, в отличие от других преобразователей, работают под управлением ЭВМ, обеспечивающей необходимый алгоритм сбора первичной информации;

— АЦП, как и датчики, в отличие от других вторичных преобразователей, являются обязательными компонентами каждого канала.

АЦП могут быть индивидуальными для каждого канала, однако чаще один АЦП используется для всех или нескольких каналов, работая в мультиплексном режиме (рис. 2).

При реализации этой схемы коммутатор по командам ЭВМ подает на АЦП сигнал соответствующего канала, и с АЦП, также по запросу ЭВМ, выдается код. В этом случае аппаратно присутствует только один АЦП, однако для анализа выполняемых функций, оценки погрешностей и т. д. по-прежнему удобнее пользоваться обобщенной схемой. Единственный момент, который следует учитывать при переходе к мультиплексной схеме, — это время передачи информации на ЭВМ. Однако, учитывая быстродействие современных АЦП и ЭВМ, этот момент в подавляющем большинстве случаев не имеет существенного значения.

Рис. 2

Для некоторых измерительных преобразователей, например кодовых или импульсных, функции АЦП выполняют сами первичные или вторичные преобразователи. Это не нарушает общего характера рассматриваемой структурной схемы, поскольку она носит функциональный характер, и входящие в нее элементы могут быть конструктивно объединены. АЦП является в этом отношении самым ярким примером. Он может быть самостоятельным элементом, может входить в состав первичных или вторичных преобразователей, а также в виде отдельных плат конструктивно может быть размещен в составе ЭВМ.

Каналы связи между элементами ИИС могут иметь различный характер. В простейшем случае для локально сосредоточенной ИИС это проводная связь, в том числе внутри стойки или конструктива (крейта), где размещены сами элементы. Для ИИС, распределенных в пространстве, могут использоваться радиоканалы или волоконно-оптическая связь. В этих случаях один канал связи может служить для передачи информации от разных первичных преобразователей, если они локально сосредоточены, то есть каналы связи, как и АЦП, могут функционировать в мультиплексном режиме.

Последовательность преобразователей (ПИП, ВИП, если они есть, и АЦП) и каналов связи, обеспечивающая преобразование измеряемой физической величины в цифровой код, называется измерительным каналом (ИК). Другими словами, измерительный канал — это вся совокупность технических средств, преобразующих измеряемую величину в код, поступающий в ЭВМ. Как видно из вышесказанного, общим для разных ИК могут быть АЦП, каналы связи и иногда вторичные преобразователи.

Понятие ИК отражает сущность выполнения измерений в ИИС. Оно необходимо для анализа погрешностей измерения и организации метрологического обеспечения. Однако конструктивно различные элементы канала могут быть объединены в единое устройство. Например, измерительным каналом является кодовый датчик угла, преобразующий измеряемый угол в параллельный код. В качестве измерительных каналов могут использоваться электронные измерительные приборы, имеющие цифровой выход (цифровые вольтметры, частотомеры, весы и др.).

Коды, выдаваемые АЦП, подаются для обработки на вход ЭВМ, в качестве которой может использоваться персональный компьютер (ПК) или специализированное микропроцессорное вычислительное устройство. Цель обработки определяется функциональным назначением ИИС. Обработка первичной информации производится в соответствии с заложенным в ЭВМ программно-математическим обеспечением (ПМО). ПМО является не менее важным функциональным компонентом ИИС, чем аппаратные составляющие. При этом ПМО и базирующее устройство являются наиболее специфичными, наиболее «индивидуальными» элементами каждой ИИС.

Функции ЭВМ могут заключаться не только в обработке первичной измерительной информации, но и в управлении самим процессом измерения. Один из аспектов этого управления — сбор данных с АЦП — уже упоминался. Второй аспект, также отраженный на рис. 1, заключается в управлении путем подачи воздействий на ИО. Эти воздействия, как уже отмечалось, могут иметь различный характер в зависимости от цели измерения и характера объекта. В ряде случаев требуется перемещение объекта относительно датчиков, например при измерении линейных и угловых размеров деталей в машиностроении или при измерении поля температур. При изучении операторов линейных или нелинейных исследуемых систем на их вход необходимо подавать тестовые воздействия (тестовые сигналы). При изучении свойств материалов их необходимо нагревать, подвергать воздействию различных полей, изменять другие внешние факторы. Для реализации этих воздействий в состав базирующего устройства могут входить специальные исполнительные устройства (приводы, нагреватели, формирователи тестовых сигналов, источник магнитных или электрических полей и др.), работающие под управлением ЭВМ.

В некоторых ИИС, имеются дискретные битовые входы, которые не отражены на рис. 1. Причина в том, что эти входы не используются непосредственно в измерительном процессе, а являются элементами электроавтоматики, обеспечивающей бесперебойную работу ИИС, контроль исправности отдельных элементов и др. Поэтому, хотя такие каналы имеются во многих ИСС и выполняют важные функции, можно считать, что они присутствуют в канале связи ЭВМ и базирующего устройства. Однако для дальнейшего изложения они нам не понадобятся.

При описании структуры ИИС иногда используется понятие «измерительно-вычислительный комплекс» (ИВК), которое включает все элементы ИИС, кроме первичных преобразователей. В свое время ИВК выпускались как самостоятельные изделия с целью унификации аппаратной части ИИС. Однако сейчас, в связи с миниатюризацией ЭВМ, это понятие теряет актуальность.

Рассмотренная функциональная схема, как уже отмечалось, включает в себя как частные случаи другие структурные схемы. При n = 1 мы получаем одноканальную ИИС. Точечная ИИС, для которой все или некоторые величины x_i одинаковы по физическому смыслу и измеряются датчиками, размещенными в разных точках пространства, вписывается в схему на рис. 1 без каких-либо уточнений. Различные варианты организации связи, конкретизируют построение измерительных каналов, но не изменяют функциональной структуры системы.

2. Первичные измерительные преобразователи

Первичные измерительные преобразователи (датчики) в ИИС обеспечивают преобразование некоторой физической величины в электрическую величину. В настоящее время существуют датчики для всех физических величин [17, 42].

Различают датчики генераторного типа, когда выходной величиной является ток, напряжение или электрический заряд, и параметрические, когда выходной величиной является параметр электрической цепи: активное сопротивление, емкость, индуктивность, комплексное сопротивление. Параметрические датчики иногда называют активными, поскольку для выполнения своих функций они требуют внешних источников энергии, а генераторные — пассивными, поскольку для выдачи сигнала они во внешних источниках не нуждаются. Принципы действия датчиков основаны на использовании различных физических законов и эффектов, о которых кратко упомянем далее, говоря о датчиках различного назначения.

Характеристиками датчиков являются следующие показатели.

1) Функция преобразования. Ее вид определяется принципом работы датчика. Она может быть линейной, квадратичной, экспоненциальной и др. При аналоговой обработке информации, выдаваемой датчиком, нелинейность характеристики была основным источником систематической погрешности. При цифровой обработке нелинейность ИК легко устраняется, если эта нелинейность стабильна и не изменяется во времени. Однако и в этом случае важным требованием к функции преобразования является ее плавность — медленное изменение ее первой производной, так как иначе линеаризация оказывается неэффективной даже при современных вычислительных средствах.

2) Диапазон значений преобразуемой величины.

3) Диапазон значений выходной величины.

4) Характеристики погрешности: нелинейность, погрешность задания чувствительности, нестабильность, насыщение, зона нечувствительности, гистерезис, разрешающая способность, воспроизводимость.

5) Показатели, характеризующие возможность сопряжения датчиков с другими устройствами: выходной импеданс, питающее напряжение и др.

6) Динамические характеристики, описываемые, как и у других СИ, частотными или переходными характеристиками.

7) Условия эксплуатации, надежность, масса, габариты и другие общетехнические показатели.

Основным классификационным признаком датчиков является преобразуемая (измеряемая) величина.

2.1 Датчики электрических величин

Номенклатура датчиков этой группы сравнительно невелика, хотя электрические измерения являются одной из крупнейших областей измерительной техники. Это объясняется тем, что в силу своей физической природы измеряемые электрические величины могут подаваться непосредственно на вторичный преобразователь. К простейшим первичным преобразователям для измерения электрических величин можно отнести шунты, используемые при измерении силы тока, делители, используемые для измерения напряжения, измерительные трансформаторы. К этой же группе можно отнести и болометры, основное применение которых — измерение мощности светового излучения. Однако они применяются и в других областях, например при измерении мощности сигналов сверхвысоких частот (СВЧ) непосредственно в волноводных трактах или при измерении действующего значения электрического тока произвольной формы. Принцип действия болометра основан на изменении его сопротивления при нагревании за счет падающего оптического или СВЧ излучения.

2.2.Датчики магнитных величин

Датчики для измерения напряженности магнитного поля строятся на основе эффекта Холла и эффекта Гаусса.

Суть эффекта Холла состоит в следующем. Если по тонкой электропроводящей пластине (металлической или полупроводниковой) течет электрический ток I, обусловленный внешним напряжением V_B, то при воздействии магнитного поля В, перпендикулярного пластине, направление движения зарядов отклоняется от первоначального (рис. 3). Это приводит к появлению на боковых гранях пластины, параллельных первоначальному направлению тока, электродвижущей силы Е_н, пропорциональной напряженности магнитного поля. Таким образом, датчик на основе эффекта Холла представляет собой генераторный преобразователь.

Датчики на основе эффекта Гаусса, или магниторезистивные датчики, представляют собой параметрические преобразователи поля, изготовленные из материалов, сопротивление которых меняется с изменением напряженности магнитного поля.

2.3 Датчики линейных и угловых перемещений, контактирующие с измеряемой деталью

Самым распространенным и относительно дешевым датчиком угловых перемещений является сельсин (вращающийся трансформатор). Он представляет собой электрическую машину, на статоре которой размещены обмотки, создающие вращающееся магнитное поле. Обмоток может быть две пары (в паре они расположены друг против друга), сдвинутых в пространстве на 90°. На рис. 4 условно показано по одной обмотке L_x и L_y из каждой пары. В произвольно ориентированной обмотке ротора L_p наводится синусоидальное напряжение, фаза которого сдвинута относительно напряжения, питающего обмотку L_x, на угол поворота ротора (развернутые трансформаторы), применяемые для измерения линейных перемещений.

Возможен другой режим работы сельсина, при котором питающее синусоидальное напряжение подается на ротор, а его угловое положение определяется по амплитудам напряжений в обмотках L_x и L_y.В датчиках угла такой режим используется реже. Однако на его основе созданы индуктосины (развернутые трансформаторы), применяемые для измерения линейных перемещений.

На статоре могут быть размещены и три пары обмоток, сдвинутых на угол 120°, на которые подаются напряжения, сдвинутые по фазе также на 120°, то есть обычное трехфазное напряжение. Принцип работы сельсина в этом случае не меняется, конструкция несколько усложняется, однако существенно упрощается формирование питающего напряжения.

Одними из наиболее точных датчиков угловых перемещений являются кодовые датчики. Основу их составляет кодовый диск, на п концентрических кольцах которого равномерно расположены 2^і прорезей (і = 1,… n), каждая из которых занимает ½ⁱ⁺¹ часть окружности своего кольца. Тогда, если рассматривать наличие прорези как единицу, а отсутствие как нуль, число, образованное прорезями при угле поворота ц, будет равно 2ⁿц/360°. Для считывания этого числа используется неподвижная маска с п прорезями, соответствующими прорезям на каждом кольце и п оптопар. (Для наружных колец, соответствующих младшим разрядам и имеющих малые размеры прорезей, возникают некоторые конструктивные сложности из-за дифракции света, которые успешно преодолеваются.)

Емкостной датчик угловых перемещений состоит из неподвижных металлических пластин 1 и подвижной пластины 2, размещенных на оси 3 (рис. 5). Площадь перекрытия этих пластин и, следовательно, емкость образованного пластинами конденсатора пропорциональны углу поворота подвижной пластины. Диапазон измерений такого датчика — от 0 до 180°. Однако из-за рассеяния электрического поля у краев пластин возле границ диапазона измерения наблюдается значительная нелинейность функции преобразования.

Емкостные датчики угла поворота могут быть недифференциальными (рис. 5, а) и дифференциальными (рис. 5, б). Во втором случае эквивалентная схема датчика представляет собой два последовательно соединенных конденсатора, емкость которых при изменении угла поворота изменяется в противоположных направлениях.

Аналогичную конструкцию имеют недифференциальные и дифференциальные емкостные датчики линейных перемещений (рис. 6). Они содержат один или два неподвижных цилиндра, внутри которых перемещается подвижный цилиндр.

Рис. 6

Наибольшее применение нашли индуктивные датчики линейных перемещений, которые, как и емкостные, могут быть не дифференциальными и дифференциальными; конструкция последнего изображена на рис. 7. Принцип их действия основан на изменении индуктивностей катушек 3, размещенных на каркасе 1 при перемещении внутри них сердечника 2 из магнитомягкого (не сохраняющего остаточную намагниченность) материала.

Рассмотренные индуктивные и емкостные датчики имеют диапазон измерения до 30 мм.

Существенно больше диапазоны измерения у резистивных датчиков и датчиков с периодической структурой — индуктосинов и растровых фотоэлектрических преобразователей.

Резистивные датчики — самые простые и дешевые. Они представляют собой проводник, по которому, как в обычном реостате, перемещается контактирующий элемент. Величина сопротивления пропорциональна расстоянию контакта от «нулевого» положения. Точность этих датчиков невелика, поэтому они используются для самых грубых измерений.

Принцип работы индуктосина физически аналогичен принципу работы сельсина в режиме запитки ротора. Ин-дуктосин иногда и называют развернутым трансформатором, условно считая, что окружности ротора и статора развернуты в прямую линию и обмотка ротора периодически повторена. Правда, после этих преобразований периодически повторенная развертка ротора становится неподвижной, а относительно нее перемещается развертка статора.

Рис. 7

Рис.8

С учетом сказанного неподвижная часть индуктосина содержит печатную обмотку 1 (рис. 8) с пространственным шагом ?х. Для индуктосинов этот шаг обычно равен 2 мм. Относительно неподвижной обмотки перемещается каретка, на которой размещены две обмотки 2, имеющие тот же шаг и сдвинутые относительно друг друга на целое число шагов плюс четверть шага. На неподвижную обмотку подается синусоидальное напряжение. Тогда амплитуды сигналов, снимаемых с подвижных обмоток, в зависимости от перемещения будут изменяться линейно от некоторой величины U_M до — U_M и обратно (под отрицательной амплитудой в данном случае мы понимаем изменение фазы на 180°). Период изменения будет равен шагу ?х, причем напряжения в обмотках будут сдвинуты по фазе на четверть шага (90°), то есть будут представлять собой

две квадратурные составляющие.

Аналогичную конструкцию имеет и угловой индуктосин, форма неподвижной обмотки которого показана на рис. 9.

Растровый фотоэлектрический преобразователь также выдает два квадратурных сигнала, хотя принцип действия его иной, чем у индуктосина (рис. 10). Основу такого преобразователя составляет стеклянная (при работе на проходящем свете) или металлическая (при работе в отраженном свете) неподвижная шкала 2 с нанесенными на нее прозрачными (или отражающими) делениями шириной в половину шага. У растровых датчиков линейных перемещений шаг составляет в большинстве случаев 20 мкм, то есть существенно меньше, чем у индуктосинов, хотя иногда применяются и другие шаги. На подвижной каретке расположены параллельно две стеклянные шкалы 5 (для обоих видов неподвижных шкал), сдвинутые относительно друг друга на целое число шагов плюс четверть шага. При перемещении подвижной шкалы относительно неподвижной сигналы фотодиодов 4, воспринимающих световой поток от светодиода 1, проходящий через обе шкалы и линзу 3, будут близки к синусоиде с постоянной составляющей, большей амплитуды самой синусоиды и со сдвигом фаз 90° (квадратурные сигналы).

Аналогично угловым индуктосинам существуют угловые растровые датчики, в которых считывающие шкалы с опто-парами (светодиод и фотодиод) неподвижны, а вращается диск, на котором по окружности нанесены штрихи.

2.4 Бесконтактные датчики координат

Бесконтактные датчики координат бывают двух основных видов: на приборах с зарядовой связью (ПЗС) и локационные.

Приборы с зарядовой связью представляют собой линейные или двумерные структуры, элементы которых под действием света приобретают электрический заряд. Двумерные структуры по существу являются воспринимающей частью видеокамеры. Подаваемое на эти датчики изображение может формироваться как в проходящем (теневое изображение), так и отраженном свете. Следует отметить, что при использовании таких датчиков между ИО и первичными преобразователями размещается еще один преобразователь — оптическое устройство, изменяющее масштаб изображения, и коэффициент этого изменения необходимо учитывать при анализе ИК.

Локационные датчики используют отражение световых или акустических сигналов от объекта. Расстояние до него вычисляется путем измерения мощности, фазы или задержки отраженного сигнала по отношению к излученному.

К бесконтактным датчикам координат точек поверхностей относятся и голографические датчики. Их основу составляют лазеры (когерентные источники света), когерентная оптика и оптоэлектронные преобразователи. Они отличаются высокой чувствительностью и повышенной точностью, что послужило основой их широкого применения в голографической интерферометрии. Голографическая интерферометрия обеспечивает бесконтактное измерение расстояний одновременно от множества точек наблюдаемой поверхности путем сравнения с мерой — длиной волны света, излучаемого лазером, которая известна с высокой точностью.

2.5 Датчики силы

Наибольшее распространение получили параметрические датчики силы с использованием тензорезисторов.

Тензорезистор (рис. 11) представляет собой решетку, изготовленную печатным способом или просто из тонкого проводника. При деформации тензорезистора под действием силы F в указанном направлении его длина увеличивается, площадь поперечного сечения уменьшается и, соответственно, растет его сопротивление. Строго говоря, тензорезистор служит преобразователем перемещений в диапазоне до нескольких десятков микрометров. По прямому назначению он используется при исследовании деформаций элементов различных механизмов и машин. Десятки и даже сотни тензорезисторов наклеиваются на эти элементы, в результате чего исследователь получает полную картину деформаций.

Датчик силы представляет собой упругий элемент, на который наклеены один или несколько тензорезисторов, электрическое сопротивление которых меняется пропорционально деформации упругого элемента и, следовательно, пропорционально приложенной к нему силе. Диапазон измерения зависит от размеров упругого элемента.

Для измерения силы применяются также датчики, использующие пьезоэлектрический эффект. Этот эффект проявляется в поляризации диэлектрика, то есть появлении на его поверхностях электрических зарядов, под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект — возникновение механических деформаций под действием электрического ПОЛЯ. Пьезоэлектрические датчики являются генераторными, однако выходным сигналом является не напряжение или ток, а электрический заряд. Обработка такого сигнала вторичным преобразователем обладает определенной спецификой. Пьезоэффект присущ некоторым кристаллическим веществам (прежде всего кварцу), а также специально разработанным пленочным материалам. Поскольку непосредственной причиной пьезоэффекта является деформация материала, пьезодатчик силы, как и тензодатчик, представляет собой упругий элемент, на котором размещен пьезопреобразователь.

2.6.Датчики давления

По принципу действия эти датчики сходны с датчиками силы. Измеряемое давление с помощью механических элементов преобразуется в перемещения, величина которых не превышает десятков микрометров. Эти перемещения измеряются с помощью тензорезисторных, пьезоэлектрических, емкостных или индуктивных преобразователей. Механическими преобразователями могут быть сильфоны, мембраны, тонкие пластины. Благодаря малости действующих сил и деформаций пленочные пьезопреобразователи могут использоваться без промежуточных механических преобразователей.

2.7.Датчики температуры

Основными датчиками температуры являются терморезисторы (параметрические датчики) и термопары (генераторные датчики). Терморезисторы изготавливают из металлов или полупроводниковых материалов, удельное сопротивление которых зависит от температуры. Термопара представляет собой два последовательно соединенных спая двух разных металлов, например железо—константан, медь— константан, серебро—палладий и др. На спае возникает контактная разность потенциалов, которая увеличивается с увеличением температуры. Поскольку контактные разности потенциалов спаев направлены навстречу друг другу, напряжение на выходе термопары будет пропорционально разности температур спаев.

Для бесконтактного измерения температуры используются оптические датчики, основанные на анализе отраженного или излучаемого объектом света, и акустические датчики, использующие зависимость скорости звука от температуры среды. Эти датчики используются при измерении температур в экстремальных условиях.

2.8 Датчики скорости и ускорения

Непосредственное измерение скорости представляет собой довольно сложную задачу. Для перемещений в малых диапазонах скорость может измеряться с помощью электромагнитных датчиков, основанных на возбуждении в катушке ЭДС при перемещении внутри нее постоянного магнита. При больших перемещениях для измерения скорости используется бесконтактный датчик, работающий на эффекте Доплера, суть которого состоит в том, что частота локационного сигнала (электромагнитного или акустического), отраженного от движущегося объекта, увеличивается пропорционально скорости, если объект приближается к излучателю, и уменьшается в противоположном случае.

Средняя угловая скорость измеряется или путем измерения угла поворота за известный интервал времени, что приводит к сглаживанию мгновенной скорости. Используется также измерение центростремительной силы, обусловленной центростремительным ускорением и пропорциональной угловой скорости. Второй метод аналогичен измерению ускорений.

Датчики ускорения, акселерометры, основаны на косвенном методе измерения, так как преобразуют силу инерции, действующую на массу в соответствии со вторым законом Ньютона. В зависимости от принципа действия преобразователей силы различают емкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические акселерометры.

Одним из самых известных датчиков изменения направления движения объекта является гироскоп. Принцип его действия основан на том, что вращающееся тело стремится сохранить направление оси вращения. Первыми и до сих пор применяемыми являются механические гироскопы, называемые роторными. Их основу составляет массивный диск, вращающийся с большой скоростью (тысячи и десятки тысяч оборотов в минуту). В настоящее время используются также кварцевые вибрационные гироскопы, основанные на измерении силы Кориолиса, и оптические гироскопы, использующие оптоволоконные оптические резонаторы.

2.9 Датчики расхода

Все датчики расхода реализуют косвенные методы измерения, используя основные законы гидродинамики. Практически все датчики измеряют скорость движения жидкости или газа, а величина расхода рассчитывается с учетом площади поперечного сечения трубопровода. Существуют следующие виды датчиков:

— датчики скорости потока по перепаду давления;

— ультразвуковые расходомеры, измеряющие скорость на основе эффекта Доплера;

— электромагнитные расходомеры проводящей жидкости, основанные на измерении напряжения, индуцированного в соответствии с законом Фарадея в жидкости, движущейся в магнитном поле;

— тахометрические расходомеры с крыльчаткой и турбинные, в которых скорость движения потока преобразуется в скорость вращения и затем подсчитывается число оборотов вращающегося элемента.

2.10 Акустические датчики

В настоящее время наибольшее применение находят электростатические (конденсаторные) и пьезоэлектрические микрофоны; иногда используются электродинамические. Принцип действия этих микрофонов ясен из их названия, разновидностью электростатических микрофонов являются электретные. Электрет — это кристаллический диэлектрик с постоянной электрической поляризацией. Поэтому на пластинах конденсатора с диэлектриком из электрета присутствуют электрические заряды, которые создают электрический потенциал. Величина напряжения на высокоомной нагрузке, подключенной к последовательно соединенным электретному и воздушному конденсаторам, будет зависеть от емкости воздушного конденсатора. В электретном микрофоне одной из обкладок воздушного конденсатора является колеблющаяся мембрана, воспринимающая звук. Поэтому зазор воздушного конденсатора и, следовательно, его емкость будут изменяться в соответствии с изменением звука. Следует отметить, что обычный электростатический микрофон является параметрическим датчиком, а электретный — генераторным.

Существуют также оптоволоконные микрофоны, в которых мембрана, воспринимающая звук, помещена между торцами оптоволокон, и ее колебания модулируют интенсивность светового потока, излучаемого лазерным диодом, проходящего через оптоволокно и воспринимаемого фотодиодом.

2.11 Датчики влажности

Наибольшее применение находят емкостные и резистивные датчики. Принцип действия первых основан на том, что диэлектрическая проницаемость воздуха зависит от концентрации водяных паров. При построении резистивных датчиков используется тот факт, что удельное сопротивление многих неметаллических материалов зависит от содержания в них воды.

2.12 Датчики световых излучений

Наиболее распространенными оптическими датчиками являются фотодиоды, величина тока на выходе которых определяется величиной падающего светового потока. Более чувствительными являются фототранзисторы, которые объединяют в одном полупроводниковом приборе фотодиод и усилитель фототока, генерируемого фотодиодом. Естественно, что для выполнения функций усилителя фототранзистор должен иметь внешнее питание.

Параметрическими датчиками светового излучения являются фоторезисторы, изготовленные из материала (например, сульфида кадмия или селенида кадмия), удельное сопротивление которого зависит от освещенности.

Датчики для измерения инфракрасного излучения имеют свою специфику. Большинство из них использует эффект нагревания поверхности датчика под действием измеряемого излучения. Для измерения температуры применяются миниатюрные терморезисторы, а также ячейки Голея, работающие на эффекте расширения газа при нагревании, что приводит к деформации мембраны, измеряемой датчиком положения; используются и другие методы.

2.13 Датчики радиоактивного излучения

Для измерения радиоактивного излучения используются сцинтилляционные детекторы, принцип работы которых основан на свойстве некоторых материалов преобразовывать ионизирующее излучение в свет, интенсивность которого затем измеряется с помощью оптического детектора. Существуют ионизационные детекторы, где под действием ионизирующего излучения возникают пары ионов, концентрация которых потом измеряется тем или иным способом. По этому принципу, в частности, работают камеры Вильсона, а также самые простые и наиболее распространенные датчики радиоактивного излучения — счетчики Гейгера—Мюллера, в которых под действием внешнего электрического поля возникшие ионы ускоряются и ионизируют другие молекулы газа, что приводит к лавинообразному нарастанию числа ионов. В силу этого датчики Гейгера—Мюллера имеют высокую чувствительность. Наилучшую разрешающую способность среди современных датчиков радиоактивного излучения имеют полупроводниковые детекторы, принцип действия которых аналогичен принципу действия ионизационных детекторов. Вдоль траектории образовавшегося иона внутри полупроводникового материала образуются пары электрон—дырка, появление которых фиксируется в виде импульсов тока на р-n-переходе.

2.14 Датчики химического состава и концентраций

Эти датчики весьма разнообразны и образуют специфическую группу. Строго говоря, они не являются датчиками физических величин, но тем не менее являются средствами измерений и могут входить в состав ИИС для контроля технологических процессов наряду с другими преобразователями. В силу своей специфики химические датчики характеризуются, кроме перечисленных в начале параграфа показателей, избирательностью и чувствительностью к определенным химическим реагентам. Избирательность — это способность датчика реагировать только на определенное химическое вещество и не реагировать на все остальные. Чувствительность характеризуется либо минимальной концентрацией детектируемого вещества, либо минимальными изменениями этой концентрации, которые могут быть зафиксированы.

Существуют следующие основные группы химических датчиков.

Электрохимические датчики, основанные на изменении электрических характеристик растворов или твердых веществ в зависимости от концентрации детектируемого вещества. Например, сопротивление некоторых оксидных пленок изменяется при адсорбции на их поверхности различных газов. Проводимость между стоком и истоком полевого транзистора изменяется при реакции специального покрытия, нанесенного на затвор, с исследуемой жидкостью. Напряжение на электродах, помещенных в электролит, зависит от материала электродов и химического состава электролита. К этой группе относятся датчики, измеряющие ток в жидкости, определяемый количеством детектируемых веществ, например кислорода и др.

Составные датчики основаны на измерении физических величин, зависящих от химического состава. К этой группе относятся:

— датчики, измеряющие температуру в зоне контакта чувствительного элемента с исследуемым веществом;

— датчики, измеряющие изменение интенсивности, поляризации и скорости света при прохождении его через исследуемое вещество;

— гравиметрические или микровесовые датчики, измеряющие изменение массы за счет адсорбции детектируемого вещества на чувствительных элементах.

Особую группу составляют химические детекторы на основе спектрального анализа излучения исследуемого вещества.

2.15 Детекторы присутствия и движения объектов

Эти датчики основаны на самых различных принципах. Однако по своим функциям они не являются средствами измерений и используются в основном в системах автоматики.

Заключение

измерительный информационный система преобразователь

Из изложенного видно, что некоторые датчики имеют сравнительно простую конструкцию, непосредственно преобразуя измеряемую величину в электрическую, например терморезисторы или фотодиоды. Другие датчики имеют довольно сложную механическую конструкцию, что относится в первую очередь к датчикам линейных и угловых перемещений, датчикам расхода. Многие датчики оказываются составными, например датчики силы и давления, инфракрасного или радиоактивного излучения, тахометрические расходомеры, химические датчики и др. В них измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, которая затем преобразуется в электрическую. В подобных случаях второй преобразователь можно было бы отнести к вторичным, однако конструктивно оба эти преобразователя, как правило, представляют собой единое целое, и с функциональной и конструктивной точек зрения наличие этого промежуточного преобразования и физическая природа промежуточной величины не имеют значения.

Следует также отметить, что многие первичные преобразователи ориентированы на косвенное измерение, поскольку они преобразуют не непосредственно измеряемую величину, а некоторую другую, связанную с ней взаимно-однозначной зависимостью. Например, большинство датчиков расхода преобразует в электрическую величину скорость потока, датчики влажности основаны на преобразовании диэлектрической проницаемости и т. д.

Из изложенного можно сделать вывод, что при создании новой ИИС нет необходимости проектировать новые датчики. Для любой физической величины всегда можно найти несколько вариантов серийно выпускаемых датчиков, пригодных для решения поставленной задачи.

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW / под ред. П. А. Бутыркина. — М.: ДМК-Пресс, 2005.— 264 с.

2. Анисимов Б. В., Голубкин В. Н. Аналоговые и гибридные вычислительные машины. — М.: Высшая школа, 1990., — 289 с.

3. Атамалян Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин. — М.: Дрофа, 2005. — 415 с.

4. Ацюковский В. А. Основы организации системы цифровых связей в сложных информационно-измерительных комплексах. — М.: Энергоатомиздат, 2001. — 97 с.

5. Барский А. Б. Нейронные сети. Распознавание, управление, принятие решений. — М.: Финансы и статистика, 2004. — 176 с.

6. Батоврин В., Бессонов А., Мошкин В. Lab VIEW: Практикум по электронике и микропроцессорной технике. — М.: ДМК-Пресс, 2005 —182 с.

7. Вентцелъ Е. С, Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. — М.: Высшая школа, 2007. — 491 с.

8. Волкова В. Н., Денисов А. А. Теория систем. — М.: Высшая школа, 2006. — 511 с.

9. ГОСТ Р 8.596—2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.

10. ГОСТ 16 263–70. ГСИ. Метрология. Термины и определения.

11. ГОСТ 26 016–81. Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки классификации и общие требования.

12. ГОСТ 8.437—81. ГСИ. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

13. Грановский В. А. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем. — СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», 1999. — 360 с.

14. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. — Л., 1988. — 304 с.

15. Демидович В. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. — М.: Наука, 1970. — 654 с.

16. Деч Р. Нелинейные преобразования случайных процессов. — М.: Советское радио, 1965. — 208 с.

17. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. — М.: Техносфера, 2007.— 384 с.

18. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н. Н. Ев-тихиев, Я. А. Купершмидт, В. Ф. Папуловский, В. Н. Скуго-ров; под общ. ред. Н. Н. Евтихиева. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.

19. Информационно-измерительная техника и технологии / В. И. Калашников, С. В. Нефедов, А. Б. Путилин и др.; под ред. Г. Г. Ра-неева. — М.: Высшая школа, 2002. — 454 с.

20. Калабеков В. В. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. — М.: Радио и связь, 1997. — 336 с.

21. Карабутов Н. Н. Адаптивная идентификация систем. Информационный синтез. — М.: Едиториал УРСС, 2006. — 384 с.

22. Киреев В. И., Пантелеев А. В. Численные методы в примерах и задачах. — М.: Высшая школа, 2008. — 480 с.

23. Корнеенко В. П. Методы оптимизации. — М.: Высшая школа, 2007. — 664 с.

24. Максимей И. В. Имитационное моделирование на ЭВМ. — М.: Радио и связь, 1988. — 230 с.

25. Мезон С, Циммерман Г. Электронные цепи, сигналы и системы. — М.: Иностранная литература, 1963. — 594 с.

26. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация) / Е. Т. Удовиченко, А. А. Брагин, А. Л. Семенюк и др. — М.: Издательство стандартов, 1991. — 192 с.

27. МИ 2438—97. ГСИ. Системы измерительные. Метрологическое обеспечение. Общие положения.

28. Мячев А. А., Степанов В. Н. Персональные ЭВМ и микроЭВМ. Основы организации. — М.: Радио и связь, 1991. — 320 с.

29. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. — М.: Машиностроение,

1991. — 336 с.

30. Островский Ю. И. Голография и ее применение. — М.: Наука, 1976. — 256 с.

31. Пантелеев А. В., Летова Т. А. Методы оптимизации в примерах и задачах. — М.: Высшая школа, 2008. — 544 с.

32. Потапов А. С. Распознавание образов и машинное восприятие. — СПб.: Политехника, 2007. — 546 с.

33. Путилин А. Б. Вычислительная техника и программирование в измерительных системах. — М.: Дрофа, 2006. — 416 с.

34. РМГ 29—99. Метрология. Основные термины и определения.

35. Рубичев Н. А., Фрумкин В. Д. Достоверность допускового контроля качества. — М.: Издательство стандартов, 1990. — 172 с.

36. Руководство по выражению неопределенности измерения / под ред. В. А. Слаева. — СПб.: ГП «ВНИИМ им Д. И. Менделеева», 1999. — 126 с.

37. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. — М.: Наука; Физматлит, 1997. — 428 с.

38. Советов Б. Я., Цехановский В. В. Информационные технологии. — М.: Высшая школа, 2008. — 263 с.

39. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. — М.: Наука, 1967. — 268 с.

40. Ушаков И. А. Курс теории надежности систем. — М.: Дрофа, 2008. — 240 с.

41. Фомин Я. А. Теория выбросов случайных процессов. — М.: Связь, 1980. — 216 с.

42. Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. — М.: Техносфера, 2005. — 592 с.

43. Фрумкин В. Д., Рубичев Н. А. Теория вероятностей и статистика в метрологии и измерительной технике. — М.: Машиностроение, 1987— 168 с.

44. Хартман К. и др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. — М.: Мир, 1977. — 562 с.

45. Цапенко М. П. Измерительные информационные системы. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 357 с.

46. Чистяков В. П. Курс теории вероятностей .— М.: Дрофа, 2007. — 256 с.