Классификация измерительных преобразователей

Преобразователи обычно классифицируются по принципу их работы или практическому применению.

По назначению измерительные преобразователи делят на первичные преобразователи (датчики), унифицированные и промежуточные.

Первичный преобразователь является первым в измерительной цепи и включает в себя чувствительный элемент (зонд, мембрану) и другие необходимые элементы для преобразования входной неэлектрической величины в выходную электрическую величину. Датчик может состоять из одного или нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию. На датчик непосредственно воздействует измеряемая неэлектрическая величина (сила, давление, уровень, температура и т.д.).

Унифицированный преобразователь состоит из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока находятся в диапазоне 0...± 5 мА или 0...± 20 мА. Для устройств со смещенным нулем диапазон тока сужен: ±1...± 5 мА или ±4...±20мА.

При необходимости регулирования границы диапазона токовых сигналов лежат в пределах: нижняя 0...5 мА, верхняя 12... 25 мА. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение различных измерительных приборов с внутренним сопротивлением не более 1 кОм. Нормированные значения диапазонов сигналов напряжения составляют 0...±1 В и 0...±10 В, причем внутреннее сопротивление измерительных приборов не должно быть менее 1 кОм. При использовании в качестве выходной величины частоты рекомендуемый диапазон ее изменения составляет 5... 25 Гц. В пневматических системах нормировано давление газа. Оно должно находиться в диапазоне 0, 02...0, 1 МПа.

Промежуточный преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему преобразователю.

По характеру преобразования входной величины измерительные преобразователи делят на линейные и нелинейные. У линейных преобразователей функциональная зависимость между входной и выходной величинами линейная; у нелинейных преобразователей — нелинейная.

По принципу действия датчики делятся на генераторные и параметрические. Выходным сигналом генераторных датчиков являются ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары. В параметрических датчиках измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметра электрической цепи (R, L, С), например сопротивления реостатного датчика. К генераторным относятся: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических датчиков. Остальные датчики являются параметрическими.

По принципу действия их также подразделяют на типы:

резистивные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение его сопротивления;

электромагнитные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение индуктивности или взаимоиндуктивности;

емкостные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение емкости;

пьезоэлектрические, в которых динамическое усилие преобразуется в электрический заряд;

гальваномагнитные, основанные на эффекте Холла и преобразующие действующее магнитное поле в ЭДС;

тепловые, в которых измеряемая температура преобразуется в ЭДС или в величину термосопротивления;

оптоэлектронные, в которых оптические сигналы преобразуются в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Области применения датчиков чрезвычайно разнообразны. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т.д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы их применения. Рассмотрим лишь некоторые из них.

В промышленной технике стандартные датчики используют для измерения: расхода, объема; давления; температуры; уровня; химического состава.

Из стандартных датчиков все большим спросом пользуются датчики новых типов, например:

• датчики положения, перемещения и изображения;

• оптические и волоконно-оптические датчики;

• биодатчики (биотехнология);

• многокоординатные датчики (распознавание образов).

Для современных производств характерна тенденция применения датчиков в интерактивном режиме, т. е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что естественно ведет к более рациональному производству. При промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна быть не более 1... 2 %, а для задач контроля — 2...3%.

В робототехнике, которая в принципе представляет собою сложную информационную систему, робот обеспечивает получение, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего способность «видеть» и «ощупывать», т.е. использование оптических и многокоординатных датчиков.

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров для отдельных систем автомобиля (рулевое управление, двигатель, тормоза, электроника кузова), для обеспечения безопасности и надежности (система блокировки и противоугонная система), информационная система (расход топлива, температура, маршрут движения и т.д.). С помощью этих датчиков измеряются различные физические параметры — температура, давление, скорость вращения, ускорение, влажность, перемещение или угол, расход и т.д. Требования к этим датчикам в отношении воздействия окружающей среды достаточно высокие. В табл. 6.1 приведены области применения некоторых типов датчиков.

Таблица 6.1

* - Автогенерирующие, или активные, приборы.