Измерительные системы и датчики / Курс лекциий ИСУД - часть 3

Основные разновидности систем измерения независимых входных величин

Входными для ИИС являются величины, воспринимаемые датчиками или другими входными устройствами системы. Ниже рассматриваются измерительные системы (ИС), у которых целью измерения (измеряемыми величинами) являются именно входные величины.

Большинство входных величин (масса, геометрические размеры или перемещения объекта, его температура, сила, на него действующая, и т.п.) имеют невысокую размерность, подчиняются законам аддитивности, порядка и эквивалентности. Как правило, для них имеются образцовые меры той же физической природы.

Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин и в выдаче полученных результатов измерений. Этот алгоритм осуществляется в большинстве случаев аналого-цифровой частью ИИС, и присоединенными к ней устройствами отображения, регистрации и хранения измерительной информации. Конечно, проведенный алгоритм может усложняться в зависимости от задач, стоящих перед ИС. Наиболее часто в алгоритм вводятся аналоговые преобразования входных величин с целью их аналоговой регистрации с возможным последующим аналого-цифровым преобразованием и обработка аналоговых или цифровых сигналов в целях, например, фильтрации, накопления, введения тестовых и образцовых сигналов на вход ИС

В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин могут быть сведены или к множеству изменяющихся во времени величин {x_i(t)}_i_{= 1, 2, …,}_n, или к изменяющейся во времени t и распределенной по пространству S непрерывной функции x(t, S).

При измерении непрерывная функция x(t, S) представляется множеством дискрет {x(t_i, S_j)}_i₌_1,_{2, ...,}_n_;_j_{= 1, 2, 3}.

Для иллюстрации основных принципов построения таких систем достаточно ограничиться изучением структур и алгоритмов ИС, производящих измерения дискрет функции x(t, S) и основанных на использовании многоточечных, мультиплицированных и сканирующих структур системных аналого-цифровых измерительных каналов (многоканальные структуры ввиду их системотехнической простоты здесь можно не рассматривать).

Отметим, что в таких ИС программируемые вычислительные средства используются для выполнения операций обработки результатов аналого-цифровых преобразовании, главным образом, в целях улучшения точностных характеристик результатов измерения, а также для управления работой системы.

Арсенал систем для измерения входных величин велик, и, тем не менее, продолжается создание новых систем. Конечно, это отчасти объясняется различиями в требованиях, предъявляемых к ИС в зависимости от условий измерительного эксперимента, в котором они должны работать. Но в первую очередь это объясняется большим разнообразием величин, подлежащих измерению.

Если даже ограничиться обзором только динамического и частотного диапазонов, а также диапазона выходных сопротивлений электрических датчиков, предназначенных для восприятия одной величины, то окажется, что эти диапазоны очень широки. На рис. 11.2 представлены ориентировочные области выходных сигналов (напряжений), выходных сопротивлений и инерционности существующих датчиков.

По уровню выходного напряжения датчики можно условно подразделить на такие группы:

с весьма низким уровнем сигнала (менее 5*10^-5 В);
с низким уровнем сигнала (от 5*10^-5 до 10^-3 В);
со средним уровнем сигнала (от 10^-3 до 1 В);
с высоким уровнем сигнала (более 1 В).

Наиболее распространены датчики со средним уровнем сигнала (около 60% всех типов датчиков). Датчики, имеющие низкий и высокий уровни сигнала, распространены примерно одинаково (по 15% типов).

Динамический диапазон выходных сигналов у большинства датчиков не превышает 100 дБ.

Рис. 11.2. Основные параметры датчиков:

1– датчики сопротивления (1-1– реостатные;1-2– тензометрические;1-3– индуктивные;1-4– индукционные; 1-5– термометрические; 1-6– магнитоупругие; 1-3– емкостные);

2– термоэлектрические датчики;3– фотоэлектрические датчики; 4– счетчики элементарных частиц; 5– электрохимические датчики; 6– датчики Холла; 7– пьезоэлектрические датчики.

Частотный диапазон большинства датчиков лежит в диапазоне от 10 до 10⁴ Гц. В отношении погрешностей датчиков следует отметить, что большинство датчиков имеют погрешности преобразования примерно от 0,1 до 0,5%.

Нужно отметить, что наиболее распространенные параметры сигналов определяют и наибольшее количество ИС, работающих в этих диапазонах параметров.

Кроме одиночных датчиков в ИС эффективно применяются системные датчики, воспринимающие поле величин (телевизионные, голографические и др.).

Большие перспективы имеют удобно комплектуемые с интегральной микроэлектроникой малогабаритные полупроводниковые чувствительные элементы с частотным выходным сигналом — сенсоры. Группа сенсоров может быть объединена с элементами микроэлектроники (включая и микропроцессор) в одной интегральной микросхеме. Естественно, что отличающиеся друг от друга датчики требуют разного подхода к построению измерительных схем соответствующих систем.

Из огромного разнообразия измеряемых величин по их физической природе для рассмотрения здесь разумно выбрать величины и воспринимающие их датчики, наиболее часто встречающиеся, но в то же время различающиеся по основным характеристикам.

Содержание