Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
4
Получение сигнала
Биологическая систе ма (человек)
Чувства Обоняние Вкус Слух Осязание
Техническая система (автомат)
Датчики
Газоанализатор -> pH-метр
Микрофон
Температура
Премещение
Поток
Усилие и т.п.
Обработка
сигнала
Преобразование
сигнала
. Зрение
Мозг
*
Память
Органы
.Датчик излучения Датчик положения Телекамера (распознавание образа)
I
ЭВМ
Запоминающее
устройство
Исполнительные
устройства
Руки, ноги--------->Механические устройства
Речь---------->Динамик
Жестикуляция---------->Индикация
Письмо ---------->Печать/графопостроитель
Рис. 1. Аналогия между процессами получения, обработка и преобразования сиг-
налов в биологических (человек) и технических (автомат) системах.
Аналоговый сигнал
величины “Датчик” обработка сигналов линеаризации
Рис. 2. Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием сигнала: Ф^-Т - первичный процесс; T^-R - вторичный процесс; R ^ U - измерительный мост, согласование сигналов; Amp - усилитель.
5
Основные положения. Физическая величина m, характеризующая объект измерений (температура, давление и др.), называется измеряемой величиной. Совокупность операций, направленных на установление численного значения физической величины, составляет процесс измерения. Если при измерении используются электронные средства обработки сигнала, необходимо сначала преобразовать измеряемый параметр в эквивалентную электрическую величину, причем как можно точнее. Это значит, что полученная электрическая величина должна содержать всю информацию об измеряемом параметре. Датчик - это устройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдает эквивалентный сигнал, обычно электрической природы (заряд, ток, напряжение или импеданс), являющийся функцией измеряемой величины:
s=F (m) (1)
Здесь s выходная величина датчика, а m - входная величина (рис. 3).
Измерив значение S, можно определить тем самым значение m (рис.4). Соотношение S=F(m) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы датчиков. Будучи выраженными численно, эти законы предопределяют выбор конструкций (геометрии и размеров) и материалов для их изготовления, допустимые характеристики окружающей среды, при которых датчики могут работать, и условия применения. Для всех датчиков характеристика преобразования - соотношение S=F(m) - в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки, при проведении которой для ряда точно известных значений m измеряют соответствующие значения s, что позволяет построить градуировочную кривую (рис. 4). Из этой кривой для всех полученных в результате измерения значений S можно найти соответствующие значения искомой величины mt .
Для удобства измерений датчик стараются построить или, по крайней мере, использовать таким образом, чтобы существовала линейная зависимость между малыми приращениями выходной As и входной Am величин: AS=SAm (2)
Здесь S - чувствительность датчика.
Важнейшей проблемой при проектировании и использовании датчика является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от значений m (предопределяя линейность характеристики преобразования) и частоты их изменений, от времени и от воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение (они называются влияющими на результаты измерений величинами).
6
m
Измеряемая величина m
I
Датчик
I
Выходная электрическая величина S
Рис. 3. Пример изменения во времени измеряемой величины m и соответствующей реакции датчика S
Датчик с точки зрения вида сигнала на его выходе может быть активным - генератором, выдающим заряд, напряжение или ток, - либо пассивным, с выходным сопротивлением, индуктивностью или емкостью, изменяющимися соответственно входной величине. Различие между активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими фундаментальные отличия в природе используемых в датчиках физических явлений.
Электрический сигнал - это переменная составляющая тока или напряжения, которая несет информацию, связанную с измеряемой величиной; амплитуда и частота сигнала должны быть непосредственно связаны с амплитудой и частотой измеряемой величины. Активный датчик является источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров импеданса пассивного датчика производится косвенно, по изменению тока или напряжения в результате его обязательного включения в схему с внешним источником питания. Электрическая схема, непосредственно связанная, с пассивным датчиком, формирует его сигнал, и, таким образом, совокупность датчика и этой электрической схемы является источником электрического сигнала.
1.1. Активные датчики.
Принцип действия активного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее важные
> t
> t
S
7
из этих физических явлений указаны в табл. 1, а принципы их технической реализации иллюстрируют схемы на рис. 4 [2].
