1.2. Структурная схема цип

ВУ – входное устройство; содержит аналоговые преобразователи. К ним в первую очередь относятся аттенюатор, усилитель, фильтр; в ряде случаев преобразователь переменного напряжения в постоянное. Функции ВУ – ослабление, усиление, преобразование информации; считывание реализаций записанных на ленте, фотопленке, магнитных носителях и др. с преобразованием в электрические напряжения.

ПП (датчик) – предварительный преобразователь, назначение которого состоит в преобразовании измеряемой величины X(t), которая в общем случае может быть любой физической величиной (температура, давление, влажность, линейный размер и т.д.) в пропорциональную величину, удобную для измерения электронным методом. Номенклатура Y(t) весьма ограничена. Как правило, ПП преобразовывает X в напряжение постоянного тока , интервал временилибо в частоту следования стандартных по амплитуде и длительности импульсов.

; ;.

Этого преобразователя в схеме может и не быть, если измеряемая величина ,либо(необязательность наличия блока преобразователя в структурной схеме условно показано пунктирной линией). В схеме возможно и несколько преобразований, например,, либо, если по каким-то причинам целесообразно измерять не напряжение постоянного тока, а временной интервал, либо частоту.

Преобразователь ‑ прибор, который преобразовывает одну форму энергии в другую.

Типы преобразователей - активный, пассивный.

Активный преобразователь (автогенерирующий) ‑ преобразовывает одну форму энергии в другую без внешнего источника энергии. Пример: термопара.

Пассивный преобразователь не может непосредственно преобразовывать энергию, но управляет энергией или возбуждением, которые поступают от другого источника. Пример: преобразователь потенциометрический, в котором механические изменения на входе вызывают на выходе сигнал, пропорциональный входному.

Энергия классифицируется на 6 форм: механическая, электрическая, магнитная, тепловая, излучательная, химическая.

Варианты использования преобразователя:

Рис.1.1 Схема измерительной системы с использованием П.

Преобразователь ‑ первое звено в измерительной системе. Он может быть расположен в самом корпусе прибора либо отнесён от прибора (например, во вредную среду).

Характеристики преобразователей:

Чувствительность преобразователя ‑ выходной сигнал (обычно в В), который вырабатывается при заданном входном сигнале и уровне возбуждения.

Разрешение — наименьший сигнал, который может быть измерен.

Воспроизводимость – указывает, насколько близки результаты двух измерений одной и той же величины.

Точность преобразователя ‑ зависит от рабочих условий (температура, ускорение, вибрация).

Частотная характеристика преобразователя ‑ зависимость выходного сигнала от изменения частоты на входе. Требования: должна быть плоской.

Динамическая характеристика преобразователя ‑ определяет реакцию преобразователя на ступенчатое изменение входного сигнала.

Постоянная времени - это время необходимое преобразователю, чтобы достичь 63 % уровня его оконечного сигнала.

Время отклика - время, необходимое для достижения 90 % от уровня оконечного сигнала.

Резонансная частота преобразователя не должна находится в измерительном диапазоне.

Преобразователь должен быть устойчив к шумам (как правило, это не сигналы, кроме измеряемого).

Классификация преобразователей.

В таблице представлена матрица: тип - применение для ряда преобразователей.

1. Резистивные преобразователи измеряемая величина прямо или косвенно через силовое устройство приводит к изменению сопротивления резистора (типы преобразователей: потенциометры, тензодатчики, магниторезисторы, фотосопротивления, термометры, сопротивления, термисторы).

Тензодатчики измеряют результат действия силы, при этом деформация от механического воздействия преобразуется в изменение сопротивления. Размеры тензодатчика – min 0,025 см в длину. Измеряют деформацию до 10^-6. Типы тензодатчиков: проволочные, фольговые и полупроводниковые. Чувствительность тензодатчика измеряется как отношение изменения сопротивления к изменения длины - коэффициент тензочувствительности:

У металлов К=1,5…1,7, у сплавов для тензодатчиков К=2…5. В полупроводниковых тензодатчиках давление вызывает деформация кристаллической решётки (пьезоэлектрический эффект), при этом изменение сопротивления значительно больше и коэффициент тензочувствительности в пределах 50…200. Полупроводниковый тензодатчик делают из кремниевых кристаллов, нарезанных в виде волокна.

Полупроводниковые датчики высокочувствительны, но менее линейны и имеют более высокую температурную зависимость, чем металлические датчики. Поэтому их используют вместе с компенсационными цепями.

Преобразователи на магнитных эффектах.

1. Преобразователи на эффекте холла (вспомнить пример ‑ пластинка из полупроводникового материала в волноводе) – изменение напряжения магнитного поля. Измерение Р в диапазоне СВЧ.

2. Магниторезисторы чувствительны к общему магнитному полю (а не к скорости его изменения).

3. Пьезоэлектрические преобразователи (пьезо ‑ греч. давить).

Эффект открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Связывает механическую деформацию в кристалле с возникающим в нём электрическим сигналом. Электрическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому кристаллу, вызывает его механические деформации.

Естественные кристаллы ‑ кварц, турмалин.

Керамика приобретает свойства пьезо после обработки в электрическом поле 10…30 кВ/см - действует как монокристалл. Достоинство пьезокерамики ‑ с неё можно изготавливать образцы сложной конфигурации, она химически устойчива.

4. Оптические преобразователи – их много; методы различные.

Для приёма и передачи света используют оптические волокна, нередко свет модулируется измеряемой величиной.

Основные типы фотоприёмников: фотоэлектронные, без р-n-переходов или объёмные на р-п-переходах.

а) фотоумножители - фотоэлектрические устройства. Первый цифровой вольтметр с применением фотоумножителя (кодовая маска на экране осциллографа). Анодный ток пропорциональный интенсивности падающего света. Недостаток громоздки и дороги. U= 300…2500 В. Преимущество ‑ хорошая частотная характеристика и высокая чувствительность ( от 100 до 1000 нм) не используют в электронных схемах общего назначения.

б) приемники без р-п-переходов (приборы с фотопроводимостью или фоторезисторы). Принцип генерации электронно-дырочных пар в материале при его освещении. Электроны переходят в зону проводимости, уменьшая объемное сопротивление.

Преобразователи для измерения температуры (либо косвенные измерения другой физической величины, которая вызывает пропорциональное изменение температуры).

а) термометры сопротивления;

б) термопары;

в) термисторы,

г) другие температурные датчики пирометр (высокотемпературные измерения ‑ металлургия).

Термометры сопротивления делают из проволоки (металлической фольги), намотанной на каркас.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь.

ЗУ – запоминающее устройство; обозначено пунктиром, т.к. может отсутствовать. Например, при реализации измерителя математического ожидания случайного процесса ЗУ отсутствует, а при оценке дисперсии оно необходимо. Информация от ЗУ поступает в блок обработки, включающий либо стандартную микропроцессорную систему (МПС) либо специализированный вычислитель (СПВ).

СПВ применяется в случае, когда предъявляются особые требования при обработке сигналов.

Очевидно, что цифровая обработка сигналов (ЦОС) включает функциональные структуры, например, цифровую свертку, быстрое преобразование Фурье (БПФ), рекуррентное соотношение второго порядка.

Для реализации подобных алгоритмов ЦОС и создаются эффективные специализированные микропроцессорные интегральные средства. Таким образом СПВ отличается от МПС спецификой решаемых задач, включающих особые требования к быстродействию, памяти, записи информации, управляющим устройством, организацией обработки информации и др.

ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, регистрирующее результат измерения.

УУ – устройство управления – координирует работу всех узлов, задает продолжительность времени измерения , выполняет операции временного сдвига (например, сдвиг реализации случайного процесса в коррелометрах) и др.