Классификация измерительных преобразователей: основные виды и характеристики

Какие бывают типы измерительных преобразователей. На какие группы их можно разделить. Каковы основные характеристики и области применения разных видов преобразователей. Как выбрать подходящий преобразователь для конкретной измерительной задачи.

Основные виды измерительных преобразователей

Измерительные преобразователи (ИП) можно классифицировать по нескольким основным признакам:

• По функциональному назначению: масштабные, преобразователи одной физической величины в другую, функциональные, интегрирующие, дифференцирующие, фильтры и др.
• По виду входных воздействий: механические, акустические, тепловые, электрические, магнитные, радиационные и др.
• По принципу действия: энергетические и параметрические
• По виду выходного сигнала: аналоговые, цифровые, частотные и др.

Классификация по функциональному назначению

По функциональному назначению выделяют следующие основные виды ИП:

• Масштабные — изменяют масштаб величины без изменения ее физической природы (делители напряжения, трансформаторы и др.)
• Преобразователи одной физической величины в другую (термопары, шунты и др.)
• Функциональные преобразователи с одной или несколькими входными величинами
• Интегрирующие и дифференцирующие преобразователи
• Фильтры различных типов

Классификация по виду входных воздействий

По виду входных воздействий ИП подразделяются на:

• Механические (силы, деформации, перемещения и др.)
• Акустические (звуковые волны)
• Тепловые (температура, тепловой поток)
• Электрические (ток, напряжение)
• Магнитные (магнитная индукция, напряженность магнитного поля)
• Оптические (световой поток, освещенность)
• Радиационные (ионизирующие излучения)

Энергетические и параметрические преобразователи

По принципу действия ИП делятся на две большие группы:

• Энергетические — для работы требуется только входное воздействие измеряемой величины
• Параметрические — требуют дополнительного источника энергии для своей работы

Энергетические преобразователи генерируют выходной сигнал за счет энергии входного воздействия. Параметрические изменяют свои параметры под действием входной величины.

Классификация по виду выходного сигнала

По виду выходного сигнала различают следующие ИП:

• Аналоговые — выходной сигнал непрерывно изменяется во времени
• Цифровые — выходной сигнал имеет дискретный характер
• Частотные — информация содержится в частоте выходного сигнала
• Кодовые — выходной сигнал представлен в виде кодовых комбинаций

Основные характеристики измерительных преобразователей

Ключевыми характеристиками ИП являются:

• Чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входной величины
• Погрешность — отклонение реальной характеристики от идеальной
• Диапазон измерений — область значений измеряемой величины
• Быстродействие — скорость реакции на изменение входного сигнала
• Надежность — способность сохранять характеристики во времени

Области применения измерительных преобразователей

Измерительные преобразователи широко применяются в различных областях:

• Промышленная автоматизация и управление технологическими процессами
• Научные исследования и разработки
• Медицинская техника и диагностическое оборудование
• Системы навигации и управления движением
• Бытовая техника и электроника
• Автомобильная промышленность
• Авиация и космонавтика

Как выбрать подходящий измерительный преобразователь

При выборе ИП для конкретной задачи следует учитывать:

• Тип и диапазон измеряемой величины
• Требуемую точность измерений
• Условия эксплуатации (температура, влажность и др.)
• Быстродействие и динамические характеристики
• Совместимость с другими элементами измерительной системы
• Стоимость и надежность преобразователя

Перспективы развития измерительных преобразователей

Основные тенденции в развитии ИП:

• Повышение точности и расширение диапазона измерений
• Миниатюризация и снижение энергопотребления
• Интеграция преобразователей с микропроцессорами
• Создание интеллектуальных датчиков с функциями самодиагностики
• Разработка новых принципов преобразования физических величин

Заключение

Измерительные преобразователи являются ключевым элементом современных измерительных систем и средств автоматизации. Правильный выбор типа преобразователя с учетом его характеристик и особенностей применения позволяет обеспечить высокую точность и надежность измерений в различных областях науки и техники.

Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и обла

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

имени СЕРГО  ОРДЖОНИКИДЗЕ

 

 

 

 

Реферат на тему: Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                             Выполнил: ст. группы ЗРТ-09

              Легалин И.В.

 

                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА, 2014г.

 

 

 

Введение

 

Конкретные методы измерений  определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью  результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других признаков.

Каждую физическую величину можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В отношении технических особенностей можно сказать, что существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники, число их все увеличивается. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только правильному выбору метода и его сопоставлению с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений. При косвенных измерениях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений. Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины, только после того, как тем или иным способом видоизменим ее.

Рассмотрим в качестве примера измерение массы тела, которую мы измеряем с помощью обыкновенных равноплечих весов. Под действием земного притяжения создаются силы. Масса тела вместе с этими силами давит на одну чашку, а масса гирь — на другую. Подбирая гири, мы добиваемся равновесия, т.е. равенство этих сил. Это дает нам право сказать, что масса взвешиваемого тела равна массе гирь, принимая, что сила земного притяжения на расстоянии между чашками остается одной и той же. Как видим, для измерения массы нам пришлось преобразовать массы тела и гирь в силы, а для сравнения сил между собой преобразовать их действие в механическое перемещение рычагов весов. Приведенный пример показывает, что даже простые измерения проводятся путем преобразования измеряемой величины. Необходимо отметить, что преобразования измеряемых величин всегда таят в себе опасность внесения погрешностей. Например, при взвешивании, описанном выше, мы не учли закона Архимеда, в соответствии с которым вес тела, находящегося в какой — либо среде, уменьшается на вес вытесненного телом объема среды, если плотность материала гирь отличается от плотности вещества взвешиваемого тела. Другими словами, объем вытесненного воздуха различен, при взвешивании влияние этого явления может исказить результат. Правда это влияние оказывается очень небольшим и учитывать его приходится только при точных взвешиваниях, в частности, при взвешивании драгоценных металлов. Основным выводом из сказанного является то, что в подавляющем большинстве случаев измерения связаны с преобразованием измеряемой величины.

 

1. Измерительные преобразователи. Классификация, принцип действия, электрические схемы, режим работы, метрологические характеристики и области применения

 

1.1 Метрологические термины и определения

 

Измерения проводятся с  помощью технических средств  измерений. Основные виды средств измерений  следующие:- мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения  физической величины заданного размера, например, мера массы – гиря;- измерительный прибор –это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором. — измерительный преобразователь –это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не подающейся непосредственному восприятию оператором. Измерительные преобразователи в зависимости от их назначения подразделяются на первичные, промежуточные, передающие, масштабные и другие.- первичный измерительный преобразователь – это преобразователь, к которому подведена измеряемая величина. Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, масштабный измерительный преобразователь – для изменения измеряемой величины в заданное число раз.

— измерительное устройство  – это средство измерений,  состоящее из измерительных приборов  и измерительных преобразователей. В зависимости от назначения измерительные устройства подразделяются на первичные и вторичные. — измерительные информационные системы – это измерительное устройство, которое осуществляет многоканальное измерение и обработку информации по некоторому заданному алгоритму.

 

1.2 Физические основы преобразователей

 

1.2.1 Резистивные преобразователи

Реостатные преобразователи

Реостатным преобразователем называют реостат, подвижный контакт  которого перемещается в соответствии со значением измеряемой величины. Естественная входная величина реостатного преобразователя — перемещение, выходная — активное сопротивление.

Используют реостатные преобразователи двух основных типов: проволочные и пленочные. Наибольшее распространение получили проволочные  преобразователи, схема конструкции которых приведена на рис. 1, а. На неподвижный каркас плотно наматывают изолированный провод, который образует обмотку с сопротивлением R. Обмотка включается в цепь постоянного напряжения V. На обмотке очищается от изоляции «контактная дорожка», по которой может перемещаться щетка 1, жестко закрепленная в щеткодержателе 2. При этом создается скользящая контактная пара: щетка — контактная дорожка. Каркас преобразователя изготавливают из изоляционных материалов: эбонита, текстолита, радиокерамики и других. Наиболее распространенными материалами

 

Рис. 1. Реостатные преобразователи

Провода являются манганин, константан, а также сплавы из благородных металлов; золота с никелем, серебра с медью и других. Диаметр провода изменяется, в пределах 0,03-0,1 мм для прецизионных реостатов и достигает 0,3 мм в грубых реостатах. Щетку выполняют в виде двух-трех проволочек диаметром 0,1-0,2 мм. Каркас может иметь не только прямоугольную, но и более сложную форму. Для получения нелинейной характеристики используют фигурные каркасы (рис. 1,6).Статической характеристикой реостатного преобразователя является зависимость Rвых = f(x) или Uвых = ψ(x), где х — перемещение щетки. Эти зависимости могут быть линейными (рис. 1, а) и нелинейными (рис.1, б). На рис.1, а сплошной линией показана реальная характеристика проволочных реостатных преобразователей. Ступенчатый вид характеристики показывает, что при движении щетки в момент перехода от одного витка к другому сопротивление или напряжение изменяется скачками. С помощью ступенчатой кривой определяется порог чувствительности или витковая погрешность преобразователя. Для линейного реостата витковая погрешность определяется.

 

Рис. 2. Схемы включения  реостатных преобразователей

 

Наиболее распространенные схемы включения реостатных преобразователей приведены на рис.2. Недостаток первых трех схем — нелинейная зависимость тока от перемещения движка. Значительно меньшую нелинейность имеют мостовые схемы (рис. 2.г и д).Расчет линейного реостатного преобразователя сводится к определению диаметра и длины намоточного провода, а также геометрических размеров каркаса. Реостатные преобразователи применяют для измерения перемещений. В сочетании с упругими элементами их используют в датчиках для измерения усилий и давлений. Основной недостаток реостатных преобразователей — наличие трущегося контакта, которое приводит, с одной стороны, к уменьшению надежности, с другой — к возникновению погрешности преобразователя вследствие изменения контактного сопротивления. Во многих случаях нежелательное явление — наличие дискретности.

Тензорезисторные преобразователи

В основе работы тензорезисторных преобразователей лежит явление  тензоэффекта, заключающееся в изменении  активного сопротивления проводников  при их механической деформации. Входная  величина преобразователя — деформация, выходная — изменение сопротивления. В настоящее время получили распространение проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. В наиболее простом случае тензорезисторы представляют собой отрезок проволоки, который жестко закреплен при помощи клея или цемента На упругодеформируемой детали. Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки, в результате чего изменяются ее длина, поперечное сечение и удельное сопротивление, что в итоге приводит к изменению электрического сопротивления проволоки

 

R = ρ

 

где l — длина;

S — поперечное сечение;

ρ — удельное сопротивление  проволоки, то при растяжении ее сопротивление  изменится на величину Δ R и составит R + Δ R. Относительное изменение сопротивления тензорезистора равно

 

_{= ( l + 2 μ)}

где _{— изменение длины;}

μ — коэффициент Пуассона:

_{= : — отношение относительного поперечного сужения (растяжения) к относительному продольному удлинению (сжатию). Частное от деления относительного изменения сопротивления = на относительное изменение проводника = — в пределах упругой деформации характеризуется постоянной величиной, которая называется коэффициентом тензочувствительности : = = kт Коэффициент тензочувствительности — основная характеристика тензорезистора. Сопротивление преобразователя не должно изменяться от действия внешних факторов (температуры и других) более чем на сотые доли процента. Для измерений приходится применять высокочувствительную аппаратуру- основной недостаток металлических тензорезисторных преобразователей. Конструктивно проволочные тензосопротивления представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких петель (витков) проволоки, наклеенных на тонкую бумажную (пленочную) основу (рис. 3). Сверху решетка закрыта также тонкой бумагой или пленкой. Длина петли lб называется базой преобразователя. Обычно lб = 8—15 мм. Применяются тензорезисторы с меньшей базой (до 2,5 мм). Ширина преобразователей от 3 до 10 мм, сопротивление порядка 50 — 150 Ом. Изготавливают преобразователи и больших размеров (до 100 мм), имеющие сопротивление 800 — 1000 Ом.’Промышленность выпускает достаточно разнообразный ассортимент проволочных тензорезисторов.Более совершенные тензорезисторы — фольговые. Они имеют решетку в виде тонких полосок фольги прямоугольного сечения, наносимых на лаковую основу. Из-за большей площади соприкосновения полосы фольгового тензорезистора с объектом измерения и большой теплоотдачи, чем у проволочного, он имеет большую чувствительность и по нему можно пропустить больший ток. Кроме того, преимущество фольговых тензорезисторов в возможности изготовления решеток любого рисунка, наиболее полно удовлетворяющего условиям измерений}

 

Рис. 3. Проволочный тензорезистор Рис. 4. Фольговые тензорезисторы

 

Рис. 5. Схемы включения тензорезисторов.

 

Основа полупроводниковых  тензорезисторов- кристалл кремния  или германия. В зависимости от количества примесей типа р или п  сопротивление пластинок тснзорезисторов  изменяется от 100 Ом до 10 кОм. Знак тензоэффекта (при растяжении) в полупроводниках п-типа проводимости — отрицательный, а р-типа — положительный. Проводимость р-типа имеют тензорезисторы КТД. а n-типа — КТЭ.

Недостаток полупроводниковых  тензорезисторов — малые значения прочности  и гибкости. Другой недостаток в  том, что. несмотря на большую Тензочувствительность. реализовать ее довольно сложно из-за нелинейности характеристик, высокой чувствительности к воздействию внешних условий (температуры, освещения и т.д.) и существенного разброса параметров от образца к образцу.При выборе метода измерения механических величин тензорсзисторам часто отдают предпочтение. Действительно, они являются универсальными преобразователями и могут с успехом использоваться во многих случаях, но они не всегда представляют собой лучшее средство. Тензорезисторныс датчики представляют собой упругий элемент, на который наклеены тензорезисторы. Деформация упругого элемента должна иметь достаточно большую величину. Это обстоятельство часто недооценивается при выборе метода измерения. Так, например, датчик давления, представляющий собой диафрагму с наклеенными на ней тензорезисторами, имеет линейную характеристику только в диапазоне относительно малых деформаций. Индуктивный или емкостный преобразователи в этом случае имеют лучшую линейность при более высоком уровне сигнала. Преобразователи имеют широкую область применения, прежде всего датчики динамометров для измерения усилий. Большинство динамометров представляют собой цилиндрическую колонку, которая подвергается сжатию. Для измерения усилий ниже 1 т обычно применяют кольцевые динамометры с наклеенными тензореэисторами. Для измерения давления применяются датчики с консольной балкой.При изменении температуры возникает погрешность за счет изменения сопротивления от температуры независимо от деформации, т.е. изменение от температуры крутизны градуировочной характеристики, вызванное температурной зависимостью модуля упругости упругого элемента, на который наклеены тензорезисторы, и сопротивления тензорезистора. Температурная коррекция выполняется путем включения последовательно и параллельно с тензорезистором сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом (рис.5,а).

Корректирующие сопротивления  должны обладать как можно большим  температурным коэффициентом, чтобы  ею значение было меньше сопротивления тснзорезистора. Этому требованию удовлетворяют только полупроводниковые материалы (термисторы).

Температурная коррекция  выполняется также путем включения  пар тензорезисторов в смежные  плечи моста (рис. 5, б}.

 

1.2.2 Электромагнитные преобразователи

Индуктивные преобразователи.

Преобразователи, преобразующие  естественную входную величину в  виде перемещения в изменение  индуктивности, называются индуктивными.

Классификация измерительных преобразователей — Студопедия

Поделись с друзьями: 

Несмотря на то, что все ИП выполняют одну и ту же задачу – преобразование физических величин с заданной точностью, в частных, конкретных случаях функции их весьма разнообразны. Ограничимся си­стематизацией ИП по некоторым обобщенным признакам.

По функциональному назначению ИП делят на следующие: масштабные, преобразователи одной физической величины в другую, функ­циональные преобразователи с одной входной величиной, функцио­нальные преобразователи с несколькими входными величинами, интег­рирующие, дифференцирующие, фильтры.

Масштабные преобразователи не изменяют род физической величины, но изменяют её масштаб, значение. К ним относятся делители напряжения и тока, трансформаторы напряжения и тока, усилители с однородными входными и выходными величинами, аттенюаторы, и другие.

Широко представлены в измерительной технике преобразователи одной физической величины в другую. Это и простейшие ИП, как шун­ты, преобразующие ток в напряжение, добавочные резисторы, преоб­разующие напряжение в ток, термопары, преобразующие температуру в ЭДС, так и весьма сложные, как лазерные преобразователи тем­пературы в напряжение, и многие другие.

Функциональные преобразователи с одной входной величиной ре­шают задачу нелинейного преобразования одной величины. К ним от­носятся преобразователи, возводящие в степень, извлекающие корни, логарифмические, тригонометрические и другие, связанные с реализа­цией нелинейных функцией одного аргумента.

Функциональные преобразователи с несколькими входными величи­нами реализуют функциональную зависимость между этими величинами и выходной величиной преобразователя. К ним относятся устройства умножения, например, датчики Холла, электродинамические измери­тельные механизмы ваттметров, устройства для деления, например, логометрические преобразователи различных типов.

Интегрирующие и дифференцирующие преобразователи реализуют функции интегрирования и дифференцирования. Примером их могут слу­жить интегрирующие и дифференцирующие RС и LR цепочки, известные из электротехники, интегратор и дифференциаторы на операционных усилителях, счётчики импульсов.

Как измерительные преобразователи очень широко применяются различные фильтры, позволяющие улучшить качественный состав пре­образуемой величины, соотношение между полезным сигналом и помеха­ми.

По виду воздействий (входных величин) ИП делят на механичес­кие, акустические, световые, тепловые, электрические, магнитные, электромагнитные, радиационные.

Полезно деление ИП на две группы: энергетические и парамет­рические. Первые характеризуются тем, что для осуществления преоб­разования требуется только воздействие преобразуемой активной ве­личины. Параметрические же преобразователи должны быть возбуждены от постороннего источника энергии – активизированы.

По виду представления измерительной информации ИП делят на аналоговые, когда входная и выходная величины непрерывны, модуля­ционные, характеризующиеся тем, что параметры гармонического коле­бания или последовательности импульсов под воздействием входной величины изменяются в соответствии с изменением этой величины, цифровые, преобразующие квантованную дискретную величину в другую квантованную дискретную величину, аналого-цифровые и цифро-анало­говые преобразователи.

Измерительные приборы дополнительно можно классифицировать по виду сравниваемых обобщенных сил и обобщенных скоростей: уст­ройства со сравнением (уравновешиванием) механических сил и момен­тов, со сравнением электрических напряжений, со сравнением элект­рических токов, со сравнением магнитных потоков.

---

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  

---



различных типов преобразователей | Характеристики, классификация, применение

В этом уроке мы узнаем о преобразователях, различных типах преобразователей, их характеристиках и нескольких важных областях применения преобразователей.

Возможно, вы слышали о таких терминах, как «сенсоры» и «преобразователи», часто часто, иногда путано взаимозаменяемых. Существуют разные взгляды и определения датчиков и преобразователей. Согласно одному набору определений, датчик — это элемент, который воспринимает изменения входной энергии и производит выходной сигнал в той же или другой форме энергии.

При переходе к датчику он использует принцип преобразования для преобразования измеряемой величины в полезный выходной сигнал. Основываясь на этих определениях, пьезоэлектрический кристалл является датчиком, тогда как пьезоэлектрический кристалл с электродами и каким-либо присоединенным к нему механизмом ввода/вывода делает его преобразователем.

Описание

Что такое преобразователи?

Прежде чем понять, что такое датчик, или погрузиться в изучение различных типов датчиков, рассмотрите следующую настройку измерительной системы. На этой блок-схеме простой измерительной системы есть три основных элемента:

• Датчик
• Блок формирования сигнала
• Устройство представления данных

Датчик

Датчик — это устройство, которое используется для обнаружения изменений любой физической величины, такой как температура, скорость, расход, уровень, давление и т. д. Любые изменения входной величины будут обнаружены датчиком и отражается как изменение количества выпускаемой продукции.

Как входные, так и выходные величины датчика являются физическими, т. е. неэлектрическими по своей природе.

Блок формирования сигнала

Неэлектрическая выходная величина датчика делает неудобным его дальнейшую обработку. Следовательно, блок формирования сигнала используется для преобразования физического выходного сигнала (или неэлектрического выходного сигнала) датчика в электрическую величину.

Некоторые из наиболее известных блоков формирования сигнала:

• Аналого-цифровые преобразователи
• Усилители
• Фильтры
• Выпрямители
• Модуляторы

Устройство представления данных

Устройство представления данных используется для представления наблюдателю результатов измерений. Это может быть что угодно, например

• Шкала A
• ЖК-дисплей
• Регистратор сигналов

Преобразователь

В приведенном выше примере в качестве датчика рассматривается тензодатчик. Любые изменения в деформации будут отражаться как изменения в его сопротивлении. Теперь, чтобы преобразовать это изменение сопротивления в эквивалентное напряжение, вы можете использовать простую схему моста Уитстона, которая действует как блок формирования сигнала.

Комбинация тензодатчика (датчика) и моста Уитстона (блока формирования сигнала) известна как преобразователь.

Преобразователь — это устройство, которое преобразует одну форму энергии в другую по принципу преобразования. Обычно сигнал одной формы энергии преобразуется преобразователем в сигнал другой формы.

В приведенном выше примере преобразователь — это устройство, которое преобразует физическую величину в электрическую величину.

Датчики и приводы

Исходя из вышеприведенного определения, фактически как датчики, устройства, которые реагируют на физическую величину сигналом, так и приводы, устройства, которые реагируют на сигналы физическим движением (или аналогичным действием), могут рассматриваться как преобразователи.

Например, микрофон — это датчик, который преобразует звуковые волны в электрические сигналы, а громкоговоритель — это привод, который преобразует электрические сигналы в аудиосигналы.

И микрофон, и громкоговоритель являются преобразователями в том смысле, что микрофон преобразует звуковую энергию в электрическую, а громкоговоритель преобразует электрическую энергию в звуковую.

Классификация преобразователей

Существует несколько способов классификации преобразователей, которые включают, помимо прочего, роль преобразователя, структуру преобразователя или особенности его работы.

Преобразователи легко классифицировать как преобразователи ввода или преобразователи вывода, если рассматривать их как простые преобразователи сигналов. Входные преобразователи измеряют неэлектрические величины и преобразуют их в электрические величины.

Выходные датчики, с другой стороны, работают противоположным образом, т. е. их входные сигналы являются электрическими, а их выходные сигналы являются неэлектрическими или физическими, такими как сила, смещение, крутящий момент, давление и т. д.

В зависимости от принципа действия преобразователи также можно разделить на механические, тепловые, электрические и т. д.

Рассмотрим классификацию преобразователей по следующим трем признакам:

• Физический эффект
• Физическое количество
• Источник энергии

1. Классификация на основе физического эффекта

Первая классификация преобразователей основана на физическом эффекте, используемом для преобразования физической величины в электрическую величину. Примером может служить изменение сопротивления (физической величины) медного элемента пропорционально изменению температуры.

Обычно используются следующие физические эффекты:

• Изменение сопротивления
• Изменение индуктивности
• Изменение емкости
• Эффект Холла
• Пьезоэлектрический эффект

2. Классификация на основе физической величины

Вторая классификация преобразователей основана на преобразованной физической величине, т. е. на конечном использовании преобразователя после преобразования. Например, датчик давления — это датчик, который преобразует давление в электрический сигнал.

Ниже приведен небольшой список преобразователей, классифицированных на основе физических величин и соответствующих примеров

• Преобразователь температуры – термопара
• Датчик давления – манометр Бурдона
• Преобразователь смещения — LVDT (линейный дифференциальный преобразователь)
• Датчик уровня – торсионная трубка
• Преобразователь расхода – расходомер
• Датчик силы – динамометр
• Датчик ускорения – акселерометр

3. Классификация по источнику энергии

Преобразователи также классифицируются по источнику энергии. В этой категории обычно есть два типа датчиков:

• Активные датчики
• Пассивные преобразователи

Активные преобразователи

В активных преобразователях энергия со входа используется в качестве управляющего сигнала в процессе передачи энергии от источника питания на пропорциональный выход.

Например, тензодатчик является активным датчиком, в котором деформация преобразуется в сопротивление. Но поскольку энергия от напряжённого элемента очень мала, энергия на выходе обеспечивается внешним источником питания.

Пассивные преобразователи

В пассивных преобразователях входная энергия напрямую преобразуется в выходную. Например, термопара представляет собой пассивный преобразователь, в котором тепловая энергия, поглощаемая на входе, преобразуется в электрические сигналы (напряжение).

Характеристики преобразователей

Рабочие характеристики преобразователя являются ключевыми при выборе наиболее подходящего преобразователя для конкретной конструкции. Поэтому очень важно знать характеристики преобразователей для правильного выбора.

Рабочие характеристики преобразователей можно разделить на два типа:

• Статические характеристики
• Динамические характеристики

1. Статические характеристики

Статические характеристики преобразователя представляют собой набор критериев эффективности, которые устанавливаются с помощью статической калибровки, т. е. описания качества измерения, по существу поддерживающего измеренные величины как постоянные значения, изменяющиеся очень медленно.

Ниже приведен список некоторых важных статических характеристик преобразователей.

• Чувствительность
• Линейность
• Разрешение
• Прецизионность (точность)
• Диапазон и диапазон
• Порог
• Дрифт
• Стабильность
• Оперативность
• Повторяемость
• Входное сопротивление и выходное сопротивление

2. Динамические характеристики

Динамические характеристики преобразователей связаны с их характеристиками, когда измеряемая величина является функцией времени, т. е. быстро изменяется во времени.

В то время как статические характеристики относятся к характеристикам преобразователя, когда измеряемая величина практически постоянна, динамические характеристики относятся к динамическим входным данным, что означает, что они зависят от его собственных параметров, а также от характера входного сигнала.

Ниже приведены некоторые динамические характеристики, которые можно учитывать при выборе преобразователя.

• Динамическая ошибка
• Верность
• Скорость ответа
• Полоса пропускания

В целом, как статические, так и динамические характеристики датчика определяют его работу и показывают, насколько эффективно он может принимать нужные входные сигналы и отклонять нежелательные.

Различные типы преобразователей

По сути, есть два различных типа преобразователей: механические преобразователи и электрические преобразователи. Механические преобразователи — это те, которые реагируют на изменения физических величин или условий механическими величинами. Если физическая величина преобразуется в электрическую величину, то преобразователи являются электрическими преобразователями.

1. Механические преобразователи

Как упоминалось ранее, механические преобразователи представляют собой набор первичных чувствительных элементов, которые реагируют на изменения физической величины механическим выходным сигналом. Например, биметаллическая полоса представляет собой механический преобразователь, который реагирует на изменения температуры и отвечает механическим смещением. Механические преобразователи отличаются от электрических преобразователей тем, что их выходные сигналы являются механическими.

Выходная механическая величина может быть любой, например перемещением, силой (или крутящим моментом), давлением и деформацией. Для любой измеряемой величины могут быть как механические, так и электрические преобразователи.

Например, мы видели биметаллическую полосу, которая представляет собой механический преобразователь и используется для реагирования на изменения температуры. Напротив, термометр сопротивления также реагирует на изменения температуры, но реакцией является изменение сопротивления элемента. Следовательно, это электрический преобразователь.

В следующей таблице приведен небольшой список механических преобразователей для измерения различных величин, которые реагируют механическим сигналом.

Измеряемое количество	Механический преобразователь	Тип выходного сигнала (механический)
Температура	Биметаллическая лента	Перемещение и сила
	Расширяющая жидкость	Перемещение и сила
Давление	Кольцевой балансировочный манометр	Рабочий объем
	Металлические диафрагмы	Смещение и деформация
	Капсулы и сильфоны	Рабочий объем
	Мембраны	Рабочий объем
Сила	Пружинный баланс	Смещение и деформация
	Гидравлический тензодатчик	Давление
	Тензодатчик колонны	Смещение и деформация
Момент затяжки	Динамометр	Сила и напряжение
	Гироскоп	Рабочий объем
	Спиральные пружины	Рабочий объем
	Торсион	Смещение и деформация
Расход	Элемент препятствия потоку	Деформация и давление
	Трубка Пито	Давление
Уровень жидкости	Манометр	Рабочий объем
	Поплавковые элементы	Перемещение, сила и деформация

2.

Электрические преобразователи

Как упоминалось ранее, электрические преобразователи реагируют на изменения физических величин электрическими выходными сигналами. Электрические преобразователи далее делятся на пассивные электрические преобразователи и активные электрические преобразователи.

В следующей таблице перечислены некоторые электрические преобразователи (как пассивные, так и активные).

Пассивные электрические преобразователи	Преобразователи сопротивления	Термометры сопротивления
		Резистивные датчики смещения
		Датчики сопротивления деформации
		Резистивные датчики давления
		Резистивные датчики влажности
	Емкостные преобразователи	Емкостные датчики влажности
		Емкостные датчики перемещения
		Емкостные датчики толщины
	Индуктивные преобразователи	Индуктивные датчики перемещения
		Индуктивные преобразователи толщины
		Вихретоковые индуктивные преобразователи
		Индуктивные преобразователи с подвижным сердечником
Активные электрические преобразователи	Фотоэлектрические преобразователи	Фоторезистивные преобразователи
		Фотоэмиссионные преобразователи
		Фотогальванические преобразователи силы
	Пьезоэлектрические преобразователи	Пьезоэлектрические датчики деформации
		Пьезоэлектрические датчики ускорения
		Пьезоэлектрические датчики давления
		Пьезоэлектрические датчики крутящего момента
		Пьезоэлектрические преобразователи силы
	Магнитострикционные преобразователи	Магнитострикционные датчики ускорения
		Магнитострикционные датчики силы
		Магнитострикционные датчики кручения
	Электромеханические преобразователи	Тахометры
		Электродинамические датчики давления
		Электродинамические датчики вибрации
		Электромагнитные расходомеры
	Датчики ионизации	Ионизационный вакуумметр
		Ионизационные датчики смещения
		Преобразователи ядерного излучения
		Радиоактивный вакуумметр
		Радиоактивный уровнемер
		Радиоактивный толщиномер
	Электрохимические преобразователи
	Датчики Холла
	Термоэлектрические преобразователи

Применение преобразователей

1.

Электромагнитные

• Антенны
• Датчики Холла
• Дисковые головки чтения и записи
• Магнитные картриджи

2. Электромеханические

• Акселерометры
• Датчики давления
• Гальванометры
• LVDT
• Тензодатчики
• Потенциометры
• МЭМС
• Линейные и роторные двигатели
• Датчики расхода воздуха

3. Электрохимические

• Датчики водорода
• Датчики кислорода
• рН-метры

5. Электроакустические

• Динамики (Громкоговорители, наушники)
• Микрофоны
• Ультразвуковые приемопередатчики
• Пьезоэлектрические кристаллы
• Сонар
• Тактильные преобразователи

6. Фотоэлектрический

• Светодиод
• Фотодиоды
• Фотогальванические элементы
• Лазерные диоды
• Фоторезисторы (LDR)
• Фототранзисторы
• Лампы накаливания и люминесцентные лампы

7.

Термоэлектрические

• Термисторы
• Термопары
• RTD (резистивные датчики температуры)

8. Радиоакустические

• Радиопередатчики и приемники
• Трубка G-M (трубка Гейгера-Мюллера)

Заключение:

Краткое введение в преобразователи, различные типы преобразователей, характеристики преобразователей, различные классификации и применения преобразователей.

Датчики: типы датчиков и их функции

Что такое датчик? Преобразователи – это устройства, преобразующие энергию из одной формы в другую. Трансдьюсеры окружают нас повсюду. Пример, с которым знакомо большинство из нас, включает микрофоны и громкоговорители.

Когда мы думаем о преобразователях, следует думать о двух основных типах. Входной преобразователь — это датчик, а выходной преобразователь — исполнительный механизм.

Входной преобразователь или датчик реагирует на изменение окружающей среды и преобразует его в электрический сигнал, который можно считать. В нашем примере с микрофоном микрофон принимает физические звуковые волны и преобразует их в электрический сигнал, который передается по проводам на усилитель.

Выходные датчики или актуаторы действуют противоположно входным датчикам. Они принимают электрические сигналы и преобразуют их в другую форму энергии. Например, лампа преобразует электричество в свет, а двигатель преобразует электричество в движение.

Чувствительность преобразователя определяется как отношение выходной величины к входной величине. Чувствительность является ключевым показателем производительности преобразователя.

Эффективность преобразователя определяется как отношение выходной мощности предпочтительного типа к общей потребляемой мощности. По сути, ни один преобразователь не является полностью эффективным, так как в процессе преобразования часто теряется определенное количество энергии. Некоторые датчики обычно более эффективны, чем другие.

В этой статье мы собираемся глубоко погрузиться в мир преобразователей, уделяя особое внимание датчикам. Мы рассмотрим различные типы преобразователей и их применение. Мы лучше поймем, как работают преобразователи, и многое другое.

Содержание

• Для чего используется преобразователь?
• Сколько существует типов преобразователей?
• Что такое пример преобразователя?
• В чем разница между датчиком и преобразователем?
• Каковы основные части преобразователя?
• Как калибровать преобразователь?
• Как проверить датчик?
• В чем разница между активными и пассивными датчиками?
• В чем разница между трансформатором тока и преобразователем тока?
• Как работает датчик тока?
• Что такое выход датчика тока?
• Что такое преобразование сигнала в датчике?
• Каковы применения преобразователя на эффекте Холла?
• Заключение

Для чего используется преобразователь?

Преобразователь преобразует энергию одного вида в другой. Как правило, преобразователи преобразуют один тип энергии, например, механическую или магнитную, в то, что можно измерить на другом конце, в электрический сигнал. Вы также можете пойти другим путем и преобразовать электрический сигнал во что-то другое, например, в механическое движение.

Сколько существует типов преобразователей?

Много! Почти слишком много, чтобы упомянуть. О некоторых мы упоминали выше – датчики тока, датчики магнитного поля, датчики напряжения. Микрофоны, динамики, термопары. Антенные передатчики и приемники также являются преобразователями.

Преобразователи тока

Преобразователи тока используются при переходе от первичного источника тока к вторичному выходному сигналу, который мы можем измерить.

Преобразователи магнитного поля

Преобразователи магнитного поля используются при переходе от источника магнитного поля к выходному сигналу, который мы можем измерить.

Датчики давления

Датчики давления или датчики силы и преобразуют физическую силу в число или показания, которые можно измерить и понять. Их также называют тензодатчиками.

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрические заряды, производимые некоторыми формами твердых материалов, в энергию. Пьезоэлектрические преобразователи используют слово «пьезоэлектрический», поскольку оно буквально означает электричество, вызванное давлением.

Термопары

Термопары, похожие на электронные термометры, измеряют изменения напряжения и предотвращают перегрев наших телефонов, термостатов и автомобилей.

Преобразователь электромеханический

Электромеханический преобразователь — это устройство любого типа, которое либо преобразует электрические сигналы в звуковые волны (как в громкоговорителе), либо преобразует звуковую волну в электрический сигнал (как в микрофоне).

Преобразователи взаимной индукции

Преобразователи взаимной индукции используют две катушки для взаимной индукции. Один для генерации возбуждения, а другой для вывода.

Тензометрические датчики

Тензометрические датчики представляют собой датчики, преобразующие физическую величину, такую ​​как нагрузка, давление или смещение, в механическую нагрузку на тело, создающее деформацию. Деформация преобразуется в электрическую мощность с помощью установленных тензодатчиков.

Преобразователи тока

и датчики

Подробнее

Пример преобразователя?

Давайте возьмем в качестве примера то, чем мы пользуемся чаще всего каждый день, — наши телефоны. В каждом телефоне есть микрофон и динамик.

Есть акселерометры для измерения движения телефона для тех, кто любит считать ежедневные шаги. Электронные компасы. Гироскопы. Это все входные преобразователи (датчики). Привод, который заставляет ваш телефон вибрировать, когда вы ставите его на беззвучный режим, — это выходной преобразователь (приводы). И если этого недостаточно, каждый пиксель на вашем экране на самом деле является преобразователем. Как видите, датчики практически везде.

Еще несколько датчиков можно найти в вашем автомобиле. Почти все на вашей приборной панели происходит от преобразователя. Ваш спидометр преобразует скорость вращения ваших колес в мили в час. Тахометры обычно имеют датчик Холла, который посылает электронный сигнал при каждом обороте двигателя.

Термопары измеряют температуру двигателя, температуру салона и наружную температуру. Датчики давления измеряют давление масла и обнаруживают изменения давления в шинах. Акселерометры для обнаружения столкновений и срабатывания подушек безопасности. Приводные двигатели для регулировки сиденья также являются преобразователями.

В чем разница между датчиком и преобразователем?

Преобразователь шире и включает в себя как датчики, так и приводы. Датчик конкретно реагирует на что-то в окружающей среде — механическое, электрическое, температуру, давление и т. д. — и преобразует его в электронный сигнал для записи или анализа в другом месте. В общем, датчик — это тип преобразователя.

Каковы основные части преобразователя?

Говоря о датчиках-преобразователях, вы имеете в виду головку датчика, часть, которая реагирует на изменения в окружающей среде. Изменением окружающей среды может быть магнитное поле (помните, электрический ток, проходящий через проводник, создает окружающее магнитное поле), температура, давление и так далее. Затем вам нужно преобразовать его в пригодный для использования электрический сигнал, так что здесь задействована какая-то электроника.

Это может быть что-то простое, например резистор, преобразующий наведенное напряжение в ток и наоборот. Это также может быть усилитель для усиления очень слабого сигнала до чего-то полезного. Или даже схему интегратора для преобразования скорости изменения тока в реальную форму волны тока.

Как откалибровать преобразователь?

Вообще, вы сравниваете с референсом. Либо у вас есть известный источник, например, источник тока для датчика тока, и вы сравниваете его с выходным сигналом датчика, либо вы сравниваете его с другим эталонным датчиком, который был откалиброван, например, в национальной лаборатории стандартов. NIST (Национальный институт стандартов и технологий) является примером в Соединенных Штатах.

Как проверить датчик?

Проверка преобразователя аналогична калибровке, но без такой строгости. Вы помещаете его в тестовую среду, которая, как вы знаете, меняется, например, перемещаете термопару из тени на солнце или даже просто держите ее в руке, чтобы нагреть и посмотреть, реагирует ли она на ваши действия.

Для преобразователя магнитного поля вы можете изменить магнитное поле, приблизив его, например, к постоянному магниту, и посмотреть, изменится ли выходной сигнал преобразователя. Для датчика тока увеличьте или уменьшите ток и посмотрите, изменится ли выходной сигнал, как вы ожидаете.

В чем разница между активными и пассивными датчиками?

Активному преобразователю требуется внешнее питание для генерации сигнала, которым может быть какое-либо возбуждение, обработка сигнала, схема интегратора, усилитель или другая электроника. Большинство современных преобразователей являются активными преобразователями.

Пассивный преобразователь имеет сигнал, вызванный только неотъемлемыми свойствами того, что обнаруживает датчик преобразователя. Например, термопара генерирует напряжение в зависимости от изменения температуры, не требуя внешнего источника питания.

В чем разница между трансформатором тока и преобразователем тока?

Трансформатор тока увеличивает или уменьшает ток от источника. Его можно использовать для измерения тока с большим количеством витков, например, соотношением 1000 к 1 витку. Если у вас первичный ток 1000 ампер, ваш переход даст вам выходной ток 1 ампер, что достаточно мало, вы, вероятно, можете измерить его в своем измерительном приборе, возможно, преобразовав в сигнал напряжения с помощью резистора. Трансформатор также можно перевернуть, превратив источник 1 ампер в выходной ток 1000 ампер. Трансформатор по своей природе ограничен только переменным током, поскольку он обнаруживает изменение первичного тока.

Преобразователь тока, с другой стороны, непосредственно преобразует энергию в другой тип энергии. Например, электрический ток в выходной сигнал напряжения. Эта электрическая мощность затем может быть преобразована обратно в ток, но есть своего рода промежуточный этап, на котором происходит преобразование. Ключевым моментом является то, что какое-то преобразование должно иметь место. Одним из неотъемлемых преимуществ преобразователя тока перед трансформатором является то, что преобразователь может измерять как постоянный, так и переменный ток.

Как работает датчик тока?

Зависит от используемого типа. Одним из типов преобразователей тока является датчик Холла, который преобразует магнитное поле, создаваемое всеми проводниками тока, в сигнал напряжения. Датчик Холла изолирован от проводника — на самом деле он не должен соприкасаться.

Многие преобразователи тока, в том числе некоторые преобразователи на эффекте Холла, упомянутые ранее, а также другие типы, упомянутые ниже, являются преобразователями с замкнутым контуром. Эти преобразователи тока имеют своего рода магнитный сердечник, который помогает концентрировать поле, испускаемое первичным проводником, и помогает исключить влияние внешних магнитных полей на надежные измерения. Затем они имеют вторичную компенсационную катушку, обернутую вокруг сердечника, что еще больше повышает точность преобразователя тока.

Наиболее эффективными преобразователями постоянного тока (DCCT) являются датчики феррозондового типа с точностью и стабильностью, которые могут быть измерены в диапазоне частей на миллион (ppm). В преобразователях тока на эффекте Холла устройство Холла вставляется в зазор магнитопровода. Зазор подвержен термическому расширению и механическим воздействиям. В феррозонде отсутствует зазор, что устраняет эти ошибки и значительно повышает производительность.

Феррозонд с нулевым феррозондом может измерять постоянный ток на уровне субмиллионных долей (частей на миллион). Сравните это с преобразователем тока на эффекте Холла, который может измерять постоянный ток, но только с точностью 1% или 0,1%. Sub-ppm означает точность лучше 0,0001%.

Это основано на двух принципах, содержащихся в названии: нулевой поток и феррозонд. Нулевой поток означает, что у вас фактически есть компенсационный ток, чтобы поддерживать магнитный сердечник при нулевом магнитном потоке, что позволяет избежать проблем с насыщением в сердечнике и измеряет компенсационный ток. Феррозонд фактически запитывал сердечник сигналом переменного тока, высокоточными измерениями первичного тока постоянного тока.

Что такое выход датчика тока?

Выходной сигнал представляет собой выходной сигнал напряжения или тока, который затем подается на ваш измерительный прибор. Это может быть регистратор данных, анализатор мощности, осциллограф или вольтметр. Или его можно использовать в OEM-приложении, например, как часть контура обратной связи для системы управления электромагнитом или высокостабильного источника питания.

Что такое преобразование сигнала в преобразователе?

Преобразование сигнала — это метод преобразования сигнала датчика или преобразователя в пригодный для обработки с помощью оборудования для сбора данных. Например, если вы измеряете сигнал напряжения меньше нескольких милливольт, вам может потребоваться его усиление. Если бы у вас был сигнал, загрязненный шумом, вы могли бы его отфильтровать.

Каково применение преобразователя на эффекте Холла?

Элементы на эффекте Холла реагируют на изменение магнитного поля, как правило, с индуцированным напряжением для данного магнитного поля.