Датчики вимірювальних систем
Загальні відомості про датчиках
Датчик - це пристрій, що сприймає зовнішній вплив (вимірювану величину). Видає еквівалентний електричний сигнал (заряд, струм, напруга і т.д.), що є функцією цієї вимірюваної величини y = f (x), де x - вхідна, яка вимірюється величина (потік світла, температура, тиск, коливання, переміщення, положення, форма, розмір, швидкість, концентрація, хімічний склад і т.п.); y - вихідний сигнал датчика.
До складу датчика можуть входити функціональні вузли: чутливий елемент, безпосередньо сприймає вимірювану величину і перетворює її в електричний сигнал; перетворювачі, що здійснюють перетворення енергії (посилення, детектування, фільтрація, АЦП-перетворення). Кількість необхідних проміжних етапів перетворень визначається інтерфейсними можливостями і точністю датчика.
Для датчиків з лінійною функцією перетворення y = f (x) використовують коефіцієнт перетворення:
де xi і yi - поточні значення x і y.
Найважливішою характеристикою датчика є чутливість S = dy / dx.
Для датчиків з лінійною функцією перетворення S = K. У загальному випадку чутливість залежить від зовнішніх факторів: напруги живлення, температури, частоти вимірюваного вхідного впливу x.
Датчики з нелінійної функцією перетворення можна вважати лінійними всередині обмеженого діапазону значень x.
На практиці лінійність датчика визначають по його градуировочной характеристиці, яку знімають експериментальним шляхом.
Швидкодія датчика визначається властивостями його структурних елементів і перетворювачів і показує, як вихідний сигнал y слід в часі за зміною вимірюваної величини x. Виробники датчиків використовують частотні характеристики, що показують, наскільки швидко датчик може зреагувати на зміну зовнішнього впливу. Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) показана на малюнку 2.20.
Мал. 2.20. АЧХ і ФЧХ датчика першого порядку
Датчики першого порядку в своїй структурі на містять тих, хто вагається частин. S (0) і S (f) - відповідно статична і динамічна чутливості; f і fr - відповідно частота вхідного сигналу і гранична частота. Гранична частота fr показує, що на цій частоті відбувається 30% -е зменшення вихідного сигналу y. Частота fr вважається граничної частотою роботи датчика.
Точність - важлива характеристика датчика, оцінюється через відхилення результату вимірювання y від істинного yn значення вимірюваного параметра:.
На практиці часто використовують термін похибка вимірювань датчика, розуміючи під цим величину максимального розбіжності між показаннями реального і ідеального датчиків.
За способом вираження похибки поділяються на абсолютні, відносні і приведені.
Абсолютна похибка датчика:, де yном - номінальне значення вимірюваного параметра, y - показання датчика.
Наведена похибка:, де - максимальна абсолютна похибка, ylim - верхня межа діапазону вимірювань.
За зв'язку з функцією перетворення похибки поділяються на адитивні та мультиплікативні.
Аддитивна (похибка нуля) - складова повної похибки датчика, яка не залежить від вимірюваної величини x. Функція перетворення показана на малюнку 2.21 (а).
Мультиплікативна (похибка чутливості) - складова повної похибки, абсолютна величина якої пропорційна вимірюваній величині x. Функція перетворення показана на малюнку 2.21 (б).
Мал. 2.21. Аддитивна (а) і мультиплікативна (б) похибки датчика
Δ0y - --аддітівная похибка, що показує величину зсуву реальної характеристики щодо номінальної y = fном (x).
Δyi - мультиплікативна похибка пропорційна поточного значення xi.
За характером прояву похибки поділяються на систематичні, випадкові і прогресуючі. На малюнку 2.22 показані всі три похибки, які в реальній дійсності проявляються спільно.
Мал. 2.22. Графік результатів спостережень
Систематична похибка не змінюється з плином часу і може бути усунена введенням поправок на весь термін служби.
Випадкова похибка не може бути передбачена, але легко виявляється при повторних вимірах у вигляді деякого розкиду результатів.
Прогресуюча похибка повільно змінюється протягом часу через старіння елементів датчика. Вони можуть бути скориговані введенням поправки в даний момент часу.
За способом оцінки похибки поділяються на основні та додаткові.
Основний похибкою називається складова повної похибки датчика, яка визначається в нормальних умовах його функціонування, які вказані в технічних умовах.
В реальних умовах датчик працює при значних коливаннях граничних значень факторів навколишнього середовища (температура, вологість, вібрації, іонізуюча радіація, електромагнітні поля, гравітаційні сили). Зміни показань датчика при відхиленні умов експлуатації від нормальних називаються додатковими похибками. У паспорті на датчик можуть бути вказані граничні значення впливових факторів.
В метрології розглядають кілька десятків різних похибок. Обмежимося вишерассмотреннимі, які враховують специфіку функціонування датчиків в машинобудівних виробництвах.
У прагненні до створення більш точних датчиків розроблені методи підвищення точності:
Стабілізація найважливіших параметрів шляхом використання стабільних деталей, матеріалів, відповідних технологій виготовлення та складання;
Пасивний захист шляхом теплоізоляції, амортизації, фільтрації і т.п .;
Активний захист шляхом стабілізації повільно змінюються чинників навколишнього середовища;
Корекція систематичних і прогресуючих похибок і статистична обробка випадкових похибок.
До головних параметрах датчика крім точності відноситься надійність. Якщо датчик працює в вимірювальній системі, що управляє об'єктом підвищеної небезпеки для екології і людини, то надійність стає визначальним параметром.
Надійність - це здатність датчика виконувати необхідні функції при дотриманні певних умов протягом заданого проміжку часу. Надійність встановлює час до виходу датчика з ладу. Для визначення надійності датчиків їх піддають кваліфікаційним випробувань, які проводяться в найгірших умовах.
Для можливого застосування в різних областях важливими є точність, надійність, вартість, конструкція, вага, габарити.
Чутливі елементи датчиків
Основою будь-якого датчика є чутливий елемент, що перетворює неелектричні зовнішні впливи в електричні сигнали. В основі цих перетворень лежать закони фізики. Серед чутливих елементів, які використовуються в датчиках, зупинимося лише на тих, які використовуються в системах контролю і управління в машинобудівних виробництвах.
Відповідно до фізичним принципом, покладеним в основу перетворення інформації, розрізняють наступні основні типи чутливих елементів:
резистивні;
електромагнітні;
гальваномагнітних;
п'єзоелектричні;
ємнісні:
теплові:
оптичні.
Чутливі елементи діляться на пасивні (параметричні) і активні (генераторні).
Пасивні при впливі зовнішніх неелектричних сигналів не можуть самостійно на виході створювати електричний сигнал. Такі чутливі елементи змінюють свої характеристики (параметри), наприклад опір, індуктивність, ємність. Тому для своєї роботи вимагають зовнішньої енергії.
Активні чутливі елементи на відміну від пасивних не потребують додаткових джерел енергії і в відповідь на зовнішні впливи генерують електричний сигнал (струм, напруга, заряд).
Резистивні чутливі елементи
Резистивні ЧЕ відносяться до пасивних і перетворять зовнішні впливи в зміна опору, який визначається за формулою:
де ρ, l, S - питомий електроопір, довжина і перетин провідника відповідно.
Питомий опір ρ залежить від зміни температури:
де ρ0 - питомий опір при еталонної температурі (зазвичай 25 ˚C).
Для побудови резистивних датчиків температури використовуються термістори, платинові і мідні чутливі елементи.
При механічному напрузі металевої нитки її опір змінюється, тому що при подовженні нитки її площа поперечного перерізу зменшується при постійному обсязі. Це властивість називається тензоеффектом.
Відношення називається тензочувствітельності, яка показує, наскільки відносне зміна опору перевершує його відносну деформацію.
Використання тензоелементов в датчиках засноване на законі Гука:
де σ, Е - напруга і модуль Юнга відповідно.
Після перетворення отримаємо:
де К - постійний коефіцієнт.
Питомий опір резисторів, виконаних з гігроскопічних матеріалів, залежить від кількості вологи, що поглинається їм. Такі резистори називають гігрісторамі і вони використовуються в датчиках вологості.
При попаданні на поверхню матеріалу світла змінюється питомий опір матеріалу. Це властивість називається фотоефектом. Явище фотоефекту використовується в фоторезисторах, використовуваних в оптичних датчиках.
Чутливі елементи поділяються на реостатні з великим зміною опору і тензорезистори з малим зміною опору.
Реостатні ЧЕ перетворять переміщення датчика, пов'язаного з вимірюваним об'єктом, в опір R. Схема реостатного ЧЕ показана на малюнку 2.23.
Мал. 2.23. Реостатний дротяний ЧЕ зі змінною висотою каркаса
На каркас 1 з ізоляційного матеріалу намотана з рівномірним кроком дріт 2. Ізоляція дроту на верхній межі каркаса зачищається, і по металу дроту ковзає щітка 3. Додаткова щітка 5 ковзає по струмознімальних кільцю 4. Обидві щітки ізольовані від приводного валика 6.
Реостатні перетворювачі виконуються як з проводом, намотаним на каркас, так і реохордного типу. Найчастіше застосовують дроти з манганина, константана або фехралю. У дуже відповідальних випадках, коли вимоги до зносостійкості контактної поверхні особливо високі або коли контактні тиску дуже малі, застосовують дріт зі сплаву платини з іридію (90% Pt + 10% Ir). Добавка іридію до платині збільшує твердість і міцність останньої, підвищує кислототривкість, антикорозійність і зносостійкість. Питомий опір цього сплаву одно
ρ = 0,23 мкОм · м. Платіноірідіевого провід випускається весь малих діаметрів (до 0,03 мм), що дозволяє виконувати високоомні (до декількох тисяч омов) перетворювачі масою всього 10-12 г і габаритів близько 1 х 2 см. Добрими параметрами володіють також перетворювачі з проводів, виготовлених зі сплавів платини з паладієм, рубідій, рутенієм, осмієм.
Провід реостата повинен бути покритий або емаллю, або шаром окислів, ізолюючих сусідні витки один від одного.
При роботі реостатного перетворювача в умовах вібрацій застосовують щітки з дротів різної довжини (від точки кріплення до точки контактів) або з пластин з двома-трьома надрізами. Цим забезпечується різна власна частота вібрацій окремих частин щітки.
Каркас реостатного перетворювача зазвичай виконується з текстоліту або пластмаси, застосовуються також каркаси з алюмінію, покритого або ізоляційним лаком, або оксидною плівкою товщиною до 10 мкм, що володіє досить хорошими ізоляційними властивостями. Алюмінієвий каркас, зберігаючи стабільність геометричних розмірів, дозволяє також за рахунок кращої теплопровідності підвищити щільність струму в обмотці і, отже, збільшити чутливість перетворювача. Форми каркасів дуже різноманітні: вони можуть бути у вигляді плоскої або циліндричної пластини, плоского або циліндричного кільця, плоского сегмента і т.д.
Індуктивне і ємнісний опори реостатних перетворювачів дуже малі, і їх можна не брати до уваги до частот порядку декількох десятків тисяч герц.
У ряді випадків застосовуються функціональні реостатні перетворювачі з нелінійним розподілом опору вздовж каркаса. Останнє досягається, наприклад, зміною висоти каркаса, шунтуванням частини лінійного реостата постійними опорами, застосуванням намотування зі змінними кроком, намотування окремих ділянок каркаса проводами різного діаметру або проводами з різними питомими опорами.
При роботі реостатного ЧЕ виникає контактний шум, викликаний нестабільністю контактного опору, який зростає внаслідок зносу, забруднення і окислення доріжки і щітки.
Реостатні ЧЕ характеризуються опором R = 0,2 ÷ 0220 кОм, потужністю
P = 0,5 ÷ 0,2 Вт, похибкою δ = (0,01 ÷ 0,3)%.
Застосовуються реостатні ЧЕ в датчиках положення і переміщення.
Тензорезистори перетворять механічну деформацію в мале зміна опору. Зовнішній вигляд тензорезисторов показаний на малюнку 2.24.
Мал. 2.24. Дротяний і фольговий тензорезістори
На тонкий папір або плівку 1 наклеюється тензочувствітельності дріт діаметром близько 0,025 мм. До кінців дроту приєднуються вивідні провідники 3. Зверху наносять шар лаку 4.
Такий тензорезистор, будучи прикріпленим до тензодеталі 5, сприймає деформації її поверхневого шару.
Різновид тензорезисторов - фольгові - представляють собою травлені фольгу товщиною 0,005-0,025 мм з висновками 7.
Застосовуються також плівкові і напівпровідникові тензорезистори. При виготовленні фольгових і плівкових тензорезисторів можна передбачити будь-який малюнок. Найкращими експлуатаційними характеристиками володіють фольгові тензорезистори, що мають малу поперечну чутливість і хорошу температурну стабільність. Напівпровідникові тензорезистори при дуже великий тензочувствительности (близько 100) мають нелінійної функцією перетворення і високою температурною чутливістю.
Порівняльна характеристика тензорезисторних ЧЕ дана в таблиці 2.2.