98692

Типы преобразователей сигналов и преобразование ими сигналов в приборах

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является пространственное перемещение.

Русский

2015-11-05

909 KB

2 чел.

Министерство образования и науки Российской Федерации

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования “Алтайский государственный технический университет имени И. И. Ползунова”

Кафедра МСИА

Реферат по курсу: “Основы проектирования приборов и систем”

Тема: “Типы преобразователей сигналов и преобразование ими сигналов в приборах”

Выполнили:

студентка группы ИИТ-01 Филиппова Татьяна Владимировна

студент группы ИИТ-02 Тырышкин Сергей Валерьевич

Проверил:

доцент, заместитель проректора по НИРС и ТМ Сыпин Евгений Викторович

Бийск 2004

Содержание

стр.

Введение……………………………………………………………………………………...

3

1

Резистивные преобразователи механических величин………………………….……

4

1.1

Контактные преобразователи……………………………………..…………....

4

1.2

Реостатные преобразователи……………………………………………………

4

1.3

Тензорезисторные преобразователи……………………………………………

5

2

Пьезоэлектрические преобразователи…………………………………………………

9

3

Тепловые преобразователи……………………………………………………………..

12

3.1

Термоэлектрические преобразователи………………...……………………….

12

3.2

Термометры сопротивления…………………………………………………….

12

4

Преобразователи теплового и светового излучения (оптические преобразователи).

15

4.1

Источники теплового и светового излучения…………………………………..

15

4.2

Приемники оптического излучения……………………………………………..

16

5

Электростатические преобразователи…………………………………………………

20

6

Электромагнитные преобразователи…………………………………………………...

22

6.1

Индуктивные преобразователи………………………………………….……...

22

6.2

Трансформаторные преобразователи…………………..……………….……...

23

6.3

Индукционные преобразователи……………………………………….……....

24

Заключение…………………………………………………………………………………...

25

Список использованных источников…………………………………………………..…...

26

Введение

Автоматизация технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, развитие научных исследований требуют измерений различных физических величин.

Характерной особенностью современных измерений является то, что не только электрические и магнитные величины, но и большинство неэлектрических величин измеряются электрическими методами, т.е. путем предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

  •  электрические величины удобно передавать на расстояние;
  •  электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
  •  электрические величины легко, точно и быстро преобразуются в цифровой код;
  •  электрические величины позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

Таким образом, в настоящее время измерения физических величин – это массовый процесс, причем основную его долю составляют измерения неэлектрических величин. Для этих целей широко используются различные преобразователи, из которых можно выделить несколько основных групп: резистивные преобразователи, пьезоэлектрические, тепловые, оптические, электростатические преобразователи и электромагнитные. Далее подробно остановимся на каждом из них, с детализацией их особенностей, конструкции, погрешностей и областей применения.


1 Резистивные преобразователи механических величин

1.1 Контактные преобразователи

Контактными называются измерительные преобразователи, в которых измеряемое механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Таким образом, естественной входной величиной контактных преобразователей является пространственное перемещение.

На рисунке 1 представлен простейший контактный преобразователь, который предназначен для регистрации изменения размера изделия [5, 259].

Рисунок 1 - Простейший контактный преобразователь

При увеличении размера изделия 1 переместится шток 3 и укрепленный на нем контактирующий элемент 4 войдет в соприкосновение с контактом 5. При этом активное сопротивление между контактами 4 и 5 изменится от бесконечности до малой величины, определяемой значением контактного сопротивления. Конструктивно измерительный шток закрепляют на плоских пружинах 2.

Погрешность срабатывания контактных преобразователей находится в пределах 1-2 мкм. Во избежание образования дуги или искры мощность в цепи не должна превосходить 50-100 мВт.

Другими примерами контактных преобразователей могут служить механические реле, механические выключатели и т.д.

1.2 Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается в соответствии со значением измеряемой неэлектрической величины. Таким образом, естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, которое может быть либо угловым, либо линейным, а выходной величиной – активное сопротивление, распределенное линейно или по некоторому закону по пути движка.

На рисунке 2 показано устройство реостатного преобразователя [5, 259], который позволяет, перемещая движок, изменять активное сопротивление (переменный резистор).

Рисунок 2 – Устройство реостатного преобразователя

На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Индуктивное и емкостное сопротивление реостатных преобразователей весьма малы, и их можно не принимать во внимание до частот порядка нескольких десятков тысяч герц.

Реостатные преобразователи аналогично контактным являются дискретными преобразователями (за исключением реохордных), поскольку непрерывному изменению неэлектрической величины соответствует дискретное изменение сопротивления. Это обстоятельство вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся с увеличением числа витков ω преобразователя.

Для преобразователей с равномерной намоткой погрешность квантования γ=100/(2∙ω)%. Число витков обычно выбирают не меньше 100-200.

В ряде случаев применяются функциональные реостатные преобразователи с нелинейным распределением сопротивления вдоль каркаса, что достигается изменением высоты каркаса, применением намотки с переменным шагом, применением намотки с переменным шагом и т.д.

1.3 Тензорезисторные преобразователи

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении активного сопротивления проводников при их механической деформации.

Тензорезисторы конструктивно бывают следующих видов:

  •  проволочные;
  •  фольговые;
  •  пленочные;
  •  полупроводниковые дискретного типа;
  •  интегральные полупроводниковые.

Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора показано на рисунке 3 [5, 263].

Рисунок 3 - Устройство наклеиваемого проволочного тензорезистора

На полоску тонкой бумаги или лаковую пленку 2 наклеивается решетка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3. К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Сверху преобразователь покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформацию ее поверхностного слоя.

Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Фольговые преобразователи представляют собой весьма тонкую ленту из фольги толщиной 4-12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует решетку с выводами (рис. 4).

Рисунок 4 – Фольговый тензорезистор для измерения линейных напряжений

Технология изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании фотохимических процессов и обеспечивает получение решетки любой формы с базами от 0,3 мм и более. Технология удобна для массового производства.

Пленочные тензорезисторы получают путем вакуумной возгонки (сублимации) тензочувствительного материала и последующей его конденсации на подложку.

Фольговые и пленочные тензорезисторы по сравнению с проволочными имеют, как правило, лучшие технико-метрологические характеристики. Их решетка может быть выполнена практически любой формы и размеров (практически любой рисунок), что позволяет применять их для исследования деформаций деталей практически любой формы.

Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа представляют собой тонкие полоски из кремния или германия. Изменение сопротивления полупроводникового элемента при деформации в десять раз больше, чем проводникового, что увеличивает чувствительность преобразователя. Существенно выше и величина выходного сигнала. Изготавливаются обычно путем резки монокристалла с последующим травлением. Травление необходимо для того, чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не осталось микротрещин от механической обработки.

Интегральные полупроводниковые тензорезисторы изготавливают по методу планарной технологии, их выращивают непосредственно на упругом элементе, выполненном из кремния или сапфира. Выращивают структуры в виде полумоста или моста с термокомпенсирующими элементами.

Области применения тензорезисторов весьма многообразны, но можно выделить две основные:

1. Исследование физических свойств материалов, измерение деформаций и напряжений в деталях машин элементах конструкций. Для этих задач характерны значительные  изменения параметров окружающей среды, невозможность градуировки измерительных каналов. Основной причиной погрешности в этих случаях является разброс параметров тензорезисторов, дефекты наклейки тензорезисторов. Погрешность 2 …10%.

2. Измерение механических величин, преобразуемых в деформацию упругого элемента. Это реализуется с помощью специально изготовленных датчиков. В этом случае датчики градуируются по измеряемой величине и погрешности измерений лежат в диапазоне 0,5… 0,05%.

Механические величины, которые могут измеряться при помощи тензорезисторов: перемещение, усилие, давление, момент, вибрация и ускорение.

Тензорезисторы применяются в различных приборах и для измерения различных величин, в качестве примера можно привести силоизмеритель с чувствительным элементом в виде мембраны [3] (рис. 5).

1 – мембранная часть; 2 – цапфа; 3 – сферические опоры; 4 - тензорезисторы

Рисунок 5 - Силоизмеритель с чувствительным элементом в виде мембраны

Чувствительный элемент силоизмерителя для измерений сжимающих сил величиной 0,5–50 кН представляет собой профилированную по толщине мембрану 1. По периметру мембраны запрессовано три шарика 3, которые являются опорами силоизмерителя. Измеряемая сила, воспринимаемая центральной цапфой 2, вызывает прогиб центра чувствительного элемента и деформацию тензорезисторов 4, наклеенных на внутренней поверхности мембраны.


2 Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).

Разновидности пьезоэлектриков:

  1.  Классические линейные пьезоэлектрики (кварц).
  2.  Пироэлектрики. Представляют собой разновидность пьезоэлектрических кристаллов и отличаются от кварца тем, что их ячейка имеет одно или несколько неуравновешенных полярных направлений. Благодаря этому пьезэоэлектрики указанной группы поляризуются при всестороннем гидростатическом давлении и тепловом расширении, откуда и происходит название “пироэлектрики”. Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.
  3.  Сегнетоэлектрики. Входят в группу пироэлектрических кристаллов. Характерным для них является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Так как полярные направления доменов ориентированы друг к другу хаотично, то в целом такая текстура электрически нейтральна. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлектрические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейность зависимость плотности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механические воздействия, температура и т.п.) и “гистерезис”.
  4.  Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой продукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкодисперсного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлектрические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет полярный вектор пьезокерамики.

Область применения пьезоэлектрических преобразователей:

  1.  Преобразователи, использующие прямой пьезоэффект, применяются в приборах для измерения силы, давления, ускорения.
  2.  Преобразователи, выполненные из материалов, обладающих пироэффектом, могут быть использованы для измерений тепловой радиации.
  3.  Преобразователи, использующие обратный пьезоэффект, применяются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний, в качестве преобразователей напряжения в деформацию, например в пьезоэлектрических реле, пьезовибраторах осциллографов и т.д.
  4.  Преобразователи, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты, – пьезорезонаторы. Коэффициент преобразования пьезорезонатора имеет резко выраженный резонансный характер. Пьезорезонаторы применяются в качестве фильтров, пропускающих очень узкую полосу частот (рис. 6), и в качестве элементов генератора с высоко стабильной частотой.

Рисунок 6 – Кварцевый фильтр

Кварцевый элемент обладает высокой добротностью, поэтому при подаче на вход фильтра массы электрических колебаний различных частот на его выходе получают колебание практически одной частоты (соответствующей резонансной).

В качестве примера пьезоэлектрического преобразователя приведем пьезоэлектрический преобразователь давления [5, 279] (рис. 7).

Рисунок 7 - Пьезоэлектрический преобразователь давления

Измеряемое давление P действует на мембрану 1, представляющую собой дно корпуса преобразователя. Кварцевые пластины 2 соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, а средняя обкладка (латунная фольга 3) изолируется относительно корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем 5. Для удобства соединения вывода от фольги с внутренней жилой кабеля в корпусе преобразователя предусмотрено отверстие, закрываемое пробкой 4.

Выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, поэтому на выход преобразователя должен быть включен усилитель с возможно большим входным сопротивлением.

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей складываются из погрешности от изменения параметров измерительной цепи, температурной погрешности, погрешности вследствие неправильной установки пластин, погрешности из-за чувствительности к силам, действующим перпендикулярно измерительной оси преобразователя, и частотной погрешности.

Верхняя граница допустимого диапазона частот определяется в основном механическими параметрами преобразователя. Пьезоэлектрические преобразователи могут быть выполнены с частотой собственных колебаний около 100 кГц, что позволяет измерять механические величины, изменяющиеся с частотой до 7-10 кГц.


3 Тепловые преобразователи

Тепловым называется преобразователь, принцип действия которого основан на тепловых процессах и естественной входной величиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары (термоэлектрические преобразователи) и терморезисторы (металлические и полупроводниковые).

3.1 Термоэлектрические преобразователи

Работа термопар основана на термоэлектрическом эффекте, возникающем в термопаре. Термопарой или термоэлементом называют цепь из двух разнородных электрических проводников (термоэлектродов), концы которых соединены (сваркой, пайкой и т. п.). При наличии разности температур в местах соединения термоэлектродов в цепи генерируется термо-ЭДС. Значение ЭДС зависит только от температуры спаев и материала термоэлектродов, но не зависит от диаметра и длины проводников и распределения температуры по их длине. Если температура одного из концов термопары постоянная (например, он погружен в воду с тающим льдом или термостабилизирован другим способом), то ЭДС зависит только от температуры ее рабочего конца.

Работает термопара следующим образом: рабочий конец термопары погружается в среду, температуру которой требуется измерить. Свободные концы подключаются к вторичному прибору. В качестве вторичных преобразователей часто используются потенциометры постоянного тока.

Наиболее известные материалы термоэлектродов — платина, железо, молибден, вольфрам, медь, манганин, платинородий, хромель, капель, алюмель, константан. Конструктивное оформление термопар разнообразно и должно соответствовать условиям их эксплуатации.

Термопары применяются в различных измерительных приборах, в генераторах постоянного тока. Также если спаи термопары имеют одинаковую температуру и через термопару пропустить ток, то один их спаев начнет нагреваться, другой – охлаждаться. Это явление широко применяется, например, в холодильниках.

3.2 Термометры сопротивления

Термометры сопротивления – это первичные преобразователи температуры, принцип действия которых базируется на зависимости электрического сопротивления проводника или полупроводника от температуры.

Для измерения температур используются материалы, обладающие высокостабильным ТКС (температурный коэффициент сопротивления), линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина, широко распространены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и никелевые. Если в качестве материала термометров используется полупроводник, то такие термометры называются термисторами.

Термометры и термисторы применяются для температурной компенсации в измерительных приборах, генераторах, двигателях и т.п.; для измерения уровня жидкости и высоты (альтиметры) и т.п.

Погрешности, возникающие при измерении температуры термометрами сопротивления, вызываются нестабильностью во времени начального сопротивления термометра и его ТКС, изменением сопротивления линии, соединяющей термометр с измерительным прибором, перегревом термометра измерительным током.

В качестве примера рассмотрим тепловые преобразователи для измерения скорости потока газа.

Приборы для измерения скорости газовых потоков называются термоанемометрами, и их датчики выполняются таким образом, чтобы их можно было легко поместить в любую точку газового потока [5, 354]. Устройство датчиков термоанемометров с терморезистором и термопарой показано на рисунке 8.

Рисунок 8 - Устройство датчиков термоанемометров с терморезистором (а) и термопарой (б)

Нить 1 нагревается до 200-800 ˚С протекающим по ней током и одновременно охлаждается обдувающим ее газовым потоком. При постоянном токе подогрева температура нити является функцией скорости. В преобразователе на рисунке 8 (а) нить выполнена из платиновой проволоки, сопротивление которой меняется в зависимости от температуры, и припаяна к двум манганиновым стерженькам 2; сквозь ручку 3 пропущены выводы 4 для включения преобразователя в измерительную цепь. В преобразователе на рисунке 8 (б) температура нити измеряется термопарой, сама нить может быть выполнена из любого высокотемпературного сплава.

Основными причинами погрешностей термоанемометров являются изменение температуры потока и изменение положения нити, т. е. угла между нитью и вектором скорости.


4 Преобразователи теплового и светового излучения (оптические преобразователи)

Оптические преобразователь измеряемой величины Х1 или Х2 в выходную электрическую величину I (рис. 9) содержит источник излучения потока Ф1, некоторый оптический канал и приемник излучения, воспринимающий поток Ф2 и преобразующий его в выходной электрический сигнал I.

Воздействие входной величины Х на поток излучения Ф2 может осуществляться двумя путями. В первом случае измеряемая величина Х1 (рисунок 6) воздействует непосредственно на источник излучения и изменяет тот или иной параметр излучаемого потока Ф1. Во втором случае измеряемая величина Х2 модулирует соответствующий параметр потока Ф2 в процессе его распространения по оптическому каналу.

Рисунок 9 – Принцип действия оптического преобразователя

4.1 Источники теплового и светового излучения

Источники оптического излучения подразделяются на тепловые и люминесцентные. К тепловым относятся лампы накаливания и газоразразрядные лампы сверхвысокого давления. К люминесцентным – электролюминофоры, газоразрядные лампы, оптические квантовые генераторы и светодиоды. Основными характеристиками источников являются интенсивность и спектральный состав излучения.

К лампам накаливания, применяемым в оптических приборах, предъявляются повышенные требования в отношении качества стекла баллонов, формы и расположении тела накала, которое должно быть малым по величине и равномерным по яркости.

Газоразрядные источники света дают свечение в результате прохождения электрического тока через газ или пар. Различают газоразрядные источники дугового, тлеющего и импульсного разряда.

Оптические квантовые генераторы (лазеры) позволяют получить чрезвычайно интенсивные остро направленные пучки монохроматического света. Существуют следующие типы лазеров: газовые, твердотельные (например, рубиновые) и полупроводниковые.

Основными преимуществами оптических генераторов на полупроводниковых материалах (арсенид галлия, арсенид индия и др.) являются высокий КПД (80-90%) и простота возбуждения и модуляции оптического излучения.

Светодиоды являются миниатюрными источниками света, для которых используются те же полупроводниковые материалы, что и для полупроводниковых лазеров. В отличие от лазеров светодиоды не имеют резонаторов, поэтому их излучение не когерентно.

4.2 Приемники оптического излучения

Приемники оптического излучения можно разделить на две большие группы: тепловые и фотоэлектрические. К тепловым приемникам относятся термоэлементы и болометры, принцип работы которых основан на предварительном преобразовании энергии излучения в тепловую. К фотоэлектрическим приемникам, объединяемым общим название “фотоэлементы”, относятся преобразователи, в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта: вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, фоторезисторы, вентильные фотоэлементы, фотодиоды и фототриоды, фотогальваномагнитные элементы.

Вакуумные фотоэлементы выполняются в виде сферических стеклянных баллонов, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий фотокатод. Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно, т.к. определяется в основном временем фотоэмиссии (10-12 с) и временем пролета электронов (10-9 с). Однако при использовании фотоэлементов приходится ориентироваться на значительно большую инерционность цепи, определяемую внутренним сопротивлением и емкостью фотоэлемента, а также сопротивлением и емкостью подключаемых к нему внешних цепей.

Газонаполненные фотоэлементы позволяют получать токи, в несколько раз большие по сравнению с токами от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами (Ne, Ar, Kr и т.д.) фотоэлектроны, движущиеся к аноду, сталкиваются с молекулами газа и ионизируют их. В результате от катода к аноду двигается нарастающая лавина электронов, а к катоду – лавина положительно заряженных ионов.

Рисунок 10 – Устройство фотоумножителя

В фотоумножителях для усиления первичного тока используется вторичная электронная эмиссия. Для этого в фотоумножителях (рис. 10), помимо катода К и анода А, вводятся вторичные катоды (эмиттеры) Э и системы фокусировки электронного пучка. Общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях может достигать сотен тысяч.

Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластину, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта, т.е. вследствие образования дополнительных пар “электрон-дырка” за счет энергии падающих фотонов.

В генераторных фотоэлементах, как и в фоторезисторах, используется внутренний фотоэффект в полупроводниках. Однако в них создаются условия, приводящие к пространственному разделению возбуждаемых светом носителей тока и, следовательно, к образованию фото-э.д.с. на зажимах фотоэлементов. Практическое применение в настоящее время имеют методы разделения с помощью магнитного поля и с помощью запорных слоев (p-n-переходов). Соответственно следует различать гальваномагнитные и вентильные (запорные) фотоэлементы.

Рисунок 11 - Гальваномагнитный фотоэлемент

Гальваномагнитный фотоэлемент (рис. 11) состоит из полупроводникового монокристалла 1, размещенного между полюсными наконечниками 2 постоянного магнита [5, 408]. Поток излучения, поглощаемый поверхностью кристалла, создает вблизи нее повышенную концентрацию электронно-дырочных пар, которые диффундируют вглубь кристалла. Движущиеся электроны и дырки отклоняются магнитным полем в разные стороны, и между электродами 3 и 4 устанавливается разность потенциалов. Если замкнуть эти электроды на малое внешнее сопротивление, то в цепи возникнет фототок, пропорциональный световому потоку.

Рисунок 12 - Вентильный фотоэлемент

Вентильный фотоэлемент (рис. 12) представляет собой полупроводниковый диод, один из электродов которого выполняется полупрозрачным. Световой поток проходит через полупрозрачный электрод 1, тонкий слой 2 полупроводника n-типа и поглощается в прилегающей к нему части пластинки полупроводника p-типа 3. В ней вследствие фотоэффекта образуется повышенная концентрация электронно-дырочных пар. Электроны увлекаются потенциальным барьером на границе p-n-перехода и беспрепятственно проникают в слой 2.

Фотодиоды представляют собой вентильные элементы, к которым приложено обратное напряжение (10-30 В) от внешнего источника. При таком включении потенциальный барьер возрастает и определяется внешним напряжением. Условия проникновения неосновных носителей из освещенной зоны через p-n-переход облегчаются. Вследствие этого возрастает чувствительность, а световые характеристики в широком диапазоне световых потоков становятся строго линейными.

Области применения оптоэлектрических преобразователей:

1. Фундаментальные законы излучения помогают использовать оптические методы для бесконтактного измерения температуры, такие приборы называются пирометрами:

  •  радиационные пирометры, их принцип действия основан на зависимости энергии, принимаемой пирометром, от яркости источника излучения и температуры.
  •  цветовые пирометры, их принцип действия основан на законе смещения Вина.
  •  яркостные пирометры, их принцип действия основан на сравнении излучения нагретого тела в одном определенном спектральном диапазоне с излучением абсолютно черного тела той же самой частоты.

2. Запись и восстановление голограмм.

В качестве примера оптоэлектрического преобразователя можно привести пирометрический датчик пожарной сигнализации, структурная схема которого представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Структурная схема пирометрического датчика пожарной сигнализации

Устройство содержит объектив 1, диафрагму 2, линзу 3, разделитель светового потока 4 (полупрозрачная пластинка), светофильтры 5 и 6 (которые выделяют обычно красную и синюю часть спектра), инфракрасные фотодетекторы 7 (фотодиоды – преобразуют поток излучения в эл. ток), операционные усилители сигнала 9 и 10, блок термостабилизации темновых токов, возникающих на корпусе прибора, 8, микропроцессор 11 и блок питания 12.

Пирометрический датчик пожарной сигнализации работает следующим образом. Инфракрасное излучение охраняемого объекта при помощи объектива 1 фокусируется и, пройдя через отверстие диафрагмы 2, разделяется светоделительной пластиной 4 на два потока. Каждый из этих потоков через светофильтр 5 или 6 с разными спектрами пропускания попадает на фотодетекторы 7. Линза 3 совместно с объективом 1 образуют оптическую систему, которая служит для фокусировки потока на чувствительные окна фотодетекторов. Светофильтры 5 и 6 выделяют из светового потока различные участки спектра. Сигналы с фотодетекторов 7 подаются на входы усилителей 9 и 10 и усиливаются ими. Для исключения влияния температуры корпуса датчика на значение фототоков фотодетекторов с блока термостабилизации темновых токов фотодекторов 8 на инвертирующие входы усилителей 9 и 10 подаётся сигнал равный темновым токам фотодетекторов при данной температуре их корпуса. Сигналы с усилителей подаются в исполнительную схему, которая состоит из микроконтроллерного блока 11 и блока питания 12.


5 Электростатические преобразователи

Простейший электростатический преобразователь состоит из двух электродов, расположенных параллельно на некотором расстоянии друг от друга в среде с диэлектрической проницаемостью ε (рисунок 14).

Э – экран; К – кабель; 1,2 – электроды.

Рисунок 14 – Эквивалентная схема электростатического преобразователя

Выходной величиной электростатического преобразователя могут быть:

  1.  изменение емкости;
  2.  электростатическая сила;
  3.  ЭДС, генерируемая при взаимном перемещении электродов, находящихся в электрическом поле.

Для электростатических преобразователей, в которых изменяется емкость входными величинами могут быть:

а) механическое перемещение, изменяющее зазор и площадь;

б) изменение диэлектрической проницаемости под действием изменения температуры и состава диэлектрика.

Для электростатических преобразователей с выходной величиной в виде силы входной величиной является напряжение. Эти преобразователи используются в электростатических вольтметрах, а так же в датчиках уравновешивания в качестве обратных преобразователей давления.

Электростатические преобразователи, использующие генераторный режим работают в емкостных модуляторах и измерителях поверхностных зарядов. Выходной величиной является напряжение. В генераторном режиме работают конденсаторные микрофоны, преобразующие акустическую энергию колебаний в электрическую.

В качестве примера электростатического преобразователя рассмотрим емкостной преобразователь для измерения уровня, устройство которого показано на рисунке 15 [5, 294].

Рисунок 15 – Устройство емкостного преобразователя для измерения уровня

Преобразователь состоит из двух параллельно соединенных конденсаторов: конденсатор С1 образован частью электродов и диэлектриком – жидкостью, уровень которой измеряется, конденсатор С0 – остальной частью электродов и диэлектриком – воздухом. По изменению общей емкости преобразователя можно судить об изменении уровня.


6 Электромагнитные преобразователи

Электромагнитный преобразователь – представляет собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле. Магнитное поле может быть создано как токами, так и внешними источниками.

В соответствии с принципом действия электромагнитные преобразователи могут подразделятся на следующие большие группы:

1. Преобразователи масштаба тока и напряжения (измерительные трансформаторы тока и напряжения и индуктивные делители напряжения).

2. Электромеханические преобразователи электрического тока в электромагнитную силу. Эти преобразователи используются в электромеханических приборах: амперметрах, вольтметрах, ваттметрах, фазометрах и в качестве обратных преобразователей датчиков уравновешивающего преобразования.

3. Индукционные преобразователи, используемые для измерения индукции постоянного и переменного магнитных полей, а так же скорости.

4. Индуктивные и взаимоиндуктивные преобразователи для измерения неэлектрических величин, влияющих на изменение положения отдельных частей преобразователя.

5. Магнитоупругие преобразователи, в которых используется зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов от механических напряжений в материале. Применяется для измерения сил и давлений.

6. Магнитомодуляционные преобразователи, в которых используются нелинейные свойства магнитной цепи.

7. Преобразователи использующие эффект Баркгаузена. Выходной величиной этих преобразователей является ЭДС магнитного шума.

6.1 Индуктивные преобразователи

На рисунке 16 (а) изображен преобразователь с малым воздушным зазором δ, длина которого изменяется под действием измеряемой величины P [5, 309]. Рабочее перемещение в преобразователях с переменным зазором составляет 0,01-10 мм.

Преобразователь с изменяющейся в соответствии со значением измеряемой величины площадью воздушного зазора приведен на рисунке 16 (б). Преобразователи такого типа можно применять при измерении перемещений порядка 5-20 мм.

На рисунке 16 (в) изображен преобразователь с разомкнутой магнитной цепью. Он представляет собой катушку 1, внутри которой помещен стальной сердечник 2. Перемещение сердечника вызывает изменение индуктивности катушки. Этот тип преобразователя применяется при значительных перемещениях сердечника (10-100 мм).

Рисунок 16 – Типы индуктивных преобразователей

Преобразователи, изображенные на рисунках 16 (г) и (д), основаны на изменении магнитного сопротивления вследствие размагничивающего действия вторичных токов. Преобразователи этого типа используются для измерения угловых перемещений до 180-360˚.

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя, что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или другим прибором без предварительного усиления.

6.2 Трансформаторные преобразователи

Рассмотрим в качестве примера преобразователь с распределенными магнитными параметрами (рис. 17) [5, 314].

Рисунок 17 – Преобразователь с распределенными магнитными параметрами

Преобразователь с распределенными магнитными параметрами предназначен для измерения больших линейных перемещений и состоит из магнитопровода 4 с рабочей частью в виде двух параллельных полос, обмотки 1 возбуждения и подвижной обмотки 2. При перемещении обмотки 2 от положения 3 до положения 5 индуктированная в обмотке 2 э.д.с. возрастает, причем зависимость приращения э.д.с. от перемещения обмотки 2 оказывается практически линейной, если магнитное сопротивление участка 3-5 магнитопровода мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора.

6.3 Индукционные преобразователи

Индукционные преобразователи в качестве естественной входной величины имеют скорость механического перемещения. Индукционные преобразователи можно подразделить на две группы. В преобразователях первой группы магнитное сопротивление на пути постоянного магнитного потока остается неизменным, а индуктированная э.д.с. наводится в катушке благодаря линейным (рис. 18 (а)) или угловым (рис. 18 (б)) колебаниям катушки в зазоре магнита [5, 317].

Рисунок 18 – Индукционные преобразователи

В преобразователях второй группы постоянный магнит и катушка неподвижны, а индуктированная э.д.с. наводится путем изменения магнитного потока вследствие полного магнитного сопротивления магнитной цепи, создаваемых чаще всего изменением воздушного зазора в этой цепи. Конструкция такого преобразователя показана на рисунке 18 (в). При вращении ротора происходит перераспределение магнитного потока постоянного магнита между обмотками с частотой, определяемой скоростью вращения и числом зубцов, и в обмотках индуцируется э.д.с.


Заключение

В результате проведенной теоретической работы были рассмотрены основные группы преобразователей сигналов. Также рассмотрено применение данных преобразователей в приборах (особенности применения, точность и погрешность, вносимая этими преобразователями).

Рассмотрение каждой отдельной группы преобразователей строилось по определенной схеме:

  •  рассматривались входные и выходные величины преобразователей;
  •  рассматривались типы и виды преобразователей;
  •  рассматривались области применения преобразователей;
  •  рассматривались погрешности преобразователей;
  •  на примере определенного прибора рассматривалось использование преобразователя на практике.


Список использованных источников

  1.  Измерения в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура: Пер. с нем./ Под ред. Профоса П. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1990, 384 с.
  2.  Куликовский К. Л., Купер В. Я. Методы и средства измерений: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 448 с.
  3.  Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Осадчего Е. П. – М.: Машиностроение, 1979. – 480 с., ил.
  4.  Тензометрия в машиностроении. Справочное пособие. Под ред. к.т.н. Р. А. Макарова. – М.: Машиностроение, 1975, 288 с., с ил.
  5.  Электрические измерения неэлектрических величин. Изд. 5-е, перераб. и доп. Л., “Энергия”, 1975. – 576 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53446. Операции над бинарными деревьями 22.87 KB
  Бинарное (Двоичное дерево поиска (англ. binary search tree, BST)) дерево - это конечное множество элементов, которое либо пусто, либо содержит один элемент, называемый корнем дерева, а остальные элементы множества делятся на два непересекающихся подмножества
53447. Формування інформативної компетентності старшокласників засобами Інтернету 50.5 KB
  Чому так відбувається Глобальна мережа Інтернет містить багато різноманітної інформації як корисної енциклопедії новини навчальні сайти тощо так і зовсім некорисної для старшокласників порносайти сайти про насилля. Тому вчителю інформатики дуже важливо навчити учнів орієнтуватися у морі інформації до якої дає доступ мережа Інтернет: обирати потрібну інформацію із заданого питання аналізувати її вірно інтерпретувати. [1] Діяльність вчителя [2] з питання формування інформатичної компетентності старшокласників зводиться до: підбору...
53448. Ukraine is my native country 34.5 KB
  The capital of Ukraine if Kyiv. It is one of the most beautiful cities in the world. It is situated on the banks of the Dnipro River. The streets of Kyiv are wide and nice. They are lined up with chestnut trees. Kyiv is known as the scientific, industrial and cultural centre of the country. The people of our state are proud of their capital and love it with all their hearts. A lot of tourists visit Kyiv and enjoy its beauty and majesty.
53449. Впровадження інтерактивного навчання на уроках німецької мови 8.72 MB
  Актуальність змісту Розширення пізнавальних можливостей учнів, зокрема, у здобуванні, аналізі та застосуванні інформації з різних джерел, можливість перенесення отриманих умінь, навичок та способів діяльності на різні предмети та позашкільне життя учнів.
53451. Інтерактивна гра. «Права людини» 37 KB
  Проблеми Як їх вирішити Членам команд пропонується проблема яку потрібно вирішити. Проблема перша Одна жінка зпоміж членів групи любить співати але на жаль вона співає безперестанку. Чи ви: а нічого не робите і дозволяєте їй співати коли б вона цього незабажала б вимагаєте щоб вона переставала співати коли хтось іде поруч із нею Проблема друга Кілька людей яких поранило при посадці затримують ваш рух і ви побоюєтесь що в такому темпі ви не встигнете добратися до буйка поки не...
53452. Процедура Bubble_sort и ее особенности 18.77 KB
  Сортировка простыми обменами, сортиро́вка пузырько́м (англ. bubble sort) — простой алгоритм сортировки. Для понимания и реализации этот алгоритм — простейший, но эффективен он лишь для небольших массивов.
53453. Оптимизация процедуры Quick_sort, особенности 22.82 KB
  Быстрая сортировка (англ. quicksort), часто называемая qsort по имени реализации в стандартной библиотеке языка Си — широко известный алгоритм сортировки, разработанный английским информатиком Чарльзом Хоаром во время его работы в МГУ в 1960 году.
53454. Кристаллическое строение вещества 711 KB
  Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции