Первичные преобразователи. Сокращенный курс

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

В.Е.Поляков

Основы проектирования приборов и систем Первичные преобразователи измерительных приборов

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ	5
ВВЕДЕНИЕ	10
ГЛАВА 1. ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В	15
КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
1.1. Определение понятия «ПРЕОБРАЗОВА-	15
ТЕЛЬ»
1.2. Физические величины, терминология в теории	20
первичных преобразователей
1.3. Физические принципы преобразования меха-	27
нических величин
1.4. Датчик как цепь измерительных преобразова-	29
телей
1.5. Классификация первичных преобразователей	34
ГЛАВА 2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ МЕХАНИЧЕ-	38
СКОГО СИГНАЛА
2.1. Виды упругих элементов и области их исполь-	38
зования
2.2. Преобразователи силы	41
2.3. Преобразователи давления	46
2.4. Датчик линейных перемещений и угла пово-	46
рота
ГЛАВА 3. ЕМКОСТНЫЕ (КОНДЕНСАТОРНЫЕ)	51
ДАТЧИКИ – ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
3.1. Датчики с переменным зазором	53
3.2. Датчики с переменной площадью пла-	54
стин конденсаторов
ГЛАВА 4 ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОЭЛЕК-	58
ТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
4.1. Пьезоэлементы на основе прямоугольных пла-	58
стин с полным или частичным вырождением мод коле-
баний
4.2. Пьезоэлементы на основе квадратных пластин	62
с полным или частичным вырождением мод колебаний
4.3. Пьезоэлемент на основе диска с частичным	64
вырождением мод колебаний. Объемный резонатор
	1

4.4. Основные физические принципы, используе-	66
мые при проектировании и изготовлении широкополос-
ных пьезопреобразователей
4.5. Оптимизация спектра электрического импуль-	68
са возбуждения с целью получения упругих импульсов
малой длительности
4.6.Раздельные пьезоэлектрические преобразова-	74
тели на основе прямоугольных пластин
4.7. Раздельные пьезоэлектрические преобразова-	79
тели на основе квадратных пластин
4.8. Раздельно-совмещенный пьезоэлектрический	83
преобразователь
4.9. Преобразователи на основе пьезокерамическо-	86
го кольца
ГЛАВА 5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРА-	90
ЗОВАТЕЛИ
5.1 Общие принципы работы фотонных детекторов	90
5.2. Фотоэлектрические датчики	92
5.3. Фотоэлектрические датчики с внешним фото-	94
эффектом
5.4. Фотоэлектрические умножители (ФЭУ)	98
5.5. Электронно-оптические преобразователи	99
5.6. Приемники излучения с внутренним фотоэф-	100
фектом
ГЛАВА 6. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРА-	106
ЗОВАТЕЛИ
6.1. Температурные шкалы	107
6.2. Платиновые термометры сопротивления	109
6.3. Термисторы	111
6.4 Полупроводниковые преобразователи	113
6.5. Термопары	114
6.6 Радиационная пирометрия	119
ГЛАВА 7. ПРОВОЛОЧНЫЕ И РЕОСТАТНЫЕ	123
ПЕРВИЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
7.1 Проволочные датчики	123
7.2. Реостатные проволочные преобразователи	128
ГЛАВА 8. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПЕРВИЧНЫЕ	133
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
	2

8.1 Индуктивные датчики	134
8.2. Датчики с переменным воздушным зазором	136
8.3. Датчики с подвижным сердечником	137
8.4. Индукционные датчики	138
8.5. Магнитные измерительные преобразовате-	141
ли перемещений
8.6. Эффект Холла	144
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	147
Библиографический список	150

3

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 предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую.

Это обусловлено следующими достоинствами:

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

4

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

инаоборот;

∙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.

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 кон- трольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности.

Дисциплина «Основы проектирования приборов и систем» состоит из двух разделов: «Первичные преобразователи измерительных приборов» и «Проектирование приборов и систем».

В большинстве своем первичные преобразователи являются интеллектуальными системами, и изучение их является актуальной задачей, а целый ряд технических решений по разработке преобразователей, включенных в учебное пособие, являются инновационными и защищены патентными и авторскими свидетельствами РФ.

5

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 значитель-

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

-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,

6

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 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,

атакже 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.

7

Конструкция и принципиальное строение датчиков

Датчик состоит из собственно элементарного датчика, измерительного щупа и сигнальнообрабатывающей электроники, которая может быть связана с датчиком 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 природу. В соответствии с принципом действия и постановкой задачи датчик выполняет преобразование регистрируемого свойства или параметра состояния в электрическую оцениваемую величину, которая большей частью является параметром самого датчика. Отсюда может быть получен электрический сигнал который является оцениваемым, имеет возможность последующей передачи к центральному оценочному блоку или индикации, может быть передан дальше (в частности в виде радиосигнала), а также может быть оцифрован, для реализации этих требований (задач) используются различные принципы действия и физические эффекты. Датчик может находиться в контакте с контролируемой или измеряемой субстанцией, или работать на бесконтактном принципе. Диапазон используемых принципов действия может постоянно расширяться, а действующие методы оптимизироваться. Первоначально использовались преимущественно датчики, которые использовали изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры, емкостное или индуктивное влияние или пьезоэффект, теперь же эффекты Холла и Ваганда, оптоэлектронный эффект и эффект излучения, радиации дают новые точки зрения и возможности. Как в современной технике производства, так и в промработах можно также найти визуальные и контактные (кон- тактно-ощупывающие, осязательные) датчики. Дальнейшую группу представляют слуховые датчики. Для экономического производства датчиков в больших количествах (крупных партиях) и в малом числе рабочих этапов можно зачастую обратиться к уже освоенным или осваиваемым технологиям, таким, как те, которые были созданы для производства электронных элементов. Сюда относится технология кремниевых стружек во всей своей общности, тонкослойная, толсто-

8

слойная и гибридная технологии, пленочная технология и стекловолоконная (оптическая).

Твердые датчики состоят из различных материалов, которые с помощью использования известных и новых специальных эффектов могут выполнять конкретные задачи. При этом можно различать 3 основные группы:

-металлостойкие датчики, которые используются для измерения температуры (платиновые сопротивления), для измерения давления (металлические тензорные датчики) и для обнаружения (определения величины) магнитного поля,

-полупроводниковые датчики из монокристаллического (а недавно и

из поликристаллического) кремния и других полупроводниковых материалов,

-датчики из спецматериалов, которые состоят из различных, сложносоставных материалов и служат для измерения спецпараметров окружающего мира (обнаружение специальных химических соединений, смесей газов и жидкостей).

Основные требования к датчикам

Наряду со специальными требованиями, связанными с соответствующей постановкой задачи, к датчикам предъявляются следующие основные требования, которые удовлетворяются различным образом, в зависимости от используемого принципа действия и конструкции датчика:

-линейное преобразование регистрируемой величины в оцениваемый сигнал,

-большая чувствительность,

-способность к перегрузкам,

-малая температурная чувствительность,

-широкий диапазон рабочих температур,

-высокая прочность в отношении температурных колебаний,

-высокая сопротивляемость по отношению к коррозии,

-высокая надежность,

-оптимальность (удобство) в отношении реализации конструкции (размеры, вес, адаптивность к условиям задачи и месту регистрации, монтаж),

9