Первичные изм. преобразователи. Часть 1

В. Е. Поляков

Первичные

преобразователи

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СЗТУ

2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт приборостроения и систем обеспечения безопасности Кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности

В. Е.Поляков

Первичные

преобразователи

Учебное пособие

Часть I

Преобразователи механического сигнала, конденсаторные и пьезоэлектрические преобразователи

Санкт-Петербург Издательство СЗТУ

2007

Утверждено редакционно– издательским советом университета УДК 62-791.2 (035.5)

Поляков В. Е. Первичные преобразователи: учебное пособие, часть I /В. Е. Поляков. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007.- 234 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по специальности 200101.65 – « Приборостроение» и направлению подготовки бакалавра 200100.62 – « Приборостроение».

Дисциплина охватывает основные классы первичных преобразователей, включающих в себя понятия передаточной функции, чувствительности преобразователей к измеряемой физической величине, схеме включения в измерительную цепь, некоторые варианты использования первичных преобразователей в контрольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности.

Учебное пособие состоит из двух частей. Первая часть посвящена изучению преобразователей механического сигнала, конденсаторных и пьезоэлектрических преобразователей. Во второй части рассматриваются фотоэлектрические, термоэлектрические, проволочные, реостатные, электромагнитные и электронно-механические преобразователи, а также преобразователи на основе перепада давления и измерители давления.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 200101.65

– « Приборостроение», специализации : 200101.65-05 - «Контрольноизмерительные приборы и системы» и 200101.65-20 - «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля».

Рецензенты: кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности СЗТУ - зав. каф. А. И. Потапов, д-р техн. наук, проф.;

-В. А.Тарлыков, д-р техн. наук, проф. кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики; А. А. Сарвин, д-р техн. наук, проф., зав. каф. Автоматизации производственных процессов, директор института системного анализа, автоматики и управления СЗТУ.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет,

2007 © Поляков В. Е., 2007

Предисловие

Современный этап развития человечества характеризуется огромными потоками информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Если в середине XIX века увеличение объёма информации за 50 лет происходило вдвое, то в начале XX века его удвоение происходило уже за 20 лет, а в начале 80-х годов этот срок уменьшился до 3-4 лет. Поэтому XX век был назван веком информации.

Важную роль среди различных видов информации играет измерительная информация, которая несёт количественную оценку состояния технологических процессов, характеристик изделий, результатов научных исследований, параметров окружающей среды, физиологического состояния человеческого организма и т. д.

Автоматизация технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, развитие научных исследований требуют измерений разнообразных физических величин. О количестве и разнообразии физических величин можно судить по тому факту, что система единиц СИ включает в себя 7 основных, 2 дополнительных и 113 производных единиц, в том числе пространства и времени 6, механических 14, электрических 4, магнитных 40, тепловых 11, световых 15, акустических 14, ионизирующих излучений 2, молекулярной физики и физической химии 11.

Различные физические величины имеют существенно разную физическую природу, поэтому отличаются методы и средства их измерений. Для удобства разработки или выбора тех или иных методов и средств измерений все физические величины делят на электрические, магнитные и неэлектрические.

Характерной особенностью современных измерений является то, что не только электрические и магнитные, но и большинство неэлектрических величин измеряются электрическими методами, т.е. путем

3

предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую.

Это обусловлено следующими достоинствами:

∙электрические величины удобно передавать на расстояние, причём передача осуществляется с высокой скоростью;

∙электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

∙электрические величины легко точно и быстро преобразуются в цифровой код;

∙электрические измерения позволяют достигнуть высокой точности и

быстродействия средств измерений.

Получение измерительной информации связано с использованием контрольно-измерительных приборов, основными узлами которых являются первичные преобразователи.

Целью преподавания дисциплины «Первичные преобразователи» является подготовка инженеров, знакомых с методами выбора первичных преобразователей контрольно-измерительных средств и имеющих достаточную квалификацию для эксплуатации и проектирования контрольно-измерительных преобразователей.

Основные задачи, стоящие перед студентами при изучении дисциплины «Первичные преобразователи» включают в себя: освоение теории преобразования физических величин; принципов построения и проектирования первичных преобразователей; схем включения первичных преобразователей в измерительные цепи; привитие навыков экспериментирования в области механических величин и параметров электрическими методами.

Дисциплина «Первичные преобразователи» базируется на знаниях, полученных при изучении общетеоретических дисциплин, в том числе: «Высшая математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Теоретические основы электротехники», «Теория электромагнитного поля», «Сопротивление материалов» а также общеинженерных дисциплин: «Теория механизмов и машин», «Детали приборов», «Взаимозаменяемость,

4

стандартизация и технические измерения», «Основы метрологии, точность и надежность», «Элементы точных приборов».

Знания, полученные при изучении дисциплины «Первичные преобразователи», используются в дисциплинах «Электронные устройства контроля и микропроцессоры», «Теория и проектирование автоматизированных контролирующих систем», «Физические методы контроля параметров окружающей среды, веществ, материалов и изделий».

Учебно-методическое пособие «Первичные преобразователи» состоит из двух частей.

В первой части (гл.1-5) особое внимание уделяется теории первичных преобразователей, формулируются определения и терминология, рассматриваются принципы преобразования физических величин и приводится классификация первичных преобразователей (гл.1). В следующих четырех главах достаточно подробно рассматриваются преобразователи механического сигнала, включающие преобразователи силы, давления, деформаций, датчики линейных перемещений и угла поворота.

При описании конденсаторных (емкостных) преобразователей рассмотрены датчики с переменным зазором, переменной площадью пластин конденсаторов, а также некоторые накладные конденсаторные преобразователи.

Глава «Пьезоэлектрические преобразователи» включает в себя теорию пьезоэлектричества, описание различных видов пьезоэффекта, пьезоэлектрических материалов и конструкций пьезоэлектричских преобразователей.

Во второй части учебно-методического пособия (гл.1-8) рассмотрены фотоэлектрические, термоэлектрические, проволочные и реостатные, электромагнитные и электронно-механические преобразователи. Там же приведены принципы построения и конструктивные характеристики преобразователей на основе перепада давления и измерителей давления с электрическим и пневматическим выходными сигналами.

Во всех случаях при рассмотрении различных типов преобразователей особое внимание уделяется передаточной функции, чувствительности преобразователей к измеряемой физической величине, схемам включения в измерительную цепь. Приводятся некоторые варианты использования первичных преобразователей в контрольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности.

5

Автор выражает свою благодарность и признательность студентамдипломникам университета Криницыной Е.С. (г. Выборг), Сенько В.В. (г. Пушкин) и Кравченко Н.А. (г. Санкт-Петербург) за помощь, оказанную при написании и оформлении учебно-методического пособия «Первичные преобразователи».

6

О Вы, которых ожидает	О, ваши дни благословенны!
Отечество от недр своих	Дерзайте, ныне ободренны
И видеть таковых желает,	Раченьем вашим показать,
Каких зовет от стран чужих,	Что может собственных Платонов
	И быстрых разумом Невтонов
	Российская земля рождать.

М.В.Ломоносов. «Ода на день восшествия на всероссийский престол ее величества государыни

императрицы Елисаветы Петровны 1747 года»

Введение

Датчики (преобразователи), в качестве связующего звена, между окружающим миром и современной техникой становятся важным фактором в автоматизации и робототехнике и приобретают в качестве составного элемента системной компоненты все большее значение. Сенсоры (датчики) служат также для получения информации об окружающем мире или о специальных параметрах процесса и представляют собой те компоненты системы, которые воспринимают информацию из процесса или окружающего мира и делают ее доступной для обработки. При этом за последние годы значимость датчика в терминах расширения его области применения значительно возросла.

Принципы классификации датчиков

Классификацию датчиков можно произвести в соответствии с принципом действия, задачей и областью применения. Классификация в зависимости от представления соответственно предварительной обработки выходного сигнала датчика осуществляется с учетом степени проникновения принципов цифровой обработки и интеграции с помощью последующих ступеней обработки, в соответствии с этим имеем, в частности:

- аналоговые датчики преобразуют неэлектрическую измеренную

7

величину в амплитудно-аналоговый электрический сигнал и работают с линейным или нелинейным преобразованием, температурной компенсацией

илинеаризацией,

-цифровые датчики преобразуют неэлектрическую измеренную величину в цифровой выходной сигнал (непосредственно или косвенно через аналоговый выходной сигнал),

-частотно-аналоговые или псевдоцифровые датчики преобразуют измеренную величину в частоту, соответственно, длительность периода выходного сигнала (непосредственное или косвенное преобразование),

-двоичные датчики сообщают о достижении заданного порогового значения (граничного значения),

-мультидатчики (многоэлементные сенсоры) одновременно регистрируют несколько измеренных величин,

-умные или интегральные датчики уже берут на себя часть обработки сигнала измеренного значения (коррекция нуля, нелинейностей и температурных ошибок, сравнение с заданным значением, связь с исполнительными элементами). Интегральные датчики, выпускаемые в последнее время, имеют следующие преимущества:

-расширенный функциональный диапазон,

-улучшенное согласование с задачей (избирательность),

-подавление влияний помех,

-линеаризация измерений величины,

-снижение стоимости датчика и оценочной электроники. Интегрируемы, в принципе, такие датчики, которые совместимы с техникой интегральных схем. Сюда относятся:

-датчики, которые могут быть изготовлены с помощью технологичной техники, и при этом пленки могут быть нанесены на слои, например, датчики на сопротивлениях (платиновых) для температурных измерений, состоящие из слоев в качестве фотосопротивлений и слоев - в качестве пьезоэлементов,

-датчики, которые состоят из элементно-полупроводникового материала

8

и которые, при этом, совместимы с технологией (с технологией интегральных схем), т.е. соответственно, канально, (т.е. стружечно) или биполярно - совместные датчики. Наивысший уровень развития имеют умные (интеллигентные) датчики, которые в блоке или корпусе объединяются с микропроцессором. Упрощение программирования, тестовой проверки и режима работы, обеспечение надежности информации за счет добавления избыточности, предварительной обработки и подготовки измерительных сигналов, а также универсальность и модифицируемость - таковы основные преимущества таких датчиков. Дополнительными требованиями, которые оказывают влияние на развитие в области датчиков, являются следующие:

-бесконтактная регистрация измеряемых величин,

-возможность индикации (связанная с каждым конкретным случаем) измеряемых величин,

-нечувствительность по отношению к влияниям окружающего мира,

-большой диапазон регистрируемых измеряемых величин,

-большой диапазон рабочих температур,

-возможность миниатюризации ,

-возможность изготовления с помощью современной технологии техники полупроводников.

Конструкция и принципиальное строение датчиков

Датчик состоит из собственно элементарного датчика, измерительного щупа и сигнальнообрабатывающей электроники, которая может быть связана

сдатчиком различным образом.

Собственно датчик - это такой элемент, который количественно регистрирует определенное свойство субстанции, соответственно, процесса. Субстанция может быть твердой, жидкой или газообразной и находиться в статическом или динамическом состоянии (переход, процесс). Количественно регистрируемое свойство может иметь различный характер и иметь механическую, термическую, электромагнитную или химическую

9