- •Значение дисциплины "ПиПии" в подготовке инженеров-метрологов. Цели и задачи дисциплины ПиПии, ее связь с другими дисциплинами
- •Основные параметры измерительных преобразователей и их погрешности: систематические и случайные, аддитивные и мультипликативные. Суммирование погрешностей
- •Схемы формирования сигналов. Схемы формирования сигналов генераторных измерительных преобразователей. Условие согласования измерительных преобразователей по току, напряжению, мощности.
- •Основные характеристики магнитных материалов
- •Физические основы преобразования магнитных величин в электрические. Методы и средства преобразования магнитных величин в электрические сигналы.
- •Магнитные измерительные преобразователи: измерительные катушки, схемы включения в измерительную цепь. Веберметры. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Магнитные измерительные преобразователи - измерительные преобразователи, основанные на эффекте Холла. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Магнитные измерительные преобразователи: квантовые магнито-измерительные преобразователи. Метрологические характеристики. Схемы формирования электрических сигналов.
- •Преобразователи магнитной индукции, магнитного потока и напряженности магнитного поля в электрические величины. Преобразователи на основе эффекта Джозефсона. Метрол хар-ки.
- •19.Преобразователи электрических величин в электрические. Шунты, добавочные сопротивления, делители напряжения, аттенюаторы, измерительные трансформаторы тока и напряжения.
- •21. Основные параметры тока и напряжения
- •22 Определение функции преобразования измерительных преобразователей
- •23 Основные типы детекторов
- •24 Классификация и определение измерительных сигналов
- •25 Основные понятия в области цифровых измерительных преобразователей: дискретизация во времени, квантование по уровню, цифровое кодирование. Погрешности дискретизации и квантования сигналов.
- •27. Преобразователи линейных и угловых перемещений в цифровой код. Устройство и принцип действия преобразователей. Схемы включения в электрическую цепь. Коды Грея. Оптоэлектронные пары.
- •Преобразователя частоты в цифровой код
- •29.Измерительные преобразователи отношения частот в цифровой код. Устройство и принцип действия, временные диаграмм. Основные метрологич. Хар-ки и оценка погрешности
- •33. Аналого-цифровые преобразователи, реализующие времяимпульсный метод преобразования. Устройство, принцип действия, основные метрологические характеристики и оценка погрешности преобразования.
- •37. Цифроаналоговые измерительные преобразователи. Устройство и принцип действия, основные метрологические характеристики. Передаточная функция. Оценка погрешности преобразования.
- •38. Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристики магнитоэлектрического измерительного преобразователя.
- •39. Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристики электромагнитных ип.
- •40.Преобразоаватели электрических величин в неэлектрические. Принцип работы, устройство и характеристика электродинамических ип.
- •41. Преобразователи электрических величин в неэлектрические Принцип работы, устройство и характеристики электростатических ип.
- •42.Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Электрооптические устройства индикации. Индикаторные устройства на основе светоизлучающих и светоотражающих элементов.
- •43.Преобразователи электрических величин в неэлектрические. Электронно-лучевая трубка. Устр и принц дейст, основные характеристики.
- •44. Регистрация измерительной информации. Графическая запись. Устроиство и принцип действия перьевого самописца с подвижной катушкой.
- •45.Регистрация измерительной информации. Самопишущие электромеханические преобразователи.
- •46. Регистрация измерительной информации. Электронная регистрация измерительной информации и её воспроизведение.
- •47 Регистрация измерительной информации. Магнитная запись и воспроизведение аналоговых сигналов. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •49 Регистр-я измер-ой информации. Магнитная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Способ записи с групповым кодированием. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •50 Регистр-я измер-ой информации. Магнитная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Способ записи по способу с фазовой модуляцией. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •51 Регистрация измерительной информации. Лазерная запись и воспроизведение цифровых сигналов. Устройство и принцип действия измерительных преобразователей.
- •52 Регистрация измерительной информации. Магнитооптические(мо) носители информации и измерительные преобразователи, используемые для записи и воспроизведения сигналов.
- •54. Электрические информационные сигналы. Основные параметры, классификация. Основные источники погрешностей в системе первичной обработки информации.
- •Нормирование измерительной информации. Нормирующие измерительные преобразователи сигналов измерительной информации.
- •56.Нормирование измерительной информации. Нормирующие измерительные преобразователи сигналов измерительной информации.
- •59. Нормирование измерительной информации. Резонансные схемы включения измерительных преобразователей.
- •61. Нормирование измерительной информации. Линии связи измерительных преобразователей и нормирующих измерительных преобразователей.
- •62. Нормирование измерительной информации. Компенсация температурной погрешности измерительных преобразователей, уменьшение влияния помех в измерительных цепях.
- •63. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация функций преобразования. Аналоговые и цифровые методы линеаризации. Технические параметры. Погрешности преобразования.
- •64. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Выбор линейного участка функции преобразования.
- •65. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Дифференциальное включение двух нелинейных преобразователей.
- •66. Преобразование сигналов измерительной информации. Коррекция нелинейности характеристики измерительной схемы с параметрическими пре-образователями.
- •67. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Коррекция погрешности нелинейности обработкой измерительного сигнала.
- •68. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования. Коррекция результатов преобразования введением поправок.
- •69. Преобразование сигналов измерительной информации. Линеаризация характеристик преобразования разбиением ее на участки.
- •70. Преобразование сигналов измерительной информации. Цифровые методы линеаризации.
- •71. Преобразование сигналов измерительной информации. Бесконтактная передача информации. Структурные схемы передающих и приемных устройств.
- •72. Преобразование сигналов измерительной информации. Временное и частотное мультиплексирование сигналов измерительной информации.
- •73. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ре-зультатов косвенных, совокупных и совместных измерений.
- •74. Обработка сигналов измерительной информации. Сглаживание данных.
- •75. Обработка сигналов измерительной информации. Статистическая обработка результатов измерений с целью повышения точности измерительных операций.
- •76. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ста-тистических характеристик измеряемых величин.
- •77. Обработка сигналов измерительной информации. Вычисление ста-тистических характеристик случайных процессов.
- •79. Обработка сигналов измерительной информации. Централизованная и децентрализованная обработка информации.
- •80. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Вихретоковые ип. Устройство и принцип действия.
- •81. Вихретоковые ип. Фазовый метод выделения измерительной информации.
- •82. Вихретоковые ип. Амплитудный метод выделения измерительной информации.
- •83. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Электроконтактные преобразователи.
- •84. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Электронный индикатор контакта.
- •85. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Фотоэлектрические преобразователи и приборы на их основе.
- •86. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Преобразователь фотоэлектрический сортировочный.
- •87. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Линейный растровый фотоэлектрич. Преобразователь. Временные диаграммы перемещения с делением шага на 4.
- •88. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Круговой растровый фотоэлектрический преобразователь.
- •89. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Преобразователь линейных перемещений на дифракционных решетках.
- •90. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Координатные измерительные машины.
- •91. Основные напрвления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Электронные уровни.
- •92. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ип. Структурная схема чувствительного элемента электронного уровня.
- •94. Измерение электрических и неэлектрических величин с помощью ип. Кругломеры. Схема автоматического центрирования.
- •95. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Фотоэлектрические автоколлиматоры. Схема фотоэл. Автоколлиматора.
- •96. Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью измерительных преобразователей. Фотоэлектрические автоколлиматоры. Фотоэлектрический автоколлиматор.
- •97. Основные напрвления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Одночастотный лазерный интерферометр.
- •98. Основные направления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Двухчастотный лазерный интерферометр.
23 Основные типы детекторов
Остановимся сначала на выпрямительных измерительных преобразователях. Они предназначаются для выпрямления (детектирования) переменного тока, превращая его в пульсирующий ток, среднее значение которого представляет собой выходную величину и может быть пропорционально пиковому (амплитудному), среднеквадратическому или средневыпрямленному значениям входной величины. В соответствии с этим сами преобразователи классифицируются следующим образом: по параметру переменного напряжения Ux~, которому соответствует напряжение выходной цепи детектора: преобразователь пикового значения, преобразователи среднеквадратического и средневыпрямленного значений напряжения; по схеме входа: преобразователи с открытым и закрытым входом по постоянному напряжению; по характеристике преобразования: линейные и квадратичные преобразователи.
Преобразователь пикового значения - это преобразователь, выходное напряжение которого непосредственно соответствует Umax или Umin (Uв или Uн). Преобразователь пикового значения относится к линейным, и может иметь открытый (рисунок 2.1,а) или закрытый (рисунок 2.1,б) вход по постоянному напряжению.
Принцип работы преобразователей пикового значения напряжения заключается в заряде конденсатора C через диод V до максимального (пикового) значения Ux~, которое затем запоминается, если постоянная времени разряда конденсатора C (через резистор R) значительно превышает постоянную времени заряда. Полярность включения диода V определяет соответствие выходного напряжения Ux= либо Umax (Uв), либо Umin(Uн), а возможные пульсации Ux= сглаживаются цепочкой Rф, Cф. Если детектор имеет открытый вход, Ux= определяется суммой U и Uв (Uн), т.е. соответствует Umax (Umin). При закрытом входе Ux= соответствует Uв (Uн). Если же Ux~ не содержит постоянной составляющей, то схемы, изображенные на рисунках 2.1,а,б, идентичны, а Ux= соответствует Um. В некоторых случаях применяют двухполупериодные пиковые детекторы с удвоением напряжения, позволяющие прямо измерять значение размаха напряжения.
а |
б |
а – с открытым входом; б – с закрытым входом
Рисунок 2.1 – Схемы преобразователя пикового значения напряжения
Существенным достоинством преобразователей пикового значения напряжения являются большое входное сопротивление (равное R/2 для схемы на рисунок 2.1,а и R/3 - для схемы на рисунок 2.1,б) и наилучшие по сравнению с другими типами преобразователей частотные свойства.
Преобразователь среднеквадратического значения - это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток (напряжение), пропорциональный U2ск. Характеристика преобразования в этом случае должна быть квадратичной, а при наличии постоянной составляющей необходим детектор с открытым входом.
Преобразователь среднеквадратического значения позволяет осуществить преобразование в постоянное напряжение среднеквадратического значения переменных напряжений несинусоидальной формы, поскольку , где U2 - среднеквадратическое значение напряжения несинусоидальной формы, Uk - среднеквадратическое значение гармонических составляющих.
Схема квадратичного измерительного преобразователя с диодной цепочкой показана на рисунке 2.2.
Входное напряжение UВХ подводится к широкополосному трансформатору Т1. С помощью диодов V1 и V2 во вторичной обмотке осуществляется двухполупериодное выпрямление. Выпрямленное напряжение воздействует на цепь, состоящую из диодной цепочки V1...V8, делителей напряжения R3...R14 и резистора нагрузки R15. Падение напряжения на нагрузке через фильтр нижних частот Z1 подается на выход преобразователя.
Рисунок 2.2 – Структурная схема преобразователя
среднеквадратического значения на основе диодной цепочки
Выходное напряжение пропорционально среднему значению тока диодной цепочки. Диодная цепочка имеет близкую к параболической вольтамперную характеристику. Поэтому среднее значение выходного напряжения оказывается пропорциональным квадрату среднеквадратического значения входного напряжения.
Как получается квадратичная вольтамперная характеристика? Делители напряжения R3 ... R14 подключены к общему стабилизированному источнику напряжения Е. Делители подобраны так, что напряжения смещения Ui, подаваемые на диоды, удовлетворяют соотношению U1 < U2 < ... < U6. Пока входное напряжение цепочки U не достигнет U1, все диоды закрыты и начальная часть ВАХ является прямой линией с наклоном, зависящем от сопротивлений резисторов R1, R2 и R15. Когда напряжение U превысит напряжение U1, откроется диод V3 и параллельно R2 подключится делитель R3, R4. Крутизна ВАХ на участке от U1 до U2 возрастает, ток в цепи станет i = io + i1. Когда выполнится условие U > U2, в цепи преобразователя будет протекать ток i = io + i1 + i2. Крутизна ВАХ будет увеличиваться с ростом U. Выбирая соответствующим образом сопротивления делителей, можно получить ВАХ в виде ломанной линии, приближающейся к квадратичной параболе. Таким образом, квадратичная характеристика синтезируется из начальных участков характеристик ряда диодных ячеек.
Коэффициент преобразования такого преобразователя по току К'v = I/U2, где I - среднее значение тока на выходе преобразователя, U - среднеквадратическое значение входного напряжения.
Погрешность преобразования определяется нестабильностью ВАХ диодов, непостоянством сопротивлений резисторов и т.д. Она составляет 3 ... 5 %. Частотный диапазон определяется свойствами трансформатора - индуктивностью (снизу) и паразитными параметрами диодной цепочки (сверху) и составляет интервал от нескольких единиц герц до 1 МГц.
В современных приборах применяются в основном квадратичные детекторы с термоэлектрическими преобразователями, аналогичными преобразователям термоэлектрических амперметров. Такой преобразователь представляет собой сочетание одной или нескольких термопар и нагревателя. Основным недостатком их является квадратичный характер функции преобразования. Этот недостаток устраняется применением дифференциальной схемы включения двух (или более) термопреобразователей, как показано на рисунке 2.3.
При подаче на термопреобразователь ТП1 измеряемого напряжения UХ~ выходное напряжение ТП1 U1 = kTU2ск.
Кроме термоэлектрического преобразователя ТП1, в схеме имеется второй термоэлектрический преобразователь ТП2, включенный встречно с ТП1. На ТП2 подается напряжение обратной связи, поэтому его выходное напряжение U2 = kTU23.
Таким образом на входе УПТ имеет место результирующее напряжение
U1 - U2 = kT(U2ск - U23), (2.1)
чему соответствует
U3 = kУПТkT(U2ск - U23). (2.2)
Если параметры схемы выбрать так, чтобы
kУПТkTU23>>U3, (2.3)
то тогда окончательно U3 Uск, т.е. функция преобразования будет равномерной.
Рисунок 2.3 – Структурная схема преобразователя
среднеквадратического значения напряжения
Преобразователь средневыпрямленного значения – это преобразователь переменного напряжения в постоянный ток, пропорциональный UСВ. Вольтамперная характеристика такого преобразователя должна иметь линейный участок в пределах диапазона входных напряжений. Примером подобного преобразователя может служить двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель с фильтром нижних частот. Наиболее распространенными являются мостовые схемы (рисунок 2.4).. В положительный полупериод ток протекает по цепи: верхний входной зажим - диод V1 - диагональ моста - диод V4 - нижний входной зажим; в отрицательный: нижний зажим - диод V3 - диагональ моста - диод V2 - верхний входной зажим.
Направление тока соответствует проводящему направлению указанных диодов. Характеристики реальных диодов не имеют строго линейного участка, как это требуется условиями преобразования. Ток, протекающий через диод при положительном значении входного напряжения
, (2.5)
где Rv(U) - сопротивление открытого диода, зависящее от приложенного напряжения, R - сопротивление нагрузки.
Начальный участок характеристики близок к квадратичному. Поэтому будет иметь место погрешность, которая будет тем меньше, чем ближе к линейной будет характеристика диода.
Рисунок 2.4 – Структурная схема преобразователя
средневыпрямленного значения напряжения
Для улучшения линейности вольтамперной характеристики в диагональ моста последовательно с резистором R включают резистор RДОБ, сопротивление которого намного больше сопротивления открытого диода RV(U).
В этом случае
. (2.6)
Зависимость прямого тока от напряжения будет близка к линейной. Уменьшение чувствительности, обусловленное включением RДОБ, можно компенсировать введением дополнительного усиления.
Схема, представленная на рисунке 2.4,б, отличается от предыдущей тем, что вместо диодов V3 и V4 включены резисторы R1 и R2. В положительный полупериод напряжения ток протекает через диод V1 и резистор R1. Через резистор R2 в этот полупериод ток не протекает, на его зажимах напряжение равно нулю. В отрицательный полупериод напряжения ток протекает через диод V2 и резистор R2.
Уравнение преобразования для рассмотренных схем можно выразить следующим образом:
- для схемы (рисунок 2.4,а)
Uo = Кv св Uсв = , при Rv1 = Rv2 = Rv3 = Rv4 = Rv (2.7)
Если R >> Rv, то U = Uсв;
- для схемы (рисунок 2.4,б)
Uo = Кv св Uсв = , при Rv1 = Rv2 = Rv; R1 = R2 = R, (2.8)
Если R >> RV, то U = UСВ.
Погрешность преобразования обусловлена, главным образом, нелинейностью вольтамперной характеристики диода и влиянием прямого сопротивления диода на ток, протекающий через выпрямительный мост.
Необходимо, однако, добавить, что линейность характеристики таких детекторов будет тем лучше, чем больше UX~ (при малых UX~ детектор становится квадратичным). Поэтому детекторы средневыпрямленного значения, как правило, применяют в вольтметрах второй модификации [2].