4. Классификация измерительных преобразователей

Преобразователи обычно классифицируются по принципу их работы или по их практическомуприменению.

По назначению измерительные преобразователи подразделя- ют на первичные преобразователи (датчики), унифицированные и промежуточные.

Первичный измерительный преобразователь (датчик) являет- ся первым в измерительной цепи и включает в себя чувствитель- ный элемент (зонд, мембрану) и все другие необходимые элемен- ты для преобразования входной неэлектрической величины в вы- ходную электрическую величину. Датчик может состоять из од- ного или нескольких измерительных преобразователей, объеди- ненных в единую конструкцию. На датчик непосредственно воз- действует измеряемая неэлектрическая величина (сила, давление, уровень, температура и т.д.).

В унифицированном преобразователе, состоящем из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобра- зуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока находятся в диапазоне от 0 до ±5 мА или от 0 до ±20 мА. Для устройств со смешенным нулем диапазон тока сужен: ±1...±5 мА или ±4...±20 мА. При необходимости регулирования границы диапазона токовых сигналов лежат в пределах: нижняя 0... 5 мА, верхняя 12... 25 мА. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение различных измерительных приборов с внутренним сопротивлением не более 1 кОм. Норми- рованные значения диапазонов сигналов напряжения составляют 0...±1 В и 0 ...±10 В, причем внутреннее сопротивление измери- тельных приборов не должно быть менее 1 кОм. При использова- нии в качестве выходной величины частоты рекомендуемый диа- пазон ее изменения составляет 5...25 Гц. В пневматических си- стемах нормировано давление газа. Оно должно находиться в диапазоне 0,02...0,1 Мпа.

Промежуточный преобразователь получает сигнал измери- тельной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему пре- образователю.

По характеру преобразования входной величины измеритель- ные преобразователи подразделяют на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь реализует линейную функциональ- ную зависимость между входной и выходной величинами. У не- линейных преобразователей эта связь нелинейная.

По принципу действия датчики подразделяются на парамет- рические и генераторные. В параметрических датчиках измеряе- мая величина вызывает пропорциональное ей изменение пара- метра электрической цепи (R, L,. С), например величины сопро-

тивления реостатного датчика. При использовании параме- трических преобразователей необходим дополнительный источ- ник питания, энергия которого используется для преобразования выходного сигнала преобразователя. Выходным сигналом гене- раторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электри- ческий заряд, функционально связанные с измеряемой величиной (например, ЭДС термопары). К генераторным относятся индук- ционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических датчиков. Остальные датчики являются параметрическими.

По принципу действия датчики также подразделяются на типы:

• резистивные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение егосопротивления;

• электромагнитные, в которых измеряемая величина преоб- разуется в изменение индуктивности или взаимоиндуктивности;

• емкостные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение емкости;

• пьезоэлектрические, в которых динамическое усилие преоб- разуется в электрический заряд;

• гальваномагнитные, основанные на эффекте Холла и npeoбразующие величину действующего магнитного поля в ЭДС;

• тепловые, в которых измеряемая температура преобразуется в ЭДС или в величинутермосопротивления;

• оптоэлектронные, в которых оптические сигналы преобра- зуются в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Области применения датчиков благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распы-

ление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т.д.) и новых материалов непрерывно расширяются. Рассмотрим лишь некоторые из них:

• промышленная техника измерения и регулирования;

• робототехника;

• автомобилестроение;

• бытовая техника;

• медицинская техника.

В промышленной технике стандартные датчики используются для измерения: расхода, количества, давления, температуры, уровня, химического состава.

Большим спросом пользуются датчики новых типов, напри- мер:

• датчики положения, перемещения и изображения;

• оптические и волоконно-оптические датчики;

• биодатчики (биотехнология);

• многокоординатные датчики (распознавание образов).

Для современных производств характерна тенденция приме- нения датчиков в интерактивном режиме, т.е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что, естественно, ведет к более раци- ональному производству. При промышленном применении опре- деляющим фактором является погрешность, которая при регули- ровании процессов должна быть не более 1...2%, а для задач кон- троля – 2...3%.

В робототехнике, которая в принципе представляет собою сложную информационную систему, робот обеспечивает получе- ние, обработку ипреобразование информации.При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего спо-

собность «видеть» и «ощупывать», т.е. использование оптических и многокоординатных датчиков.

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспе- чивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров для отдельных систем автомобиля (рулевое управление, двигатель, тормоза, электроника кузова), для обеспечения без- опасности и надежности (система блокировки и противоугонная система, информационная система: расход топлива, температура, маршрут движения и т.д.). С помощью этих датчиков измеряются различные физические параметры, такие как температура, давле- ние, скорость вращения, ускорение, влажность, перемешение или угол, расход и т.д.

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию измерительных преобразователей.

2. Опишите схемы включения измерительных преобразователей в мостовые схемы.

3. Дайте описание динамических характеристик измерительных пре- образователей.

4. Назовите область применения измерительных преобразователей.

5. Какие бывают погрешности измерительных преобразователей?