Конструирование и применение датчиков (стр. 1 из 3)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Техника конструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается следующим показателям:
миниатюрность (возможность встраивания)
дешевизна (серийное производство)
механическая прочность
По структурному построению автоматизированные устройства напоминают такие биологические системы, как, например, человек. Органам чувств человека соответствуют в автоматах (или роботах) датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга как центрального устройства для обработки сигналов служит ЭВМ с ее системой памяти.
Датчик... Что это такое?
Понятием "датчик" в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления. Общеупотребительные термины и определения для различных датчиков четко сформулированы в Инструкции 2600 Общества немецких инженеров и Общества немецкихэлектриков ФРГ(VDI/VDE-Richtline2600).
Измерительный прибор осуществляет преобразование входного сигнала x(t) в выходной сигнал y(t):
y(t) = F[x(t)], (1)
где x(t) и y(t) - векторные величины; F(x) - требуемая функция преобразования. На выражение (1) можно смотреть на информационную модель прибора, в которой осуществляется преобразование входной информации в выходную.
В более общей формулировке прибор осуществляет операцию отображения множества сигналов на входе xÎX в множество сигналов на выходе yÎY, при этом указанное отображение должно быть однозначным.
В реальных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x(t), но также от возмущения x(t) на сигнал x(t), от помехи J(t), действующей на параметры прибора q(t), от несовершенства технологий изготовления прибора h(t) и от помехи n(t), возникающих в самом приборе (трения, паразитных ЭДС и др.), т. е.
y(t) = F[x,x,q(h,J),n)], (2)
где x,q,h,J,n - векторы.
На рис 1 приведена функциональная схема, отображающая зависимость (2).
Измеряемыми величинами, на основе которых формирует полезный сигнал х(t), являются параметры первичной информации, такие, как давление, температура, количество ирасход жидкостей, линейные н угловые размеры, расстояния, скорости, ускорения, деформации, напряжения, вибрации, внутренние трещины, несплошности в материалах и др. К числу вредных возмущений от- носятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, не- контролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и т. д. Все эти возмущения вносят погрешности в показания приборов.
Рис 1. Функциональная схема прибора.
Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допускаемыми погрешностями. При этом слово "воспроизведение", эквивалентное в данной трактовке слову "отображение", понимается в самом широком смысле: получение на выходе прибора величин, пропорциональных входным величинам; формирование заданных функций от входных величин (квадратичная и логарифмическая шкалы и др.); получение производных и интегралов от входных величин; формирование на выходе слуховых или зрительныхобразов, отображающих свойства входной информации; формирование управляющих сигналов, используемых для управления контроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.
Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительный прибор в виде импульса какого- либо вида энергии. Можно говорить о сигналах: первичных - непосредственно характеризующих контролируемый процесс; воспринимаемых чувствительным элементом прибора; подаваемых в мерительную схему, ит.д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора сигналы претерпевают ряд изменений по уровню испектру и преобразуются из одного вида энергии в другой.
Необходимость такого преобразования вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации. Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными.
Та часть прибора, в которой первичный сигнал преобразуется, например, в электрический, называется первичным преобразователем. Часто этот преобразователь совмещается с чувствительным элементом. Сигналы с выхода первичного преобразователя поступают на следующие преобразователи измерительного прибора.
Рис. 2 Функциональная схема прибора
На рис. 2 дана функциональная схема прибора, на которой указаны: исследуемый объект ИО;первичный преобразователь П1;устройство сравнения УС; устройство обработки сигналов Об. 1, в котором производится селекция, усиление, коррекция погрешностей, фильтрация и др.; кодирующее устройство Код; модулятор М; канал передачи КП; устройство детектирования Д; устройство декодирования ДК; устройство обработки информации Oбр. 2, обеспечивающее функциональное преобразование, коррекции погрешностей, формирование функции преобразования (1) и др.; преобразователь Пр, выдающий информацию на систему отображения СОИ и на обратный преобразователь 0П, с которого поступают сигналы на устройство сравнения. Эта схема является обобщенной и включает ряд элементов, которые в более простых приборах могут отсутствовать.
ЁМКОСТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими (ЭС) преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.
Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.
Рис. 3 Электростатический преобразователь
В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами (рис. 3). Для случая конденсатора с плоскими электродами площадью s, размещенными друг от друга на расстоянии d в среде с диэлектрической проницаемостью e, ёмкость будет
C = es/d (3)
Рассматриваемый преобразователь на электрической стороне характеризуется приложенным напряжением и, зарядом q=CU, током I=dq/dt и энергией WЭЛ=CU2/2. На неэлектрической стороне преобразователь характеризуется изменением параметров, входящих в выражение для емкости, т. е.
Dd, Ds,De, и силой fЭЛ=dWЭЛ/dx, где под х следует понимать любую из величин Dd, Ds,De.Емкостный преобразователь обратим: при приложении на электрической стороне напряжения U, на неэлектрической стороне возникает сила fЭЛ, которая используется в приборах уравновешивающего преобразования как результат действия обратного преобразования, в ЭС вольтметрах и в приборах с бесконтактным подвесом. В этом последнем случае элемент массы m может быть подвешен в электростатическом поле, если удовлетворяется условие fЭЛ³gm, где g - ускорение силы тяжести.
К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость так называемой барьерной емкости от обратного напряжения. Такие преобразователи применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью и называются варикапами.
Другая группа ЭС преобразователей основана на использовании сегнетоэлектриков, т. е. кристаллических диэлектриков, которые при определенных температурных условиях (при температуре ниже точки Кюри) обладают самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешних электрических полей.
Состояние кристаллических диэлектриков характеризуется электрической индукцией D (или зарядом q), деформацией c и энтропией Э. Эти величины зависят от напряженности электрического поля Е (или напряжения U), механического напряженияs (или силы F) и температуры Т. На рис. 4 схематически показаны связи между указанными величинами.
Рис. 4 Схема связей между параметрами диэлектрика
Жирными стрелками показаны связи Е®D, s®c, T®Э, а тонкими стрелками изображены физические эффекты,свойственные сегнетоэлектрикам:
прямой пьезоэлектрический эффект s®D (или q), проявляющийся в изменении поляризации кристалла действием механических напряжений;
обратный пьезоэлектрический эффект Е (или U)®c, характеризующийся деформацией кристалла под днем электрического поля;
пироэлектрический эффект T®D (или q), сводящийся к изменению заряда на поверхности кристалла при изменении температуры;
пьезокалорический эффект s®Э, проявляющийся в изменении энтропии при изменении механических напряжений.
Помимо указанных эффектов при изменении Е, s, Т в кристаллах возникают побочные явления, например, изменяются диэлектрическая проницаемость, проводимость, оптические свойства и т.д.