ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2. Датчики. Классификация, основные характеристики

Датчик (sensor, transduser, gauge)
Измерительный преобразователь (ИП)
Первичный ИП, или чувствительный элемент (ЧЭ) (load cell)


ПОНЯТИЕ ДАТЧИКА

Чувствительный элемент

Измерительный преобразователь

Выходная

физическая

величина

Входная

физическая

величина

Электрический сигнал

Датчик

+

=

ТЕРМИНОЛОГИЯ

ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения

Датчик: Средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразователь физической величины: Устройство, предназначенное для восприятия и преобразования контролируемой физической величины в выходной сигнал. Преобразователь физической величины имеет точностные характеристики и не относится к средствам измерения

Рекомендации по межгосударственной стандартизации

РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения

Измерительный преобразователь (measuring transducer): Техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

Датчик: Конструктивно обособленный первичный преобразователь, размещенный в зоне действия объекта, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию).

ЛЮБОЙ ДАТЧИК – ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

(ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ)

ОБЪЕКТ

ИК-датчик температуры

ОБЪЕКТ

Uвых

Uвых > 0

Uвых < 0

ОБЪЕКТ

ДАТЧИК

Формат выходного сигнала

Напряжение, ток или заряд

(амплитуда, частота, фаза или цифровой код)

---

Внешнее воздействие

Измеряемая физическая величина

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

По виду входной величины

Акустические
Электрические
Магнитные
Оптические
Механические
Тепловые
Радиационные

По виду выход-ной величины

Генераторные
Параметричес-кие

По точке отсчета

Абсолютные
Относительные

По взаимодейст-вию с объектом

Контактные
Бесконтактные

По принципу действия

Резистивные
Электростатические
Электромагнит-ные
Тепловые
Электрохими-ческие
Оптические
Ионизационные

По среде пере-дачи сигналов

Проводные
Беспроводные

По характеру вы-ходного сигнала

Дискретные
Аналоговые
Цифровые
Импульсные

По количеству входных величин

Одномерные
Многомерные

По технологии изготовления

Элементные
Интегральные

По выполняемым функциям

Однофункцио-нальные
Многофункци-ональные (интеллектуаль-ные)

ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Световые величины

освещенность, сила света и ее распределенность, яркость, цвет и т. п.

Величины, характеризующие свойства и со­став веществ

концентрация, химический состав, влажность, содержание взвешенных веществ и др.

Тепловые величины

температура, количества тепло­ты, тепловые потоки, теплоемкость и т. п.

Механические величины

силы, давления, де­формации, моменты, линейные размеры, уровни, вибрации, расходы, скорости потоков и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

По виду выходных величин

Активные (генераторные, датчики прямого действия)
Пассивные (параметрические, составные)

Входная физическая величина

Выходной электрический сигнал

Входная физическая величина

Выходной электрический сигнал

Дополнительный источник энергии

По выбору точки отсчета

Абсолютные
Относительные

По взаимодействию с объектом

Контактные
Бесконтактные

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

По принципу действия


КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

Резистивные

изменение электрического сопротивления под действием входной механической величины реостат­ные преобразователи перемещений и тензорезистив-ные преобразо­ватели усилий

---

Электростатичес-кие

переносчик из­мерительной информации - электрический заряд
ёмкостные и пьезоэлектричес-кие

Электромагнитные

различные электромагнит-ные явления индуктивные, взаимоиндуктив-ные, индукционные

Тепловые

физические закономер­ности, определяемые тепловыми и связанными с ними другими про­цессами
Термоэлектричес-кие, терморезис-тивные

Резистивные Электростатические Электромагнитные Тепловые

Электрохимические Оптические Ионизационные

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

Электрохимические

зависимость электрических параметров электролити-ческой ячейки от состава, кон­центрации и других свойств исследуемого раствора кондуктометрические преобразователи, рН-метрические и др.

Оптические

преобразование потока оптического (светового и теплового) излучения модуляции параметров источника излучения или опти­ческого канала расстояние до объекта, габариты предмета, степень прозрачности и др.

Ионизационные

преобразование интен­сивности ионизирующего излучения дозиметры, радиометры, датчики дыма и др.

По среде передачи сигналов

Проводные
Беспроводные

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

Проводные	Беспроводные
Возможность работы в более суровых условиях (в том числе не отапливаемых помещениях при отрицательных температурах) и отсутствие элементов питания (нет необходимости контролировать степень заряда и периодически их менять)	Повышение уровня безопасности; сокращение объёма технического обслуживания и повышение надежности; улучшение качества адресной доставки информации; экономическая эффективность

По характеру выходного сигнала

Дискретные
Аналоговые (нелинейные и пропорциональные)
Цифровые
Импульсные

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

По количеству входных величин

Одномерные
Многомерные

Датчик

Входные физические величины

Выходной электрический сигнал

Организация селективных каналов восприятия величин объединением нескольких чувствительных селективных элементов в одном датчике и параллельное восприятие входных величин, при этом селективные элементы конструктивно перерабатываются в единый многофункциональный элемент
Восприятие величин происходит одновременно

---

Метод "приведения"

Коммутация или выборочное временное «исключение» воздействия заданных величин
Восприятие величин происходит последовательно во времени

Метод «исключения»

Изменение дополнительной энергии воздействия при восприятии разных величин, например, частотного спектра
Восприятие величин происходит последовательно во времени

Метод «воздействия»

Для каждой измеряемой величины искусственно меняется режим работы
Восприятие величин происходит последовательно во времени

Метод перестройки параметров и режимов работы датчика

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

Принципы построения селективных многомерных датчиков

1. Чувствительные элементы для каждой измеряемой величины изготавливают в виде последовательной цепи измерительных преобразователей.

2. В качестве конечного измерительного преобразователя для всех измеряемых величин применяют единый тип преобразователя, который использует одно физическое явление и формирует выходной сигнал в виде единой, однородной по своим свойствам электрической величины.

3. Один из конечных преобразователей в многомерном датчике используют для восприятия и преобразования измерительных сигналов, присущих одной из измеряемых величин.

ПРИМЕРЫ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

Трехмерный селективный датчик давления, температуры и влажности воздуха

1 – корпус; 2 – мембрана с подвижным электродом; 3 – подложка из ситалла;

4 – пленочный терморезистор в форме меандра (первый неподвижный электрод);

5 – второй неподвижный электрод из металла; 6 – слой гигроскопичного материала

Двухмерный датчик, основанный на методе «воздействия», для измерения температуры и относительной влажности воздуха

1 - nодложка; 2 - термочувствительный эnемент; 3 - контактные nлощадки

КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ (СЕНСОРОВ)

По технологии изготовления

Элементные
Интегральные

По выполняемым функциям

однофункциональные
Многофункциональные (интеллектуальные)

ТРЕБОВАНИЯ К ДАТЧИКАМ

однозначная зависимость выходной величины от входной
стабильность характеристик во времени
высокая чувствительность
малые размеры и масса
отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр
работа при различных условиях эксплуатации
различные варианты монтажа

---

1 – бесконтактный

2, 3 – активные

4 – пассивный

5 – внутренний элемент системы сбора данных

ДАТЧИКИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ

Передаточная функция

Чувствительность

Диапазоны входных и выходных значений

Точность

Наличие гистерезиса

Нелинейность

Разрешающая способность

Выходной импеданс

Динамические характеристики

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ

ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ

Передаточная функция ПФ (функция преобразования, статическая характеристика) – зависимость между входным и выходным сигналами датчика, которая может быть выражена в виде таблицы, графика или математической формулы.

YН= fН(X) – номинальная ПФ

YР= fР(X) –реальная ПФ

ΔХ = ХН - Х1 – погрешность ИП по входу

ΔY - погрешность ИП по выходу

Номинальная функция преобразования = градуировочная характеристика

R0 – сопротивление меди при температуре 0 ºС;

t – текущее значение температуры;

α – температурный коэффициент сопротивления

Одномерные ПФ

Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s:

S =f(s).

Вид передаточной функции	Уравнение
Линейная
Логарифмическая
Экспоненциальная
Степенная

Многомерная ПФ (выходной сигнал датчика зависит от нескольких видов внешних воздействий

Инфракрасный датчик температуры:

U = G (T4ОИ – Т 4Д)

U – выходное напряжение

Тои – абсолютная температура объекта измерения

Тд – абсолютная температура поверхности датчика

G - const

ВИДЫ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ

Статическая характеристика (СХ) – это функциональная зависимость выходной величины y от входной x в статическом режиме

Для измерительных преобразователей и измерительных приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, СХ называется также функцией преобразования, а для остальных измерительных приборов – характеристикой шкалы.

СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Чувствительность СИ – это свойство, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

---

Смотрите также файлы

• Отчет по работе должен включать постановку задачи, алгоритм решения с пояснениями.pdf

• Обучение казахской молодежи в учебных заведениях России.docx

• Контрольная работа защищена с оценкой С. Ф. Нефёдов (подпись преподавателя) (инициалы, фамилия).docx

• Договор аренды в гражданском законодательстве 5 1Понятие договора аренды 5.doc

• Вопросы Предоставьте руководству несколько устройств (не менее 5) для выбора, укажите характеристики.rtf