Входная величина Xе----преобразователь----Выходная величина Ха

Если входная величина не изменяется во времени, то процесс измерений является статическим; ф-ция преобраз-ния, в т. ч. и ее график, называется статич харак-кой преобразования СИ. При очень медленном изменении входной измеряемой величины измерения можно считать квазистатическими. При быстрых изменениях измеряемой величины измерения называют динамическими .К статическим характеристикам измерительных преобразователей относят: функцию преобразования, передаточный коэффициент, передаточную характеристику, а также чувствительность, порог чувствительности и разрешающую способность.

Функцией преобразования измерительного преобразователя называют функциональную зависимость выходной величины от входной, описываемую аналитическим выражением или графиком. График функции преобразования, отображающий зависимость выходной величины от входной, называется передаточной характеристикой.

Если связь между входной и выходной величинами при преобразовании является линейной, то функция преобразования Xа =f(Xe) измерительного преобразователя графически отображается прямой линией. Преобразование при этом описывается уравнением:

Xа = КрХе,где Кр-коэффициент передачи (передаточный коэффициент) .

Чувствительность преобразователя - это величина, показывающая, на сколько изменяется приращение выходной величины ха при определенном приращении входной величины Xе:

Порог чувствительности представляет собой наименьшее значение измеряемой величины, которое вызывает заметное для восприятия изменение выходного сигнала средства измерения:

Разрешающая способность средства измерений определяется минимальной разностью двух значений однородных величин, которая может быть различима при их измерении.

6. Процесс преобразования и передачи сигналов в средствах измерений изображается графически в виде блок-схем, которые, в свою очередь, используются для анализа работы средств измерений и определения их характеристик. При построении функциональных блок-схем сигналы обозначаются буквенными символами, а направления их передачи указываются стрелками.

Основные элементы передачи и преобразования сигналов:

7. При определении передаточного коэффициента часто оказывается целесообразным предварительно преобразовать блок-схему сигналов и тем самым упростить ее.

Выведем формулы для различных типов соединений преобразователей.

При последовательном соединении двух преобразователей:

Xа = К*Xе; К=Xа/Xе; К1=Xb/Xe; К2=Xа/Xb;

К=Xа/Xе=Xb/Xе*Xа/Xb ----» К=К1*К2

При параллельном соединении двух преобразователей:

Xа= X1+X2= К1Xе+К2Xе=(К1+К2)Xе=К*Xе => К=К1+К2

В измерительной технике широко используются передаточные звенья с обратной связью.

Обратная связь - воздействие результатов какого-либо процесса на его протекание. Если при таком воздействии интенсивность процесса возрастает, то обратная связь называется положительной, в противоположном случае имеет место отрицательная обратная связь. Отрицательная обратная связь может обеспечить автоматическое поддержание регулируемых физических характеристик системы па требуемом уровне. Положительная обратная связь приводит к тому, что возникшее отклонение от стационарного состояния все более увеличивается и ранее устойчивая система может стать неустойчивой.

Схема усилителя электрического напряжения с обратной связью: Коэффициент усиления самого усилителя без обратной связи равен К(у0). Определенная часть выходного напряжения с помощью аттенюатора, коэффициент передачи которого равен у, подается в виде сигнала обратной связи на вход усилителя, где с помощью сумматора складывается с входным напряжением (у - величина, показывающая, какая часть выходного напряжения подается на вход усилителя).

14. Измерительные системы и другие средства измерений представ­ляют собой совокупность измерительных преобразователей. Измери­тельный преобразователь в составе средства измерений (прибора, уст­ройства, измерительной системы), непосредственно воспринимающий измеряемую величину, называют первичным измерительным преобразователем. Первичные измерительные преобразователи являются начальным звеном любого измерительного канала для изме­рения той или иной физической величины. Измерительные преобра­зователи, установленные в измерительной цепи после первичного преобразователя, являются вторичными.

По виду выходной электрической величины измерительные преобразователи подразделяют на параметрические и генера­торные.

Выходной величиной параметрического измерительного преобразователя является пассивный параметр электрической це­пи - сопротивление, емкость, индуктивность и т. п. Применение таких преобразователей в измерительных системах требует вспомогатель­ных источников питания. Например, можно измерять температуру с использованием зависимости сопротивления проводника или полу­проводника от температуры (с применением терморезисторов или термисторов); однако само сопротивление нельзя измерить без допол­нительного источника питания.

Выходной величиной генераторного измерительного пре­образователя является активная электрическая величина - электро­движущая сила (ЭДС), сила тока и т. п. Для работы генераторных пре­образователей не требуется вспомогательного источника питания. Например, при измерении температуры с помощью термопары опре­деляется термоЭДС самой термопары, значение которой зависит от измеряемой температуры.

К генераторным первичным измерительным преобразователям от­носятся пьезоэлектрические, электродинамические, термоэлектрические, фотоэлектрические преобразователи. К параметрическим изме­рительным преобразователям - резистивные, емкостные, индуктив­ные, элементы на основе эффектов Холла и магнитосопротивления.

Рассмотрим прибор, представляющий собой измерительную цепь,состоящую из двух звеньев (двух измерительных преобразователей Пр1, и Пр2) (рис. 1.14). Эффективность преобразования

Первого звена Пр₁:ξ1=Р₂/Р₁, где Р₁ – полная мощность сигнала на входе преобразователя; Р₂ – полная мощность на выходе преобразователя. Эффективность преобразования второго звена Пр2: ξ₂=Pz/P₂=Pz/Pf, где Р₂=Рf – полная мощность сигнала на входе преобразователя Пр2; Pz – полная мощность на выходе преобразователя Пр2, т.е. на выходе прибора. Общая эффективность преобразования прибора определяется произведением эффективности отдельных звеньев (ξ=ξ₁ξ₂ – для двуз измерительных звеньев и ξ – для произвольного числа звеньев).

18. Электронные усилители электрических сигналов обычно выполняются на электронных лампах или транзисторах. Принцип действия усилителей электрических сигналов на основе вакуумного триода или транзистора.(далее приведены простейшие схемы усилителей напряжения, выполненных на вакуумном триоде и n-p-n-транзисторе).В схеме с электровакуумным прибором усиление входного напряжения Ue,подаваемого на сеточный электрод, осуществляется за счет сильного влияния потенциала сетки на скорость движения электронов от катода к аноду и следовательно, на значения силы анодного тока Ia.Значение переменного выходного напряжения Ua.,равное падению напряжения на высокоомном сопротивлении нагрузки Rl(Ua=Ia*Rl),значительно превышает значение входного напряжения Ue,за счет чего достигаются высокие значения коэф-та усиления Vu=Ua/Ue.

Биполярный транзистор состоит из 2 р-n-переходов,образованных слоями полупроводников с разл.типами проводимости.В n-p-n-транзисторе тонкий слой п/п с дырочной проводимостью(пр-тью р-типа),называемый базой, расположен между 2 более толстыми слоями, обл. электр.проводимостью(n-типа)-эмиттером и коллектором.При включении в сеть на коллектор транзистора n-p-n-типа подается напряжение полож. полярности относительно эмиттера.Основным рабочим состоянием транзистора явл. такое, при котором к эмиттерному p-n переходу приложено напряжение в пропускном направлении, а к коллекторному-в запирающем.

При отсутствии сигнала,подаваемого на базу транзистора,переход коллектор-база включен в запирающем направлении и имеющийся пот. барьер препятст. потоку осн. носителей(ток в цепи коллектора =0).При подаче полож. напр-ия на базу переход база-эмиттер стан. смещенным в прямом пропускном напр-ии, а переход коллектор-база ост. смещенным в обр. напр-ии.Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом напр-ии е из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят сквозь тонкий слой базы р-типа по напр-ию к обедненному носителями слою на переходе база-коллектор.Эти е явл. неосновными носителями в области базы,достигнув обедненного слоя,прерходят в коллектор,создавая в транзисторе коллекторный ток Ic.Т.к.слой базы очень тонкий и слабо легирован акц. примесью,то е в процессе диффузии через этот слой практически не рекомбинируют с дырками.Действие прехода база-эмиттер, смещенного в прямом напр-ии , позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор.

19. Для улучшения частотных характеристик усилителей( в опр. интервале частот) и повышения стабильности их работы(напр.при измерении темп-ры) применяется отриц. обратная связь. При этом часть выходного сигнала через специальную цепь подается также на вход усилителя.В результате на входе усилителя действ.2 сигнала:исх.сигнал хвх=хе и сигнал обр. связи XОС=γXa, где γ – коэф.обратной связи.Усилители с обратной связью применяются как для усиления электрич.сигналов, так и для других их преобразований.Коэф. усиления усилителя с отр. обратной связью рассчит. по формуле:

Ку=Ку0/1+γКу0,где γ=UOC/Uвых=Ub/Ua-коэф.обр.связи,показывающий, какая часть вых.напряжения подается на вход в виде сигнала обр.связи.При использовании в цепях обратной связи только активных элементов они явл. Частотно-независимыми и коэф. Обр. связи представляет собой активную величину, не зависящую от частоты.В общем случае коэф.обр.связи является комплексной величиной и для него вводятся соотв. обозначение и название: Gr(p)-передаточная функция цепи обратной связи;однако в области средних частот его также можно считать величиной активной.Если Gr(p)=const, то она предст. собой γ.При наличии в цепях обратной связи акт. и реактивных эл-тов коэф. усиления прямой цепи(усилителя без обратной связи),называемый внутр. коэф. усиления,обозн.Vv вместо Kу0.В этом случае передаточная функция усилителя с отр.обр. связью опр. по формуле:

Gv(p)=Vv/1+Vv*Gr(p)

В случае постоянства пердаточной ф-ии ее называют передаточным коэф. V(в усилителе обозначение V вместо К):V=|ха|/|хе|.Если входная и выходная величины однородны,например тока или напряжения,то V называют коэф.усиления:V=Vv/1+kVv

Кроме рассмотренных для описания усилителей с обратной связью ввод.обозначения:VU=U2/U1=Ua/Ue-коэф.усиления усилителя с обр.связью по напр-ию;V1=I2/I1=Ia/Ie- коэф.усиления по току.

Ze- входное сопр-ие(импеданс) усилителя с обратной связью.

Za – выходное сопр-ие(импеданс);Za=Ux.x./Iк.з.,где числитель-напряжение холостого хода,измеряемое на выходных клеммах при пренебрежимо малом выходном токе;зн-ль-сила тока короткого замыкания(при замкнутых накоротко выходных клеммах)