Слайд 2
Усложнение современного производства, развитие научных исследований в различных
направлениях привело к необходимости измерять или контролировать одновременно сотни,
а иногда и тысячи физических величин.
При этом наметился переход к принятию решений на основании использования результатов не отдельных измерений, а потоков измерительной информации, интенсивность которых возрастает за счет увеличения частотного диапазона и числа измеряемых величин.
Слайд 3
Схемотехника
научно-техническое направление, занимающееся проектированием, созданием и отладкой
электронных схем и устройств различного назначения
Слайд 4
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ИИС)
Слайд 5
Основными функциями ИИС являются:
– получение измерительной информации от
объекта исследования;
– обработка;
– представление информации оператору;
– формирование управляющих воздействий
на объект исследования.
Слайд 6
Структурная схема ИИС
(УОИ – устройство отображения информации)
Слайд 7
Датчики – датчики давления, движения, концентрации, температуры и
т.д.- представляют собой первичные преобразователи и схему включения преобразователей.
Слайд 8
Аналоговый мультиплексор – предназначен для выбора каналов, по
которым передается информация с датчиков.
Слайд 9
Для современного этапа развития техники характерны следующие ориентировочные
стоимостные оценки ИИС:
Датчики — 40% общей стоимости ИИС
Устройства обработки
данных — 20% стоимости ИИС
Устройства регистрации и отображения информации — 40%
Слайд 10
Россыпь датчиков - примерно $ 20 за все
Слайд 11
Для современного этапа развития техники характерны следующие ориентировочные
стоимостные оценки ИИС:
Датчики — 40% общей стоимости ИИС
Устройства обработки
данных — 20% стоимости ИИС
Устройства регистрации и отображения информации — 40%
Слайд 12
Измерительное преобразование
представляет собой отражение размера одной физической
величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.
Применение
измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств
Слайд 13
В сложных технических ИИС для обеспечения высокой надежности
необходимо применять большое количество датчиков для контроля физических величин.
Слайд 14
Например, в отечественной космической системе «Буран» использовалось около
3000 датчиков
25% — датчики давления,
40% — датчики
температуры
Слайд 15
Измерительный преобразователь (ИП)
Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины
х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал
Y
= f(х)
Слайд 16
Датчик
конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают
сигналы измерительной информации.
Датчик может быть вынесен на значительное расстояние
от средства измерения, принимающего его сигналы
Слайд 17
В общем случае по виду входных и выходных
физических величин ИП можно подразделить на:
преобразователи неэлектрических
величин в неэлектрические,
неэлектрических величин в электрические,
электрических величин в электрические,
электрических величин в неэлектрические.
Слайд 18
Структурная схема простейшей измерительной системы
Слайд 19
Преобразователь - первый элемент измерительной системы - является
основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи
должна обеспечить передачу, обработку и использование сигнала.
Слайд 20
Электрический сигнал
это переменная составляющая тока или напряжения, которая
несет информацию, связанную со значением измеряемой величины
Амплитуда и частота
сигнала должны быть непосредственно связаны с амплитудой или частотой измеряемой величины
Слайд 21
В тех случаях, когда измеряемая величина не является
активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие
на измеряемый объект. Тогда отклик объекта будет содержать желаемую информацию
Слайд 22
Не во всех измерительных системах имеются все шесть
подсистем. Подсистемы не обязательно должны следовать в том порядке,
как указано в нашем примере. Часто, например, какая-то обработка сигнала производится до его передачи.
Слайд 24
Классификация измерительных преобразователей
Слайд 25
Первичный преобразователь - измерительный преобразователь, на который непосредственно
воздействует измеряемая физическая ве- личина, т.е. первый преобразователь в
измерительной цепи измерительного прибора
Слайд 26
Передающий преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной
передачи сигнала измерительной информации
Слайд 27
Аналоговый преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую
величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (аналоговый
измерительный сигнал)
Слайд 28
Цифровой преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий цифровой измерительный
сигнал в другой цифровой измерительный сигнал
Слайд 29
Аналого-цифровой преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования
аналогового измерительного сигнала в цифровой код
Слайд 30
Цифроаналоговый преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования
числового кода в аналоговую величину
Слайд 31
Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так
как объект измерения - это, как правило, сложный, многогранный
процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами.
Нас же интересует только один параметр, который называется измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаются помехами
Слайд 32
Преобразователи неэлектрических величин в
электрические
Слайд 35
Датчики контактного сопротивления
Действие основано на зависимости переходного
сопротивления контактов от усилия их сжатия
Слайд 36
Реостатным параметрическим датчиком называют переменное сопротивление, движок которого
перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины.
Входной величиной
является перемещение движка.
Выходной – активное сопротивление
Слайд 38
Принцип действия тензорезистивных датчиков основан на изменении сопротивления
материала проводника при его деформации
Слайд 40
Пьезоэлектрические преобразователи — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект
в кристаллах, керамике или плёнках и преобразующие механическую энергию
в электрическую и наоборот
Слайд 41
При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к
возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела
Слайд 42
при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает
его деформацию
Слайд 48
Схема аналоговой части электрокардиографа
Слайд 49
Общие сведения о датчиках
физических величин
и измерительных схемах
Слайд 50
Укрупненная классификация датчиков физических величин
Слайд 51
В генераторных датчиках измеряемая величина вызывает генерацию электрического
сигнала — тока, напряжения, заряда, частоты и т. д.
Они являются активными датчиками
Слайд 52
В параметрических датчиках изменяются параметры электрических, магнитных, оптических
цепей — сопротивления, индуктивности, емкости, пропускания (R, L, С,
т) и т. д.
Они являются пассивными датчиками
Слайд 53
Пассивные датчики позволяют косвенно судить о физической величине
путем включения такого датчика в электрическую цепь
Такие датчики нуждаются
в подведении питания
Слайд 54
В комбинированных датчиках для получения результата используется целая
цепь последовательных преобразований
Слайд 55
Например, датчики давления могут работать по схеме:
давление
? деформация мембраны ? изменение сопротивления тензодатчика, закрепленного на
мембране ? изменение выходного электрического сигнала мостовой схемы
Слайд 56
В последнее время в обиход введено понятие интеллектуальные
и интегрированные датчики.
Такие датчики оснащаются встроенными микропроцессорами, которые
работают по достаточно сложным алгоритмам и позволяют придать измерительным приборам многие дополнительные функциональные возможности
Слайд 57
Генераторные датчики сигналов
1. Датчики давления
Слайд 59
Датчик напряжения (Д) представляет собой эквивалентную схему в
виде последовательного соединения ЭДС Uc с выходным сопротивлением Rc
Слайд 61
Связь между Uc и Uвых является нелинейной и
чувствительность датчика зависит от изменения нагрузки
Слайд 62
При Rн >> Rc достигается линеаризация передаточной характеристики*
Uc
= Uвых
Слайд 63
*Линеаризацией называется замена реальны нелинейных уравнений близкими
к ним линейными уравнениями
* Передаточная характеристика - это зависимость
напряжения на выходе от напряжения на входе
Слайд 64
Для обеспечения условия линеаризации передаточной характеристики и низкого
выходного сопротивления схемы, как правило, используется буфер на операционном
усилителе (ОУ)
в режиме повторителя напряжения
Слайд 65
Во многих случаях измерения сигналов датчиков Uc проходят
на фоне большой синфазной составляющей Ес (помехи)*
Для ее подавления
применяется дифференциальное включение ОУ
Слайд 66
Дифференциальное подключение ОУ к датчику напряжения
Слайд 67
*Основополагающими в технике являются понятия — противофазные и
синфазные помехи.
Противофазные помехи Uпф возникают между прямыми и обратными
проводами электрических контуров или между входными зажимами подверженных помехам систем.
Синфазные помехи Uсф обусловлены источниками мешающих напряжений, которые появляются между отдельными сигнальными проводниками и массой, обладающей нулевым потенциалом
Слайд 68
*Синфазное напряжение вызывает в параллельных прямом и обратном
проводе токи одного и того же характера (синфазные токи),
которые через паразитные емкости и землю могут возвращаться к источнику питания
Слайд 69
*Синфазные сигналы– сигналы одинаковой амплитуды и одинаковой фазы
одновременно присутствующие на обоих входах
Слайд 70
*Максимальное подавление синфазного сигнала осуществляется с помощью входного
дифференциального каскада.
Дифференциальные сигналы – сигналы одинаковой амплитуды, но противоположной
фазы, присутствующие на обоих входах усилителя независимо от точки заземления источника
Дифференциальный сигнал
Синфазный сигнал
Слайд 71
* Заземление
В принципе электрическая цепь вообще не нуждается
в заземлении, так как вытекающий из зажима источника напряжения
ток после протекания через замкнутый контур возвращается к другому зажиму
Слайд 72
*
Следует строго различать два понятия —
защитное заземление
(защитный провод) для защиты людей, животных и т. д.
и
массу, систему опорного потенциала, электрических контуров
Слайд 73
*
Земля и масса, как правило, в одном месте
гальванически связаны друг с другом,
но между ними существует
большое различие:
провода заземления проводят ток только в аварийной ситуации,
нулевые провода (масса) — в нормальной рабочей ситуации
Слайд 74
*Под массой в схемотехнике понимают общую систему опорного
потенциала, по отношению к которой измеряются узловые напряжения цепи
В простой цепи это просто обратный провод, в электронной схеме — общий обратный провод для всех электрических контуров
Слайд 75
Дифференциальное подключение
Итак, запомним!
Слайд 76
Генераторные датчики сигналов
2. Датчики тока
Слайд 78
Датчик тока при анализе заменяется своей эквивалентной схемой
в виде параллельного соединения идеального источника тока /с и
резистора Rc, характеризующего выходное сопротивление датчика
Слайд 79
В этом случае
и передаточная характеристика будет нелинейная
Слайд 80
Линеаризация наступает при выполнении условия RH
когда IH = Ic
Но при этом Uвыx ? 0
и замерить сигнал на выходе затруднительно
Слайд 81
Для того чтобы увеличить амплитуду сигнала на выходе,
применяются ОУ в режиме преобразования «ток-напряжение»
Слайд 82
Подключение датчика тока к ОУ
коэффициент передачи
Слайд 83
Во многих случаях, для того чтобы увеличить коэффициент
передачи без чрезмерного увеличения RОС, в ОС ОУ включается
Т-мост
Слайд 86
Допустим R1= R2= 10 кОм, R3 = 0,1
кОм,
тогда К =106 Ом.
Следовательно, включение Т-моста с
указанными номиналами равносильно тому, что мы ставим в обратную связь мегаомный резистор
Слайд 87
Генераторные датчики сигналов
3. Датчики заряда
Слайд 89
В измерительных системах исходят из того, что датчики
заряда (например, пьезоэлементы) являются маломощными устройствами, в которых приходится
учитывать не только сопротивление нагрузки Rн, но и внутренний импеданс источника сигнала Сс и емкость нагрузки Сн, включая емкость соединительной линии
Слайд 90
Для того чтобы не «подгрузить» такой датчик, его
подключают к схеме с очень большим сопротивлением нагрузки RH.
Слайд 91
Выходной сигнал будет пропорционален заряду датчика
Слайд 92
В схеме выходной сигнал зависит от емкости нагрузки.
Причем в Сн входит емкость соединительного провода, который подключает
датчик к нагрузке, а это значит, что любое перемещение проводов меняет емкость нагрузки и вызывает изменение выходного сигнала.
Слайд 93
Естественно, это является недостатком такой схемы. Чтобы избавиться
от этого недостатка, применяют схему преобразователя «заряд—напряжение» на интеграторе
тока
Слайд 95
В такой схеме Ug ? 0
и по
переменному току Rвx ? 0 .
Источник заряда qc
разряжается на виртуальный ноль операционного усилителя с помощью тока
Слайд 96
Соответственно, это приводит к тому, что в операционной
схеме (/с = /ос) мы имеем
Слайд 97
Заметим, что выходное напряжение схемы не зависит от
емкости нагрузки Сн, а коэффициент передачи
Слайд 98
Чтобы не использовать чрезвычайно малые номиналы емкостей, для
повышения коэффициента преобразования используют емкостной Т-мост
Слайд 99
Интеграторы тока часто используются для измерения сверхмалых токов
в преобразователях «ток - напряжение»
Ключ SA в схеме используется для
обеспечения нулевых начальных условий,
Т – время интегрирования
Слайд 100
Пример: время интегрирования Т = 10 с, Сос
=100 пФ, тогда К = 100 ГОм.
Таким образом,
интегратор тока с указанными параметрами эквивалентен преобразователю «ток—напряжение» с резистором Roc =100 ГОм
Слайд 102
В качестве параметрических датчиков наиболее часто используются резистивные
датчики:
- фоторезисторы,
- терморезисторы,
- магниторезисторы
и т. д.,
Т. е. датчики, у которых в качестве измеряемого параметра используется сопротивление резистора
Слайд 103
При подключении резистивных датчиков используются 3 вида цепей:
- последовательная цепь
- делитель напряжения
- мостовые схемы
Слайд 104
Последовательная цепь: датчик Д подключен последовательно с напряжением
запитки Е и сопротивлением нагрузки RH
Слайд 105
Делитель напряжения: датчик подключен параллельно нагрузке
Слайд 106
Делитель напряжения
Последовательная
цепь
В этих случаях, как нетрудно показать,
имеет место нелинейная связь между Rc и Rвых
Слайд 108
Даже если сопротивление нагрузки велико, передаточная характеристика остается
нелинейной
Как обычно, желательно иметь эту зависимость линейной для уменьшения
числа дополнительных преобразований и обеспечения постоянной чувствительности датчика во всем диапазоне преобразуемой величины
Слайд 109
Это возможно
- или при работе датчика на
малом участке передаточной характеристики
- или при запитке схемы
источником тока I.
В последнем случае
Слайд 110
У делителей напряжения, несмотря на указанные недостатки, есть
несколько частных схем, которые широко используются на практике.
Одной
из них является
потенциометрическая схема,
в которой используется дифференциальный резистивный датчик
Слайд 112
Передаточные характеристики потенциометрической схемы при различных соотношениях RH
и R0
Слайд 114
Общим недостатком потенциометрических схем (за исключением схем с
симметричной запиткой) является ненулевой выходной сигнал при ε =
0.
Этот факт трактуется как измерение малого приращения полезного сигнала на фоне большой синфазной помехи.
Поэтому требование к подавлению синфазного сигнала в потенциометрических схемах повышено. Чтобы исключить этот недостаток, применяют мостовые измерительные схемы
