Иумс для умрs31

Лекционный материал представлен в виде тезисов

В конце дан раздел для самостоятельной проработки

Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерения, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами и хранения, но не пригодный для непосредственного восприятия наблюдателем.

Элемент измерительного преобразователя, который непосредственно контактирует с окружающей средой и воспринимает ее воздействие, называется чувствительным элементом.

Чтобы можно было сравнивать по точности средства измерения с разными пределами измерений, вводится понятие приведенной погрешности _пр, под которой понимается отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению (чаще всего - это предел измерения x_max):

_пр= x/x_max.

Основная погрешность средства измерения - это погрешность в условиях, принятых за нормальные, т.е. при нормальных значениях всех величин, влияющих на результат измерения (температуры, влажности, напряжения питания и т.д.).

Дополнительная погрешность возникает при отличии значений влияющих величин от нормальных.

Систематическая погрешность - составляющая полной погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Причиной ее могут быть случайные изменения условий проведения измерительного эксперимента, которые трудно учесть. Случайная погрешность может быть уменьшена путем многократных измерений одной и той же величины и статистической обработки полученной совокупности измерений.

Аддитивная погрешность – составляющая полной погрешности, не зависящая от значения измеряемой величины. Мультипликативная погрешность – составляющая полной погрешности, пропорциональная значению измеряемой величины.

Аддитивную погрешность иногда называют погрешностью нуля, а мультипликативную - погрешностью чувствительности.

Специфическими видами погрешностей являются погрешности гистерезиса и квантования. Погрешность гистерезиса проявляется в том, что результат измерения одного и того же значения величины будет различным, в зависимости от того, подходим ли мы к нему «снизу» или «сверху». Погрешность квантования проявляется, например, в ступенчатом изменении напряжения на выходе проволочного резистивного датчика при плавном перемещении движка резистора или в результате аналого-цифрового преобразования измеряемой величины.

Средства измерения могут использоваться в статическом или динамическом режимах работы. В статическом режиме измеряемая величина остается неизменной в процессе измерений или изменяется очень медленно, а в динамическом режиме - изменяется в процессе ее измерения. В соответствии с этим различают статическую и динамическую погрешности. Динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью. Причиной появления динамической погрешности является инерционность средства измерения. Динамическая погрешность проявляется в запаздывании выходного сигнала датчика по сравнению с измеряемой величиной на его входе.

В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две группы: генераторные или активные и параметрические или пассивные.

По используемым физическим явлениям и эффектам можно выделить следующие виды датчиков, получивших наибольшее распространение в ИС мехатронных устройств:

тензорезисторные – для измерения усилий, давлений, моментов, малых перемещений, ускорений и пр.;

реостатные – для измерения усилий, абсолютных и избыточных давлений, перемещений, линейных и угловых скоростей и ускорений;

индуктивные и индуктивно-трансформаторные – для измерения усилий, давлений, линейных перемещений и пр.;

индукционные – для измерения линейных и угловых скоростей, линейных и угловых перемещений;

пьезоэлектрические – для измерения вибраций, динамических усилий, давлений, расстояний;

емкостные – для измерения линейных и угловых перемещений, давлений, состава вещества;

магнитоупругие – для измерения усилий, давлений, моментов;

фотоэлектрические – для измерения линейных и угловых перемещений, линейных и угловых скоростей, положения объектов, линейных размеров и пр.

. В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации. Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности k, определяемый как отношение относительного изменения сопротивления R к вызвавшему его относительному изменению длины l проводника:

k= (∆R/R)/(∆l/l).

В известной формуле для величины сопротивления проводника

R= (ρ·l)/S,

(где ρ – удельное электрическое сопротивление материала, S – площадь поперечного сечения) при возникновении механических деформаций изменяются все три параметра (ρ, l и S).

Для непосредственного измерения упругих деформаций могут быть использованы также пьезоэлектрические датчики, действие которых основано на измерении заряда, пропорционального внутренним механическим напряжениям растяжения-сжатия или сдвига, вызванными измеряемым усилием. Типичные датчики усилия представляют собой кварцевые или пьезокерамические шайбы, установленные в цилиндрическом корпусе.

В качестве материала чувствительных элементов пьезоэлектрических датчиков чаще всего используют кристаллический кварц и искусственно созданный материал - пьезокерамику.

Достоинствами пьезодатчиков являются простота конструкции, малые размеры, надежность в работе, прекрасные динамические свойства (собственная частота f_c до 200 кГц), способность работать при высоких температурах (до 250°С). Погрешность пьезоэлектрических датчиков – до 1 %. К тому же пьезоэлектрические датчики являются генераторными, т. е. к ним не нужно подводить питающее напряжение.

Однако заряды на чувствительных элементах пьезоэлектрического датчика образуются только при изменении измеряемого усилия. Если это усилие некоторое время остается постоянным, заряды достаточно быстро стекают даже через большое сопротивление изоляции. Это является основным недостатком пьезоэлектрических датчиков.

Работа магнитоупругих датчиков основана на эффекте магнитоупругости, заключающемся в изменении магнитной проницаемости ферромагнитного материала под действием механических напряжений. На рис. 3.8 схематически показан наиболее распространенный вариант конструкции магнитоупругого датчика - магнитоанизотропный датчик. В магнитопроводе из ферромагнитного материала, обладающего достаточной магнитоупругой чувствительностью, имеются 4 сквозных отверстия, через которые намотаны первичная обмотка 2, питаемая переменным током повышенной частоты, и вторичная (измерительная) обмотка 3. Плоскости обмоток образуют между собой угол 90°, а с направлением измеряемого усилия F – угол 45°. При отсутствии измеряемого усилия вектор магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, перпендикулярен плоскости витков вторичной обмотки, силовые линии этого потока не пересекают витков обмот­ки 3, поэтому наводимая в ней ЭДС равна нулю (рис. 3.9).

При приложении измеряемого усилия F (показано стрелкой) в материале магнитопровода возникают механические напряжения, направленные вдоль вертикальной оси. Это вызывает появление магнитной анизотропии, благодаря чему вектор Ф слегка поворачивается по часовой стрелке, и часть силовых линий начинает пересекать витки вторичной обмотки. Это приводит к появлению в ней ЭДС е₂, пропорциональной измеряемому усилию.

Достоинствами магнитоупругих датчиков являются простота конструкции (монолитный магнитопровод и обмотки), высочайшая надежность, неприхотливость к условиям эксплуатации (нечувствительность к влажности, запыленности, радиации), высокий уровень выходного сигнала (несколько вольт, что в десятки тысяч раз превышает уровень выходного сигнала тензорезистивных датчиков), хорошие динамические свойства, возможность непосредственного частотного выхода [11]. Основными недостатками являются высокая погрешность (в том числе временная нестабильность, наличие нелинейности и гистерезиса функции преобразования), необходимость использования специальных магнитных материалов

Емкостные датчики используют зависимость емкости конденсатора от изменения его параметров под действием измеряемой величины. Чаще всего изменяемым параметром является расстояние δ. Под воздействием измеряемой величины (усилия, давления, перемещения, угла поворота, ускорения) деформируется калиброванный упругий элемент (это может быть плоская, цилиндрическая, спиральная пружина или мембрана), и одна из пластин измерительного конденсатора перемещается, что, в свою очередь вызывает соответствующее изменение емкости конденсатора. Из-за малых абсолютных значений величины емкости таких датчиков (обычно 10-100 Пф) их утреннее сопротивление Zc=1/(ωC) оказывается очень велико, что затрудняет согласование этих датчиков с вторичной аппаратурой и обеспечение защиты от наводок их высокоомных цепей. Поэтому для их работы необходимо использовать частоты порядка 30-100 МГц, что усложняет и удорожает вторичную аппаратуру.

Усилия, возникающие в месте контакта схвата с деталью, преобразованные в перемещение калиброванной пружины, могут измеряться также различного рода электромагнитными датчиками, среди которых наиболее распространены индуктивные и индуктивно-трансформаторные.

Дифференциальная конструкция обладает следующими преимуществами:

1. удвоение выходного напряжения (это следует из последней формулы);

2. компенсация дополнительных погрешностей (например, температурной Δе_Д): U_вых= е₀+Δе_и+Δе_Д -(е₀-Δе_и+Δе_Д) = 2Δе_и.

3. расширение линейного участка характеристики преобразования;

4. компенсация ненулевого начального сигнала на выходе датчика.

В основу принципа действия оптических датчиков положена зависимость параметров потока оптического излучения от значения измеряемой величины. Оптический датчик состоит из источника излучения, оптического канала и приемника излучения.

В оптических датчиках в качестве источника излучения наиболее часто применяются светодиоды и лазеры, иногда лампочки накаливания. При этом светодиоды и лампочки накаливания применяются в датчиках со сравнительно небольшой частотой модуляции светового потока (от единиц Герц до нескольких килогерц). Лазеры допускают гораздо более высокую частоту модуляции потока и, следовательно, позволяют передавать и принимать измерительную информацию с большей скоростью.

Конструктивно объединенные в одном корпусе и согласованные по спектральным характеристикам источник и приемник (чаще всего это светодиод и фотодиод) называют оптроном.

Триангуляционный оптический датчик расстояний. В основу работы датчика положен принцип оптической триангуляции. Излучение полупроводникового лазера 1 фокусируется объективом 2 на объекте 6. Рассеянное на объекте излучение объективом 3 собирается на CCD-линейке 4. Процессор сигналов 5 рассчитывает расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на линейке 4.

Уровни сигналов и импедансы (значения комплексных электрических сопротивлений) выхода датчика, соединительного кабеля и входа вторичной аппаратуры должны соответствовать друг другу. Обработка сигналов для достижения указанного соответствия называется согласованием.

Другой важной практической проблемой являются наводки. Все электрические и электронные устройства при работе порождают электромагнитные помехи, а соединительные провода и кабели являются антеннами для шумов и наводок.

При соединении датчиков с вторичной аппаратурой (а также других измерительных преобразователей между собой) в общем случае их необходимо согласовывать не только по уровню сигналов и импедансу, но и по характеру сигнала (гармонический или импульсный), способу кодирования, используемому протоколу и т. п.).

В трех встречающиеся на практике случаях согласования первичного и вторичного преобразователей по импедансу необходимо придерживаться следующих правил:

- для максимальной передачи напряжения вторичный преобразователь должен иметь возможно большее входное сопротивление;

- для максимальной передачи тока – возможно меньшее входное сопротивление;

- для максимальной передачи мощности – входное сопротивление вторичного преобразователя должно быть равно внутреннему сопротивлению первичного преобразователя (датчика).

Согласование по напряжению.

U_вых1= U_вх2=е₁∙R_вх2/(R_i1+R_вх2), R_вх2>>R_i1.

Согласование по току.

I₂= е₁/(R_i1+R_вх2), R_вх2<<R_i1.

Согласование по мощности.

= U_вх2∙I₂= е₁²∙R_вх2/(R_i1+R_вх2)².

Приравняв нулю первую производную от P_вх2 по R_вх2, определим, что условием максимальной передачи мощности от датчика на вход усилителя будет R_i1=R_вх2.

Модуляция измерительного электрического сигнала – это изменение параметра несущей частоты по закону изменения амплитуды измерительного сигнала. В большинстве случаев для передачи информации используются сигналы, формируемые путем модуляции гармонических колебаний (гармоническая модуляция) или последовательности импульсов (импульсная модуляция).

Информация, представленная в дискретной форме, менее подвержена искажениям в процессе ее преобразования, передачи по каналам связи и хранении. Наглядным подтверждением этому может служить, например, цифровая запись информации на лазерных компакт-дисках.

Дискретизация (квантование) непрерывных сигналов может выполняться по уровню сигнала и по времени. Квантование по уровню приводит к появлению методической погрешности.

Если непрерывная функция x(t) удовлетворяет условиям Дирихле (ограничена, кусочно-непрерывна и имеет конечное число экстремумов) и ее спектр ограничен некоторой частотой среза , то согласно теореме Котельникова существует такой максимальный интервал между отсчетами, при котором имеется возможность безошибочно восстанавливать дискретизируемую функцию x(t) по дискретным отсчетам. Величина этого интервала определяется как

.

Все реальные аналоговые электрические сигналы, используемые в измерительной технике удовлетворяют условиям Дирихле и имеют ограниченный частотный диапазон, поэтому теорема Котельникова может быть применима ко всем таким сигналам.

Практическая ценность теоремы Котельникова состоит в том, что она позволяет обоснованно выбирать необходимую частоту дискретизации при преобразовании измерительного сигнала в дискретную форму, а значит минимизировать объем информации, предназначенной для последующего хранения или передачи по линиям связи.

В результате квантования еще не получается численная оценка измеряемой величины. Для ее получения после операции квантования или одновременно с ней выполняется операция кодирования квантованного значения непрерывной величины.

Кодированием называется процесс преобразования сообщений в комбинацию из дискретных сигналов, а совокупность правил, в соответствии с которыми производятся такие преобразования, является кодом.

Помехоустойчивое кодирование является эффективным средством обеспечения достоверности получаемой информации.