Глава 10

СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕЗАВИСИМЫХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН

10.1. Основные разновидности систем измерения независимых входных величин

Входными для ИИС являются величины, воспринимаемые дат­чиками или другими входными устройствами системы. Ниже рас­сматриваются измерительные системы, у которых целью измерения (измеряемыми величинами) являются именно входные величины.

Большинство входных величин (масса, геометрические размеры или перемещения объекта, его температура, сила, на него дейст­вующая, и т. п.) имеют невысокую размерность, подчиняются за­конам аддитивности, порядка и эквивалентности. Как правило, для них имеются образцовые меры той же физической природы.

Задача таких ИС заключается в выполнении аналого-цифровых преобразований множества величин X : I (X₀) I (X^/Z) I (Z) и в выдаче полченных результатов измерений I (R:Z) 11 (W:Z) 11 (S:Z). Этот алгоритм осуществляется в большинстве случаев аналого-циф­ровой частью ИИС, принципы действия которой описаны в гл. 8, и присоединенными к ней устройствами отображения, регистрации и хранения измерительной информации. Конечно, проведенный алго­ритм может усложняться в зависимости от задач, стоящих перед ИС. Наиболее часто в алгоритм вводятся аналоговые преобразова­ния входных величин с целью их аналоговой регистрации l(X₀) l(XJXi) I(W :Xi) с возможным последующим аналого-циф­ровым преобразованием и обработка аналоговых или цифровых сиг­налов в целях, например, фильтрации, накопления, введения тесто­вых и образцовых сигналов на вход ИС.

В рассматриваемых ИС основные типы измеряемых входных величин (см. гл. 2) могут быть сведены или к множеству изменя­ ющихся во времени величин {Xi(t)}k₌\_i2 «, или к изменяющейся

во времени t и распределенной по пространству S непрерывной функции x(t, S).

При измерении непрерывная функция x(t, S) представляется

МНОЖеСТВОМ ДИСКреТ {x(ti, Sj)}i=\,2, . ...п; з=Ь2,3.

Для иллюстрации основных принципов построения таких систем достаточно ограничиться изучением структур и алгоритмов ИС, производящих измерения дискрет функции x(t, S) и основанных на использовании многоточечных, мультиплицированных и скани­рующих структур системных аналого-цифровых измерительных каналов (многоканальные структуры ввиду их системотехнической простоты здесь можно не рассматривать).

Отметим, что в таких ИС программируемые вычислительные средства используются для выполнения операций обработки ре-

зультатов аналого-цифровых преобразований, главным образом, в целях улучшения точностных характеристик результатов изме­рения, а также для управления работой системы.

Арсенал систем для измерения входных величин велик, и тем не менее продолжается создание новых систем. Конечно, это от­части объясняется различиями в требованиях, предъявляемых к ИС в зависимости от условий измерительного эксперимента, в котором они должны работать. Но в первую очередь это объяс­няется большим разнообразием величин, подлежащих измерению.

6Г

(7

^

\£.

' 1-3,^,5^

Т\

л

./

^N'

1-2,6,7

'W⁴

_vz>

Jj

10'

10¹t,C

/?,0м 10^b 10^b 10¹ 10 10'' 10'° W'^J 1С Рис. 10.1. Основные параметры датчиков:

/ — датчики сопротивления — параметрические (/-/ — реостатные; 1-2 — тензорезисторы; 1-3 — индуктивные; 1-4 — индукционные; 1-5 — терморезисторы; 1-6 — магнитоупрз гие; 1-7— емкостные); 2 — термоэлектрические датчики; 3 — фотоэлектрические датчики; 4 — счетчи­ки элементарных частиц; 5 — электрохимические датчики; 6 — датчики, основанные на эффекте Холла; 7 —■ пьезоэлектрические датчики

Если даже ограничиться обзором только динамического и частот­ного диапазонов, а также диапазона выходных сопротивлений электрических датчиков, предназначенных для восприятия одной величины, то окажется, что эти диапазоны очень широки. На рис. 10.1 представлены ориентировочные области выходных сигналов (напряжений), выходных сопротивлений и инерционности сущест­вующих датчиков.

По уровню выходного напряжения датчики можно условно подразделить на такие группы:

с весьма низким уровнем сигнала (менее 5•1О^-5 В);

с низким уровнем сигнала (от 5-10^-5 до 10~³ В);

со средним уровнем сигнала (от Ю^-3 до 1 В);

с высоким уровнем сигнала (более 1 В).

Наиболее распространены датчики со средним уровнем сигнала

(около 60% всех типов датчиков). Датчики, имеющие низкий и высокий уровни сигнала, распространены примерно одинаково (по 15% типов).

Динамический диапазон выходных сигналов у большинства датчиков не превышает 100 дБ.

Частотный диапазон большинства датчиков лежит в диапазоне от 10 до 10⁴ Гц. В отношении погрешностей датчиков следует от­метить, что большинство датчиков имеют погрешности преобразо­вания примерно от 0,1 до 0,5%.

Нужно отметить, что наиболее распространенные параметры сигналов определяют и наибольшее количество ИС, работающих в этих диапазонах параметров.

Кроме одиночных датчиков в ИС эффективно применяются си­стемные датчики, воспринимающие поле величин (телевизионные, голографические и др.).

Большие перспективы имеют удобно комплектуемые с инте­гральной микроэлектроникой малогабаритные полупроводниковые чувствительные элементы с частотным выходным сигналом — сен­соры. Группа сенсоров может быть объединена с элементами ми­кроэлектроники (включая и микропроцессор) в одной интегральной микросхеме. Естественно, что отличающиеся друг от друга датчики требуют разного подхода к построению измерительных схем соот­ветствующих систем.

Из огромного разнообразия измеряемых величин по их физиче­ской природе для рассмотрения здесь разумно выбрать величины и воспринимающие их датчики, наиболее часто встречающиеся, но в то же время различающиеся по основным характеристикам.

Следует подчеркнуть, что материал по системам базируется на содержании предыдущих частей книги. Читатели должны и могут самостоятельно дополнять этот материал, развивая его в нужном направлении.