Упрощенные схемы датчиков

Как Вы уже знаете, датчик - это техническое средство для измерения физической величины или технологического параметра, включающее в себя конструктивную совокупность ряда измерительных преобразователей и размещенное непосредственно у объекта измерения.

В современной литературе для обозначения конструктивных частей датчиков принято использовать понятия «сенсор» (так же встречаются понятия «первичный преобразователь», «измерительный преобразователь») и «трансмиттер» (синонимы – «вторичный преобразователь», «электронный блок»).

Структурно датчик может состоять только из сенсора (рисунок 4.1.1 а) с неунифицированным выходным сигналом; сенсора и трансмиттера, соединенных линиями связи и разнесённых в пространстве (рисунок 4.1.1 б), с унифицированным выходным сигналом; сенсора и трансмиттера, конструктивно объединённых в единое изделие (рисунок 4.1.1 в), с унифицированным выходным сигналом.

а)
б)
в)

Рисунок 4.1.1 – Конструктивные варианты датчиков: а – датчик состоит из сенсора, б – датчик состоит из сенсоров и трансмиттера, разнесённых в пространстве и объединённых линиями, в – датчики состоят из сенсоров и трансмиттеров, конструктивно объединённых в единое изделие

Датчик может быть представлен в виде отдельных элементов: чувствительного элемента ЧЭ, промежуточных преобразователей ПП (устройства линиаризации характеристик, фильтра помех ФП, масштабатора М, нормирующего или программируемого усилителей >, преобразователя рода сигнала Э/П (Э/Г, Э/Э), преобразователя вида сигнала (АЦП, ЦАП), выполнение температурной коррекции К, коммутаторы и т. д.), измерительного устройства ИУ, устройства управления и вспомогательного устройства УУиВ (вычислительное устройство ВУ, например, микроконтроллер, долговременная и кратковременная память, кнопки управления), устройства представления информации УПИ, выходных преобразователей, источника энергии ИЭ. В конкретных датчиках ряд устройств может отсутствовать. Обобщенная структурная схема датчика без обратных связей представлена на рисунке 4.1.2.

Рисунок 4.1.2 – Обобщенная структурная схема датчика

При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих случаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины – в промежуточную неэлектрическую величину, которую преобразуют затем в выходную электрическую величину.

Подобные преобразования удобны для измерения механических величин, вызывающих в сенсоре деформацию или перемещение выходного элемента, к которым чувствителен трансмиттер.

Давление, например, можно измерить с помощью мембраны, служащей чувствительным элементом (сенсор), деформация которой преобразуется в электрическую величину датчиком, реагирующим на механическое смещение. Так, мембрана электродинамического микрофона является сенсором, деформация которой, вызванная воздействием акустического давления, преобразуется в соответствующий электрический сигнал.

Как правило, на датчик в условиях эксплуатации воздействует не только измеряемая величина, но и другие влияющие физические величины (помехи), к которым чувствителен датчик. Вариации этих паразитных воздействий могут привести к изменениям выходного электрического сигнала датчика и появлению соответствующей погрешности измерений.

Основными физическими величинами, влияющими на погрешность датчиков, являются:

- температура, которая изменяет электрические и механические характеристики датчика, а также размеры составляющих его деталей;

- давление, ускорение и вибрации, вызывающие в определенных элементах датчиков деформации и напряжения, изменяющие их чувствительность;

- влажность, которая может вызвать изменение определенных электрических характеристик элементов, таких, как диэлектрическая проницаемость и удельное сопротивление, вследствие чего возникает опасность нарушения электрической изоляции между отельными конструктивными элементами датчика (либо между датчиком и окружающей средой);

- постоянное или переменное магнитное поле, индуцирующее в проводниках э.д.с., которая накладывается на полезный сигнал, и изменяющее электрические характеристики некоторых чувствительных элементов, например, удельное сопротивление магниторезисторов;

- изменение параметров напряжения питания – его амплитуды и частоты.

Если обозначить величины, влияющие на датчик, g₁, g₂ …, то связь между выходными электрическими сигналами Х_а и измеряемой величиной Х_i, которая в идеальном случае выражается как

Х_а = F(Х_i,g₁,g₂, …).

Для того чтобы в этом случае определить измеряемую величину по выходному сигналу датчика, без внесенной влияющими величинами погрешности, необходимо:

- либо снизить значения влияющих величин соответствующей защитой датчика, используя, например, антивибрационное основание, магнитные экраны и др.;

- либо стабилизировать влияющие величины и градуировать датчик для этих условий, используя, например, термостат, источник стабилизированного напряжения питания и др.;

- либо использовать такую схему, которая позволила бы скомпенсировать влияние паразитных величин, например, мост Уитстона с двумя одинаковыми датчиками, один из которых предназначен для измерений, а второй – для компенсации погрешности, вызванной влияющими факторами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: