64

Санкт - Петербургский Государственный Университет Телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч - Бруевича

Факультет Технологии средств связи и биомедицинской электроники (ТСС)

Кафедра Технологии электронных средств, микроэлектроники и материалов (ТиМ).

Конспект лекций доцента Алипова А.Н.

по дисциплине

«Технические измерения и измерительные приборы ».

Часть 1 (сенсоры-датчики).

Для студентов 3-го курса..

СПБ 2010 г (23.10.10)

Примечание

Конспект лекций по дисциплине«Технические измерения и измерительные приборы ».состоит из двух частей:

Часть1-анализа наиболее распространенных сенсоров-датчиков.

Часть2-анализа элементной базы электронных схем измерительных приборов.

Оглавление

1.Введение в метрологию

1.1 Общие вопросы, термины и определения

1.2 Системы единиц физических величин

1.3 Погрешности измерений физических величин

Вопросы для самопроверки 1

2. Классификация средств измерений.

2.1 По техническому назначению

2.2 Классификация структуры приборов

2.3 Классификации сенсоров по принципу действия.

2.4Обобщенная функциональная блок-схема многоканального интеллектуального измерительного прибора.

Вопросы для самопроверки 2

3. Виды механических сенсоров

3.1. Деформационные чувствительные элементы

3.2. Сенсоры линейного перемещения

3.3. Сенсоры углового перемещения

Вопросы для самопроверки 3 (а)

3.4 Акселерометры

3.5 Вибрационные измерительные сенсоры

3.6 Хроматографические сенсоры

Вопросы для самопроверки 3 (б)

Упражнение 3.1

Упражнение 3.2

4. Акустические сенсоры

4.1 Физические основы работы акустических сенсоров

4.2. Приемники акустических сигналов

4.3 Активные акустические сенсоры

Вопросы для самопроверки 4

Упражнение 4.1

Упражнение 4.2

5. Электрические сенсоры

5.1. Физические основы работы электрических сенсоров-датчиков

5.2. Резистивные сенсоры

5.3 Емкостные и импедансные сенсоры

Вопросы для самопроверки 5

Упражнение 5.1

Упражнение 5.2

Упражнение 5.3

6. Вольтаические сенсоры-датчики

6.1 Сенсоры на основе термо-ЭДС

6.2 Сенсоры на основе фотовольтаического эффекта

6.3 Пьезоэлектрические сенсоры

6.4 Датчики Холла

6.5. Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах

6.6 Фотодиоды Шотки

6.7 Схемы включения фотодиодов

Вопросы для самопроверки 6

Упражнение 6.1

7. Магнитные сенсоры

7.1. Необходимые сведения из физики

7.2 Магнитодиагностика изделий из ферромагнитных материалов

7.3 Магнитные считывающие головки

Вопросы для самопроверки 7

Упражнение 7.1

8. Cпектрофотометрические анализаторы

8.1. Принципы работы спектрофотометрических сенсоров

8.2 Классификация лабораторных оптических методов анализа

Абсорбционный анализ

Турбидиметрический анализ

Нефелометрический анализ

Флуориметрический анализ

Рефлектометрический анализ

Пламенно-фотометрический и атомно-абсорбциометрический анализ

Поляриметрический анализ

Рефрактометрический анализ

Вопросы для самопроверки 8

Упражнение 8.1

Упражнение 8.2

Литература

1.Введение в метрологию

1.1 Общие вопросы, термины и определения

При проведении производственных процессов и различных исследований приходится проводить измерения ряда физических величин.

Физическая величина – это свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Примерами физических величин являются: масса, объем, абсорбция – оптическая плотность (раствора), напряжение, ток и т.д.

Значением физической величины называется оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Например: 5 Г – значение массы некоторого тела; 0,6 см³ – объем дозы; 1,5 Б (Белл) – оптическая плотность раствора.

Истинное значение физической величины – это значение величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующее свойство объекта. Истинные значения физических величин нам неизвестны.

Действительное значение физической величины есть значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Нахождение значения физической величины опытным путем при помощи специальных технических средств называется измерением.

Степень приближения действительных значений к истинным значениям физических величин зависит от совершенства применяемых при этом технических средств измерения.

К техническим средствам измерения относятся меры и измерительные приборы.

Измерительный прибор(сенсор) – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдением.

Измерительный прибор иногда называют датчиком, иногда анализатором, иногда измерителем- сенсором.

Разные авторы по-разному трактуют понятие "сенсор". У одних – это "измерительный прибор", искусно созданный человеком "бдительный сторож", у других – "анализатор", распознающий, узнающий нужный объект ("аналит"), у третьих – "датчик" какой-то физической величины (температуры, давления, угла поворота), у четвертых – орган чувств животного или растения и т.д.

Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-химическое) изменение в объекте наблюдения, его физическое воздействие в информационный сигнал для пользователя. Сенсор – это связующее звено между реальным "физическим" миром и миром информационных моделей, между материей и информацией.

Каким образом может происходить "превращение" физико-химических воздействий в информацию, каковы возможные механизмы этого "превращения", принципы действия измерительных приборов , точность получаемой информации, - об этом и рассказывается в предлагаемом цикле лекций «Теория измерений и измерительные приборы».

Измерения физических величин основываются на различных физических явлениях. Например, для измерения температуры используется тепловое расширение тел или термоэлектрический эффект; для измерения массы тел взвешиванием используется явление тяготения; для измерения оптической плотности раствора используется свойство растворов поглощать энергию светового потока и т.д.

Различают прямые и косвенные измерения.

Прямым измерением называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных.

К прямым измерениям относятся, например, измерение массы на равноплечных весах, температуры – термометром, длины – масштабной линейкой, оптической плотности – фотометром.

Косвенным измерением называют измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между ней и величинами, измеряемыми прямым измерением.

Примером косвенного измерения концентрации раствора может быть фотометр, отградуированный в единицах концентрации. Сам фотометр измеряет оптическую плотность раствора и, опираясь на зависимость оптической плотности раствора от концентрации исследуемого вещества, выдает информацию в единицах концентрации.

Чувствительность средства измерения (или метода) определяется отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютная чувствительность определяется по формуле:

(1.1)

Относительная чувствительность определяется по формуле:

, (1.2)

где ΔL – изменение сигнала на выходе;

ΔX – изменение измеряемой величины;

X – измеряемая величина.

Следует помнить – чем выше чувствительность, тем точнее могут быть получены результаты исследования.

Порог чувствительности – свойство прибора (средства измерений), характеризуемое наименьшим изменением измеряемой величины, которое вызывает заметное устойчивое изменение выходного сигнала.

Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средств измерений.