Датчики – источники первичной информации. Классификация датчиков. Виды и типы датчиков. Классификация датчиков, основные требования к ним

Параметр является обязательным свойством датчика . Как правило, на основе данных, приходящих в параметре, и базируется работа датчика.

Параметры могут иметь самые разные наименования, которые закладываются в конфигурации оборудования - например, param199 , param240 , TEMP , pwr_int , gsm , can6 и многие другие. Как правило, узнать, какие параметры используются и за что они отвечают, можно в спецификации оборудования. Также можно в панели сообщений запросить сообщения от объекта и в соответствующей графе просмотреть доступные параметры.

Параметры из последнего сообщения объекта доступны для выбора в выпадающем списке при добавлении или редактировании датчика. Но даже если параметр отсутствует в выпадающем списке, его все равно можно ввести вручную.

Один и тот же параметр может использоваться для создания любого количества датчиков. Максимально разрешенное количество датчиков можно посмотреть в настройках пользователя на вкладке «Учетная запись ».

Виртуальные параметры

Некоторые параметры определены в системе по умолчанию и подходят практически для любого типа оборудования:

Примечание .
Некоторые редкие типы оборудования могут не поддерживать какие-либо из этих параметров - например, высоту или скорость.

Параметры входов и выходов

В системе зарезервировано 32 цифровых входа и выхода. Они задаются следующим образом:

Например, adc8 - это параметр, фиксирующий значения с восьмого аналогового входа.

Обычно данные по цифровым входам/выходам представлены в сообщениях в следующем формате: I/O = 0/0 , где I - вход (input), O - выход (output). Если I/O = 0/0, все биты (входы/выходы) не активны. Если что-либо из этого не 0, значит, какой-то вход (I) или выход (O) активирован. Чтобы определить, какой именно, нужно шестнадцатеричное число преобразовать в двоичное и по нему определить номер бита.

Допустим, в месте, где было включено зажигание, мы получили сообщение с параметром I/O = 10/0 . Чтобы получить отсюда номер бита (входа), в котором отображается значение датчика, в калькуляторе в режиме шестнадцатеричных чисел (HEX) нужно ввести полученное значение, то есть 10, а затем переключиться в двоичный режим (BIN). Мы получим новое число - 10000. Теперь необходимо посчитать, в какой позиции появилась единица. Счет необходимо вести справа налево. В нашем случае единица стоит в пятой позиции, значит, датчик зажигания подключен к пятому порту, а так как изменившаяся цифра стоит до дроби (I/O), следовательно, речь идет о входе. Таким образом, мы получаем наименование параметра - in5 (цифровой вход 5).

Для датчика также допускается указание наименования параметра в виде «in» или «out» для обозначения суммы всех входов и выходов, соответственно.

Константный параметр

Кроме того, можно создать виртуальный датчик на основе параметра типа constN , где N - любое число. Датчик, созданный по этому параметру, всегда возвращает N. Например, const10, const-8.5.

Такой датчик может использоваться как самостоятельно (удобен в графиках для визуального обозначения какой-то критической отметки), так и для создания виртуальных датчиков при помощи системы валидации , а также в .

Параметры в виде выражений

Параметр при конфигурации датчика можно задавать составным выражением, где могут использоваться:

параметры в текущем сообщении (adc1 , in1 и т.п.);

параметры из предыдущего сообщения (перед ними нужно ставить знак #, например, #adc1 );

побитовый контроль параметра (param199:3 и т.п.);

имена датчиков (их нужно заключать в квадратные скобки, например, [Уровень топлива] );

константные числа (const10 , const-4.54 и т.п.);

знаки математических операций:

Например, ^const2 - возвести в квадрат, ^const0.5 - извлечь квадратный корень.

Если один из параметров, входящих в выражение, невалиден, невалидным является и его значение целиком.

Примечание .
Параметры из предыдущего сообщения недоступны в уведомлениях, а также при трассировке графиков.

Благодаря выражениям можно создавать самые разнообразные датчики, отвечающие любым потребностям и поставленным задачам.

Пример 1: создание датчика скорости по координатам

Параметр для датчика скорости по координатам может выглядеть так:

((lat-#lat)^const2+(lon-#lon)^const2)^const0.5/(time-#time)*const200000

Расшифровка:
Скорость вычисляется по формуле «расстояние, деленное на время». Для вычисления расстояния применяется теорема Пифагора. Получается разница широты в соседних сообщениях, возведенная в квадрат, плюс разница долготы в соседних сообщениях, возведенная в квадрат, и из этой суммы извлекается квадратный корень. Полученный результат и есть расстояние (правда, в градусах). Оно делится на разницу времени в соседних сообщениях. Таким образом, получается расстояние, выраженное в градусах в секунду. Для перевода в привычные километры в час нужно применить коэффициент. Он может быть разным для различных мест. В примере выше приведен коэффициент для Москвы, который равен 200000.

Если при этом имеется датчик зажигания, то параметр можно задать так:

((lat-#lat)^const2+(lon-#lon)^const2)^const0.5/(time-#time)*const200000*[Имя датчика зажигания]

Пример 2: датчик относительных моточасов

Для получения данных о реальных моточасах нужно создать два датчика:

датчик относительных моточасов;

датчик коэффициент моточасов в зависимости от оборотов двигателя.

Создаем датчик с типом «Относительные моточасы» и параметром:

(time-#time)*[Имя датчика коэффициента]/const3600

Т.е. параметр представляет собой разницу во времени между соседними сообщениями, умноженную на коэффициент интенсивности работы и разделенную на 3600. Деление на 3600 необходимо, чтобы перевести секунды в часы.

Датчик коэффициента, который будет определять интенсивность работы оборудования в зависимости от оборотов двигателя, создаем по следующей схеме:

Сначала создаем датчик, с помощью которого будем высчитывать коэффициент моточасов:

1 минута работы при 2000 об/мин соответствуют 90 секундам моточасов ⇒ коэффициент 1,5.

1 минута работы при 1500 об/мин соответствую 60 секундам моточасов ⇒ коэффициент 1.

1 минута работы при 1000 об/мин соответствуют 40 секундам моточасов ⇒ коэффициент 0.67.

1 минута работы при 500 об/мин соответствуют 20 секундам моточасов ⇒ коэффициент 0.33.

Допустим, параметр param1 шлет значение оборотов двигателя. Тогда параметр датчика коэффициента будет такой:

(param1+#param1)/const2

Т.е. этот параметр представляет собой среднее арифметическое оборотов двигателя за интервал между двумя соседними сообщениями.

Чтобы получить из оборотов коэффициент, нужно применить таблицу преобразований:

Не забудьте указать в настройках объекта, что расчет моточасов будет производиться по датчику относительных моточасов (вкладка «Основное »).

Пример 3: проверка наличия значения

На автомобиле установлено оборудование, которое присылает какой-либо параметр (например, param1). Затем данное оборудование сломалось и было установлено новое. Новое оборудование присылает те же самые данные только в другом параметре (например, param2). Чтобы исключить потерю данных при генерации отчета, в поле ввода параметров при создании датчика необходимо использовать проверку наличия значения. Старое оборудование отработало на автомобиле в течение декабря, новое - в течение января, а отчет необходимо получить за два этих месяца. Тогда, если при вводе параметров была применена проверка наличия значения (указано в параметрах датчика «param1|param2»), то система будет брать значение из параметра «param1», а если значение «param1» невалидно (например, оборудование отсутствует), то из параметра «param2». Другими словами, при использовании проверки наличия значения системой берется в расчет первое валидное значение параметра.

Param1|param2

Не работает с цифровыми датчиками.

Текстовые параметры

Как правило, данные, присылаемые параметром, являются числовыми, однако в некоторых случаях устройство может присылать в параметре текст. Это может быть, например, название какого-либо статуса (служебное/личное), состояние (свободен/занят, on/off), время, прошедшее с какого-то события, и др.

Преобразование параметров

Операция преобразования может применяться только к параметрам, поступающим непосредственно от оборудования. Случаи применения описаны ниже.

Побитовый контроль параметра

Побитовый контроль параметра предполагает возможность контролировать не весь параметр в целом, а конкретный бит. Например, для того, чтобы контролировать третий бит параметра param199 после его названия нужно поставить двоеточие и номер бита.

Param199:3

Это удобно, если устройство через один параметр показывает множество разнообразных данных: например, первый бит отображает состояние сигнализации (вкл/выкл), второй - состояние водительской двери (открыта/закрыта), третий - состояние фар и т.д. Таким образом, при помощи побитового контроля параметра можно на основе одного параметра создать несколько различных датчиков.

Примечание.
Параметры типа double при побитовом контроле автоматически приводятся к int , после чего выделяется бит.

Создайте датчик, в котором приходит нужный параметр. Например, Датчик1 .

Создайте второй датчик. Например, Датчик2 .

В качестве параметра второго датчика укажите формулу [Датчик1]/const4294967296. Таким образом, произойдет смещение на 4 байта вправо.

Преобразование текстовых параметров

Если в формуле датчика встречается текстовый параметр, то он преобразуется в 53-битное целое число. Указать систему счисления можно через двоеточие (по умолчанию считается в десятичной системе). Допустим, в параметр «text_param» пришло значение «100», тогда

Text_param = 100 text_param:16 = 256 text_param:2 = 4

Определение номера дня в году

Для определения номера дня в году (относительно 1 января) необходимо указать после двоеточия «d». Например, для 28 марта 2017 в 11:00:00 (UTC) UNIX-время соответствует значению «1490698800». Следовательно,

Time = 1490698800 time:d = 87

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

Приборы и принадлежности :

четыре транзистора, металлическая балка, набор грузов для нагружения балки, микроамперметр, потенциометр, источник питания, термопара, милливольтметр.

Цель работы :

1.Изучение тензорезистивного проволочного датчика и получение его характеристик.

Изучение датчика температуры - термопары.

ТЕОРИЯ

1. УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

Датчик - устройство, преобразующее внешнее воздействие в электрический сигнал. В медицине и биологии датчики используются в качестве устройств съема информации о медико-биологической системе, если исследуемый параметр имеет неэлектрическую природу. Простейшая схема датчика дана на рис.1

Исследуемый параметр медико-биологической системы X воздействует на преобразователь 1, превращающий Х в электрический сигнал Y.(Рис.1а) Величину X называют естественной входной величиной, величину Y - выходной величиной. При использовании нескольких преобразователей применяют каскадное включение (Рис.1б): входная величина X поочередно превращается в величины X 1 , X 2 , X 3 , ..., Y.

Преобразующие свойства датчиков определяются их характеристикой, чувствительностью, порогом чувствительности, пределом преобразования, номинальной погрешностью.

Характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины y от входной величины x , то есть выражение . Обычно стремятся использовать линейную зависимость между выходным сигналом и выходной величиной. Если это не удается, то используют другие виды зависимости - квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т.д. На рис.2 дана линейная характеристика датчика. x -изменение входной величины,  y - изменение выходной величины.

Чувствительностью датчика называют отношение Чувствительность показывает, какое изменение выходной величины соответствует изменению входной величины

Порогом чувствительности датчика называют минимальное значение изменения входной величины ( x min ), которое может зарегистрировать данный датчик.

Предел преобразования датчика - это максимальное значение входной величины (x max ), которое датчик может преобразовать без искажений.

Информация о входной величине может быть искажена вследствие погрешностей, возникающих при работе датчика. Из-за погрешностей характеристика датчика из линии размывается в полосу определенной ширины.

Среднюю линию полосы называют номинальной характеристикой. Величину b/2, равную половине ширины полосы, называют номинальной погрешностью датчика. Номинальную характеристику и номинальную погрешность указывают в паспорте датчика.

Погрешности датчиков обусловлены следующими причинами:

непостоянством функции преобразователя во времени из-за старения и коррозии материалов, из-за износа подвижных частей датчика;

несовершенством технологии изготовления датчиков (не строго выдержанные геометрические размеры, разброс параметров исходных материалов, неточность настройки и регулировки и т.п.);

инерционными свойствами датчика (изменения выходных величин запаздывают по отношению к соответствующим изменениям входной величины);

обратным воздействием датчика на медико-биологическую систему, что приводит к искажению информации об исследуемом параметре x .

В зависимости от носителя информации о входной величине , датчики подразделяются на электромеханические, электростатические, электромагнитные, электронные, термоэлектрические и т.д.

Различают два типа датчиков: генераторные и параметрические .

Генераторными называют датчики, в которых под воздействием входной величины генерируется разность потенциалов, ЭДС, ток.

К параметрическим относятся датчики , в которых под воздействием входной величины изменяется какой-либо параметр (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).

Генераторные датчики .

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.

Термопара представляет замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (Рис.3).

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай (А) - рабочий. Он помещается в среду, температуру которой Т А надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т А отличается от температуры контрольного спая Т К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

ТЭДС =  (Т А - Т К ),

где  - удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а, следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной - возникающая в термопаре электродвижущая сила.

Пьезоэлектрические датчики . Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами. Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики . Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки. Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной - возникающая в рамке ЭДС индукции

Параметрические датчики .

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик . В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением гдеS - площадь обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками,  - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками. Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и соответственно изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.

Индуктивный датчик в простейшем варианте представлен на рис.4 . Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки. А это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной - ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать - сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной - сила тока в цепи катушки.

Резистивные датчики . В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: от сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле где - удельное сопротивление проволоки, l - ее длина, S - площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длина l и поперечное сечение S , что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронных датчиках , которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах. К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.

2.ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Датчики медико-биологической информации преобразуют биофизические и биохимические величины в электрические сигналы, «переводят» информацию с «физиологического языка» организма на язык, понятный электронным устройствам.

Датчики медико-биологической информации подразделяются на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики реагируют непосредственно на медико-биологическую информацию, поступающую от объекта исследования. Они могут быть как генераторными (активными), так и параметрическими (пассивными).

Энергетические датчики создают в исследуемом объекте энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени параметрами. Исследуемая величина воздействует на этот поток, модулирует его изменения, пропорциональные изменениям самой величины. К датчикам такого типа относятся фотоэлектрические и ультразвуковые.

Медико-биологические датчики подразделяются на датчики температуры, датчики системы дыхания, датчики сердечно-сосудистой системы, датчики опорно-двигательной системы и т.д.

Датчики температуры . В качестве таких датчиков используются металлические и полупроводниковые термопары, а также металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Датчики системы дыхания используют для определения частоты дыхания, объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, эффективности дыхания. С этой целью используют терморезисторные и тензорезисторные датчики. (Терморезисторный датчик иначе называют термистором .)

Например, датчик контроля частоты дыхания представляет собой термистор, вмонтированный в специальную клипсу. Клипса прикрепляется на крыло носа и обдувается потоком воздуха. При этом сопротивление термистора изменяется с частотой дыхания вследствие изменения температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На выходе датчика снимается последовательность импульсов тока с частотой, соответствующей частоте дыхания.

Контроль эффективности дыхания можно осуществить путем фотометрического измерения процентного содержания гемоглобина в периферической артериальной крови. Содержание гемоглобина определяется оксигемометром - фотоэлектрическим датчиком, который в виде клипсы надевается на мочку уха. Чувствительным элементом такого датчика является фотосопротивление, располагаемое по одну сторону мочки и освещаемое лампочкой осветителя, находящегося по другую сторону мочки. Плотность светового потока через мочку зависит от количества гемоглобина в крови.

Датчики сердечно-сосудистой системы позволяют определять пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, циркуляцию крови, импеданс тканей и органов и т.д.

Для записи пульса используют пьезоэлектрические датчики . Основной частью такого датчика является кристаллическая пластинка из сегнетоэлектрика, укрепленная одним концом в держателе. Держатель находится на манжете, надеваемой на запястье. Свободный конец пластинки посредством пуговки соприкасается со стенкой лучевой артерии. Колебания стенки артерии передаются кристаллической пластинке, вызывают в ней деформацию изгиба, что приводит к возникновению на противоположных поверхностях пластинки переменной разности потенциалов, повторяющей по форме колебания стенки артерии. Эта разность потенциалов подается на усилитель, а затем на регистрирующее устройство. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

При исследовании тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются пьезоэлектродинамические микрофоны, реагирующие на акустические сигналы.

Для измерения артериального давления используются индуктивные и емкостные датчики.

Для измерения давления крови непосредственно внутри сосуда используются тензорезистивные датчики. Широкому применению тензорезисторов в медицине способствуют их очень малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков. Которые располагают на конце тонкого гибкого катетера, с помощью которого датчики вводятся в сосуды, а по сосудам - в полости сердца.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочный тензодатчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкую кремнийорганическую диафрагму, закрепленную в металлическом кольце на конце катетера. На поверхности диафрагмы расположены тензосопротивления, соединенные по мостиковой схеме, подводящие провода которой проходят внутри катетера. В цепь датчика включен измерительный прибор, проградуированный в единицах давления, и источник постоянного тока. Кровь давит на диафрагму, деформирует тензорезисторы. Что приводит к соответствующим изменениям сопротивления цепи и силы тока в ней.

Изучение кровотока осуществляется с помощью электромагнитных и ультразвуковых датчиков. Электромагнитные датчики измерения скорости кровотока основаны на эффекте Холла. Ультразвуковые датчики скорости кровотока работают на эффекте Доплера. Конструктивно такой датчик состоит из двух пьезоэлектрических пластинок. Одна из пластин служит приемником, а другая - источником ультразвуковой волны.

Ультразвуковая волна с частотой  0 , испущенная источником, отражается движущимся объектом (эритроцитом) в сторону приемника. Приемник воспринимает волну с частотой . Расчеты показывают, что разность частот  0 , называемая доплеровским сдвигом частоты, определяет соотношением

где v- скорость движущегося объекта (скорость кровотока),

U - скорость ультразвуковой волны. Так как скорость распространения ультразвука в крови значительно больше скорости движущегося объектов (U»v), то последнюю формулу можно записать в виде откуда для скорости кровотока получаем выражениеДоплеровские датчики используют также для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Изучение тензорезистора .

Проволочный тензорезистор (Рис 5.) изготавливается из тонкой константановой проволоки (1) диаметром 20-30 мкм, сложенной в виде плоской спирали и наклеенной на тонкую пленочную основу (2).

Сверху спираль закрыта такой же пленкой. С помощью электродов (3) датчик включается в электрическую цепь, содержащую источник питания и измерительный прибор. Деформация основы датчика ведет к изменению длины и поперечного сечения проволоки, что вызывает соответствующие изменения сопротивления тензорезистора и силы тока в цепи. Установка для изучения тензодатчика представлена на Рис.6.

Металлическая балка Б, закрепленная с одного конца, нагружена грузом Р. Тензорезисторы R 1 , R 2 , R 3 и R 4 наклеены в месте наибольшего изгиба балки вблизи ее заделки в опору. Датчики R 1 и R 2 , расположенные на верхней плоскости балки, работают в режиме растяжения. Датчики R 3 и R 4 , наклеенные снизу балки, испытывают деформацию растяжения. Тензосопротивления соединены по схеме моста Уитстона (Рис.7). Мост считают сбалансированным, если ток через микроамперметр не протекает, то есть потенциалы в точках В и Д равны. Это условие выполняется, если имеет место соотношение

R 1  R 2 = R 3  R 4

При нагружении балки это равенство переходит в неравенство

R 1  R 2  R 3  R 4 ,

которое выражено тем сильнее, чем больше нагрузка на балку.

Таким образом, чем сильнее нагружена балка, тем больше ток через микроамперметр.

Входной величиной такой системы (преобразователя механической деформации в изменение электрического тока) является груз Р, изгибающий балку, выходной величиной является ток через микроамперметр. Схема преобразования входной величины в выходную может быть представлена следующим образом:  P   l   R   , где  P - изменение нагрузки на балку,  l - изменение длины датчиков вследствие деформации,  R - изменение сопротивления датчиков,  - изменение тока через микроамперметр.

Порядок выполнения работы

Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7

При ненагруженной балке с помощью потенциометра Д сбалансировать мостиковую схему (добиться отсутствия тока в микроамперметре).

Постепенно нагружать балку гирями 1, 2, 3, 4, 5 кг и через каждый килограмм нагрузки снимать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу.

		n- число делений микроамперметра
		при нагружении	при разгружении

Последовательно снимать гири по килограмму, записывая показания микроамперметра при разгружении балки.

Вычислить средние значения показаний микроамперметра при данной нагрузке. По полученным данным построить характеристику датчика n=f(P), где n - число делений микроамперметра при данной нагрузке P.

Определить цену деления прибора

k =  P /  n (кГ/дел)

Изучение датчиков температуры

В данной работе в качестве датчика температуры используется термопара, изготовленная из меди и константана. Термопара проградуирована. Градуировочный график прилагается. Определение температурной зависимости сопротивления полупроводника проводится для термистора - одного из самых простых полупроводниковых приборов.

В полупроводниках электрическое сопротивление в значительной степени зависит от температуры. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры в определенных температурных интервалах может быть описана выражением R=R 0 ·exp(-W/2kT), где Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана,  W - энергия активации полупроводника (термистора), exp - то же самое, что e - основание натурального логарифма. Таким образом, сопротивление полупроводника уменьшается по экспоненциальному закону. Зависимость сопротивления полупроводника (термистора) от температуры используется для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником.

Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т  1300 0 К), так и очень низких (Т  4-80 0 К) температур.

В медицине широко применяются электротермометры, датчиком температуры в которых является термистор. К достоинствам электротермометров следует отнести их малую инерционность, высокую чувствительность, возможность изготовления малогабаритных датчиков, возможность измерения температур на расстоянии. К недостаткам относятся нелинейная шкала и старение. Термопары обладают меньшей чувствительностью, однако лишены указанных недостатков.

Для определения температурной зависимости сопротивления термистора последний вместе с активным термоспаем А термопары фиксируют в дюралевом бруске. Для чего в бруске проделывается отверстие, заполняемое непроводящей жидкостью (масло, глицерин и т.д.). Термо-эдс термопары измеряют милливольтметром. Сопротивление исследуемого термистора определяют мультиметром. Контрольный термоспай К термопары опускают в сосуд Дьюара.

Порядок выполнения работы.

Термопару подключить к клеммам милливольтметра.

Включить милливольтметр в сеть.

С помощью переключателя, расположенного на правой боковой панели, установить нуль милливольтметра в режиме «арретир».

Перевести переключатель пределов измерений в положение «5 mV». Рассчитать цену деления милливольтметра.

Опустить контрольный и рабочий спаи термопары в стакан с водой и установить нуль шкалы милливольтметра.

Записать в тетрадь температуру контрольного спая t 0 k .

Измерить температуру ладони в нескольких точках. Для этого приложить активный термоспай к ладони и определить соответствующую ТЭДС по милливольтметру. Используя градуировочный график и соотношение t 0 л = t 0 k +  t 0 , определить температуру ладони.

Аналогично измерить температуру шеи, мочки уха, щеки, подбородка и т.д.

Выключить милливольтметр. Установить милливольтметр в положение «Арретир».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие устройства называются датчиками. Роль датчиков в медико-биологических измерениях.

Что называют характеристикой датчика, чувствительностью, порогом чувствительности, номинальной погрешностью датчика?

Дать понятие о генераторных и параметрических датчиках. Примести примеры тех и других датчиков.

Дать понятие о биоуправляемых и энергетических датчиках. Привести примеры.

Объяснить устройство и принцип действия тензодатчиков, их применение в медицине.

Объяснить устройство и принцип действия датчиков температуру (термопары и термистора) .

Неправильно отрегулированная автосигнализация доставляет неудобства владельцу автомобиля. Результатом ошибок при настройке датчика удара сигнализации являются слишком частая активация оповещения или полное отсутствие реакции на происходящее. Следуйте нижеприведенным инструкциям и вы быстро, без особых усилий установите датчики сигнализации авто в нужный режим.

Для чего нужно менять чувствительность датчика удара?

Процесс выполняется в следующих случаях:

• если сигнализация слишком чувствительная (срабатывает от грозы, проезжающих мимо машин и других помех);
• если она никак не реагирует даже на удары по автомобилю.

Перед началом работы надо определить, что вызывает неправильную работу автосигнализации. Существует несколько наиболее вероятных причин:

• компоненты плохо закреплены;
• неверно отрегулированы параметры автосигнализации.

Проверьте, надежно ли установлены датчики и электронный блок управления сигнализацией. Возможно, проблему удастся решить, просто вернув их на место.

Настраиваем чувствительность датчика удара

Общая последовательность действий при настройке чувствительности датчика удара приведена ниже:

1. Отключите АКБ. Внимание! Документация к некоторым автосигнализациям запрещает это делать. В таком случае снимите предохранитель освещения чтобы предотвратить слишком быструю потерю энергии батареей.
2. Найдите место установки чувствительного элемента сигнализации. В большинстве случаев он располагается под передней панелью, но возможны разные варианты. Изучите инструкцию к транспортному средству. Ищите на ней термин VALET – это стандартное обозначение датчика удара.
3. Перед началом регулирования параметров отключите режим охраны. Переключите систему в режим программирования. Точный метод настройки датчика удара зависит от особенностей установленной автосигнализации. В старых моделях для этого применяется винт, в новых – кнопки.
4. Обратите внимание на шкалу чувствительности сигнализации. На ней указываются доступные уровни. Их количество обычно составляет от 0 до 10, где 0 – это полное отсутствие реакции на события, а 10 – максимально возможная чувствительность. В новых машинах показатель обычно установлен на 5.
5. Не рекомендуется слишком сильно повышать чувствительность датчика удара. Большинство моделей сигнализации рассчитано примерно на 10 срабатываний за 1 цикл, после чего автомобиль придется заново ставить автосигнализацию в охранный режим.

Выбор конкретных параметров автосигнализации зависит от характеристик автомобиля (его веса, способа монтажа охранных компонентов) и обстановки в месте парковки. При выборе подходящего показателя рекомендуется постоянно проверять стабильность срабатывание датчика. Выберите определенное число и слегка ударьте кузов. Если реакции не последовало, ударьте чуть сильнее. Определите, при каком усилии раздается оповещение системы безопасности.

Чтобы добиться максимальной точности, поставьте машину в режим охраны и подождите около трех минут, после чего проверяйте чувствительность сигнализации. После каждой проверки ждите еще пару минут. Во многих защитных системах автосигнализация переводится в режим повышенной чувствительности, если корпус только что подвергся механическому воздействию.

Иногда возможна настройка сигнализации в полуавтоматическом режиме. В таком случае датчик переводится в режим «обучения», после чего нужно наносить по кузову удары разной силы. Однако помните, что автосигнализация по-разному воспринимает механические нагрузки на разные части автомобиля. Например, удар по колесу «ощущается» слабее, чем по капоту.

Настройка датчика удара сигнализации Starline

Рассмотрим процесс регулирования на примере широко распространенной автосигнализации Starline A61.

Процесс достаточно прост. Единственный инструмент, который вам понадобится – это тонкая крестовая отвертка. Главной трудностью является поиск установленного устройства «Старлайн». В официальной инструкции сказано, что его следует размещать в основании рулевой колонки. В сервисных центрах обычно следуют этой инструкции, размещая компонент сигнализации в колонке рядом с педалями.

Датчик удара «Старлайн» оснащается тонкими механизмами регулировки его параметров. Для корректировки чувствительности используется отвертка. Если повернуть механизм влево, чувствительность автосигнализации снижается, если вправо – повышается.

В процессе рекомендуется периодически проверять эффективность работы. Автосигнализация Starline А61 работает на пьезоэффекте. При ударе по кузову машины образуется звуковая волна, которая распространяется по внутренним компонентам и доходит до датчика удара «Старлайн». Оптимальная работоспособность гарантируется только в том случае, если чувствительный компонент сигнализации надежно зафиксирован на металле.

Чтобы настроить чувствительность автосигнализации, убавьте обе зоны и добавьте зону предупреждения (находится рядом с зеленым светодиодом). Установите машину в режим охраны и подождите около минуты. Теперь ощутимо ударьте по ее корпусу. Если чувствительность устройства слишком сильная, понизьте параметр. Если сигнализация не срабатывает – увеличьте. Аналогичным способом осуществляется настройка зоны полной тревоги автосигнализации Starline.

Главные сложности при настройке

Если после регулирования датчик удара «Старлайн» продолжает срабатывать неправильно, попробуйте сбросить параметры. Информация о том, как это сделать, указана в инструкции. Если сведения отсутствуют, лучше отправиться в автосервис – там знают, как работать с любыми видами сигнализации.

Процесс регулирования автосигнализации «Старлайн» относительно прост. Главное – правильно проверить результат и установить нужный уровень чувствительности. Помните, что при отсутствии опыта в решении таких вопросов или при желании отрегулировать сигнализацию максимально быстро и качественно лучше отправиться на СТО.

Если 1-Wire требовала один провод данных, то эта шина, исходя из названия Two-Wire Bus - два.
Один из проводов - SCL будет тактирующим, по второму - SDA, полудуплексом будут передаваться данные.
Шина с открытым коллектором, следовательно обе линии необходимо подтянуть к питанию. Датчик будет подключаться следующим образом:

Рисунок 17. Подключение датчиков по I2C

Общее количество устройств, которые можно подключить к шине I2C - 112 устройств при 7-разрядной адресации. Каждому устройству на деле выделяется два последовательных адреса, младшим битом выставляется режим - на чтение или запись. Есть строгое требование по емкости шины - не более 400пФ.

Общеупотребительные значения скоростей - 100 кбит/сек и 10 кбит/сек, хотя последние стандарты допускают и скоростные режимы в 400 кбит/сек и 3.4мбит/сек.

Шина может работать как с несменяемым мастером, там и с передачей флага.
Огромное количество информации по протоколу можно найти по этой ссылке: http://www.esacademy.com/en/library/technical-articles-and-documents/miscellaneous/i2c-bus.html

Подключение цифровых датчиков по стандарту SPI

Требует как минимум три провода, работает в режиме полного дуплекса - т.е. организует одновременную передачу данных в обе стороны.
Линии связи:

• CLK - линия тактового сигнала.
• MOSI - выход мастера, вход слейва
• MISO - вход мастера, выход слейва
• CS - выбор чипа (опционально).

Одно из устройств выбирается мастером. Оно будет отвечать за тактирование шины. Подключение осуществляется перекрестным образом:

Рисунок 18. подключение по SPI и суть передачи

Каждое устройство в цепи содержит свой сдвиговый регистр данных. С помощью сигналов тактирования, спустя 8 тактов содержимое регистров меняется местами, тем самым, осуществляя обмен данными.

SPI - Самый скоростной из представленных интерфейс передачи данных. В зависимости от максимально-возможных частот тактирования скорость передачи данных может составлять 20, 40, 75 мбит/сек и выше.

Шина SPI позволяет подключать устройства параллельно, но здесь возникает проблема - каждому устройству требуется своя линия CS до процессора. Это ограничивает общее количество устройств на одном интерфейсе.
Главная сложность в настройке SPI - это установить полярность сигнала тактирования. Серьезно. Настроить SPI не просто, а очень просто.

Коротко и ясно об SPI с описанием периферийных модулей SPI для AVR и MSP430 можно прочитать здесь http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm

4 Снятие показаний с датчиков

Пора бы уже прочесть с наших датчиков хоть какую-то информацию.

В зависимости от способа подключения датчика и его типа возможны различные способы снятия показаний. Следует отметить, что некоторые датчики, например цифровые датчики, или датчики состава газа, требуют предварительного запуска режима измерения, который может длиться некоторое время.

Таким образом, процесс измерения состоит из двух тактов - такт измерения данных и такт снятия данных. При организации программы можно пойти по одному из следующих вариантов:


Рисунок 19. Процесс считывания показаний с датчика

Рассмотрим каждый вариант по отдельности и набросаем скелеты:
Вариант 1. запустили режим измерений, подождали, считали.
Вариант притягателен своей простотой, однако за ней кроется проблема - во время ожидания выполнения измерений микроконтроллер нагло простаивает, не выполняя задач. В большинстве систем автоматики такой режим - непозволительная роскошь.

В коде это будет выглядеть следующим образом:
Sensor.Start();//запустить процесс измерений delay(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//ожидаем завершения процесса int var = Sensor.Read();//считываем данные
Вариант 2 . запустили режим измерений, вернулись к другим задачам, по прошествии времени сработало прерывание, считали данные.
Один из лучших вариантов. Но наиболее сложный:
void Setup(){ TimerIsr.Setup(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//настраиваем прерывание по таймеру с необходимой периодичностью int mode = START;//переменная состояния Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз } TimerIsr.Vector(){//обработчик прерывания по таймеру if (mode == START{ mode = READ; var = Sensor.Read();//если датчик был в режиме измерения, считываем данные } else { mode = START; Sensor.Start();///если датчик был в режиме считывания данных, запускаем новый цикл измерений } }
Выглядит неплохо. позволяет варьировать время между циклами измерений и циклами считывания. например, датчик состава газов должен успеть остыть после предыдущих измерений, либо успеть нагреться во время измерений. Это разные периоды времени.

Вариант 3: Считали данные, запустили новый виток.
Если датчик позволяет после считывания данных запускать новый цикл измерений, то почему бы и нет - сделаем все наоборот.
void Setup(){ TimerIsr.Setup(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//настраиваем прерывание по таймеру с необходимой периодичностью Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз } TimerIsr.Vector(){//обработчик прерывания по таймеру var = Sensor.Read();//считываем данные Sensor.Start();///запускаем новый цикл измерений

Отличный способ сэкономить время. и знаете что - такой метод отлично работает и без прерываний. Цифровые датчики хранят вычисленное значение вплоть до отключения питания.А с учетом того, что считывать сигналы с датчика влажности ввиду его инерционности в 15 секунд часто и не требуется, можно и вовсе сделать так:
void Setup(){ Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз while(1){ //много всякой остальной рутины var = Sensor.Read();//считываем данные Sensor.Start();///запускаем новый цикл измерений } }
Может быть и такой вариант, что наш датчик самостоятельно запускает новый цикл измерений и потом с помощью внешнего прерывания он сообщает о завершении измерений. Например, АЦП можно настроить на автоматический режим считывания данных с частотой N Гц. С одной стороны, в обработчике прерывания будет достаточно реализовать только процесс считывания новых данных. С другой стороны, можно воспользоваться прерыванием АЦП с режимом Прямого Доступа к Памяти - ПДП(DMA). В этом случае по сигналу прерывания периферийный модуль АЦП на аппаратном уровне самостоятельно скопирует данные в определенную ячейку памяти в ОЗУ, тем самым обеспечивая максимальную скорость обработки данных и минимальное воздействие на рабочую программу (не надо уходить в прерывание, вызывать обработчик и проч.).

Но использование DMA сильно выходит за рамки данного цикла.

К сожалению, первый метод поголовно используется в библиотеках и примерах для Arduino, не позволяет этой платформе правильно использовать ресурсы микроконтроллера. Зато он проще в написании и отладке.

4.1 Работа с АЦП

Имея дело с аналоговыми датчиками имеем дело с АЦП. В данном случае рассматривается АЦП встроенный в микроконтроллер. Так как АЦП является по сути тем же датчиком - преобразует электрический сигнал в информационный - для него справедливо все что описано выше в разделе 2. Главными характеристиками АЦП для нас являются его эффективная разрядность, чувствительность, опорное напряжение и быстродействие. При этом, выходным значением АЦП преобразования будет некоторое число в выходном регистре, которое необходимо перевести в абсолютное значение в единицах измеряемой величины. В дальнейшем, для отдельных датчиков будут рассмотрены примеры таких расчетов.

4.1.1 Опорное напряжение
Опорное напряжение АЦП - это напряжение, которому будет соответствовать максимальное выходное значение АЦП. Опорное напряжение подается от источника напряжения, как встроенного в микроконтроллер, так и внешнего. От точности этого источника зависит точность показаний АЦП. Типовое опорное напряжение встроенного источника равняется напряжению питания или половине напряжения питания микроконтроллера. Могут быть и другие значения.

Например, таблица возможных значений опорного напряжения для микроконтроллера Atmega1280:


Рисунок 20. Выбор опорного напряжения для АЦП микроконтроллера Atmega1280

4.1.2 Разрядность АЦП и чувствительность
Разрядность АЦП определяет максимальные и минимальные значения в выходном регистре при минимальном и максимальном входном воздействии электрического сигнала.

Следует отметить, что максимальная разрядность АЦП может не соответствовать его эффективной разрядности.
Часть младших разрядов может быть отдана на шум. Обратимся к датащиту на микроконтроллер ADuCM360, имеющему 24-разрядный АЦП с эффективной разрядностью 14 бит:

Рисунок 21. Назначение битов регистра данных АЦП

Как видно из рисунка, в 32-разрядном регистре, часть выделяется на знак, часть на нули и часть на шум. И лишь 14 разрядов содержат данные, имеющие указанную точность. В любом случае, эти данные всегда указываются в документации.

От эффективной разрядности АЦП зависит его чувствительность. Чем больше промежуточных ступеней выходного напряжения, тем выше будет чувствительность.

Допустим, опорное напряжение АЦП Uоп . Тогда, N-разрядный АЦП, имея 2N возможных значений, имеет чувствительность
(11)

Таким образом, для 12-разрядного АЦП и опорного напряжения в 3,3В его чувствительность составит 3,3/4096 = 0,8мВ

Так как наш датчик также обладает определенной чувствительностью и точностью, будет неплохо, если АЦП будет обладать лучшими показателями

4.1.3 Быстродействие АЦП
Быстродействие АЦП определяет, насколько быстро считываются показания. Для АЦП последовательного приближения требуется определенное количество тактов, чтобы оцифровать уровень входного напряжения. Чем больше разрядность, тем требуется больше времени, соответственно, если к концу измерения уровень сигнала успевает измениться, это отразится на точности измерения.

Быстродействие АЦП измеряется в количестве семплов данных в секунду. Оно определяется как частота сигнала тактирования АЦП, деленная на требуемое для измерения число таков. Например, имея частоту тактирования АЦП в 1МГц и 13 тактов для снятия показаний, быстродействие АЦП будет равно 77 килосемплов в секунду. Для каждого варианта разрядности возможно рассчитать свое быстродействие. В технической документации обычно указывается максимально-возможная частота тактирования АЦП и его максимальное быстродействие при той или иной разрядности.

4.2 Цифровые датчики

Главное преимущество цифровых датчиков перед аналоговыми - они предоставляют информацию об измеряемой величие в готовом виде. Цифровой датчик влажности вернет абсолютное значение влажности в процентах, цифровой датчик температуры - значение температуры в градусах.

Управление датчиком осуществляется с помощью имеющихся в нем регистром в форме вопрос-ответ. Вопросы следующие:

• Запиши в регистр A значение B
• Верни значение, хранящееся в регистре C

В ответ датчик, соответственно, либо записывает необходимые данные в регистр, производя настройку параметров или запуск какого-то режима, либо передает контроллеру измеренные данные в готовом виде.

На этом я закончу общий материал. В следующей части мы рассмотрим датчики HVAC с примерами.
После датчиков пойдет рассмотрение исполнительных устройств - там довольно много интересного с точки значения теории автоматического управления, а потом доберемся и до синтеза и оптимизации регулятора всего этого безобразия.

UPD: Выражаю благодарность

Датчик является ключевым элементом СРВ и должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:

1. Воспроизводимость функции преобразования . Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.

2. Постоянство во времени функции преобразования . При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (преобразователь работает в недоступном месте).

3. Для облегчения унификации выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами наиболее желательна функция преобразования y=f(х) линейного вида .

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность . Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину . Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажают ее, вызывая изменение выходного сигнала.

6. Динамические свойства преобразователя . При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.). Переходный процесс проявляется в виде инерции – запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения. Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.256– 77 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками. Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования. Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании – статические параметры :

1. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

2. Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которая может быть зафиксирована и точно показана датчиком.

3. Линейность – не описывается аналитически, а определяется, исходя из градуировочной кривой датчика. Близость этой кривой к прямой линии определяет степень линейности.

4. Рабочий диапазон – определяется верхним и нижним пределами значения входной величины.

Динамические (параметры) характеристики датчика (рис. 5.9 ):

– время прохождения зоны нечувствительности – время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика;

– запаздывание – время, через которое показание датчика первый раз достигнет 50 % установившегося значения;

– время нарастания –время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 % до 90% установившегося значения;

– время переходного процесса (время установления ) – время, начиная с которого отклонения выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины, например, ± 5 %.

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин . Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х ) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х , но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде y=f (х, Z ). В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z . Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Чувствительность S всего измерительного устройства прямого преобразования, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется по формуле

S =S 1 S 2 S 3 …S n ,

где S 1 , S 2 , S 3 ... S n – чувствительности преобразователей, образующих канал передачи информации.

Каждый преобразователь имеет свою погрешность, и, очевидно, максимальная погрешность всего измерительного устройства, построенного по методу прямого преобразования, окажется равной сумме погрешностей отдельных преобразователей. Поэтому, несмотря на простоту и быстродействие приборов, построенных по методу прямого преобразования, для точных измерений неэлектрических величин применяют метод уравновешивания. При этом чувствительность измерительного устройства определяется формулой

S =K /(1+K β),

где К – коэффициент передачи цепи прямого преобразования; β – коэффициент передачи цепи обратного преобразования.

При выполнении условия К β>> 1 погрешность измерительного устройства будет определяться только погрешностью цепи обратного преобразования. Значения выходных величин большинства первичных преобразователей – термопар, терморезисторов, ионизационных преобразователей, газоанализаторов и других – незначительны и находятся обычно в диапазоне 10 –6 –10 –2 В и 10 –10 –10 –5 А. Без предварительного усиления малые напряжения и токи невозможно ни измерить, ни передать по линиям связи без существенных погрешностей. В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей широко применяют мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.

Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 5.10. Здесь R 1 – медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторами R 2 R 4 и R 3 +R M .

Пусть при измеряемой температуре сопротивление R 1 =R 3 +R M и R 2 =R 4 , тогда напряжение на диагонали U а б, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя I ук =0. При возрастании сопротивления R 1 усилитель будет давать на выходе такой ток I yк, чтобы падение напряжения на резисторе R М уравновешивало прирост напряжения на резисторе R 1 . Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ΔR 1 , а сопротивление R М определит масштаб соотношения между ΔR 1 и I yк.

Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), рассматривается как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле

|δ max |=|δ пп |+|δ иц |+|δ еr |+|δ м |,

где δ max – предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; δ пп – максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя; δ иц – относительная погрешность измерительной цепи; δ еr – относительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; δ м – методическая погрешность.

Анализ мостовой схемы . Сопротивления плеч моста могут быть как активными, так и реактивными, а источник питания н могут меняться местами, при этом чувствительность моста также изменяется. Мосты проектируют так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если на дифференциальный преобразователь не воздействует входная величина. Так, когда якорь дифференциального индуктивного преобразователя включенного в мостовую схему находится в среднем положении, сопротивления его плеч Z 1 и Z 2 равны между собой, их значения принимаем за Z 0 .

Для упрощения анализа можно считать, что дифференциальный преобразователь состоит из двух простых преобразователей. При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z 1 =Z 0 + DZ 1 , сопротивление другой Z 2 =Z 0 – DZ 2 . Изменения сопротивлений DZ 1 =Z 1 –Z 0 и DZ 2 =Z 0 –Z 2 , соответствующие некоторому перемещению якоря относительно его среднего положения, в общем случае не равны между собой в силу нелинейности функции преобразования. Однако, если перемещение мало, то их различия незначительны. Положим, что при малых перемещениях якоря относительно его среднего положения изменение сопротивлений линейно зависит от перемещения якоря х . Так, в индуктивных преобразователях при перемещении якоря сопротивление первичной обмотки Z 1 одного простого преобразователя возрастает, а другого Z 2 – примерно на столько же уменьшается. При этом

DZ 1 =DZ 2 =DZ .

Если сопротивление нагрузки R н достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста равно

U вы x = – =
,

где U – напряжение питания. В качестве Z 1 и Z 2 включаются одинаковые резисторы.

При отсутствии входного воздействия сопротивления Z 1 =Z 2 =Z 0 . Кроме того, обычно выбирают Z 3 =Z 4 . В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e= 0), U x = 0.

При входном воздействии, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

U вы x = .

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 , выходное напряжение цепи равно

U вы x = .

Изменения сопротивлений преобразователей обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально DZ/Z. В этом случае функция преобразования мостовой схемы в режиме холостого хода характеризуется чувствительностью:

S сх = =U /4,

где U х – напряжение на измерительной диагонали при изменении сопротивления преобразователя, равном DZ.

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда Z 1 =Z 0 + DZ и Z 2 =Z 0 –DZ , выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

U вы x = , а S сх = =U /2.