Материал: 00368

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГу)

Институт инновационных технологий

Факультет радиоэлектроники и медицинской техники

Кафедра приборостроения и информационно-измерительных технологий

Легаев Владимир Павлович

Измерительные преобразователи

Конспект лекций по дисциплине «Измерительные преобразователи» для студентов ВлГУ, обучающихся по направлению

200100 «Приборостроение»

Владимир 2013 г.

Легаев В.П. Измерительные преобразователи: Курс лекций-Владимир.: Изд ВлГУ, 2013.- 100с.

Рецензент: Никитин О.Р.

Рекомендовано к изданию в качестве электронного конспекта лекций

кафедрой «Приборостроение и информационно-измерительные технологии»

Протокол № 1 от 11 сентября 2013 г.

Легаев В.П.,2013

Владимир, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение …………………………………………………………………….. 4

2. Общие вопросы построения и применения датчиков…………………… 5

2.1. Понятие «датчик».Классификация датчиков ……………………… 5

2.2. Характеристики датчиков ………………………………………….. 12

2.2.1. Измеряемая величина …………………………………………. 12

2.2.2. Функция преобразования ……………………………………… 13

2.2.3. Чувствительность ………………………………………………. 14

2.2.4. Порог чувствительности. ……………………………………… 14

2.2.5. Предел преобразований ……………………………………….. 14

2.3. Метрологические характеристики………………………………… 15

2.3.1. Надежность ……………………………………………………… 16

2.3.2. Эксплуатационные характеристики …………………………. 16

2.4. Принципы выбора датчиков ……………………………………….. 17

3. Принципы преобразования в датчиках………………………………….. 19

3.1. Резистивные преобразователи……………………………………… 19

3.1.1. Терморезистивные преобразователи …………………………. 19

3.1.2. Металлические терморезистивные преобразователи ……….. 20

3.1.3. Полупроводниковые терморезистивные преобразователи …. 21

3.1.4. Позисторы ………………………………………………………. 22

3.1.5. Реостатные преобразователи ………………………………….. 23

3.2. Индуктивные и трансформаторные преобразователи …………… 25

3.3. Емкостные преобразователи ……………………………………….. 32

3.4. Струнные и стержневые преобразователи ……………………….. 36

3.5. Ультразвуковые преобразователи …………………………………. 40

3.6. Индукционные преобразователи ………………………………….. 43

3.7. Термоэлектрические преобразователи …………………………….. 46

3.8. Пьезоэлектрические преобразователи……………………………… 50

3.9. Фотоэлектрические преобразователи………………………………. 66

3.10.Принципы преобразования в волоконно-оптических

датчиках физических величин …………………………………………….. 72

4.Литература ……………………………………………………………….. 100

1.Введение

Курс «Измерительные преобразователи» является базовым при подготовке квалифицированных специалистов в области приборостроения. Полученные знания помогут студентам более детально и целенаправленной ориентироваться в вопросах выбора и применения датчиков в информационно-измерительных системах.

Приведены различные принципы преобразования входной физической величины в параметры удобные для дальнейшей передачи информации.

2.Общие вопросы построения и применения датчиков

2.1. Понятие «датчик». Классификация датчиков

Мир датчиков чрезвычайно разнообразен: 1) большое число измеряемых физических величин, или параметров исследуемого объекта (температура, тепловые потоки, давление, расходы, скорости и т.д.); 2) разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразований (терморезистивный, термоэлектрический, фотоэлектрический, пьезоэлектрический и другие эффекты); 3) разнообразие современных объектов измерения, предопределяющих специфику требований к датчикам и измерениям в целом (ракетно-космическая техника, авиация, судостроение, энергетика, атомная техника, общепромышленные объекты и т.д.); разнообразие параметров и характеристик самих датчиков (чувствительность, диапазон измерений, быстродействие, точность, надежность, присоединительные размеры, глубина погружения чувствительного элемента и т.д.).

Любой вновь создаваемый технический объект, в особенности сложный, нуждается в экспериментальной отработке и проверке заложенных в него проектных решений и расчетов. В процессе таких испытаний именно датчикам отводится роль восприятия и первичного преобразования информации об испытуемом объекте. Для этого датчики должны наиболее точно соответствовать условиям измерений, а измерительные процедуры в последующих звеньях информационно-измерительной системы должны по возможности освободить результаты измерений от наслоений погрешностей в целесообразных и при этом допустимых пределах. Собственные погрешности датчика есть результат не только технических несовершенств, но и являются теоретической неизбежностью. Ошибки датчиков никогда не могут быть полностью исключены или сделаны бесконечно малыми. Стремление получить больше информации от датчика (повысить его точность выше целесообразных пределов) неизбежно ведет либо к его крайней уязвимости и в результате к неработоспособности, либо к такому местному росту энтропии, что будет нарушен сам исследуемый процесс. Поэтому при проектировании датчиков применительно к конкретной измерительной задаче, либо при выборе датчика из числа существующих, должна быть достигнута гармония между метрологическими и надежностными характеристиками датчика для данных условий измерений. Именно этими соображениями ограничивается возможность обеспечения «универсальности» датчиков, к которой стремятся проектанты в попытках ограничить их номенклатуру, и объясняется довольно внушительное представительство разнообразных «специальных» датчиков, разрабатываемых «под задачу».

Однако универсальность датчиков предполагает массовость их использования и изготовления и, следовательно, высокую технологичность и таким образом, в изложенной трактовке датчик — это самостоятельное, конструктивно автономное средство измерений, размещаемое в месте отбора информации, исполняющее функцию первичного преобразования измеряемой физической величины в электрическую или электромагнитную величину, состоящее из минимально необходимого числа звеньев преобразования измеряемой величины, обладающее однозначной функцией преобразования и требуемыми для данных целей измерений взаимно согласованными (непротиворечивыми) метрологическими и надежностными характеристиками.

Такой смысл, тем самым вкладываемый в понятие «датчик», позволяет одновременно обеспечить высокую технологичность базовых конструктивов датчиков и строить на их основе унифицированные ряды датчиков, отвечающих интересам измерений всего многообразия объектов техники отработанность, что в специальных датчиках может быть реализовано лишь в редких случаях.

Несмотря на привычность термина «датчик», есть необходимость дать содержательное определение этого понятия. В отечественной и зарубежной практике и литературе наряду с термином «датчик» получили распространение термины «первичный измерительный преобразователь» и «сенсор».

Главным достоинством термина «датчик» является лаконичность, традиционность и привычность (что впрочем, немало). Термин «первичный измерительный преобразователь» базируется на понимании измерительного процесса как последовательности преобразований, где датчику отводится роль первого звена — преобразователя физической измеряемой величины в величину, пригодную для последующего преобразования или восприятия. В этом смысле термин «первичный измерительный преобразователь» и точен, и содержателен. Единственным её недостатком является его некоторая громоздкость.

Термин «сенсор» широко распространен за рубежом и является там синонимом термина «датчик». Его происхождение от английского sense — чувствовать, ощущать, что точнее, чем «датчик», но менее полно и содержательно, чем «первичный измерительный преобразователь». В отечественной официальной терминологии термин «первичный измерительный преобразователь» не допускается [1], а термин «сенсор» связывается с микроэлектронными технологиями и трактуется как «измерительный преобразователь физических величин, не требующий обязательной метрологической аттестации как самостоятельное средство измерений» [2]. В такой интерпретации «сенсор» — это некий полуфабрикат датчика.

Между тем, эти терминологические недоразумения легко устранить, если между тремя терминами поставить знак официального тождества. В противном случае, если вкладывать разное содержание в термины «датчик» и «сенсор», то возникнут неизбежные трудности при переводах отечественных публикаций в зарубежных изданиях.

Прежде, чем дадим окончательное определение термину "датчик", представим общую картину взаимодействия датчика с объектом измерения.

В принципе, датчики предназначаются для измерений параметров четырех агрегатных состояний вещества: твердое тело (металлы, диэлектрики, полупроводники, композитные материалы); жидкости (криогенные, высококипящне, расплавленные металлы); газы (спокойные газы и газовые потоки при давлениях от глубокого вакуума до высоких давлений): плазма (низкотемпературная плотная плазма, высокотемпературная разреженная).

Измерениям подлежат физические параметры различных объектов и конструктивных элементов и их рабочих продуктов.

Измеряемые величины могут характеризоваться временными (стационарные, динамические, непрерывные, дискретные), пространственными (сосредоточенные, распределенные), корреляционными (независимые, зависимые) свойствами. Априорные сведения об этих свойствах позволяют осуществить разработку новых датчиков и выбор существующих датчиков, определить места их установки, их количество на объекте измерения.

Преобладающее большинство датчиков являются контактными, т.е. они устанавливаются на объекте измерения в местах непосредственного измерения исследуемых параметров. Важнейшим фундаментальным фактом является то, что, как правило, это места концентрированного одновременного воздействия многих физических факторов. Датчик должен быть надежно защищен от разрушительного действия этих факторов (механическая надежность), а также должен обладать селективностью по отношению к измеряемому параметру и независимостью (в пределах допустимой погрешности) по отношению ко всем остальным факторам (метрологическая надежность).

Процесс взаимодействия датчика с объектом измерений - это процесс обоюдный. Измерение корректно постольку, поскольку установка датчика на объект измерений не меняет физическую картину изучаемого процесса, не привносит каких-либо особенностей в поведение измеряемого параметра. Это условие необходимое, но не достаточное. Измерения также корректны постольку, поскольку датчик способен воспринять и правильно воспроизвести действительное поведение измеряемого параметра во времени.

Изложенные соображения приводят к совокупности требований к датчикам не только взаимопротиворечивых, но даже и взаимоисключающих. В этой связи разрешение этих противоречий при проектировании датчиков достигается назначением тех или иных целевых функций и решением оптимизационных задач, которые чаще всего строго аналитически не решаются.

Описанные в общем виде процессы взаимодействия датчика с объектом измерения и преобразования в нем измеряемой величины позволяют формализовать обобщенную структурную схему любого гипотетического датчика в следующем виде (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структурная схема гипотетического датчика: 1 — звено восприятия входного воздействия и одновременной защиты датчика; 2 — звено передачи входного воздействия к чувствительному элементу и одновременной защиты чувствительного элемента; 3 — чувствительный элемент — преобразователь измеряемой величины (уже преобразованной предыдущими звеньями) в электрический или электромагнитный параметр датчика; 4 — согласующее устройство (измерительная цепь) по необходимости входящее в состав датчика; Х(τ) — измеряемая величина (τ — время), входное воздействие; Y(τ) — выходная величина датчика; .Z₁(τ)...Z_i(τ) — влияющие (дестабилизирующие) факторы.

Принципиальная возможность зависимости выходной величины датчика Y(τ) не только от входной измеряемой величины Χ(τ), но и от влияющих величин Z_i(τ) привела к разделению функции преобразования датчика на «реальную» и «номинальную». Под «реальной» понимают функцию, отражающую комбинированную зависимость, а под «номинальной» — только зависимость Y(τ) = F[X(τ)]. Заметим, что «реальная» функция преобразования столь же неопределенна, сколь в общем случае неопределимы сами влияющие величины.

В конкретных реализациях датчиков те или иные звенья могут отсутствовать либо их функции могут быть выражены неявно. Вместе с тем может быть несколько звеньев одного и того же назначения, например звено 2. Последовательность преобразований в каждом конкретном датчике всегда конкретна, но существенно то, что она укладывается в предлагаемую структурную схему.

«Номинальная» же функция преобразования описывает тот процесс преобразования, ради которого датчик создавался.

Каждый датчик может и должен быть описан оператором, устанавливающим однозначную связь между его входной — Χ(τ) и выходной Y(τ) величинами. Этот оператор определяет как статические, так и динамические характеристики датчика.

Если оператор линеен (для него справедлив принцип суперпозиции), то такие датчики могут называться линейными.

В зависимости от структуры физической модели датчика и модели его взаимодействия со средой, датчики могут рассматриваться как с сосредоточенными параметрами (вход представим в виде точки), так и с распределенными параметрами (вход распределен по некоторой поверхности). Соответственно датчики с сосредоточенными параметрами описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями, а датчики с распределенными параметрами — уравнениями в частных производных или с помощью более сложных представлений.

Порядок уравнения определяет порядок датчика.

Датчик с сосредоточенными параметрами первого порядка апериодического типа

где а и b — постоянные коэффициенты.

Таким образом, описываются многочисленные датчики различных типов.

Датчик температуры с однородной структурой