Характеристики первичных преобразователей сигналов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(государственный технический университет)

В.И. БУСУРИН, В.А. МОЖАЕВ, В.М. ШЕЛЕНКОВ

СЕНСОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

(под общ. ред. проф. д.т.н. В.И. Бусурина)

Допущено Учебно-методическим объединением

высших учебных заведений Российской Федерации

по образованию в области авиации, ракетостроения

и космоса в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений РФ,

обучающихся по направлению подготовки

дипломированного специалиста 160400

«Системы управления и навигация»

и специальности 160403

«Системы управления летательными аппаратами»

Москва

Издательство МАИ

УДК 621.38

ББК 32.85

Б 60

Б 60 Бусурин В.И., Можаев В.А., Шеленков В.М.

Сенсорные технологии: Учебное пособие. Под общ. ред. проф. д.т.н. В.И. Бусурина –М.: Изд-во МАИ, 2011. – 89 с.: ил.

ISBN 5-06-004428-9

В учебном пособии излагаются физическо-теоретические основы функционирования современных и традиционных первичных преобразователей физических величин, обычно используемых в системах автоматического управления летательными аппаратами, приводятся их математические модели, применяемые при автоматизированном анализе систем управления. Рассмотрены вопросы построения и функционирования основных вариантов измерительных схем, обеспечивающих требуемые характеристики датчиков. Освещены вопросы практического применения сенсорных устройств.

Для студентов технических вузов.

Рецензенты:

кафедра «Электронная автоматика и авиационные тренажёры» Военного учебно-научного центра «ВВА имени профессора Н.Е.Жуковского и Ю.А.Гагарина»;

проф., д.т.н. Зайцев А.В. (Военная академия РВСН имени Петра Великого).

ISBN 5-06-004428-9 (с) Московский авиационный институт

(государственный технический университет), 2011

(с) Бусурин В.И., Можаев В.А., Шеленков В.М., 2011

Глава 1. Введение

Основные понятия о первичных преобразователях сигналов

В самом общем случае система автоматического управления включает объект управления (ОУ) и регулятор (рис.1.1). Текущее состояние ОУ характеризуется множеством различных физических параметров – взаимное расположение подвижных частей, их линейные и угловые координаты, скорости и ускорения; температуры в различных функциональных блоках; уровень и расход различных жидкостей и т.п.

Рис. 1.1

Значения этих параметров влияют на характеристики объекта в целом. Но кроме этих, внутренних параметров, поведение ОУ в большой степени зависит от внешних условий, например, давления, температуры, влажности, пространственного положения объекта и характеристик его изменения.

Чтобы управление ОУ обладало необходимым качеством, алгоритм управления, реализуемый регулятором, должен учитывать множество различных внутренних и внешних параметров, в том числе, управляющих воздействий. Эти параметры имеют различную физическую природу. Для реализации алгоритма регулятором, информация о численных значениях разнородных параметров должна быть представлена в единой форме, и иметь однотипный физический носитель (электрический ток, оптическое излучение, давление жидкости или газа и др.).

В наше время наибольшее распространение получают электронные регуляторы. Это означает, что информация о величинах входных параметров регулятора должна иметь единую форму электрического сигнала. Например, уровень напряжения постоянного тока.

Задачу преобразования различных физических величин в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования и хранения решают первичные преобразователи, или датчики (см. рис. 1.1). В общем случае, датчик объединяет чувствительный элемент (сенсор), входной и выходной преобразователи.

Преобразуемая физическая величина непосредственно воздействует на чувствительный элемент. Чувствительные элементы по типам реакции делят на генераторные и параметрические. Генераторный чувствительный элемент при внешнем воздействии вырабатывает электрический сигнал. Если внешнее воздействие изменяет какой-либо параметр, характеризующий состояние чувствительного элемента, то это – параметрический чувствительный элемент. В качестве выходных параметров рассматривают:

-механические (перемещение, деформация, давление);

-электрические (сопротивление, индуктивность, ёмкость);

-магнитные (магнитное сопротивление, индуктивная связь) свойства чувствительного элемента.

Мощность выходного сигнала чувствительного элемента генераторного типа не может превышать мощности входного воздействия. Если эта мощность мала для дальнейшего использования, то выходной сигнал усиливается в выходном блоке.

Как правило, параметрические чувствительные элементы для работы используют дополнительные источники энергии и в усилении мощности выходного сигнала не нуждаются.

Обычно желательно иметь выходной сигнал датчика в электрической форме. Некоторые входные физические воздействия легко преобразуются в электрический сигнал (например, перемещение), другие –нет (например, расход газа). В сложных случаях, в датчиках последовательно включают два и больше чувствительных элементов таким образом, что замыкающий чувствительный элемент легко преобразует воздействие в электрический сигнал. Например, в датчике расхода газа последовательность преобразований может быть такой: расход газа Þ скорость вращения крыльчатки в потоке Þ скорость вращения рамки с проводом в постоянном магнитном поле Þ электродвижущая сила электромагнитной индукции (рис. 1.2).

Рис. 1.2

Характеристики первичных преобразователей сигналов

Основными характеристиками чувствительных элементов и датчиков в целом, являются статическая характеристика и чувствительность. Под статической характеристикой понимают функциональную зависимость выходного сигнала от входного воздействия в установившемся режиме:

А_вых=f(А_вх),

где А_вых –выходная величина; А_вх –величина входного воздействия.

Иногда статическую характеристику датчика называют передаточной функцией. При этом нужно иметь в виду, что в теории автоматического управления передаточной функцией называют зависимость между входным и выходным сигналами, которая определяет динамические свойства блоков. Т.е. передаточная функция описывает поведение блока в переходных режимах.

Часто при анализе свойств устройства, входной и выходной сигналы связывают линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами. Соответственно, в установившемся режиме устройство представляется пропорциональным звеном, т.е. его статическая характеристика представляет прямую линию, проходящую через начало координат. У реальных датчиков статическая характеристика нелинейна.

В этой книге будем использовать более корректный термин: статическая характеристика.

Вернёмся к рис.1.2. Если плотность газа и сечение газопровода в области размещения крыльчатки постоянно, то скорость течения пропорциональна расходу газа: V=k_q Q. Угловая скорость вращения крыльчатки ω зависит от скорости течения газа V. Экспериментально полученная статическая характеристика приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3

Если в рабочем режиме расход газа не приближается к нулю, то статическую характеристику анемометра (преобразователя скорости потока в угловую скорость крыльчатки) можно представить, как ω=k_vV, где k_v=Δω/ΔV.

Скорость вращения крыльчатки через редуктор передаётся на рамку с проводом, которая вращается в постоянном магнитном поле со скоростью Ω=k_ω ω.

Амплитуда электродвижущей силы, индуцированной во вращающейся рамке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, т.е. скорости вращения рамки Ω: Е=k_Ω Ω.

В результате цепочки преобразований статическая характеристика датчика расхода газа может быть определена, как

E= k_Ω k_ω k_v k_q Q= k_Q Q.

Размерность передаточного коэффициента датчика k_Q определим по размерностям составляющих коэффициентов:

.

Заметим, что если передаточный коэффициент безразмерный и по величине больше единицы, то его называют коэффициентом усиления.

Другой важнейшей характеристикой датчика является чувствительность. При линейной статической характеристике чувствительность совпадает с передаточным коэффициентом. Если характеристика нелинейна, то чувствительность определяется как отношение приращения выходного сигнала к вызвавшему его приращению входного:

.

Часто датчики характеризуются относительной чувствительностью, определяемой, как отношение относительного приращения выходного сигнала к относительному приращению входного:

.

Относительная чувствительность – безразмерная величина.

Качество преобразования можно оценить по значению дополнительных параметров:

а) максимальная относительная погрешность характеризует отклонение реальной статической характеристики датчика от идеальной. Определяется как отношение максимальной абсолютной погрешности к максимальному выходному сигналу датчика (рис.1.4):

_,

где А_р, А_и –реальное значение выходного сигнала и значение выходного сигнала по идеальной статической характеристике датчика соответственно; А_max –максимальное значение сигнала по статической характеристике.

Рис. 1.4

б) температурная погрешность определяется, как относительное изменение выходного сигнала из-за влияния температуры:

_,

где ΔТ –изменение температуры; А_Т, А_Т+ΔТ –выходной сигнал при номинальной температуре Т и при температуре (Т+ΔТ) соответственно.

в) Динамический диапазон представляет допустимый диапазон изменения входного воздействия датчика в децибелах (дБ).

_,

где А_max –максимальная допустимая величина входного сигнала, А_min–минимальный различимый на уровне шумов сигнал на входе (рис.1.5). Обычно считают А_min³ А_шум , где А_шум –амплитуда собственных шумов датчика.