Лабораторная работа 7 Корректор нелинейности датчика Теоретическое введение.

В автоматических системах управления и измерительной технике используются корректирующие звенья различного назначения, в частности, для корректировки нелинейности датчиков. В качестве примера рассмотрим устройство линеаризации характеристики датчика, используемого для измерения влажности зерна и реализующего наиболее надежный и простой способ измерения сопротивления на постоянном токе.

Нелинейность такого датчика проявляется в области малых значений влажности, где зависимость сопротивления от содержания влаги носит логарифмический характер. Это позволяет представить эквивалентную схему датчика в виде последовательно включенных резистора Rd и диода Dd (рис.23). Корректирующее звено выполнено на операционном усилителе ОУ, в цепь отрицательной обратной связи которого включен резистор Rk последовательно с диодом Dk. Для наблюдения эффекта линеаризации введен переключатель А, который нажатием клавиши А клавиатуры замыкает диод Dk.

Рис.23. Эквивалентная схема корректора нелинейности датчика.

Для получения передаточной характеристики рассматриваемого устройства используется функциональный генератор в режиме пилообразного сигнала и осциллограф в режиме развертки В/А, при котором выходной сигнал U_out, поступающий на вход канала B, разворачивается сигналом с функционального генератора, поступающим на вход канала А.

Результаты моделирования при выключенном корректирующем диоде (в положении переключателя А замкнуто) приведены на рис.24, из которого видны искажения, вызванные нелинейностью датчика в области небольшой влажности, т.е. при низких уровнях сигнала на выходе датчика (при анализе осциллограмм и коэффициента передачи не забывайте, что используется инвертирующий усилитель).

Рис.24. Осциллограммы входных (А) и выходных (В) сигналов (а) и передаточная характеристика датчика (б) в схеме на рис.23 при выключенной коррекции

Результаты моделирования при переводе выключателя в положение, соответствующее включению коррекции, показаны на рис.25, откуда видно, что исчезли искажения выходного сигнала, а передаточная характеристика не имеет характерного излома, вызванного нелинейностью датчика. Для более сложной коррекции могут быть использованы универсальные функциональные преобразователи.

Рис. 25. Осциллограммы сигналов (а) и передаточная характеристика датчика (б) в схеме на рис. 23 при включенной коррекции

Порядок выполнения работы.

1. Проведите моделирование схемы на рис.23 (lab/7/1.ewb) при различных типах диодов Dd и Dk. При моделировании необходимо учесть, что диоды работают в прямо смещенном режиме и их вольтамперная характеристика в таком включении описывается выражением: I=I₀[exp(U/ )-1] или U=ln(I/I₀+1), где I₀ – обратный (тепловой) ток;   - температурный потенциал p-n-перехода, при температуре 20ºC он равен 26 мВ. Каким параметром диода в приведенной формуле необходимо варьировать, чтобы при моделировании добиться положительных результатов?

2. Проведите моделирование схемы на рис.23 при сопротивлении датчика 100 Ом (учтите рекомендации п.1).

Контрольные вопросы и задания.

1. С какой целью осуществляется линеаризация характеристик датчиков?

2. Из анализа данных на рис.24 определите, при каких параметрах сигнала генератора получены приведенные на этих рисунках данные, если учесть, что нелинейность датчика проявляется в наибольшей степени при низких уровнях сигнала.

3. Почему передаточные характеристики датчика изображены на экране осциллографа не в первом, а в четвертом квадранте?

4. Необходимость использования корректирующих звеньев

5. Что играет роль переключателя в реальных схемах автоматики?