Датчики справочное пособие под общ ред в.М шарапова

В.М. Шарапов Е.С. Полищук Н.Д. Кошевой Г.Г. Ишанин И.Г. Минаев А.С. Совлуков ДАТЧИКИ. Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука

1 В.М. Шарапов Е.С. Полищук Н.Д. Кошевой Г.Г. Ишанин И.Г. Минаев А.С. Совлуков ДАТЧИКИ Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука ТЕХНОСФЕРА Москва 2012

2 УДК ББК Д21 Рецензент: Тымчик Г.С., д.т.н., профессор, декан приборостроительного факультета, зав. кафедрой производства приборов Национального технического университета Украины «КПИ» Д21 Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука Москва: Техносфера, с., ISBN В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны конструкции и характеристики датчиков физических величин. Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов, специалистов в области разработки датчиков, измерительных приборов, элементов и устройств вычислительной техники и систем управления. УДК ББК Авторы: Шарапов В.М., Полищук Е.С., Кошевой Н.Д., Ишанин Г.Г., Минаев И.Г., Совлуков А.С. 2012, В.М. Шарапов, Е.С. Полищук и др. 2012, ЗАО «РИЦ «Техносфера», оригинал-макет, оформление ISBN

3 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Термины и определения Классификация датчиков Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 24 Литература Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков) Общие сведения Обобщенный генераторный преобразователь Метод электромеханических аналогий Литература Глава 3. Характеристики датчиков Общие сведения Статические характеристики Метрологические характеристики Динамические характеристики Типовые динамические звенья Литература Глава 4. Электронные устройства датчиков Общие сведения Операционный усилитель Усилители заряда Аналогово-цифровые преобразователи Генераторы сигналов Литература Глава 5. Упругие элементы датчиков Основные разновидности и расчетные соотношения Материалы упругих элементов Статические и динамические характеристики упругих элементов Литература Глава 6. Оптические элементы датчиков Общие сведения Элементы геометрической оптики Фотометрия Источники оптического излучения Оптические материалы Линзы Светопропускающие окна Плоские и сферические зеркала Волоконные световоды Покрытия, поглощающие тепловое излучение Литература

4 6 Содержание Глава 7. Резистивные датчики Основные характеристики Реостатные датчики перемещений Тензорезистивные датчики Полупроводниковые тензодатчики Литература Глава 8. Емкостные датчики Общие сведения Емкостные датчики давления Датчики уровня Емкостный датчик перемещений (неровности поверхности) Измерительные схемы емкостных датчиков Литература Глава 9. Пьезоэлектрические датчики Общие сведения Пьезоэлектрические материалы Классификация пьезоэлектрических датчиков Методы исследования пьезоэлектрических датчиков Пьезоэлектрические резонаторы Пьезокерамические трансформаторы Пространственная энергосиловая структура пьезокерамического элемента Обратная связь в пьезоэлектрических датчиках Биморфные и триморфные пьезоэлементы Резонансные пьезодатчики Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов Электроакустические преобразователи Литература Глава 10. Электромагнитные преобразователи Основные разновидности Индуктивные преобразователи Взаимоиндуктивные преобразователи Индукционные преобразователи Магнитоупругие и магнитоанизотропные преобразователи Датчики Холла Магниторезистивные преобразователи Магнитодиоды Магнитотранзисторы Литература Глава 11. Датчики температуры Общие сведения Терморезистивные преобразователи температуры Термоэлектрические преобразователи температуры Радиационные пирометры Акустические термометры Кварцевые термодатчики Литература Глава 12. Датчики и приборы для измерения механических величин Силоизмерительные устройства Датчики и приборы для измерения массы

5 8 Содержание Датчики давления и разницы давлений Преобразователи крутящих моментов (торсиометры) Литература Глава 13. Датчики вибраций Классификация датчиков вибрации Механические приборы Индукционные датчики Индуктивные датчики Тензометрические датчики Емкостные датчики Электронно-механические датчики перемещения Фотоэлектрические датчики Магнито-резистивные датчики Пьезоэлектрические акселерометры Литература Глава 14. Гидроакустические преобразователи Классификация и характеристики преобразователей Соотношения электромеханического преобразования Цилиндрические пьезокерамические преобразователи Пластинчатые и сферические пьезокерамические преобразователи Стержневые магнитострикционные преобразователи Цилиндрические магнитострикционные преобразователи Основные требования, предъявляемые к проектируемым преобразователям Выбор способа преобразования энергии и формы колебаний Некоторые конструкции преобразователей Литература Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля Классификация методов неразрушающего контроля Магнитные методы Электрические методы Вихретоковые методы Радиоволновые методы Тепловые методы Оптические методы Радиационные методы Неразрушающий контроль проникающими веществами Акустические методы неразрушающего контроля Пьезоэлектрические преобразователи для неразрушающего контроля Литература Глава 16. Датчики газоанализаторов Тепловые газоанализаторы Магнитные газоанализаторы Оптические газоанализаторы Фотоколориметрические газоанализаторы Электрохимические газоанализаторы Ионизационные газоанализаторы Хроматографические газоанализаторы Масс-спектрометрические газоанализаторы Акустические газоанализаторы Литература

6 10 Содержание Глава 17. Датчики влажности Общие сведения Методы измерения влажности твердых тел и жидкостей Датчики электрических влагомеров твердых и жидких тел Методы измерения влажности газов Литература Глава 18. Приемники излучения Параметры и характеристики приемников оптического излучения Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта Тепловые приемники оптического излучения Литература Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений Классификации детекторов Ионизационные камеры Газовые счетчики Сцинтилляционные счетчики Полупроводниковые детекторы Интегрирующие детекторы для индивидуальной дозиметрии Литература Глава 20. Радиоволновые датчики Общие сведения. Физические основы реализации радиоволновых датчиков Датчики геометрических параметров Датчики механических величин Датчики параметров движения Датчики физических свойств материалов и изделий Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов Литература Глава 21. Электрохимические и биохимические датчики Классификации электрохимических датчиков Характеристики электрохимических датчиков Основные разновидности методов химического анализа Кондуктометрические устройства Измерительные преобразователи рн-метров Ионометры Электрохимические полевые транзисторы Модифицированные электроды Литература Глава 22. Расходомеры и счетчики Общие сведения Расходомеры переменного перепада давления Дифференциальные манометры Поплавковые дифманометры Колокольные дифманометры Деформационные дифманометры Расходомеры переменного уровня Расходомеры обтекания Тахометрические расходомеры Шариковые расходомеры

7 Содержание Поршневые расходомеры Тепловые расходомеры Электромагнитные расходомеры Акустические расходомеры Лазерные расходомеры Расходомеры, основанные на использовании явления ядерного магнитного резонанса (ЯМР) Центробежные расходомеры Турборасходомеры Кориолисовые и гироскопические расходомеры Литература Глава 23. Датчики охранной сигнализации Состав систем охранной сигнализации Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации Литература Глава 24. Датчики и приборы летательных аппаратов Классификация и условия работы авиационных датчиков и приборов Пилотажно-навигационные датчики и приборы летательных аппаратов Технические характеристики типовых авиационных приборов и датчиков Литература Сведения об авторах

8 ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящая книга написана коллективом авторов: Ишаниным Г.Г., Кошевым Н.Д., Минаевым И.Г., Полищуком Е.С., Совлуковым А.С., Шараповым В.М. под общей редакцией В.М. Шарапова и Е.С. Полищука. Авторы благодарны рецензенту д.т.н., профессору Тымчику Г.С. за полезные замечания, высказанные при обсуждении книги. В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны конструкции и характеристики датчиков физических величин. В конце каждой главы приведена обширная библиография, а также сайты предприятий-разработчиков и изготовителей. В главе 1 вводятся основные понятия, обсуждаются термины и определения, приводятся классификации датчиков, а также описания некоторых физико-технических эффектов, используемых в датчиках. В главах 2 и 3 приведены элементы общей теории датчиков, описан метод электромеханических аналогий, статические, динамические и метрологические характеристики датчиков, а также типовые динамические звенья. В главах 4, 5, 6 описаны наиболее часто используемые для датчиков электронные устройства, а также упругие и оптические элементы датчиков. В главах 7 10 описаны резистивные, емкостные, пьезоэлектрические и электромагнитные датчики, а в главах применение датчиков для измерения различных физических величин. В главах описаны электрохимические, биохимические и радиоволновые датчики, а также применение датчиков для измерения расхода и количества жидкостей, в охранной сигнализации, в летательных аппаратах. Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов, специалистов в области разработки датчиков, измерительных приборов, элементов и устройств вычислительной техники и систем управления. Авторы благодарны Л.Г. Куницкой за помощь в оформлении книги. Авторы благодарны также генеральному директору издательства «Техносфера» Казанцевой О.А. за помощь и поддержку авторов.

9 ÃËÀÂÀ 1 ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÎÍßÒÈß È ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈß. ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈß ÄÀÒ ÈÊÎÂ Датчик это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения. Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, систем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможны ни измерение, ни контроль, ни регулирование. Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество физических эффектов (принципов). Некоторые из них приведены в табл Развитие, совершенствование датчиков в значительной степени определяется достижениями в области физики, химии, физической химии, механики, радиотехники и других наук. Особое место в развитии датчиков занимают достижения и возможности современных технологий. Принципы действия датчиков могут быть самыми разноообразными в зависимости от физической природы измеряемой величины, ее абсолютного значения, требуемой точности преобразования и т.п. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразование входных физических величин в соответствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии, втомчисле преобразованием энергии одного вида в другой. Энергетическое представление принципа работы измерительных преобразователей, базирующееся на двух фундаментальных законах законе сохранения энергии и принципе обратимости, стало предпосылкой для создания А.А. Харкевичем основ общей теории измерительных преобразователей и их представления в виде пассивных четырехполюсников со сторонами разной физической природы [53]. Развитие общей теории измерительных преобразователей нашло отражение в работах Д.И. Агейкина, Л.А. Островского, А.М. Туричина, П.В. Новицкого и др. Значительный вклад в развитие общих вопросов теории и практики датчиков отдельных физических величин внесли Д.И. Агейкин, Ж. Аш, Ф.Б. Байбаков, А.И. Бутурлин, В.И. Ваганов, В.А. Викторов, Дж. Вульвет, Г. Выглеб, А.Н. Гордов, З.Ю. Готра, Р. Джексон, В. Домаркас, Г.Г. Ишанин, П.П. Кремлевский, Л.Ф. Куликовский, Е.С. Левшина, Я. Луцик, В.В. Малов, Ф. Мейзда, И.Г. Минаев, П.В. Новицкий, Ю.Р. Носов, Г. Нуберт, П.П. Орнатский, Е.П. Осадчий, Л.А. Осипович, Е.С. Полищук, В.П. Преображенский, С.И. Пугачев, А.С. Совлуков, В.В. Солодовников, С.А. Спектор, Б.И. Стадник, С.Г. Таранов, Р. Тиль, Н.Г. Фарзане, Дж. Фрайден, А.В. Храмов, В.М. Шарапов, В. Эрлер, H.N. Norton, S. Thomson, R.W. White и др. (см. литературу к гл. 1).

Смотрите так же:  Какие требования к месту работы

10 14 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков 1.1. Термины и определения Как всегда, начиная изучать какой-либо вопрос, следует договориться о терминологии. Особое значение это приобретает в области, где существуют разные точки зрения, применяются различные термины для одного и того же технического устройства, существуют давние традиции и т.д. Следует уточнить, что определение это лингвистическая модель реального явления или объекта и, как всякая модель, является конечной, упрощенной и приближенной, содержит как истинную, так и условно-истинную и ложную информацию. Отсюда следует, что может существовать множество моделей (следовательно, и определений) одного и того же явления, объекта. То есть, каждое определение это некая грань призмы, которой является исследуемое явление или объект. В литературе достаточно широко используются термины «измерительное преобразование», «измерительный преобразователь», «датчик», «чувствительный элемент», «сенсор», «измерительный прибор», «средство измерений», а их определения самые разнообразные. Например: Преобразователями называют устройства, которые преобразуют одни физические величины, один вид энергии, один вид информации в другую физическую величину, в другой вид энергии или в другой вид информации [41, 43]. В широком смысле преобразователь это, например, устройство, преобразующее давление в электрический сигнал (датчик давления), напряжение одного уровня в напряжение другого (трансформатор), электрическое напряжение во вращение вала (электродвигатель), энергию в движение (самолет, автомобиль) и т.д. Даже живой организм это тоже своеобразный преобразователь. Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной [39, 40]. Измерительный преобразователь это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно измерительное преобразование [39, 40]. Измерительный преобразователь это преобразователь одной физической величины в другую, удобную для использования и обработки [18, 39]. Измерительное преобразование это преобразование входного измерительного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал. Измерительный преобразователь (ИП) это средство измерений, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки или хранения, но непригодный для непосредственного восприятия наблюдателем [29]. Измерительный прибор является средством измерений, вырабатывающим выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно воспринять значение измеряемой физической величины [39]. Первичный измерительный преобразователь это техническое устройство, которое непосредственно взаимодействует с материальным объектом измерения или контроля и предназначено для однозначного функционального преобразования одной физической величины входной в другую физическую

11 1.1. Термины и определения 15 величину выходную, которая является удобной для дальнейшего использования [54]. Объект это явление или часть внешнего или внутреннего мира, которые наблюдает или может наблюдать человек в данный момент. Материальный объект это предмет материального исследования, сведения о котором нужны исследователю. Объект измерения или контроля это материальный объект или процесс, совокупность свойств которого определяет содержание ожидаемой информации. Объект измерения или контроля характеризуется измеряемыми физическими величинами или зависимостями между ними. Чувствительный элемент (первичный чувствительный преобразователь) конструктивный элемент или прибор, воспринимающий измеряемую физическую величину [60]. Чувствительный элемент является первичным измерительным преобразователем в измерительной цепи и осуществляет преобразование входного сигнала (измеряемой величины) в величину, удобную для последующей информационной обработки. В различных областях техники чувствительный элемент называют детектором, датчиком, приемником, зондом или измерительной головкой. Датчик чувствительный элемент или конструктивно объединенная группа чувствительных элементов [60]. Детектор чувствительный элемент (датчик) для измерения или регистрации излучения, полей или частиц [60]. Главным элементом измерительного преобразователя является чувствительный элемент сенсор, который основывается на некотором физическом эффекте (принципе) [24, 39, 55, 61]. Принцип лат. principium основа, первоначало основное исходное положение какой-либо теории, учение науки, основа устройства или действия какого-либо прибора, механизма и т.д. [29]. Сенсоры от лат. sensus чувство, ощущение чувствительные искусственные устройства или органы живых организмов [29]. Датчик это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующие на них [49]. Датчик совокупность измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения [24]. В общем случае датчик может состоять из нескольких преобразователей [24, 39, 55, 60]. F 1 Пр1 F 2 Пр1 F 3 Пр1 U Рис Функциональная схема датчика: Пр1, Пр2, Пр3 преобразователи; F 1 входная физическая величина; F 2,F 3 промежуточные физические величины; U выходной электрический сигнал Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии [50].

12 16 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Датчик устройство, непосредственно принимающее и передающее специальным приборам данные о деятельности механизма, живого организма или других явлениях [29]. Измерительный преобразователь является средством измерения и для него могут нормироваться технические и метрологические характеристики [39, 40]. Датчиком иногда называют средство измерений, представляющее собой конструктивно завершенное устройство, размещаемое в процессе измерения непосредственно в зоне исследуемого объекта и выполняющее функцию измерительного преобразователя [57]. В английском языке слово «sensor» означает «сенсор», «датчик», «чувствительный элемент». Несмотря на почти полное совпадение смысла терминов «датчик» («сенсор», «чувствительный элемент») и «первичный преобразователь», между ними существуют также и некоторые смысловые и содержательные отличия. Датчик (сенсор, чувствительный элемент) чувствует (физическую величину), а преобразователь преобразует (в том числе и физическую величину). Причем «чувствовать» в данном случае означает преобразовывать физическую величину к виду, удобному для дальнейшего использования или восприятия. Обычно это электрический сигнал, который легко преобразовать, например, в показания индикатора. Однако это может быть и неэлектрический сигнал, а изменение цвета (например, раствора или лакмусовой бумаги), которое может быть связано с наличием какого-то вещества в растворе или газе. Понятие «преобразовывать» имеет, как мы уже отмечали, более широкий смысл. Средство измерений техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормируемые метрологические характеристики. Измерительное устройство средство измерений, в котором выполняется только одна из составляющих процедуры измерения (измерительная операция). Измерительное преобразование (физической величины) это измерительная операция, при которой входная физическая величина преобразуется в выходную, функционально связанную с ней. Измерительный преобразователь средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Первичный измерительный преобразователь (сенсор, датчик) измерительный преобразователь, ко входу которого подведена измеряемая величина, т.е. первый в измерительной цепи. Измерительный прибор средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Итак, оставляя в стороне некоторые лингвистические и семантические тонкости, а также очевидные неточности и противоречия в приведенных определениях, отметим, что анализ этих определений с функциональных и системных позиций показывает, что понятие сенсор, датчик, чувствительный элемент, первичный измерительный преобразователь, детектор, приемник в целом равнозначны.

13 1.2. Классификация датчиков Классификация датчиков Классификация операция отнесения заданного объекта к одному из классов, внутри которых объекты считаются неразличимыми. Классификация это также результат этой операции [38, 58]. Классификация простейший вид моделирования, в частности, самый слабый вид измерения [38, 58]. Классификация это первичная, простейшая модель. Полнота классификации является предметом особого внимания при ее построении. Часто оказывается необходимым провести разграничение внутри одного класса, не отказываясь тем не менее от общности в его рамках. Так появляются подклассы, что приводит к многоуровневой, иерархической классификации. Как и в случае лингвистических моделей, классификация, как и всякая модель, является конечной, упрощенной и приближенной, содержит истинную, условно-истинную и ложную информацию. Отсюда также следует вывод, что может существовать (и существует) значительное количество классификаций преобразователей и датчиков по различным классификационным признакам. Например, в работе [55] приведена классификация датчиков по 24 классификационным признакам. Задача классификации датчиков в первую очередь выдвигает требование установить целесообразные классификационные признаки [66]. Наиболее полное представление о всем разнообразии датчиков можно получить, приводя общую классификацию с учетом многих классификационных признаков (рис. 1.2). Одна из самых общих классификаций делит датчики в зависимости от потребителя информации о них. Для потребителей датчиков важна информация о датчиках, предназначенных для измерения определенных физических величин (ФВ), сведениях о выходных и входных параметрах и сигналах, технических и метрологических характеристиках. Такой подход требует построения классификационной схемы по видам физической величины. Для разработчиков датчиков, студентов, специалистов, изучающих работу датчиков, важна информация о физических принципах их действия или, точнее, физических закономерностях, определяющих принцип их действия. По видам входных и выходных величин измерительные преобразователи (датчики) можно разделить на 4 больших класса (рис. 1.3) [61]: электрических величин в электрические, например, непрерывных во времени (аналоговых) в прерывистые (дискретные, цифровые); неэлектрических величин в неэлектрические, например, давление в перемещение жесткого центра мембраны; электрических величин в неэлектрические, например, тока в отклонение стрелки прибора; неэлектрических величин в электрические. Примеры в данном случае мы приводить не будем, так как этим преобразователям (датчикам) посвящена почти вся эта книга. Важнейшим классификационным признаком для датчиков является физический принцип действия принцип преобразования физических величин, ко-

Смотрите так же:  Отчим и его права на льготы

14 18 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Классификации датчиков По виду преобразуемых физических величин (ФВ) По физическому принципу действия По необходимости внешнего источника энергии По возможности непрерывного преобразования входной ФВ По возможности определять знак (полярность, фазу) входной ФВ По пространственной селективности По типу взаимодействия с объектом По количеству чувствительных элементов По виду уравнений преобразования По функциональному назначению По методу преобразования физических величин (ФВ) По количеству выполняемых функций По наличию источника излучения По наличию вспомогательного источника энергиии По виду вспомогательного источника энергии По наличию вмонтированных вычислительных устройств По технологии изготовления По виду выходного сигнала По характеру изменения выходного сигнала Рис Виды классификаций датчиков Преобразователи (датчики) Электрических величин в электрические Электрических величин в неэлектрические Неэлектрических величин в неэлектрические Неэлектрических величин в электрические Рис Классификация преобразователей по виду входных и выходных величин

15 1.2. Классификация датчиков 19 торый основывается на некотором физико-техническом (физическом, электрохимическом, биоэлектронном, химическом и т.д.) эффекте (явлении). Такая классификация приведена на рис Датчики физических величин Резистивные Электростатические Электромагнитные Гальваномагнитные Магнитные Тепловые Электрохимические Оптоэлектрические (оптоэлектронные) Пьезоэлектрические Спектрометрические (волновые) Рис Классификация датчиков по принципу действия Кроме того, можно классифицировать датчики по виду измеряемых неэлектрических величин (рис. 1.5.) и электрических величин (рис. 1.6.). По физическому принципу действия датчики (преобразователи) могут быть физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические и т.п.), химическими и комбинированными (физико-химические, электрохимические, биоэлектрические и т.п.). Принцип действия датчика определяется прежде всего тем, какая закономерность используется в нем. Однако существуют датчики, которые не относятся ни к одному из перечисленных классов, например, механоэлектрические. Эти датчики называются комбинированными. По виду выходной величины и необходимости внешнего источника энергии датчики можно разделить на генераторные (активные), выходной величиной которых являются электрические величины (напряжение, заряд, ток, электродвижущая сила (ЭДС), и параметрические (пассивные), выходной величиной которых является сопротивление, индуктивность, емкость, диэлектрическая или магнитная проницаемость и т.п. В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение). В параметрических датчиках под действием измеряемой физической величины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопротивление в тензорезисторах). Для получения выходного электрического сигнала требуется источник энергии (тока или напряжения). Таким образом, датчики могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.

16 20 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Датчики неэлектрических физических величин Линейных и угловых размеров и перемещений Механических усилий, моментов, давлений, напряжений Параметров пространственной ориентации Параметров движения Температуры Количества и расхода веществ Параметров и характеристик биологических объектов Состава веществ Параметров и характеристик окружающей среды Параметров и характеристик материалов Параметров излучений (акустических, световых, радиационных и т.д.) Рис Классификация датчиков по виду измеряемых неэлектрических величин Датчики электрических физических величин Электрических зарядов Электрических токов, напряжений, мощностей Напряженностей электрических, магнитных и электромагнитных полей, магнитной индукции Параметров электрических цепей и электротехнических материалов Рис Классификация датчиков по виду измеряемых электрических величин

17 1.2. Классификация датчиков 21 Вспомогательные источники энергии в датчике могут быть электрическими, гидравлическими, пневматическими, механическими, оптическими и т.д. Таких источников в одном датчике может быть несколько. По функциональному назначению датчики (преобразователи) можно разделить на: индикаторные (метрологические характеристики не нормируются). Датчик выдает информацию о наличии или отсутствии физической величины; измерительные (метрологические характеристики нормируются); комбинированные. По методу преобразования физической величины датчики (преобразователи) делятся на (рис. 1.7): датчики (преобразователи) прямого одно- или многоступенчатого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в другую физическую величину выходной сигнал датчика; датчики (преобразователи) непрямого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в промежуточную физическую величину, а уже затем эта величина преобразуется в выходной сигнал датчика; датчики комбинированного типа. Виды преобразований физических величин Прямое одноступенчатое Прямое многоступенчатое Непрямое Рис Классификация видов преобразования физических величин По характеру преобразования значений физической величины датчики делят на две группы: датчики непрерывного действия; датчики дискретного (циклического) действия. По типу взаимодействия с объектом и количеству элементов датчики могут быть: стационарными или подвижными; контактными или бесконтактными; пространственно-распределенными (непрерывными, дискретными или многоэлементными); сосредоточенными (одноэлементными).

18 22 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков По пространственной селективности датчики делят на две группы: датчики направленного действия; датчики ненаправленного действия. По наличию источника излучения датчики делятся на те, в которых такой источник есть (например, ионизационный датчик газоанализатора), и на те, в которых источников излучения нет. Все большее распространение получают преобразователи с вмонтированными электронными и вычислительными устройствами, которые производят предварительную обработку выходного сигнала датчика. Такая обработка может включать корректировку погрешностей датчика в зависимости от влияющих факторов и т.д. По виду уравнения преобразования датчики бывают с линейной и нелинейной зависимостью выходного сигнала от измеряемой физической величины. По технологии изготовления датчики могут быть изготовлены с использованием объемного, печатного монтажа, гибридной и полупроводниковой технологии, микро- и нанотехнологий. По способности различать изменение фазы или полярности входной физической величины датчики делят на фазочувствительные (реверсивные) и нефазочувствительные (нереверсивные), у которых выходной сигнал не зависит от полярности входной величины. По характеру изменения выходного сигнала датчики делят на три группы: датчики с аналоговым выходным сигналом, который непрерывно изменяется; датчики с дискретным (например, импульсно изменяющимся) выходным сигналом. Методы преобразования физических величин делятся на методы непосредственного преобразования, дифференциальный, замещения и нулевой (рис. 1.8). Методы преобразования физических величин Непосредственного преобразования Дифференциальный Замещения Нулевой Рис Методы преобразования, используемые в датчиках

19 1.2. Классификация датчиков 23 Дифференциальный метод, метод замещения и нулевой метод относятся к обобщенному методу сравнения [54, 59]. Все методы преобразования делятся также на методы непосредственного преобразования и методы уравновешивающего преобразования. Метод уравновешивающего преобразования осуществляется в условиях, когда есть две цепи прямого преобразования и обратной связи. По характеру выполняемых в датчиках (преобразователях) информационных преобразований и способу получения выходных сигналов датчики можно разделить на несколько групп (рис. 1.9). Датчики Адаптивные Неадаптивные Однофункциональные Многофункциональные Аналоговые Цифровые Аналого-цифровые Непрерывного действия Сравнения Циклического действия Уравновешивания Развертывающего Следящие действия Рис Классификация датчиков по способу получения выходных сигналов и по характеру выполняемых в них информационных преобразований По характеру адаптации к особенностям преобразования физических величин датчики делятся на адаптивные и неадаптивные, которые, в свою очередь, могут быть одно- и многофункциональные. По виду выходной информации датчики (преобразователи) могут быть аналоговыми, дискретными (цифровыми) и аналого-цифровыми, при этом в датчиках могут осуществляться принципы сравнения или уравновешивания. Преобразователи, выполненные с использованием принципа сравнения, могут быть непрерывного или циклического действия.

Смотрите так же:  Расчет осаго казань

20 24 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Преобразователи, выполненные с использованием принципа уравновешивания, могут быть следящими или развертывающего действия. Приведенные классификации датчиков, хотя и широко используются в измерительной технике и автоматическом управлении, не являются абсолютно корректными и окончательно завершенными, а характеризуют лишь наш уровень знаний в этой области Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин Основные физические эффекты, используемые в датчиках, приведены в табл Таблица 1.1 N п/п Название эффекта Краткое содержание эффекта 1 Акустический парамагнитный резонанс 2 Вентильный фотоэффект 3 Вихревые токи (токи Фуко) 4 Гальваноупругий магнитный эффект 5 Действие магнитного поля на контур с электрическим током 6 Электротепловой эффект 7 Электростатическая индукция 8 Электромагнитная индукция Резонансное поглощение энергии ультразвуковой волны определенной частоты при ее прохождении сквозь парамагнитный кристалл, который находится в постоянном магнитном поле Возникновение электродвижущей силы в системе, которая включает контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла, при поглощении оптического излучения Возникновение замкнутых электрических токов в массивном электропроводнике при изменении интенсивности магнитного потока, который пересекает его Изменение электрического сопротивления ферромагнетика, размещенного в магнитном поле, при воздействии одностороннего упругого напряжения растяжением или сжатием Вращение рамки с током под действием вращательного момента, который возникает при размещении рамки в однородном магнитном поле Изменение температуры пироэлектрического кристалла под воздействием электрического поля Возникновение на поверхности проводника или диэлектрика одинаковых и противоположных по знаку зарядов под действием внешнего электрического поля Возникновение электродвижущей силы индукции в электропроводящем контуре при изменении во времени магнитного потока через ограниченную контуром поверхность 9 Эффект Зеебека В электрической цепи из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры, возникает электродвижущая сила 10 Эффект Томсона В проводнике с током, вдоль которого имеется градиент температуры, выделяется или поглощается теплота (кроме выделения джоулевой теплоты)

21 1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 25 Продолжение табл. 1.1 N п/п Название эффекта Краткое содержание эффекта 11 Эффект Пельтье При протекании электрического тока через контакт разнородных металлов в нем выделяется или поглощается теплота 12 Эффект Холла Между боковыми гранями пластины из металлического проводника или полупроводника, вдоль которого протекает электрический ток, при действии перпендикулярного магнитного поля возникает разница потенциалов 13 Электрострикция Деформация диэлектрика под воздействием внешнего электрического поля, пропорциональная квадрату напряженности поля 14 Эффект Фарадея Вращение плоскости поляризации линейно поляризуемого света, который распространяется в изотропном веществе вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится это вещество 15 Эффект Нерста Возникновение продольного градиента температуры в проводнике с током, который находится в магнитном поле 16 Эффект Нерста Эттингсхаузена 17 Эффект Риги Ледюка Возникновение электрического поля в твердом проводнике при наличии градиента температуры и перпендикулярного к нему магнитного поля Возникновение вторичной разности температур в проводнике с перепадом температуры, размещенном в магнитном поле перпендикулярно к тепловому потоку 18 Закон Кулона Взаимодействие двух заряженных тел с силой, пропорциональной произведению их зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними 19 Закон всемирного тяготения Действие на тело, которое находится в произвольной точке гравитационного поля, создаваемого массой тела, силы гравитации, которая зависит от массы этого тела, и напряженности гравитационного поля 20 Закон Ампера Возникновение механической силы, которая действует на проводник с током, при перемещении проводника во внешнем магнитном поле 21 Закон Ома Возникновение в проводнике электрического тока, плотность которого пропорциональна напряженности поля 22 Закон Био Савара Лапласа 23 Обратный пьезоэлектрический эффект 24 Закон Джоуля Ленца При протекании по электропроводнику электрического тока вокруг него в пространстве возникает магнитное поле В анизотропных кристаллических диэлектриках под действием электрического поля возникает механическая деформация В электропроводнике выделяется тепловая энергия, количество которой пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока 25 Закон Фарадея Количество вещества, которое выделяется или разлагается на электроде при электролизе, пропорционально количеству электричества (произведению силы тока на время электролиза), которое прошло через поверхность контакта электрода с раствором

22 26 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков Продолжение табл. 1.1 N п/п Название эффекта Краткое содержание эффекта 26 Зависимость Нерста равновесного потенциала электрода от концентрации вещества 27 Зависимость электропроводности жидкого вещества от ее концентрации 28 Зависимость температуры плавления твердого тела от внешнего давления Равновесный потенциал металлического электрода в растворе неорганического вещества пропорционален газовой постоянной, температуре и логарифму концентрации вещества и обратно пропорционален заряду иона и константе Фарадея Электропроводность жидкого вещества в определенном объеме пропорциональна площади электрода и удельной электропроводности вещества и обратно пропорциональна длине электрода Изменение температуры плавления кристаллических веществ при увеличении внешнего давления. Если удельный объем жидкой фазы больше, чем твердой, то температура плавления увеличивается 29 Зависимость электрического сопро- изменении внешнего давления в области высоких температур. Изменение электрического сопротивления твердого тела при тивления твердого В большинстве веществ электрическое сопротивление уменьшается с увеличением тела от давления давления 30 Зависимость показателя преломления газов от плотности 31 Зависимость показателя преломления газов от давления 32 Зависимость модуля упругости металлов от температуры 33 Зависимость границы текучести металлов и сплавов от температуры 34 Зависимость плотности металлов от температуры при переходе через точку плавления 35 Звуколюминесценция Увеличение показателя преломления газа с увеличением его плотности. Зависимость является квадратичной Увеличение показателя преломления газа при увеличении его давления. Зависимость в широком диапазоне изменений давления описывается полиномом некоторой степени Уменьшение модуля упругости металлов с увеличением температуры Уменьшение границы текучести металлов и сплавов с ростом температуры. Зависимость является близкой к экспоненциальной Скачкообразное уменьшение плотности металлов с увеличением температуры вблизи температуры плавления Свечение жидкости под действием интенсивной акустической волны (при акустической кавитации)

23 1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 27 Продолжение табл. 1.1 N п/п Название эффекта Краткое содержание эффекта 36 Ионизация газа под действием электрического поля Под действием сильного электрического поля атомы и молекулы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы и свободные электроны 37 Ионизация газа Возникновение положительных и отрицательных ионов и свободных электронов в газе под действием электромагнитного из- рентгеновским излучениелучения рентгеновского диапазона 38 Катодолюминесценция 39 Магниторезистивний эффект Излучение света, который возникает при возбуждении люминофора электронным пучком Изменение электрического сопротивления твердых проводников под действием магнитного поля 40 Магнитострикция Изменение формы и размеров тела при его намагничивании 41 Магнитный гистерезис 42 Намагничивание тел 43 Пьезоэлектрический эффект 44 Пьезомагнитний эффект 45 Пироэлектрический эффект 46 Поверхностный эффект Неоднозначная зависимость намагниченности ферромагнитного тела от напряженности внешнего магнитного поля. При циклическом изменении напряженности поля кривая изменения намагниченности имеет вид петли магнитного гистерезиса Возникновение или изменение намагниченности вещества при действии на него внешнего магнитного поля. Диамагнетики намагничиваются против поля, пара- и ферромагнетики в направлении поля Изменение поляризации некоторых кристаллических диэлектриков (пьезоэлектриков) при механической деформации Возникновение в веществе намагниченности под действием внешнего давления Возникновение электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков (пироэлектриков) при их нагревании или охлаждении Переменный ток в электропроводнике неравномерно распределяется по площади его сечения. Неравномерность плотности тока увеличивается с увеличением частоты тока и площади сечения проводника 47 Поглощение звука Уменьшение интенсивности акустической волны, которая проходит сквозь вещество, в результате необратимого перехода энергии волны в другие виды энергии, в частности, в теплоту 48 Поглощение света Уменьшение интенсивности электромагнитного излучения при прохождении сквозь вещество 49 Поляризация диэлектриков 50 Сверхпроводимость Возникновение объемного дипольного момента диэлектрика под действием электрического поля. На поверхности диэлектрика появляются связанные поляризуемые заряды Скачкообразное уменьшение практически до нуля электрического сопротивления ряда металлических проводников и сильнолегированных полупроводников при охлаждении ниже критической температуры, характерной для данного материала