3.2 Входные преобразователи

Перед обсуждением принципов преобразования, часто используемых для измерения обычных физических величин, таких как перемещение, скорость, температура, магнитная индукция и т. д., мы сначала рассмотрим несколько методов, объединяющих преобразователи (датчики) с частными принципа­ми преобразования в один единственный составной преобразователь. Эти «композитные методы» используются для уменьшения или даже полного исключения некоторых ограничений, связанных с отдельными преобразо­вателями.

Широко распространен метод комбинирования преобразователей, при котором два идентичных преобразователя используются в балансной конфи­гурации (см. рис. 3.1 (а)). Если оба преобразователя Т и T ' имеют одну и ту же передаточную характеристику у' = f(x'), то выход у балансной схемы имеет вид:

y = f(x) – f(-x).

Здесь f(x) может быть нелинейной передаточной функцией, которую мы хотим линеаризовать.

Предположим, что функцию f(х) можно представить рядом Тейлора в следующем виде:

f(x) = a₀+a_lx + a₂x² + …

Используя полученное выше уравнение для балансной схемы, получаем:

y= 2а₁х+2а₃х³+2а₅х⁵+…

Очевидно, что константа (или смещение) о₀ и четные члены а₂х², а₄х⁴, исчезают при использовании в балансной схеме двух преобразователей. Если нелинейность в функции f(x) не выражается никакими нечетными члена­ми, то мы получим идеально линейную систему. В этом случае система отно­сится к так называемой «разностной конфигурации». Однако обычно балан­сирование улучшает линейность системы всего лишь в ограниченном диапа­зоне значений входной величины х. Такая система называется «дифференциальной конфигурацией». Балансная схема не чувствительна к внешним возму­щениям, так

как в ней, по существу, применяется параллельная компенсация (см. раздел 2.3.3.3). Схема невосприимчива к аддитивным помехам, если пре­образователи Т и T’ одинаково чувствительны к этим помехам. Для того, чтобы она была невосприимчива также к мультипликативным помехам, коэффициенты чувствительности по отношению к помехам у преобразова­телей Т и Т’ должны быть одной величины, но противоположны по знаку. На рис. 3.1 (b) показан пример, в котором применена балансная схема пре­образователя. Оба емкостных датчика перемещения, обозначенные С и С’, являются отдельными преобразователями. Входной величиной является сме­щение х, а выходной — напряжение V_0. Пренебрегая краевыми эффектами на кромках пластин конденсатора, находим:

и .

Очевидно, что зависимость С = С(х) нелинейна Входная величина х входит в выражение для С с отрицательным знаком. Можно показать, что выходное напряжение V₀ трансформаторного моста пропорционально раз­ности емкостей конденсаторов С и С’:

Подстановка значений С и С’дает:

Использование в этом примере двух емкостных преобразователей смеще­ния в балансной схеме, позволяет достичь идеальной линейности. Поэтому * мы можем записать:

V₀ = xS

.

Рис. 3.1 (а) Балансная схема преобразователя, Т и Т' — два одинаковых пре­образователя (b) Применение балансной схемы в емкостном датчике смеще­ния.

Чувствительность S определяется как S = Vn₂/n₁d. Чувствительность мо­ста определяется напряжением источника питания V.

Другой обычно используемой конфигурацией является схема с обратной связью, состоящая из двух преобразователей Т₁ и Т₂ (см. рис. 3.2). Назначени­ем системы является преобразование входного сигнала х в электрический выходной сигнал у. Для этого можно воспользоваться единственным преоб­разователем Т₁ Предположим, однако, что T_t не подходит для непосред­ственного использования из-за недопустимо большой нелинейности и слиш­ком высокой чувствительности к помехам. Если у нас есть второй преобра­зователь, способный выполнять обратное преобразование (преобразовывать у в х), и это преобразование линейное и невосприимчиво к помехам, то, объединяя оба преобразователя Т₁, и Т₂ (с усилителем А для увеличения пет­левого усиления) в схему с обратной связью, как показано на рис. 3.2(а), мы можем реализовать составной преобразователь для преобразования из­меряемого сигнала х в сигнал у с такими же характеристиками, как у ис­пользованного обратного преобразователя (см. раздел 2.3.3.3). Необходимы­ми условиями достижения такого результата являются большой коэффици­ент петлевого усиления и квазистатический динамический режим элемен­тов T₁, T₂ и А. Однако на практике динамическая характеристика, особенно у преобразователей Т₁ и Т₂ часто имеет более высокий порядок, поэтому ситуация оказывается не столь идеальной, как описано выше.

Рис. 3.2(b) иллюстрирует применение обратной связи в акселерометре. Входная величина, ускорение х, оказывает усилие на подвижную массу, соединенную со «звуковой катушкой» электродинамического выходного преобразователя. Ускорение приводит массу в движение. Это движение опре­деляется датчиком смещения (здесь — разностный конденсатор). Выходной сигнал датчика смещения усиливается и подается в виде тока на катушку выходного преобразователя Т₂, противодействуя изменению положения под­вижной массы. Поэтому, если коэффициент усиления А велик, то масса будет едва смещаться. Таким образом, передаточная характеристика акселе­рометра определяется соотношением между током I, протекающим по зву­ковой катушке и тем усилием, которое катушка оказывает на подвижную

Рис. 3.2(а) Схема с отрицательной обратной связью T₁ выполняет желаемое преобразование х в у, а Т₂ осуществляет обратное преобразование. (b) Приме­нение обратной связи в акселерометре.