Схемотехника измерительных устройств. Преобразователи физических величин. (Лекция 1)

Усложнение современного производства, развитие научных исследований в различных направлениях привело к

Схемотехника 
научно-техническое направление, занимающееся проектированием, созданием и отладкой электронных схем и

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (ИИС)

Основными функциями ИИС являются:
– получение измерительной информации от объекта исследования;
– обработка;
–

Структурная схема ИИС
(УОИ – устройство отображения информации)

Датчики – датчики давления, движения, концентрации, температуры и т.д.- представляют собой

Аналоговый мультиплексор – предназначен для выбора каналов, по которым передается информация

Для современного этапа развития техники характерны следующие ориентировочные стоимостные оценки ИИС:
Датчики

Россыпь датчиков - примерно $ 20 за все

Для современного этапа развития техники характерны следующие ориентировочные стоимостные оценки ИИС:
Датчики

Измерительное преобразование
представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой

В сложных технических ИИС для обеспечения высокой надежности необходимо применять большое

Например, в отечественной космической системе «Буран» использовалось около 3000 датчиков
25%

Измерительный преобразователь (ИП)
Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины х (электрические, неэлектрические,

Датчик
конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации.
Датчик

В общем случае по виду входных и выходных физических величин ИП

Структурная схема простейшей измерительной системы

Преобразователь - первый элемент измерительной системы - является основным источником электрического

Электрический сигнал
это переменная составляющая тока или напряжения, которая несет информацию, связанную

В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться

Не во всех измерительных системах имеются все шесть подсистем. Подсистемы не

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Классификация измерительных преобразователей

Первичный преобразователь - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая

Передающий преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной

Аналоговый преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный

Цифровой преобразователь - измерительный преобразователь, преобразующий цифровой измерительный сигнал в другой

Аналого-цифровой преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала

Цифроаналоговый преобразователь - измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в

Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения

Преобразователи неэлектрических величин в
электрические

Датчики контактного сопротивления
Действие основано на зависимости переходного сопротивления контактов от

Реостатным параметрическим датчиком называют переменное сопротивление, движок которого перемещается в соответствии

Принцип действия тензорезистивных датчиков основан на изменении сопротивления материала проводника при

Пьезоэлектрические преобразователи — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения

Общая информация

Схема аналоговой части электрокардиографа

Общие сведения о датчиках физических величин и измерительных схемах

Укрупненная классификация датчиков физических величин

В генераторных датчиках измеряемая величина вызывает генерацию электрического сигнала — тока,

В параметрических датчиках изменяются параметры элект­рических, магнитных, оптических цепей — сопротивления,

Пассивные датчики позволяют косвенно судить о физической величине путем включения такого

В комбинированных датчиках для получения результата используется целая цепь последовательных преобразований

Например, датчики давления могут работать по схеме:
давление ? деформация мембраны

В последнее время в обиход введено понятие интеллектуальные и интегрированные датчики.

Генераторные датчики сигналов
1. Датчики давления

Датчик напряжения

Датчик напряжения (Д) представляет собой эквивалентную схему в виде последовательного соединения

В такой схеме

Связь между Uc и Uвых является нелинейной и чувствительность датчика зависит

При Rн >> Rc достигается линеаризация передаточной характеристики*
Uc = Uвых

*Линеаризацией называется замена реальны нелинейных уравнений близкими к ним линейными

Для обеспечения условия линеаризации передаточной характеристики и низкого выходного сопротивления схемы,

Во многих случаях измерения сигналов датчиков Uc проходят на фоне большой

Дифференциальное подключение ОУ к датчику напряжения

*Основополагающими в технике являются понятия — противофазные и синфазные помехи.
Противофазные помехи

*Синфазное напряжение вызывает в параллельных прямом и обратном проводе токи одного

*Синфазные сигналы– сигналы одинаковой амплитуды и одинаковой фазы одновременно присутствующие на

*Максимальное подавление синфазного сигнала осуществляется с помощью входного дифференциального каскада.
Дифференциальные сигналы

* Заземление В принципе электрическая цепь вообще не нуждается в заземлении, так

* Следует строго различать два понятия —
защитное заземление (защитный провод) для

* Земля и масса, как правило, в одном месте гальванически связаны друг

*Под массой в схемотехнике понимают общую систему опорного потенциала, по отношению

Дифференциальное подключение

Итак, запомним!

Генераторные датчики сигналов
2. Датчики тока

Датчик тока

Датчик тока при анализе заменяется своей эквивалентной схемой в виде параллельного

В этом случае
и передаточная характеристика будет нелинейная

Линеаризация наступает при выполнении условия RH << Rc, когда IH =

Для того чтобы увеличить амплитуду сигнала на выходе, применяются ОУ в

Подключение датчика тока к ОУ

коэффициент передачи

Во многих случаях, для того чтобы увеличить коэффициент передачи без чрезмерного

Допустим R1= R2= 10 кОм, R3 = 0,1 кОм,
тогда К

Генераторные датчики сигналов
3. Датчики заряда

Датчик заряда

В измерительных системах исходят из того, что датчики заряда (например, пьезоэлементы)

Для того чтобы не «подгрузить» такой датчик, его подключают к схеме

Выходной сигнал будет пропорционален заряду датчика

В схеме выходной сигнал зависит от емкости нагрузки. Причем в Сн

Естественно, это является недостатком такой схемы. Чтобы избавиться от этого недостатка,

В такой схеме Ug ? 0
и по переменному току Rвx

Соответственно, это приводит к тому, что в операционной схеме (/с =

Заметим, что выходное напряжение схемы не зависит от емкости нагрузки Сн,

Чтобы не использовать чрезвычайно малые номиналы емко­стей, для повышения коэффициента преобразования

Интеграторы тока часто используются для измерения сверх­малых токов в преобразователях «ток -

Пример: время интегрирования Т = 10 с, Сос =100 пФ, тогда

Параметрические датчики сигналов

В качестве параметрических датчиков наиболее часто используются резистивные датчики:
- фоторезисторы,

При подключении резистивных датчиков используются 3 вида цепей:
- последовательная цепь
- делитель

Последовательная цепь: датчик Д подключен последовательно с напряжением запитки Е и

Делитель напряжения: датчик подключен параллельно нагрузке

Делитель напряжения

Последовательная
цепь

В этих случаях, как нетрудно показать, имеет место нелинейная

Делитель
напряжения

Даже если сопротивление нагрузки велико, передаточная характеристика остается нелинейной
Как обычно, желательно

Это возможно
- или при работе датчика на малом участке передаточной

У делителей напряжения, несмотря на указанные недостатки, есть несколько частных схем,

Потенциометрический
датчик

Передаточные характеристики потенциометрической схемы при различных соотношениях RH и R0

Общим недостатком потенциометрических схем (за исключением схем с симметричной запиткой) является