Схемы формирования сигналов пассивных датчиков

5.3.1. Общие характеристики

Вариации импеданса пассивного датчика, связанные с изменениями измеряемой величины , могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения датчика с источником напряжения или тока в измерительную схему.

При этом измерительная схема характеризуется собственным импедансом , а измеряемая величина преобразуется либо в напряжение выходного электрического сигнала

, (5.27)

как в случае потенциометрических и мостовых схем, либо - в изменение частоты

(5.28)

как в генераторных схемах.

Изменению измеряемой величины соответствует изменение импеданса датчика, которое в зависимости от типа схемы вызывает изменение либо амплитуды, либо частоты измеряемого напряжения.

Общая чувствительность измерительной схемы равна:

- для амплитуды сигнала

, или (5.29)

- для частоты сигнала

 

, или . (5.30)

Здесь , - чувствительности собственной схемы формирования;

- чувствительность датчика.

Пример измерительной потенциометрической схемы c пассивным датчиком представлен на рисунке 5.8.

5.3.2. Потенциометрические схемы датчиков

Схема с резистивными датчиками

Схема такого датчика приведена на рисунке 5.9.

Датчик с изменяющимся сопротивлением включен последовательно с резистором постоянного сопротивления , питается источником с внутренним сопротивлением , э.д.с. которого постоянна или переменна.

Напряжение на выходе датчика обычно не зависит от используемого измерительного прибора, оно определяется по выраженрию:

. (5.31)

В общем случае напряжение , определяемое по приведенной формуле (5.31), является нелинейной функцией от сопротивления . Поэтому выражение необходимо линеаризовать. При этом желательно, чтобы вариации были пропорциональны вариации сопротивления датчика.

Схема с индуктивными и емкостными датчиками

Схема такого датчика представлена на рисунке 5.10. Здесь полагается, что импеданс датчика определяется выражением

, (5.32)

где - активное (резистивное) сопротивление датчика;

- индуктивное или емкостное сопротивление датчика.

Импеданс измерительной схемы соответственно в общем виде определяется выражением

, (5.33)

Сопротивления и включены последовательно в цепь с источником синусоидальной э.д.с. .

Недостатки потенциометрической схемы

Потенциометрические схемы датчиков имеют недостатки:

1) Они связаны с опасностью изменения чувствительности из-за дрейфа источников питания и паразитных влияний;

2) Кроме того, в выходном сигнале может присутствовать постоянная составляющая, не содержащая полезной информации.

5.3.3. Мостовые схемы датчиков

Мостовые схемы позволяют исключить постоянную составляющую измеряемого напряжения, присутствующего в потенциометрических схемах.

Мостовая схема представляет собой двойной потенциометр с дифференциальным включением. Соответствующая обобщенная схема представлена на рисунке 5.11.

Оптические датчики

5.4.1. Определения и основные зависимости

Оптические датчики позволяют преобразовать в электрический сигнал информацию, доставляемую видимым светом или излучением соседних длин волн – инфракрасным и ультрафиолетовым.

Свет – это электромагнитные колебания, излучаемые при электронных переходах в атомах источника с одного энергетического уровня на другой.

Свет, с другой стороны, состоит из фотонов с энергией

, (5.34)

где - постоянная Планка;

- частота излучения.

Поглощение одного фотона веществом вызывается освобождением одного электрона-носителя заряда.

Освобождение носителей под действием светового излучения называется фотоэлектрическим эффектом. На этом эффекте, приводящем к изменению электрических свойств материала, основано действие оптических датчиков.

Величинами, относящимся к световому излучению, являются следующие энергетические величины:

- энергия излучения Q, измеряется в джоулях – [Дж];

- поток излучения Ф – мощность излучения: , измеряется в ваттах – [Вт];

- сила излучения I – поток излучения, испускаемый в данном направлении в единичном телесном угле W: , измеряется в [Вт/ср];

- энергетическая яркость L – сила излучения с элемента поверхности: , измеряется в [Вт/ср/м²].

Свет как носитель информации

Для оптического излучения так же, как и электрического тока, можно указать две основные области применения:

- энергетическое применение, как освещение, инфракрасный нагрев;

- информационное применение, когда свет служит носителем информации, которую он должен передавать, переносить.

Во втором случае измеряемая величина изменяет один из физических параметров излучения, воздействуя на него непосредственно или косвенно.

Физический параметр излучения, на который оказано воздействие, является вторичной измеряемой величиной; к ней и чувствителен оптический датчик.

В таблице 5.3 перечислены возможные изменения оптического излучения под воздействием измеряемой величины.

Таблица 5.3. Изменения оптического излучения под воздействием измеряемой величины.

Параметр излучения	Характер изменения	Первичная измеряемая величина
Направление распространения	Отклонение	Угловые координаты, деформация
Поток	Модуляция прерывания	Скорость вращения диска, число объектов
Частота	Изменение частоты (эффект Доплера)	Скорость перемещения
Поляризация	Вращение плоскости поляризации	Давление, механическое напряжение

Входной величиной оптического датчика обычно является электрический ток, поэтому ток и его вариации в функции различных параметров чаще всего служат для характеристики свойств датчика.

Чувствительность датчика.

Поток излучения оптического сигнала, воспринимаемого датчиком, приводит к возникновению фототока , который вместе с темновым током (постоянно изменяющимся на выходе фоточувствительного устройства, помещенного в темноту) составляет суммарный ток

при . (5.35)

Чувствительность оптического датчика определяется как соотношение (аналогичное (5.2))

, . (5.36)

Для линейного датчика статическая чувствительность не зависит от мощности излучения Ф.

В этом случае имеем

. (5.37)

5.4.2. Фоторезисторы

Фоторезистор, являющийся резистивным датчиком, испытывает воздействие потока излучения.

Физические явления, на которых основано действие датчика - фотопроводимость, - представляют собой внутренний фотоэффект.

Фоторезисторы применяются в таких исследованиях, когда делается оценка принимаемого потока.

Изменение сопротивления фоторезисторов или обнаружение изменения его величины осуществляется с помощью различного типа схем формирования сигналов, соединенных с резистивными датчиками.

5.4.3. Фотодиоды

Использование фотодиодов основано на использовании эффекта p-n - переходов в полупроводниках.

5.4.4. Тепловые приемники излучения

В рассмотренных выше оптических датчиках преобразование оптического сигнала в электрический осуществляется за счет фотоэлектрического эффекта в результате воздействия света. При этом энергия фотонов прямо передается освобождаемым электронам.

В случае тепловых преемников излучения первичным процессом является преобразование энергии поглощенного света в энергию теплового возбуждения решетки, которое вызывает повышение температуры приемника, приводящее к изменению его электрических свойств.

К этим электрическим величинам относятся:

- сопротивление металлического или полупроводникового элемента;

термо-э.д.с., т.е. возникновение э.д.с. в электрической цепи, состоящей издвух проводников с различными свойствами.

5.4.5. Датчики изображения

Световое изображение – это представление объекта или его картины оптическими средствами.

Датчики изображения выдают электрические сигналы, в которых содержится преобразованная информация об оригинальном изображении.

Эти электрические сигналы поступают в различные электронные устройства обработки, что позволяет передавать их на расстояние и использовать для восстановления изображения на экране электронно-лучевой трубки.

Другая область применения датчиков – это телевизионные камеры.

Датчики изображения также применяются в научных исследованиях и в промышленности для обследования технологических установок и неблагоприятной окружающей среды.

5.4.6. Волоконная оптика

Оптическое волокно служит световодом и находит применение:

- в передаче информации, преобразованной в оптические сигналы с целью исключения влияния на них электромагнитных наводок;

- при наблюдении или измерении оптическими средствами в труднодоступных зонах и др.;

- при генерировании оптических сигналов путем модуляции света под действием физической величины, которая, изменяя оптические свойства волокна, изменяет условие прохождения через него света; в этом случае волокно является датчиком.

Датчики температуры

5.5.1. Методы измерения температуры

Благодаря многообразию свойств веществ и физических явлений, зависящих от температуры, создано большое количество методов измерений температуры:

- оптические (основаны на эффекте изменения излучения);

- механические (основаны на эффекте расширения тел при увеличении температуры);

- электрические (основаны на эффекте изменения сопротивления тел от температуры, на эффекте Зеебека - фотоэффекте).

 

5.5.2. Шкалы температур

Шкала Кельвина

Размерность по этой шкале обозначается как [ ].

Шкала определяется из условия, что температура воды в тройной точке – температура равновесия воды, льда и пара – равна 273.16^оК (см. рисунок 5.12).

Шкала Цельсия

Размерность по этой шкале имеет вид [ ].

Связь между этой шкалой и шкалой Кельвина определяется соотношением:

(5.38)

Очевидно, за 0 температуру принимается температура замерзания воды (рисунок 5.12).

Шкала Рэнкина

Единицей измерения является градус Рэнкина - [ ^oR ].

Связь между единицами измерения температуры по Рэнкину по Кельвину определяется соотношением:

(5.39)

При таком определении температура в тройной точке (рисунок 5.12) равна

. (5.40)

Шкала Фаренгейта

Единицей измерения является градус Фаренгейта - [ ^oF ].

Она получается смещением нуля абсолютной шкалы Рэнкина по формуле:

. (5.41)

Приведем еще связь между единицами измерения по шкале Цельсия и Фаренгейта, как наиболее часто встречающиеся на практике:

. (5.42)