 |
Цифровые измерительные устройства
|
|
|
|
Резистивные преобразователи
Резистивными называют преобразователи, в которых переносчиком измерительной информации является электрическое сопротивление. Резистивные преобразователи составляют две большие группы: электрические и механоэлектрические. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, и т. п.) положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления.
Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. На резистивный датчик влияют различные по физической природе величины: электрические, магнитные, механические, тепловые, световые и т.д. Они приводят к нестабильности и появлению погрешностей. Ослабить их влияние стараются конструктивным путем и применением схем и устройств компенсации, чем добиваются воздействия противоположного относительно влияющей величины знака. Наиболее «вредным» считается влияние изменений температуры, но от этого влияния практически свободны специально разработанные термостабильные сплавы (манганин, константан).
Контактные датчики
Реостатные преобразователи
Тензорезисторы
Температурные погрешности тензорезисторов
Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа
Терморезисторы
Контактные датчики
Контактными называются измерительные преобразователи неэлектрических величин, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является перемещение.
|
|
|
Реостатные преобразователи
Реостатом называется устройство для регулирования напряжения и тока в электрической цепи, основная часть которого - проводящий элемент с активным электрическим сопротивлением, значение которого можно изменять плавно или ступенями в соответствии с заданными условиями.
Отсюда реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается линейно или по окружности (в зависимости от конструкции датчика) под действием измеряемой неэлектрической величины. Следовательно, входной величиной является перемещение движка, а выходной величиной - изменение сопротивления, т.е. и этот датчик является параметрическим преобразователем.
Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов, часто именуемых тензодатчиками, лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Чаще всего тензорезисторы делаются из константана. Из полупроводниковых материалов для тензорезисторов используется кремний р и n-проводимости.
Наибольшее распространение в измерительной технике получили дискретные металлические и полупроводниковые тензорезисторы.
Температурные погрешности тензорезисторов
При изменении температуры изменяется начальное сопротивление тензорезистора и коэффициент тензочувствительности. Таким образом, для тензорезисторов характерна температурная погрешность нуля и температурная погрешность чувствительности. Изменение начального сопротивления наклеенного тензорезистора определяется двумя факторами: изменением удельного сопротивления материала р непосредственно под действием температуры и изменением р под действием дополнительного механического напряжения, появляющегося в тензорезисторе, если коэффициенты линейного расширения детали и тензорезистора не равны.
|
|
|
Терморезисторы
Терморезистор – это устройство, сопротивление которого сильно изменяется с изменением температуры. Это резистивный прибор, обладающий высоким ТКС (температурным коэффициентом сопротивления) в широком диапазоне температур. Различают терморезисторы с отрицательным ТКС, сопротивление которых падает с возрастанием температуры, часто называемые термисторами, и терморезисторы с положительным ТКС, сопротивление которых увеличивается с возрастанием температуры. Такие терморезисторы называются позисторами. Терморезисторы обоих типов изготавливают из полупроводниковых материалов.
цифровые измерительные устройства
Цифровое измерительное устройство, средство измерений, в котором значение измеряемой физической величины автоматически представляется в виде числа, индицируемого на цифровом отсчётном устройстве, или в виде совокупности дискретных сигналов — кода. Ц. и. у. подразделяют на цифровые измерительные приборы и цифровые измерительные преобразователи. Цифровые измерительные приборы являются автономными устройствами, в которых значение измеряемой величины автоматически представляется в виде числа на цифровом отсчётном устройстве (ЦОУ); цифровые измерительные преобразователи не имеют ЦОУ, а результаты измерений преобразуются в цифровой код для последующей передачи и обработки в измерительно-информационных системах. Наибольшее распространение получили Ц. и. у. для измерения электрических величин (силы тока, напряжения, частоты и др.); те же Ц. и. у. используют для измерения неэлектрических величин (давления, температуры, скорости, усилия и др.), предварительно преобразовав их в электрические.
Действие Ц. и. у. основано на дискретизации (квантовании по уровню) и кодировании значения измеряемой физической величины. Кодированный сигнал выводится либо на ЦОУ, либо на аппаратуру передачи и обработки данных. В ЦОУ кодированный результат измерения преобразуется в число, выражаемое цифрами, обычно в общепринятой десятичной системе счисления. Наиболее распространены ЦОУ с 2—9 цифрами (разрядами). В цифровых измерительных приборах используют ЦОУ электрические, электронные, газоразрядные и на жидких кристаллах. В группу электрических ЦОУ входят световые табло, проекционные и мозаичные ЦОУ, многоэлементные цифровые лампы и электролюминесцентные ячейки. К газоразрядным и электроннолучевым ЦОУ относят цифровые индикаторные лампы, декатроны, трохотроны и знаковые электроннолучевые трубки. Наибольшее распространение получили ЦОУ на газоразрядных лампах благодаря простому устройству, высокой надёжности и низкой стоимости.
|
|
|
Дискретизация измерительных сигналов
Дискретизация измерительных сигналов по уровню (квантование) выполняется автоматически в цифровых измерительных приборах и аналого- цифровых преобразователях; при численной регистрации результатов, считываемых со шкалы аналогового прибора; при отнесении значения непрерывной величины к разрешенному значению шкалы, при округлении результата измерения.
Аналого- цифровые преобразователи выдают значения в соответствии со значениями измеряемой величины, а цифровые отсчетные устройства воспроизводят значения измеряемых величин в цифровой форме. Аналого- цифровые преобразователи не только являются составной частью цифровых измерительных приборов (в которые также входят цифро- аналоговые преобразователи), информационно- измерительных систем, но выпускаются и автономном виде (в виде интегральных микросхем).
Автономные аналого- цифровые преобразователи не имеют десятичного отсчетного устройства, дают на выходе только закодированные значения, являются более быстродействующими, но менее точными. Результатом комплексного подхода к данной проблеме являются аналого- дискретные измерительные приборы, их отсчетные устройства являются квазианалоговыми, в них роль указателя выполняет, например, светящаяся полоса или точка, дискретно меняющие свою длину или положение, причем, значения последних параметров управляются кодом. Как цифровые измерительные приборы, так и аналого- дискретные измерительные приборы, по сути, являются цифровыми измерительными устройствами, в которых непрерывная измеряемая величина дискретизируется во времени и квантуется по уровню (рис.12).
|
|
|
Примером аналого- цифрового преобразования сигнала является запись сигнала на компакт- диск.
Кодирование измерительной информации
Под кодированием измерительной информации понимают процесс преобразования измерительных сигналов в комбинации из дискретных сигналов [33]. При этом правила, в соответствии с которыми производятся данные преобразования, называются кодом. Элементами кодовых комбинаций могут быть буквы и цифры, а в технических устройствах в качестве элементов кода могут быть использованы различные импульсные сигналы.
Использование кодирования измерительных сигналов позволяет представлять сигналы в форме, удобной либо для их восприятия, либо для ввода в вычислительные устройства; передавать больший объем информации; согласовывать параметры измерительной информации и передающих каналов; повышать помехоустойчивость передачи, хранения и обработки информации.
Метод кодирования определяется такими факторами, как объем измерительной информации; количество используемых кодовых признаков; параметры передающих каналов; возможности технических средств и т.д.
Погрешности
цифровых измерительных приборов. На работу цифровых измерительных приборов в основном влияют два типа погрешностей: статические и динамические.
Статическая погрешность состоит из четырех составляющих:
– погрешности дискретизации;
– погрешности квантования;
– погрешности порога чувствительности;
– внешних влияний на ЦИП.
При этом надо иметь в виду, что последние три погрешности вызваны только несовершенством прибора и являются инструментальными погрешностями. Различными конструкторскими и инженерными разработками эти составляющие статической погрешности можно свести до минимума вплоть до полного исключения. Погрешность дискретизации является методической погрешностью. Это означает, что никакие технические усовершенствования в принципе не могут убрать эту погрешность, поскольку она присуща природе метода цифрового преобразования сигнала.
Динамические погрешности в цифровых измерительных приборах делятся на погрешности первого и второго рода.
К динамическим погрешностям первого рода относят погрешности, связанные с инерционностью отдельных составляющих цифрового измерительного прибора. Аналогично случаю статической погрешности, используя современную материально-техническую базу, возможно устранение этого рода погрешности путем совершенствования конструкции прибора и отдельных его частей.
Динамические погрешности второго рода возникают из-за того, что измерение происходит в момент времени t2, а результат его приписывают либо к t1, либо к t3. Такую погрешность измерения устранить в принципе нельзя.
|
|
|
