1. 2.Измерительные преобразователи (датчики)

Сбор данных - это процесс преобразования физического явления в сигналы, которые затем может использовать компьютер. Любое измерение начинается с использования преобразователя или датчика, преобразующего физическое явление в электрический сигнал. Датчики могут создавать электрический сигнал иол действием таких величин, как температура, усилие, звуковые колебания или интенсивность света. В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее распространенных преобразователей.

Таблица 1.1

Явление	Преобразователь
Температура	Термопары Термочувствительные сопротивления (терморезисторы) Термисторы Датчики на интегральных схемах
Свет	Вакуумные фотодатчики Фоторезисторы Фотодиоды ФПЗС приемники Матричные КМОП приемники
Звук	Микрофоны
Сила и давление	Тензодатчики Пьезоэлектрические измерительные преобразователи Динамометрические элементы
Положение (смешение)	Потенциометры Линейные индуктивные датчики на основе дифференциального трансформатора Оптические датчики положения
Расход жидкости	Манометры-расходомеры Вертушечные расходомеры Ультразвуковые расходомеры
Кислотность	рН электроды

Типы преобразователей

Преобразователи используются для различных приложений таких, например, как измерение температуры, давления, расхода жидкости.

Некоторые датчики нуждаются в особых условиях для преобразования физического явления в измеримый сигнал. Например, для измерения температуры при помощи терморезистора необходим ток возбуждения. Термопара не требует тока возбуждения, однако ей нужна компенсация холодного спая. При измерении деформации тензодатчиками используют сборку резисторов, называемую мостом Уитстона (или тензометрическим мостом). Перед установкой системы необходимо знать, имеет ли используемый преобразователь какие-либо специальные требования. Подробности о спецификациях и режимах работы датчиков лучше всего заранее выяснить у их поставщика.

Теория измерительных преобразователей

Выбор измерительного преобразователя является первым шагом на пути создания системы сбора данных. От того, каким будет этот преобразователь, будут зависеть и другие компоненты измерительной системы. Например, некоторые преобразователи требуют внешних устройств согласования для возбуждения или усиления сигналов, а другим могут понадобиться виртуальные приборы LabVIEW для преобразования значений напряжения в единицы температуры или деформации. Поэтому важно понять принципы работы различных преобразователей и знать их преимущества и ограничения. Ниже кратко обсуждаются наиболее распространенные типы измерительных преобразователей: термопар, терморезисторов, термисторов и тензодатчиков.

Термопары

Одними из наиболее часто применяемых измерительных преобразователей температуры являются термопары (thermocouple). Термопары очень неприхотливы и весьма недороги и, кроме того, могут работать в широком диапазоне температур. Термопары могут измерять температуры в диапазоне нескольких сот градусов и при этом не терять своих свойств, в отличие от, например, полупроводниковых датчиков, которые редко работают при температурах выше 70 °С. Термопары также имеют небольшой размер и могут сравнительно быстро отслеживать изменения температуры.

Термопара образуется, когда соединяют вместе два разнородных металла, при этом точка контакта генерирует небольшое напряжение, являющееся функцией температуры. Это термоэлектрическое напряжение известно как напряжение Зеебека, названное в честь Томаса Зеебека (Thomas Seebeck). открывшего это явление в 1821 году. Напряжение термопары практически линейно при малых изменениях температуры:

,

где - изменение напряжение, - коэффициент Зеебека. а- изменение температуры.

Коэффициент изменяется с температурой, что обуславливает нелинейность выходного напряжения термопар в пределах их рабочих диапазонов, как показано на рис. 1.1. Из-за этого для нахождения значения напряжения при данной температуре необходимо использовать полиномиальную интерполяцию либо справочные таблицы.

Рис. 1.1. График зависимости напряжения, генерируемого термопарой,

оттемпературы

Существует целый набор различных типов термопар, которые обозначаются заглавными английскими буквами, характеризующими их состав в соответствии со стандартами Национального Института Стандартизации США (ANSI). Например, термопара J-типа состоит из железного и константанового (сплав меди и никеля) проводников.

Рис. 1.2. Измерительная система с использованием термопары

На рис. 1.2 изображена измерительная система. Точка, в которой термопара присоединяется к измерительной системе, называется опорным контактом. При подключении подводящих проводов к измерительной системе создаются два дополнительных контакта различных металлов, которые называются холодными спаями. Они вносят дополнительное термоэлектрическое напряжение в систему. Метод исключения этого напряжения называется компенсация холодного спая. Его можно осуществлять программно либо аппаратно. Оба метода требуют измерения температуры опорного контактно с помощью какого-либо датчика. В табл. 1.2 перечислены некоторые наиболее распространенные типы термопар, указаны оба типа металлов, формирующих термопару, указан также рабочий диапазон каждой из термопар.

Таблица 1.2. Распространенные типы термопар

Тип термопары	Проводник		Диапазон температур (^ОС)	Диапазон напряжений (мВ)	Коэффициент Зеебека
	+	-
E	Хромель	Константан	от -270 до 1000	от -9.835 до 76.358	58.70 при 0^ОС
J	Железо	Константан	от -210 до 1200	от -8.096 до 69.535	50.37 при 0^ОС
T	Медь	Константан	от -270 до 400	от -6.258 до 20.869	38.74 при 0^ОС
Тип термопары	Проводник		Диапазон температур (^ОС)	Диапазон напряжений (мВ)	Коэффициент Зеебека
	+	-
S	Платина 10% Родий	Платина	от -50 до 1768	от -0.236 до 18.698	10.19 при 600^ОС
R	Платина 13% Родий	Платина	от -50 до 1768	от -0.226 до 21.108	10.35 при 600^ОС

Терморезисторы

Терморезисторы – устройства, чье сопротивление изменяется с температурой, как показано на рис. 1.3. Терморезисторы изготавливают из различных материалов и имеют различные диапазоны сопротивлений. Наиболее популярны платиновые терморезисторы с сопротивлением 100 Ом. Как правило, терморезисторы более точны, чем термопары, и не требуют компенсации холодного спая. Однако обычно терморезисторы гораздо дороже, требуют линеаризации своей характеристики для повышения точности, на них может влиять сопротивление подводящих проводов (если они длинные, например).

Рис. 1.3. График зависимости сопротивления от температуры терморезисторов

Терморезисторы используются в схемах включения с двумя, тремя и четырьмя проводами. Двухпроводный терморезистор наиболее прост, однако не всегда точен, из-за сопротивления проводов. В трех проводном терморезисторе используется дополнительный провод для уравновешивания сопротивления проводов. Четырех проводной терморезистор (рис. 1.4) наиболее точен, поскольку он компенсирует ошибку, связанную с сопротивлением проводов. Терморезистор похож на тензодатчик, поскольку для своей работы требует возбуждения, которое создает напряжение параллельно самому терморезистору. Возбуждением обычно является источник тока.

Рис. 1.4. Четырех проводной терморезистор

• В итоге для терморезистора получаем следующие характеристики:

• Более высокая точность, но и более высокая цена по сравнению с термопарами;

• Не требует компенсации холодного спая;

• Требует возбуждения, например, с помощью устройства согласования сигналов;

• Требует линеаризации напряжения;

• Двух проводная конфигурация - наиболее проста, но не обеспечивает точности из-за сопротивления подводящих проводов;

• Трех и четырех проводные терморезисторы используют дополнительные провода для уменьшения влияния подводящих проводов.

Датчик температур на интегральной схеме (ИС-датчик)

ИС-датчик – измерительный преобразователь температуры, который сделан из полупроводникового материала на основе кремния и который действует, как термочувствительный резистор. ИС-датчику необходим внешний источник питания. Хотя эти датчики имеют линейное выходное напряжение и относительно недороги, время отклика на изменение температуры у них велико и они имеют ограниченный диапазон измерений. ИС-датчик часто используют в качестве датчиков компенсации холодного спая при измерениях термопарами.

Рис. 1.5. График зависимости сопротивления от температуры ИС-датчик

Термисторы

Термисторы – устройства, чье сопротивление изменяется с температурой. Как показано на рис. 1.6, термисторы имеют нелинейную зависимость выходного сопротивления и требуют возбуждения. Поскольку термисторы – устройства с относительно высоким сопротивлением, они не требуют схем включения с трех или четырьмя проводами.

Рис. 1.6. График зависимости сопротивления от температуры термистора

• Таким образом, термисторы имеют следующие характеристики:

• Требуют возбуждения, например, с помощью устройств согласования;

• Требуют линеаризации;

• Высокочувствительны;

• Высокое сопротивление – не требуют трех и четырех проводных схем включения.

Тензодатчики

Тензодатчик – устройство, применяемое для детектирования небольших смещений внутри материалов из-за деформаций или вибраций. Тензодатчики (тензорезисторы) состоят из тонких проводов, прикрепленных к материалу, подверженных деформации (рис. 1.7). Изменение сопротивления датчика свидетельствует о деформации материала. Для детектирования различных физических величин используются преобразователи, состоящие, например, из набора тензодатчиков, прикрепленных к диафрагме (фольге). Примерами может служить датчики напряжений – тензодатчики, сконфигурированные для измерения веса.

Рис. 1.7. Тензорезистор

Тензодатчики обычно используют в конфигурации, называемой мостом Уитстона, который представляет собой четыре резистора, соединенных в виде ромба. Если к мосту приложить напряжение, то дифференциальное напряжение в промежуточных узлах моста () будет меняться при изменениях сопротивлений резисторов моста, а тензодатчик представляет собой, в сущности, переменный резистор.

Тензодатчики включаются в различные конфигурации моста – полно мостовую, полу мостовую и четверть мостовую схемы. В полно мостовой схеме все четыре резистора моста Уитстона представляют собой тензодатчики. В полу мостовой схеме тензодатчики используются в двух плечах моста, а в других двух плечах находятся постоянные резисторы, либо встроенные в устройство согласования сигналов. На рис. 1.8 показана полу мостовая схема включения тензодатчиков. Резистор должен быть равен, а- величина сопротивления тензодатчика без нагрузки. На этом рисунке приведен случай возбуждения постоянным напряжением, хотя для некоторых тензодатчиков требуется возбуждение током.

Рис. 1.8. Полу мостовая схема включения тензодатчиков

Вопросы для самопроверки

1. Для чего предназначен измерительный преобразователь?

2. Какие датчики используются для измерения температуры?

3. Принцип работы термопары?

4. Почему термопарам требуется компенсация холодного спая?

5. Какие существуют типы термопар?

6. Какие схемы используются при подключении терморезистора?

7. Назначение тензодатчика?

8. Почему тензодатчики используют в мосте Уистона?