Горшков Б.Л. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков - файл n1.doc

Горшков Б.Л. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков
скачать (7101.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc7102kb.07.11.2012 01:34скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21



DEVICES AUTEXLtd

МЕТОДЫ

практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

По материалам семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning»

Перевод выполнен фирмой Автэкс.

Автор перевода: Горшков Б.Л. Редактор перевода: Силантьев В.И.

ЗАО АВТЭКС, Москва ЗАО АВТЭКС, Санкт-Петербург

Профсоюзная 65. тел. (095) 334-7741 Фаянсовая 20. тел. (812) 567-7202

Интернет: http://www.autex.ru Интернет: http://www.autexspb.da.ru

E-mail: info(9)autex.ru E-mail: autex@newmail.ru


Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

Оглавление

  1. Введение

  2. Мостовые схемы




3. Усилители для нормирования сигналов

4. Измерение деформации, силы, давления и потока

5. Датчики высокого импеданса

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

6. Датчики положения и перемещения

7. Температурные датчики

8. АЦП для нормирования сигналов

9. Интеллектуальные датчики

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков

10. Методы разработки аппаратуры

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.
РАЗДЕЛ 1

Введение
РАЗДЕЛ 1: Введение

РАЗДЕЛ Is Введение

Уолт Кестер

В этой книге рассматриваются датчики (сенсоры) различных типов и цепи нормирования сигналов. Данная тема обширна, но основной акцент сделан на цепях датчиков и приложениях обработки сигналов, а не на деталях существующих сенсоров.

Строго говоря, датчик (sensor) определяется как устройство, принимающее входной сигнал или возбуждение и отвечающее электрическим сигналом, в то время как преобразователь (transducer), это конвертер одного типа энергии в другую. В то же время, на практике эти термины являются взаимозаменяемыми.

Датчики, и связанные с ними цепи, используются для измерения различных физических свойств, например, температуры, силы, давления, потока, позиции, интенсивности света и др. Эти свойства задают возбуждение датчика, а его выход обуславливается и обрабатывается соответствующим измерением физического свойства. Мы не будем рассматриваться все типы датчиков, а только самые распространенные и подходящие для систем управления процессом и систем сбора данных.

Датчики не работают самостоятельно. Обычно, они являются частью большой системы, состоящей из формирователей сигнала и различных аналоговых и цифровых цепей обработки сигнала. Системой может быть, например, система измерения, система сбора данных или система управления процессом. Датчики могут быть классифицированы по нескольким признакам. С точки зрения формирования сигнала используется классификация сенсоров на активные и пассивные. Активный датчик требует наличия внешнего источника возбуждения. Датчики, основанные на резисторах, например, термисторы, резистивные термометры (RTD - Resistance Temperature Detectors) и тензометры являются активными датчиками, т.к. ток должен протекать через них и соответствующее значение напряжения измеряется надлежащим образом для нахождения значения сопротивления. Другим способом является помещение устройства в мостовую схему, хотя в любом случае необходим внешний ток или внешнее напряжение по цепи.

С другой стороны, пассивные (или самообразующиеся) датчики генерируют свой электрический выходной сигнал без использования внешнего тока или внешнего напряжения по цепи. Примерами пассивных датчиков являются термоэлементы и фотодиоды, которые образуют термоэлектрические напряжения или фотодиодный ток, соответственно, которые не зависят от внешних цепей.

Следует заметить, что эти определения (активный и пассивный) касаются необходимости (или, наоборот, ее отсутствия) во внешней активной цепи для образования электрического выходного сигнала от датчика. Выглядело бы логичным считать термоэлементы активными, в том смысле, что они образуют выходное напряжение без внешней цепи, но в промышленности принято классифицировать датчики в соответствии с необходимостью ее использования, как описано выше.

Рис.1.1. Обзор датчиков.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru. E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Силантьев В.И.

1-1

РАЗДЕЛ 1: Введение




СВОЙСТВО

ДАТЧИК

АКТИВНЫЙ/ ПАССИВНЫЙ

ВЫХОД

Температура

Термоэлемент Тиристор Резистивный термометр Термистор

Пассивный Активный Активный Активный

Напряжение Напряжение/Ток Сопротивление Сопротивление

Сила/Давление

Тензометр Пьезокварцевый датчик

Активный Пассивный

Сопротивление Напряжение

Ускорение

Акселерометр

Активный

Емкость

Позиция

Преобразователь перемещения (LVDT)

Активный

Переменное напряжение

Интенсивность света

Фотодиод

Пассивный

Ток

Рис.1.2. Типичные датчики.

Логично будет классифицировать датчики в соответствии с физическими свойствами, для измерения которых они разработаны. Так, можно выделить температурные датчики, датчики силы, датчики давления, датчики перемещения и др. При этом сенсоры, которые измеряют различные свойства, могут иметь одинаковый электрический выход. Например, резистивные термометры характеризуются переменным сопротивлением, также как тензометры. При этом они часто включаются в мостовые схемы, и поэтому включаемые цепи часто одинаковы. В действительности, мосты и соответствующие цепи заслуживают детального обсуждения.

Предел шкалы выходов большинства датчиков (пассивных или активных) составляют малые изменения напряжения, тока или сопротивления, и поэтому выходы должны быть соответствующим образом согласованы перед проведением аналоговой или цифровой обработки сигнала. Исходя из вышесказанного, выявляется целый класс цепей, относящийся к цепям формирования сигнала. Усиление, сдвиг уровня, гальваническая изоляция, трансформация сопротивлений, линеаризация и фильтрация являются основными функциями формирования сигнала, которые могут потребоваться.

Какая бы форма формирования не использовалась, схема и производительность будут зависеть от электрического характера датчика и его выходов. Характеристики точности датчика, в значениях параметров, предопределяются приложением, например, чувствительность, уровни напряжения и тока, линейность, полное сопротивление, коэффициент усиления, смещение, дрейф, временные константы, требования к электрическим характеристикам, паразитный импеданс и др. могут вызвать изменения между подстандартами и удачным применением устройства, особенно в случаях, где затрагиваются высокое разрешение и точность, или низкоуровневое измерение.

Высокие уровни интеграции позволяют ИС играть большую роль в аналоговом и цифровом формировании сигналов. АЦП, специально разработанные для приложений измерения, часто содержат встроенные усилители с программируемым усилением (programmable-gain amplifiers, PGA) и другие полезные цепи, как, например, источники тока для резистивных термодатчиков, которые минимизируют потребность во внешних цепях.

Большинство выходов сенсоров являются нелинейными, что отражается на возбуждении, и их выходы должны быть линеаризированы для получения корректных измерений. Для выполнения этой функции может быть использована аналоговая техника, несмотря на то, что недавнее введение высокопроизводительных АЦП позволяет произвести программную более эффективную и точную линеаризацию, исключая необходимость в утомительной ручной калибровке.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru. E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Силантьев В.И.

1-2

РАЗДЕЛ 1: Введение

Применение датчиков в типичной системе управления процессом показано на Рис. 1.3. Физическим свойством, которое предполагается контролировать, является температура. Выходы температурного датчика согласованы и далее оцифровываются АЦП. Микроконтроллер или главный компьютер определяет выше или ниже температура выбранного значения и выдает цифровое значение на ЦАП. Выход ЦАП согласован и управляет приводом (actuator), в данном случае нагревателем. Следует заметить, что интерфейс между диспетчером и удаленной стороной происходит через промышленный стандарт 4 - 20 мА контура управления.




УДАЛЕННАЯ СТОРОНА







ДИСПЕТЧЕР




Н0РМИ1

ЭОВЩИК




4 .. 20 мА ПЕРЕДАТЧИК







4 .. 20 мА ПРИЕМНИК




НОРМИРОВЩИК
















к

к







t

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУР







АЦП










ГЛАВНЫЙ




t




)







КОМПЬЮТЕР




МИКРО КОНТРОЛЛЕР




t

НАГРЕВАТЕЛЬ













1 ЦАП

к

к







t

НОРМИРОВЩИК




4 .. 20 мА







4 .. 20 мА




НОРМИРОВЩИК




ПРИЕМНИК







ПЕРЕДАТЧИК


































Рис.1.3. Типовая схема управления производственным процессом.

Цифровая техника становится все более популярной при обработке выходов с датчиков в системах сбора данных, управления процессом и измерения. 8-разрядные микроконтроллеры (например, 8051-совместимые) обладают достаточной скоростью обработки для большинства приложений. Включением А/Ц преобразования и возможности программирования микроконтроллера внутри датчика, можно реализовать «интеллектуальный датчик» («smart sensor»), обладающий функцией самокалибровки, линеаризации и др.

Основные узлы «интеллектуального датчика», сотоящего из нескольких ИС, показаны на Рис. 1.4.



ДАВЛЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ ТЕРМОПАРЫ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ

ПРЕЦИЗИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
АЦП ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
МИКРОКОНТРОЛЛЕР ДАТЧИК


Рис.1.4. Основные элементы «интеллектуального датчика».

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru. E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Силантьев В.И.

1-3

РАЗДЕЛ 1: Введение

Интеллектуальный датчик можно непосредственно соединять с индустриальной сетью, как показано на Рис. 1.5.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ. ДАТЧИК ДАЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ:
САМОКАЛИБРОВКИ ЛИНЕАРИЗАЦИИ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНДАРТНОГО ЦИФРОВОГО ИНТЕРФЕЙСА

Рис.1.5. Стандартизация в цифровом интерфейсе при использовании интеллектуальных датчиков.

Серия изделий MicroConverter™ от Analog Devices включает в себя встроеннные высокопроизводительные мультиплексоры, АЦП, ЦАП, соединенные с flash-памятью ядром микроконтроллера индустриального стандарта 8052, и поддерживает несколько стандартов конфигурации последовательного порта. Изделия являются первыми интегрированными схемами, которые можно назвать «еще более интеллектуальными датчиками» для систем сбора данных на одном кристалле, (см. Рис. 1.6).


ДАВЛЕНИЯ ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ ТЕРМОПАРЫ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫЕ

MicroConverter

ДАТЧИК

Рис.1.6. «Еще более интеллектуальный датчик».

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru. E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Силантьев В.И.

1-4

РАЗДЕЛ 1: Введение

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru. E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Силантьев В.И.

1-5
РАЗДЕЛ 2 Мостовые схемы
РАЗДЕЛ 2: Мостовые схемы

РАЗДЕЛ 2: Мостовые схемы

Уолт Кестер

Конфигурации мостов

Резистивные элементы являются одним из наиболее распространенных типов датчиков. Они недороги и относительно легко соединяются с нормирующими цепями. Резистивные элементы можно сделать чувствительными к температуре, деформации (под действием силы или при изгибе) и к потоку света. Можно измерять многие комплексные физические процессы, используя эти элементы. Например, поток жидкостей или масс (измеряя разность температур двух калиброванных резисторов).

На Рис.2.1 показаны различные резистивные датчики в диапазоне от 100Q до нескольких десятков KQ в зависимости от конструкции датчиков и измеряемой среды.

Рис 2.1. Сопротивление популярных резистивных датчиков.

Резистивные датчики, такие как ТС и тензометрические датчики дают малый процент изменения сопротивления в ответ на изменение физической переменной. Так температурный коэффициент платинового ТС составляет ТКСП=0.385%/°С.

Тензометрические датчики даже бросают вызов системе измерения, поскольку изменение сопротивления по всему рабочему диапазону может быть менее 1% от номинальной величины. Таким образом, при использовании резистивных датчиков особенно важно точно измерять малые изменения сопротивления.

Метод измерения сопротивления, показанный на Рис.2.2, состоит в пропускании постоянного тока через резистивныи датчик и измерении падения напряжения на нем.



Vout=I(R + AR)

R + AR


О

Рис.2.2. Использование источника постоянного тока для непрямого измерения сопротивления.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

2-1

РАЗДЕЛ 2: Мостовые схемы

Здесь требуется точное удержание тока возбуждения и точное измерение выходного напряжения. Вдобавок, мощность, рассеиваемая на резистивном датчике должна быть малой во избежание ошибок, связанных с саморазогреванием (в соответствие с ТУ производителя). Поэтому, ток возбуждения должен быть малым.

Весьма притягательной альтернативой для точного измерения малых изменений сопротивления являются мосты Уитстона (на самом деле, изобретенные СМ. Кристи в 1883г). На Рис.2.3 приведена схема измерительного моста.






R, R2

Vn = О, если L = —^ R4 R3

Рис.2.3. Мост Уитстона.

Мост находится в нулевом (сбалансированном) состоянии при R1/R4 = R2/R3 вне зависимости от способа его возбуждения (постоянным либо переменным током), величины возбуждения или способа считывания выходного сигнала (ток или напряжение), импеданса схемы измерения. Если зафиксировать R2/R3 = К, а величину R1 необходимо определить то, введя мост в нулевое состояние с помощью градуированного потенциометра R4, можно рассчитать Rl = K*R4.

Нулевые измерения используются в системах с электромеханическими элементами.

В большинстве приложений с использованием мостовых датчиков величина отклонения сопротивления одного или нескольких сопротивлений плеч моста измеряется через величину изменения измеряемого параметра. Например, измеряя напряжение диагонали моста, судят об изменении величины составляющих его сопротивлений. Изменение выходного напряжения моста весьма мало (десятки милливольт) даже при значительных возбуждающих напряжениях (VB = 10В, являющееся типовым для элементов нагрузки - динамометров). На Рис.2.4 показаны различные конфигурации измерительных мостов и приведены основные соотношения по выходу и их нелинейности. Следует отметить, что поскольку выход моста пропорционален возбуждению VBf точность измерения выхода не может быть выше точности поддержания возбуждения.

Чувствительность моста - отношение максимально ожидаемого изменения выходного напряжения (выхода) к напряжению возбуждения (возбуждению). Так, если максимальный выход составляет 10 мВ, а возбуждение 10 В, то чувствительность равна 1 мВ/В.

Четверть мостовая конфигурация моста (с одним чувствительным элементом) используется при измерении температуры и деформации. Как видно из формул Рис.2.4, связь между выходом моста и изменением величины чувствительного резистора AR - не линейна. Например, при R=100Q и AR=0.1Q выход моста составляет 2.49875 мВ для VB = 10В. Ошибка составляет 2.50000 мВ - 2.49875 мВ = 0.00125 мВ. Относительная нелинейность, как процент от полной шкалы составит (0.00125 мВ/2.5 мВ)*100%=0.05%.

Относительная нелинейность для четверть мостовой конфигурации:

~ (% изменения сопротивления)/!

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

2-2

РАЗДЕЛ 2: Мостовые схемы















vB


Vb


vb


Vb


r R+AR


R-AR R+AR


R R


R-AR


R+AR


R+AR R


R+AR R-AR


R+AR

r в

2

M

M


0,5 %/%

ЧЕТВЕРТЬ МОСТ

НЕЛИНЕЙНОСТЬ:

0,5 %/% О

ПОЛУ МОСТ ПОЛУ МОСТ

полный мост

Рис.2.4. Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным напряжением.

Следует особо отметить, что данная нелинейность относится к собственно измерительному мосту и не имеет никакого отношения к нелинейности чувствительного элемента. На практике, большинство чувствительных элементов обладает собственной нелинейностью, которую следует учитывать в конечном результате.

Вследствие того, что нелинейность моста описывается аналитически, достаточно просто учесть ее при цифровой обработке.

Полумостовая конфигурация может быть представлена в двух видах:

Первый случай:

Когда оба чувствительных элемента изменяются в одну сторону и монтируются рядом на одной оси. В этом случае нелинейность точно такая же, как при четверть мостовой конфигурации, коэффициент же передачи в два раза выше. Такая конфигурация нашла применение в датчиках давления и расходомерных системах.

Второй случай:

Когда чувствительные элемента изменяются в противоположные стороны и монтируются, например, в случае датчика деформации, на одной оси, но с разных сторон упругого элемента (сверху и снизу изгибаемой в вертикальной плоскости упругой балки).

Полномостовая конфигурация дает максимальный сигнал на выходе и линейна по своей природе.

Мосты можно также возбуждать постоянным током (а не напряжением, как в предыдущем примере), что представлено на Рис.2.5. Преимущество метода, когда мост располагается далеко от системы регистрации, состоит в отсутствие ошибок измерения из-за наличия сопротивления соединительных проводников. Нелинейность имеется только для случая четверть мостовой конфигурации.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

2-3

РАЗДЕЛ 2: Мостовые схемы












1в ±1в

R vV \л. R R+AR^/^yv R R


R+AR R


R+AR R


R+AR







0,25 %/%

ЧЕТВЕРТЬ МОСТ

НЕЛИНЕЙНОСТЬ:

0 0

ПОЛУ МОСТ ПОЛУ МОСТ

полный мост

Рис.2.5. Выходное напряжение и его нелинейность для различных конфигураций мостов при возбуждении постоянным током.

Рис.2.6. Рассмотрение мостовых датчиков.

©АВТЭКС Санкт-Петербург (812) 567-7202, http://www.autexspb.da.ru, E-mail: autex@newmail.ru

Автор перевода: Горшков Б.Л.

2-4

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации