Senzorii sistemului de măsurare
Informații generale despre senzori
Un senzor este un dispozitiv care sesizează o acțiune externă (valoarea măsurată). Aruncări un semnal electric echivalent (încărcare, curent, tensiune, etc.), care este o funcție a valorii măsurate y = f (x), unde x - intrare, cantitatea măsurată (debit de lumină, temperatură, presiune, oscilație, deplasare, poziția, formă, dimensiune, viteză, concentrație, compoziție chimică etc.); y este ieșirea senzorului.
Senzorul poate include unități funcționale: un element de detectare care simte direct valoarea măsurată și o convertește într-un semnal electric; convertoarele care efectuează conversia energiei (amplificare, detecție, filtrare, conversie ADC). Numărul de etape intermediare necesare de transformare este determinat de capacitățile de interfață și de precizia senzorului.
Pentru senzorii cu funcție de transformare liniară y = f (x), se folosește factorul de conversie:
unde xi și yi sunt valorile curente ale lui x și y.
Cea mai importantă caracteristică a senzorului este sensibilitatea S = dy / dx.
Pentru senzorii cu funcție de conversie liniară S = K. În general, sensibilitatea depinde de factorii externi: tensiunea de alimentare, temperatura, frecvența efectului de intrare măsurat x.
Senzorii cu o funcție de transformare neliniară pot fi considerați liniari într-un interval limitat de valori de x.
În practică, liniaritatea senzorului este determinată de caracteristica sa de calibrare, care este îndepărtată experimental.
Viteza senzorului este determinată de proprietățile elementelor sale structurale și de traductoare și arată modul în care urmează semnalul de ieșire y în timp după modificarea valorii măsurate x. Producătorii senzorilor utilizează caracteristicile de frecvență pentru a arăta cât de repede senzorul poate reacționa la modificările influențelor externe. Caracteristica de amplitudine-frecvență (AFC) este prezentată în figura 2.20.
Fig. 2.20. Răspunsul la frecvență și răspunsul la fază al unui senzor de primă ordine
Senzorii de prim ordin în structura lor conțin părți oscilante. S (0) și S (f) sunt, respectiv, sensibilitate statică și dinamică; f și fr sunt, respectiv, frecvența semnalului de intrare și frecvența de întrerupere. Frecvența de frontieră fr arată că la această frecvență apare o scădere cu 30% a semnalului de ieșire y. Frecvența fr este considerată frecvența limită a senzorului.
Precizia este o caracteristică importantă a senzorului, se estimează prin abaterea rezultatului măsurătorii y de valoarea adevărată yn a parametrului măsurat :.
În practică, este adesea folosit termenul de eroare de măsurare a senzorului, adică valoarea maximă a discrepanței dintre citirile senzorilor reali și cei ideali.
Prin metoda de exprimare, erorile sunt împărțite în valoare absolută, relativă și redusă.
Eroare absolută a senzorului :, unde yom este valoarea nominală a parametrului măsurat, y este citirea senzorului.
Eroarea rezultată :, unde - eroarea absolută maximă, ylim - limita superioară a intervalului de măsurare.
Prin conectarea cu funcția de transformare, erorile sunt subdivizate în cele aditive și multiplicative.
Aditivul (eroarea zero) reprezintă componenta erorii totale a senzorului, independent de cantitatea măsurată x. Funcția de conversie este prezentată în figura 2.21 (a).
Multiplicativ (eroare de sensibilitate) este componenta erorii totale, valoarea absolută a acesteia fiind proporțională cu cantitatea măsurată x. Funcția de conversie este prezentată în Figura 2.21 (b).
Fig. 2.21. Adezivi (a) și erori multiple (b) ale senzorilor
Δ0y - este o eroare aditivă indicând valoarea de deplasare a caracteristicii reale în raport cu valoarea nominală y = fnom (x).
Δyi - eroarea multiplicatoare este proporțională cu valoarea curentă a lui xi.
Prin natura manifestării, erorile sunt împărțite în sistematic, aleator și progresiv. Figura 2.22 prezintă toate cele trei erori care se manifestă de fapt împreună.
Fig. 2.22. Graficul rezultatelor observațiilor
Eroarea sistematică nu se schimbă în timp și poate fi eliminată prin introducerea corecțiilor pentru întreaga durată de viață.
O eroare aleatorie nu poate fi prezisă, dar este ușor de detectat prin măsurători repetate sub forma unei scatter-uri de rezultate.
Eroarea progresivă se modifică încet în timp datorită îmbătrânirii elementelor senzorilor. Acestea pot fi corectate prin introducerea unui amendament la un moment dat.
Prin metoda de estimare, erorile sunt împărțite în principalele și cele suplimentare.
Eroarea principală este componenta erorii totale a senzorului, determinată în condiții normale de funcționare a acestuia, specificate în specificațiile tehnice.
În condiții reale, senzorul funcționează cu fluctuații semnificative ale valorilor limită ale factorilor de mediu (temperatură, umiditate, vibrații, radiații ionizante, câmpuri electromagnetice, forțe gravitaționale). Modificările citirii senzorului atunci când condițiile de funcționare deviază de la normal se numesc erori suplimentare. În pașaport, senzorul poate indica valorile limită ale factorilor de influență.
În metrologie, sunt luate în considerare câteva duzini de erori diferite. Ne vom limita la cele de mai sus, care iau în considerare specificitatea funcționării senzorilor din industria constructoare de mașini.
În efortul de a crea senzori mai exacți, au fost dezvoltate metode de îmbunătățire a acurateței:
Stabilizarea parametrilor cei mai importanți prin utilizarea unor piese, materiale, tehnologii adecvate de fabricație și asamblare;
Protecție pasivă prin izolare termică, amortizare, filtrare etc .;
Protecție activă prin stabilizarea factorilor de mediu încețoșați;
Corectarea erorilor sistematice și progresive și prelucrarea statistică a erorilor aleatorii.
Fiabilitatea parametrilor principali ai senzorului este precizia. Dacă senzorul funcționează într-un sistem de măsurare care controlează un obiect de pericol crescut pentru mediu și pentru om, atunci fiabilitatea devine parametrul determinant.
Fiabilitatea este capacitatea unui senzor de a îndeplini funcțiile necesare în anumite condiții pentru o anumită perioadă de timp. Fiabilitatea stabilește timpul până când senzorul nu reușește. Pentru a determina fiabilitatea senzorilor, aceștia sunt supuși unor teste de calificare care se efectuează în cele mai nefavorabile condiții.
Pentru posibila aplicare în diferite domenii, precizia, fiabilitatea, costul, construcția, greutatea, dimensiunile sunt importante.
Elemente senzitive ale senzorilor
Baza oricărui senzor este un senzor care transformă influențele externe neelectrice în semnale electrice. Aceste transformări se bazează pe legile fizicii. Printre elementele sensibile utilizate în senzori, ne vom concentra doar pe cele utilizate în sistemele de control și control din industriile inginerești.
În conformitate cu principiul fizic care stau la baza transformării informațiilor, se disting următoarele tipuri principale de elemente de detectare:
rezistență;
electromagnetice;
galvanomagnetica;
piezoelectric;
capacitiv:
căldură:
optice.
Elementele sensibile sunt împărțite în parametri pasivi și activi (generatori).
Pasiv atunci când este expus la semnale externe non-electrice nu poate crea un semnal electric la ieșire ei înșiși. Astfel de elemente sensibile își schimbă caracteristicile (parametrii), de exemplu, rezistența, inductanța, capacitatea. Prin urmare, energia externă este necesară pentru munca lor.
Elementele sensibile active, spre deosebire de cele pasive, nu au nevoie de o sursă suplimentară de energie și, ca răspuns la influențele externe, generează un semnal electric (curent, tensiune, încărcare).
Senzori rezistivi
Rezistența CHE se referă la influențele pasive și transformă influențele externe într-o schimbare a rezistenței, definită de formula:
unde ρ, l, S sunt rezistivitatea electrică, respectiv lungimea și secțiunea transversală a conductorului.
Rezistența ρ depinde de schimbarea temperaturii:
unde ρ0 este rezistivitatea la temperatura de referință (de obicei 25 ° C).
Pentru construirea senzorilor de temperatură rezistivi, sunt utilizați termistori, elemente de platină și cupru sensibile.
La tensiunea mecanică a unui fir metalic rezistența sa se schimbă, deoarece Când firul este alungit, suprafața sa transversală scade cu un volum constant. Această proprietate se numește efectul de întindere.
Raportul se numește sensibilitate la tensiune, care arată cât de mult schimbarea relativă a rezistenței depășește tensiunea relativă.
Utilizarea măsurătorilor de presiune în senzori se bazează pe legea lui Hooke:
unde σ, E sunt modulul de tensiune și, respectiv, Young.
După conversie obținem:
unde K este un coeficient constant.
Rezistența rezistoarelor din materiale higroscopice depinde de cantitatea de umiditate absorbită de acestea. Astfel de rezistențe se numesc gigristori și se folosesc în senzori de umiditate.
Atunci când materialul ușor atinge suprafața, rezistența specifică a materialului se schimbă. Această proprietate se numește efect foto. Fenomenul efectului fotoelectric este utilizat în fotorezistoarele utilizate în senzorii optici.
Elementele sensibile sunt împărțite în reostat cu o schimbare mare a rezistenței și a tensiunii, cu o mică schimbare în rezistență.
CHE-urile reostatice transformă mișcarea senzorului conectat la obiectul măsurat în rezistența R. Circuitul reostat este prezentat în Figura 2.23.
Fig. 2.23. Rostatic Wire ChE cu înălțime variabilă a cadrului
Pe rama 1 din material izolant este înfășurat distanțate uniform de sârmă 2. Izolarea pe fața superioară a cadrului de sârmă este tăiată, iar sârmă de metal periilor diapozitivele 3. Peria aditiv 5 lamele pe inelul colector 4. Ambele perii sunt izolate din rola de antrenare 6.
Convertoarele Rheostat sunt executate atât cu o rană de sârmă pe un cadru, cât și cu un tip de rheochord. Cele mai frecvent utilizate fire sunt mangan, constantan sau fecral. În cazuri foarte critice în care cerințele de rezistență la uzură ale contactului sunt deosebit de ridicate sau când presiunile de contact sunt foarte scăzute, se utilizează un fir de iridium platină-iridiu (90% Pt + 10% Ir). Adăugarea de iridiu la platină mărește duritatea și rezistența acestuia din urmă, crește rezistența la acid, rezistența la coroziune și rezistența la uzură. Rezistența acestui aliaj este
ρ = 0,23 μΩ · m. Platinoiridievy sârmă produsă întregul diametru mic (0,03 mm), care permite o rezistență ridicată (până la câteva mii de ohmi) convertoarele greutate totală de 10-12 g și dimensiuni de aproximativ 1 x 2 cm. Parametrii bune au și convertizoare de fire făcute din aliaje Platină cu paladiu, rubidiu, ruteniu, osmiu.
Sârmă din reostat trebuie să fie acoperită fie cu smalț, fie cu un strat de oxizi care să izoleze răsucirile adiacente una de cealaltă.
În timpul funcționării, un traductor de vibrații condiții reostatică aplică fire de perie de diferite lungimi (din punctul de atașare la punctul de contact) sau a plăcilor cu două sau trei bucăți. Aceasta asigură o frecvență naturală diferită de vibrații a părților individuale ale periei.
Frame convertor reostatică este de obicei din plastic sau PCB, rame de aluminiu, de asemenea, utilizate, sau acoperite cu un lac izolator sau o grosime a stratului de oxid de 10 um, care are un mod suficient de bune proprietăți izolatoare. Cadru de aluminiu retinere stabilitate dimensionala, poate, de asemenea, datorită conductivității termice mai bune pentru a crește densitatea de curent în bobina și, prin urmare, sensibilitatea crescută a traductorului. Forme schele sunt foarte diverse, ele pot fi sub formă de plăci plate sau cilindrice, plane sau cilindrice inele, un segment plat, etc.
Rezistențele inductive și capacitive ale convertoarelor reostat sunt foarte mici și pot fi ignorate la frecvențe de ordinul a zeci de mii de hertzi.
Într-o serie de cazuri, se folosesc convertoare funcționale de reostat cu o distribuție neliniară de rezistență de-a lungul cadrului. Acest lucru se realizează, de exemplu, modificarea înălțimii cadrului porțiunii liniare a rezistoarelor de by-pass de rezistență constantă, utilizarea înfășurării cu pas variabil înfășurare porțiuni individuale de carcasă ale diferitelor fire de diametru sau fire cu diferite rezistivitate.
Atunci când se produce zgomot reostatic, se produce zgomot de contact datorită instabilității rezistenței la contact, care crește datorită uzurii, contaminării și oxidării pistei și pensulei.
Rezistențele CHE sunt caracterizate de rezistența R = 0,2 ÷ 0220 kOhm, putere
P = 0,5 ÷ 0,2 W, eroare δ = (0,01 ÷ 0,3)%.
Senzorii reostatici sunt utilizați în senzorii de poziție și de deplasare.
Măsurătorile de tensiune transformă o deformare mecanică într-o mică modificare a rezistenței. Aspectul tensiunii este prezentat în Figura 2.24.
Fig. 2,24. Sârmă și folie tulpină
Pentru hârtia subțire sau filmul 1, este lipit un fir sensibil la tracțiune cu un diametru de aproximativ 0,025 mm. La capetele firului, sunt conectate firele de plumb 3. Un strat de lac 4 este aplicat de sus.
O astfel de măsurătoare de tensiune, atașată la elementul de tensiune 5, percepe deformările stratului său de suprafață.
O varietate de măsurători de tensiune - folie - sunt folii gravate cu o grosime de 0,005-0,025 mm cu cabluri 7.
Se folosesc, de asemenea, agenți de reglare a semnalelor și semiconductoarelor. În fabricarea foliilor și a peliculelor de film, se poate lua în considerare orice model. Cele mai bune caracteristici de performanță au tensiunile foliei cu sensibilitate transversală scăzută și stabilitate bună la temperatură. Aparatele de măsurare a tensiunii semiconductoare cu o sensibilitate foarte ridicată (aproximativ 100) au o funcție de conversie neliniară și o sensibilitate la temperatură ridicată.
Caracteristica comparativă a CHE rezistent la rezistență este dată în tabelul 2.2.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: