Файл: Лекция 2 по СРВ (Аппаратные средства на нижнем и среднем уровне в СРВ).pdf

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

1 

Системы реального времени 

Лекция 2 

Аппаратные средства на нижнем и среднем уровне в 

системах реального времени 

Измерительные устройства 

Датчики 

Датчики  (или  первичные  измерительные  преобразователи)  –  это  устройства, 

выполняющие  преобразование  значения  физической  величины  (температуры,  давления, 
перемещения  и  т.п.)  в  электрический  сигнал.  При  этом  информация  может  быть 
заключена в величине напряжения, тока или частоты изменения сигнала [

Климентьев

]. 

В  зависимости  от  типа  выходных  сигналов  датчиков  различают:  аналоговые, 

дискретные  и  интеллектуальные  (со  встроенной  электроникой  и  внешним  цифровым 
интерфейсом). 

Аналоговые датчики 

Важнейшей  технической  характеристикой  любого  аналогового  датчика  является 

зависимость величины выходного сигнала от значения физической величины на его входе 
–  функция  преобразования.  Для  большинства  аналоговых  датчиков  (как,  например,  для 
резистивного датчика температуры (терморезистора)) она нелинейная (см. рисунок 1), но 
на  некоторых  интервалах  значений  входной  величины  может  быть  приблизительно 
описана линейной функцией, например для меди: 

(1) 

где α – термоэлектрический коэффициент меди, R

0

 – сопротивление при 0°С). 

Рисунок 1 – Функция преобразования терморезистора 

Принцип  действия  терморезистора  основан  на  зависимости  электрического 

сопротивления металлов (например, меди (Cu) или платины (Pt))  от  температуры. 

Кроме функции преобразования, основными характеристиками датчиков являются: 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

2 

  рабочий диапазон измеряемых значений; 
  предельная  погрешность  –  характеристика,  отражающая  свойство  датчика 

выполнять преобразование с определенной ошибкой, например, с величиной не 
более 0,1% от ширины диапазона входной величины. 

Другими  характеристиками  датчиков,  часто  указываемыми  в  документации, 

являются  чувствительность  (первая  производная  от  функции  преобразования), 
постоянная  времени  (временной  интервал,  в  течение  которого  завершаются  переходные 
процессы  в  датчике),  АЧХ  (амплитудно-частотная  характеристика)  –  функция, 
характеризующая  влияние  частоты  изменения  физической  величины  на  результат 
преобразования, и т.п. 

Датчики измерения деформации 

Тензорезистивный  датчик  (тензодатчик)  обычно  представляет  собой  упругую 

конструкцию  с  закреплённым  на  ней  тензорезистором  (рисунок  2).  По  изменению 
сопротивления  тензорезистора  (при  его  сжатии  или  растяжении)  можно  вычислить 
степень деформации, которая будет пропорциональна силе, приложенной к конструкции. 

а) внешний вид S-образного 

тензорезистивного датчика 

б) устройство простейшего проволочного 

тензорезистора 

Рисунок 2 – Тензорезистивный датчик 

У  аналоговых  тензодатчиков  выходной  сигнал  составляют  милливольты. 

Характерным параметром таких датчиков является рабочий коэффициент передачи – РКП 
и составляет для разных моделей 1мВ/В, 2мВ/В, 5мВ/В, 10мВ/В. Некоторые современные 
тензорезистивные  датчики  помимо  одного  или  нескольких  измерительных  элементов 
содержат также аналого-цифровой преобразователь и преобразователь интерфейса. 

Самыми простыми являются одноточечные датчики, применяются в изготовлении 

платформенных  весов  малой  грузоподъемности,  оборудовании  для  фасовки,  а  также  в 
бытовых электронных весах, торговых и лабораторных средствах измерения веса. 

Тензодатчики  балка  на  изгиб  или  сдвиг  используются  в  системах  дозирования, 

платформенных  весах  средней  грузоподъемности,  бункерах,  напольных  системах 
взвешивания, включая электронные весы для взвешивания животных. 

В  высокоточных  системах  измерения  веса  с  высоким  показателем  наибольшего 

предела взвешивания в промышленности и на железнодорожном транспорте применяются 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

3 

тензодатчики торсионного типа, в качестве упругого элемента используется кольцо, при 
воздействии на которое происходит упругая деформация скручивания. 

S-образные тензодатчики применяются для осуществления взвешивания грузов в 

конструкции крановых весов, а также в подвесных системах, при этом упругий элемент с 
тензорезисторами  работает  на  растяжение.  [

http://vesovoy.info/tenzodatchiki/vidy-tipy-

tenzodatchkov

] 

Датчики измерения температуры 

В  современном  промышленном  производстве  наиболее  распространенными 

являются  измерения  температуры  (так,  на  атомной  электростанции  среднего  размера 
имеется  около  1500  точек,  в  которых  производится  такое  измерение,  а  на  крупном 
предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.).  

Если  рассматривать  датчики  температуры  для  промышленного  применения,  то 

можно  выделить  их  основные  классы:  кремниевые  датчики  температуры, 
биметаллические  датчики,  жидкостные  и  газовые  термометры,  термоиндикаторы, 
термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики. 

Термопара представляет собой две проволоки из разных металлов, спаянных между 

собой (рисунок 3). При разности температур между горячим и холодным концом в цепи 
возникает  электрический  ток.  Величина  этого  электрического  тока  зависит  от 
термоэлектрической  силы  термопары,  и  составляет  от  40  до  60  мкВ,  в  зависимости  от 
материала термопары. Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы: копель 
(56% Сu и 44% Ni), алюмель (95% Ni, остальные – Al, Si и Mn), хромель (90% Ni и 10% 
Сг), платинородий (90% Рt и 10% Rh). 

Рисунок 3 – Внешний вид термопары 

Термопара  является  высокоточным  датчиком  температуры,  однако  эту  точность 

достаточно  проблематично  получить.  Термопара  является  относительным  датчиком 
температуры,  уровень  ее  напряжения  имеет  зависимость  от  температурной  разности 
между  спаями. При этом холодный спай находится при комнатной температуре или при 
какой-либо другой. 

Рассмотрим  работу  термопары  ближе.  Есть  две  термопары  и  две  температуры 

горячего  и  холодного  спая.  Соответственно  ЭДС  зависит  от  разности  температур. 
Температуру  холодного  спая  необходимо  компенсировать.  Аппаратным  способом 
компенсации  является  использование  второй  термопары,  которая  помещена  в  заранее 
известную температуру. 

Функция преобразования термопары нелинейна. Для перевода ЭДС в температуру 

и обратно используются коэффициенты полинома большого порядка. 

Термо-ЭДС термопары составляет от единиц до сотен микровольт. Соответственно, 

применение  аналого-цифровых  преобразователей  возможно  только  после  усиления 
сигнала. [

https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/ustrojstva/datchiki-temperatury/]

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

4 

Термопары имеют следующие преимущества: простота изготовления и надёжность 

в  эксплуатации,  дешевизна,  отсутствие  источников  питания  и  возможность  измерений  в 
большом  диапазоне  температур.  Наряду  с  этим  термопарам  свойственны  и  некоторые 
недостатки – меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной 
тепловой  инерционности,  необходимость  введения  поправки  на  температуру  свободных 
концов  и  необходимость  в  применении  специальных  соединительных  проводов. 
[

http://electrolibrary.info/subscribe/sub_16_datchiki.htm

] 

Термометр сопротивления 

Принцип  действия  термопреобразователей  сопротивления  (терморезисторов) 

основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в 
зависимости от температуры. 

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах 

от  -260  до  1100  °С.  Широкое  распространение  на  практике  получили  более  дешевые 
медные  терморезисторы,  имеющие  линейную  зависимость  сопротивления  от 
температуры. 

Недостатком  меди  является  небольшое  ее  удельное  сопротивление  и  легкая 

окисляемость при высоких температурах, вследствие чего  конечный предел применения 
медных  термометров  сопротивления  ограничивается  температурой  180  °C.  По 
стабильности  и  воспроизводимости  характеристик  медные  терморезисторы  уступают 
платиновым.  Никель  используется  в  недорогих  датчиках  для  измерения  в  диапазоне 
комнатных температур. 

Полупроводниковые  терморезисторы  (термисторы)  имеют  отрицательный  или 

положительный  температурный  коэффициент  сопротивления,  значение  которого  при  20 
°C    составляет  (2..8)·10

-2

  (°C)

-1

,  т.е.  на  порядок  больше,  чем  у  меди  и  платины. 

Полупроводниковые  терморезисторы  при  весьма  малых  размерах  имеют  высокие 
значения  сопротивления  (до  1  МОм).  В  качестве  полупроводникового  материала 
используются  оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ – смесь 
окислов кобальта и марганца и ММТ – меди и марганца. 

Полупроводниковые  датчики  температуры  обладают  высокой  стабильностью 

характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от -100 
до 200 °С. [

http://electrolibrary.info/subscribe/sub_16_datchiki.htm

] 

Датчики освещения 

Различают аналоговые и дискретные оптические (фотоэлектрические)  датчики. У 

аналоговых  датчиков  выходной  сигнал  изменяется  пропорционально  внешней 
освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления 
освещением. 

Фотосопротивление 

Датчик виброускорения (акселерометр) 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

5 

Датчик влажности 

Дискретные датчики 

Дискретные  датчики  преобразуют  некую  физическую  характеристику  состояния 

объекта  (например,  состояние  клапана  –  «закрыт»  или  «открыт»)  в  значения  цифрового 
сигнала 0 («ложь») или 1 («истина»). 

Примеры дискретных датчиков 

Контактные датчики 

Контактные  датчики  —  это  простейший  вид  резисторных  датчиков,  которые 

преобразуют  перемещение  первичного  элемента  в  скачкообразное  изменение 
сопротивления  электрической  цепи.  С  помощью  контактных  датчиков  измеряют  и 
контролируют  усилия,  перемещения,  температуру,  размеры  объектов,  контро­лируют  их 
форму  и  т.  д.  К  контактным  датчикам  относятся  путевые  и  концевые  выключатели, 
контактные  термометры  и  так  называемые  электродные  датчики,  используемые  в 
основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей. 

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. 

В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными 
и  многопредельными.  Последние  используют  для  измерения  величин,  изменяющихся  в 
значительных пределах, при этом части резистора R, включенного в электрическую цепь, 
последовательно закорачиваются. 

Недостаток  контактных  датчиков  —  сложность  осуществления  непрерывного 

контроля  и  ограниченный  срок  службы  контактной  системы.  Но  благодаря  предельной 
простоте  этих  датчиков  их  широко  применяют  в  системах  автоматики. 
[

http://electrolibrary.info/subscribe/sub_16_datchiki.htm

] 

Датчики препятствий 

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях 

промышленности.  Датчики  дискретного  действия  используются  как  своеобразные 
бесконтактные  выключатели  для  подсчета,  обнаружения,  позиционирования  и  других 
задач на любой технологической линии.  

Оптический  бесконтактный  датчик,  регистрирует  изменение  светового  потока  в 

контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо 
движущихся  частей  механизмов  и  машин,  отсутствия  или  присутствия  объектов. 
Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли 
широкое применение в промышленности и не только.