Лекция № 10. Физические принципы работы наиболее распространенных измерительных преобразователей

Шумы АЦП

Динамические параметры

Возникновение динамических погрешностей связано с дискретизацией сигналов, изменяющихся во времени. Можно выделить следующие параметры АЦП, определяющие его динамическую точность.

Максимальная частота дискретизации (преобразования) - это наибольшая частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, при которой выбранный параметр АЦП не выходит за заданные пределы. Измеряется числом выборок в секунду. Выбранным параметром может быть, например, монотонность характеристики преобразования или погрешность линейности.

Время преобразования (t_пр) - это время, отсчитываемое от начала импульса дискретизации или начала преобразования до появления на выходе устойчивого кода, соответствующего данной выборке. Для одних АЦП, например, последовательного счета или многотактного интегрирования, эта величина является переменной, зависящей от значения входного сигнала, для других, таких как параллельные или последовательно-параллельные АЦП, а также АЦП последовательного приближения, примерно постоянной. При работе АЦП без УВХ время преобразования является апертурным временем.

Время выборки (стробирования) - время, в течение которого происходит образование одного выборочного значения. При работе без УВХ равно времени преобразования АЦП.

В идеале, повторяющиеся преобразования фиксированного постоянного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако, вследствие неизбежного шума в схемах АЦП, существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится некоторое распределение кодов. Если подогнать Гауссовское распределение к полученной гистограмме, то стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратическому значению входного шума АЦП.

Сначала рассмотрим основные явления используемые для преобразования электрических и неэлектрических величин в пропорциональные параметры электрических сигналов. Часто, непосредственно преобразовать измерительный сигнал в электрический параметр не удается, в таком случае сначала значение измеряемой величины преобразуется в некий промежуточный параметр (например, в перемещение подвижного элемента, деформацию и т.п.), а затем этот параметр преобразуется в электрический.

В общем случае, преобразователь может быть представлен следующей схемой

В данном разделе рассматриваются физические явления используемые при создании преобразующих элементов.

Ёмкостные преобразователи

Емкостные преобразователи основаны на зависимости электрической ёмкости конденсатора от:

1. Расстояния между пластинами.

2. Взаимного положения (площади перекрытия) пластин.

3. Диэлектрической проницаемости среды.

Если конденсатор состоит из двух пластин, то его ёмкость равна:

Здесь e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; S – площадь пластин, x- расстояние между пластинами.

Преимуществами такого типа датчика является простота, высокая чувствительность. Может использоваться как непосредственно для измерения параметров измеряемой среды, связанных функциональной зависимостью с диэлектрической проницаемости (например диэлькометрический метод измерения плотности, влажности и т.д.), так и для измерения линейных и угловых перемещений в широких пределах.

Недостатки: влияние внешних электрических полей, что требует тщательно экранировки датчика, необходимость питания измерительного преобразователя от источника переменного напряжения высокой частоты, инерционность, нелинейность характеристик. Низкое значение мощности получаемого с датчика сигнала.

Наиболее распространены два метода измерения ёмкости:

1. С помощью моста переменного тока, в котором преобразователь используется как элемент одного из плечей моста.

2. С помощью мультивибратора, в котором преобразователь включается во времязадающую цепочку, определяющую частоту генерируемых колебаний.

Пьезоэлектрические преобразователи

Их принцип действия основан на т.н. пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в возникновении электростатического заряда или напряжения в некоторых веществах при возникновении в них механических напряжений. Механическое напряжение может образовываться под действием сжатия, растяжения или изгиба, которые создаются под действием измеряемой величины или связанным с ней механическим усилием.

Для измерения электростатического заряда в пластине пьезоэлемента с ним соединяют две пластины, при этом образуется конденсатор.

Ёмкость конденсатора определяется из выражения

где Q – электрический заряд, U – приложенное к пластинам напряжение. Напряжение или заряд образуются в момент приложение усилия и пропорционально величине механического усилия (деформации). Далее измерение деформации осуществляется аналогично измерению ёмкости.

Пьезоэлементы изготавливают из

1) Природных кристаллов, например кварца,

2) Синтетические кристаллы, например сульфат лития,

3) Поляризованная ферромагнитная керамика, например титанат бария.

Электромагнитные преобразователи

Их принцип действия основан на возникновении ЭДС в проводнике движущемся в постоянном магнитном поле или в проводнике неподвижно находящемся в переменном или движущемся магнитом поле.

Где Ф - магнитный поток.

К данному классу относятся как датчики генераторного типа, вырабатывающие сигнал непосредственно под действием измеряемой величины, так и пассивные датчики, например индуктивные и трансформаторные.

Электромагнитный преобразователь

Индуктивное преобразование

Трансформаторное преобразование

Электромашинные преобразователи

К ним относятся преобразователи, основанные на взаимном действии подвижных электромагнитных полей, или подвижного и неподвижного электромагнитного. К ним относятся, например, тахогенераторы постоянного и переменного токов, сельсины, поворотные трансформаторы.

К преимуществам таких датчиков относятся механическая прочность, низкая чувствительность к воздействию внешних электрических и магнитных полей, достаточно высокая мощность выходного сигнала, возможность работы без использования энергии внешнего источника (для генераторных датчиков).

Недостатки: сложность конструкции, большие габариты, высокая стоимость, необходимость и относительно высокая стоимость обслуживания.

Электромеханические и магнитомеханические преобразователи

Основаны на преобразовании энергии электрического или магнитного поля в механическую энергию, приводящую в действие контакты или преобразуемую в электрическую энергию помощью дополнительных элементов. К ним относятся герметизированные магнитоуправляемое контакты, устройства на базе биметаллических элементов.

Ионизационные преобразователи

Преобразователи основанные на преобразовании измеряемой величины в величины тока ионизации в жидкости, газе или твердом диэлектрике.

Используется данный принцип, например, для определения кислотности растворов.

Фотоэлектрические преобразователи

К ним относятся преобразователи, основанные на преобразовании энергии светового излучения в оптическом диапазоне и за его пределами (ультрафиолет, инфракрасное излучение) в электрическую энергию или в изменение параметров электрической цепи (например, сопротивления). Фотопроводящие преобразователи преобразуют измеряемую величину в изменение активного сопротивления (проводимости). Не смотря на то что фотопроводящие преобразователи часто изготавливаются из полупроводниковых материалов, не все они в полной мере относятся к полупроводниковым приборам, т.к. они, как правило, не имеют p-n переходов и их свойства не основывается на искусственном создании примесной проводимости. Для ф.п.п. характерна прямая пропорциональность проводимости и освещенности, т.е. сопротивление их обратно пропорционально освещенности, изменяясь от мегомов при отсутствии освещенности до сотен Ом при её наличии.

Фотоэлектрическими (фотоэлектронными) называют приборы, преобразующие энергию оптического излучения в электрическую.

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, изменяющие свою проводимость под действием лучистой энергии. Принцип действия их основан на появлении дополнительных пар носителей заряда под действием лучистой энергии. Рабочее напряжение у некоторых фоторезисторов достигает до сотен вольт, а отношение светового тока к темновому при освещении 100 лк достигает 100. Однако частотный диапазон фоторезистров невелик. На частоте порядка 1кГц чувствительность падает почти вдвое.

Фотодиоды- это полупроводниковые приборы, с p–n–переходом, в которых под действием лучистой энергии в области p появляются дополнительные носители электричества - дырки, а в области n – электроны.

На рис. показаны две схемы включения ФД: а – фотогенерации (солнечной батареи), б – фотопреобразования. Наибольший КПД солнечных батарей (до 20 %) удается получить, используя кремниевые ФД. Удельная выходная мощность солнечных батарей достигает кВт/м².

Вольтамперные характеристики ФД в режиме фотогенератора и фотопреобразователя представлены на рис. 1 в,г (германиевый ФД).

Спектральные и частотные характеристики ФД зависят от материалов, используемых для их изготовления. Существенным недостатком ФД является зависимость их параметров от температуры. По сравнению с фоторезисторами ФД имеют большее быстродействие, но меньшую чувствительность.

Фототранзисторы - это полупроводниковые фотоприборы с двумя p–n–переходами. Часто ФТ изготовляют как обычный германиевый или кремниевый транзистор. Иногда в этом транзисторе делают всего два вывода – эмиттерный и коллекторный. Световой поток падает на базовую область. Обозначение ФТ, схема включения и вольт–амперные характеристики показаны на рис.

Фототок, возникающий в p–n–переходе эмиттер – база, усиливается транзистором, и его коллекторный ток будет I_к= bI_ф, где b – статический коэффициент усиления по току (усиления транзистора).

Чувствительность ФТ значительно выше, чем у ФД. Граничная частота составляет обычно несколько кГц. Спектральная характеристика ФТ зависит от вещества, из которого сделан прибор.

Резистивные преобразователи

Их принцип действия основан на изменении активного сопротивления чувствительного элемента под действием измеряемой величины. К ним относятся фоторезисторы, терморезисторы или термисторы, магниторезисторы, тензорезисторы и т.д. В качестве резистивного преобразователя так же могут быть использованы обычные потенциометры.

Недостатками указанных измерительных преобразователей является нелинейнеость характеристик, температурная нестабильность, уязвимость к воздействию внешних полей. Для потенциометров недостатком является наличие подвижного контакта, что приводит со временем к возникновению переходного сопротивления окисла, приводящего к возникновению систематической погрешности.

Резистивные преобразователи как правило включаются в мостовые схемы, как правило постоянного тока (например мост Уинстона) или в дифференциально-мостовые схемы, что позволяет частично или полностью скомпенсировать указанные недостатки.

Характеристики термометра сопротивления и термистора.

Конструкция и принцип действия магниторезистивных датчиков

В качестве магниторезисторов используются ферромагнитные вещества, например пермаллой, сопротивление которых зависит от магнитного поля.

В тензодатчиках как правило используются металлические преобразующие элементы, длина и поперечное сечение которых изменяется при приложении к ним нагрузки. Некоторые тензодатчики, например полупроводниковые, обладают пьезоэлектрическими свойствами. Их чувствительность значительно выше. Обилась применения тензодатчиков чрезвычайно широка, т.к. с их помощью можно измерять практически любые величины, которые можно преобразовать в механическое усилие.\

Сопротивление термистора может быть определено из выражения.

Существуют как термистор с отрицательным (NTC-термисторы), так и с положительным (PTC-термисторы) температурным коэффициентом.

Преобразователи на основе эффектов Холла и Виганда

Когда полупроводник с протекающим по нему током помещается в магнитное поле, так что направление тока в нем перпендикулярно направлению магнитных линий, в нем образуется поперечное магнитное поле, пропорциональное произведению магнитного потока и электрического тока. Это явление называется эффектом Холла и широко используется для измерений токов, напряжений и магнитного потока в электрических цепях.

Материалом, используемым при создании элементов Холла как правило служат арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb).

Эффект Виганда возникает в катушке из провода изготовленного из материала с определенными свойствами, которые заключаются в том, что при помещении катушки в магнитное поле, при превышении его напряженностью определенной величины направление намагничивания в катушке спонтанно изменяется. Последнее приводит к возникновению импульса напряжения в катушке (длительность – мкс, амплитуда – ед. В).
Датчики Виганда относятся к датчикам генераторного типа, т.е. не требуют внешнего источника питания. Их характеристики мало зависят от температуры, а так же от амплитуды и скорости изменения магнитного поля.

Термоэлектрические преобразователи

Т.э.п. это элементы, преобразующие изменение температуры в изменение тока возникающего на спае разнородных материалов в следствие т.н. эффекта Зеебека. Наиболее распространенным видом приборов такого типа являются термопары, чувствительный элемент которого состоит из двух спаев (холодного и горячего) двух металлических проводников. На двух спаях образуется т.н. контактная разность потенциалов.

Эффект Зеебека

Принцип действия термопары

Термопары являются датчиками генераторного типа, т.е. вырабатывают эдс пропорциональную разнице температур спаев (мВ). На практике сложность использования термопар заключается в том, что при подключении к термопаре вторичного измерительного прибора образуется новый спай, кроме того необходимо создание стабильной опорной температуры.

Ультразвуковые, радиоволновые и оптические датчики

Их принцип действия основан на разнице скорости распространения, соответственно, ультразвука, радиоволн и светового излучения в различных средах, что позволяет измерять параметры этих сред, такие как плотность, скорость движения потока, положение уровня раздела двух сред и т.д.