На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


реферат Классификация измерительных преобразователей

Информация:

Тип работы: реферат. Добавлен: 09.08.2012. Сдан: 2012. Страниц: 8. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


минобрнауки россии 
Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования
Астраханский  государственный университет 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Реферат
по дисциплине:
"Методы и средства измерений, испытаний и контроля"
 
Классификация измерительных преобразователей 
 
 
 
 
 

                                                                                        Выполнила:
Аристова А. М.,
студентка гр. УК-31 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Астрахань-2012
 

СОДЕРЖАНИЕ
 

      ВВЕДЕНИЕ
 
     Любая измерительная задача начинается с  выбора первичного преобразователя  – «датчика», способного преобразовать исходную информацию (любой вид деформации, кинематический параметр движения, температурные изменения и пр.) в сигнал, подлежащий последующему исследованию. Первичный преобразователь является начальным звеном измерительной системы, схематично представленной на рис. 1.  

       
 
 

     Рис. 1 Схема измерительной системы
     При включении преобразователей в измерительные  системы  возникает  проблема  их  согласования.  Все  преобразователи по своей сущности являются чисто аналоговыми устройствами, главным образом в силу того, что пока не известны физические  явления,  позволяющие преобразователю непосредственно представлять измеряемую величину в цифровом коде на  выходе.  Для аналоговых систем  подобная  ситуация обладает рядом недостатков. Однако она становится еще более сложной  для  цифровых  систем,  которых  выпускается  все больше. В этой ситуации аналоговый выходной сигнал первичного измерительного преобразователя должен иметь форму, пригодную для его использования в цифровой системе.
    электронной системе существуют три вида сигналов:
    аналоговый сигнал, являющийся электрическим представлением или  аналогом   (током или напряжением) исходного измеряемого параметра;  
    цифровой сигнал, в котором функция, например частота, используется для представления значения исходного параметра;
    кодированный цифровой сигнал, в котором параллельный цифровой сигнал, например, разрядностью в 8 бит, представляет значение исходного параметра.
     Эти виды сигналов обычно определяют типы первичных измерительных преобразователей. Известны преобразователи, выход которых является чисто электронным аналогом измеряемой величины. Другие преобразователи представляют измеряемую величину в цифровой форме, а третьи – в виде цифрового кода. И лишь несколько принципов  действия  применимы  для  преобразователей  всех перечисленных выше типов. Однако с помощью электроники можно преобразовать сигнал одного вида в другой.
     Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины,  функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным  методом  практического  построения  любых  измерительных устройств.
     Измерительный  преобразователь (ИП) —  это  техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе  действия,  выполняющее  одно  частное  измерительное преобразование.
     Структурная схема преобразователя показана на рис. 2.
       
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 2 Структурная схема измерительного преобразователя 

 

    Классификация ИП по физическому явлению, положенному в основу принципа действия
 
     По  виду измеряемой физической величины различают ИПИ линейных и угловых перемещений.
     По  физическим явлениям, положенным в основу принципа действия, в ГСП принята следующая классификация ИПИ:
     - механические – с упругим чувствительным элементом, дроссельные, ротаметрические, объемные, поплавковые, скоростные;
     - электромеханические – тензорезистивные, термоэлектрические, термомеханические, термокондуктометрические, манометрические;
     - электрохимические – кондуктометрические, потенциометрические, полярографические;
     - оптические – фотоколометрические, рефракторометрические, оптико-акустические, нефелометрические;
     - электронные и ионизационные – индукционные, хроматогра-фические, радиоизотопные, магнитные.
 

    Классификацию ИП по принципу преобразования
 
     В каждом приборе преобразующий элемент основан на определенном физическом принципе, который связан с электрическими характеристиками устройства так, что изменение измеряемой величины влечет за собой изменение этих характеристик. Изменения в электрических характеристиках создает электрический сигнал, зависящий от измеряемой величины. Принципов действия, на которых основаны измерительные преобразователи, существует относительно немного.
        Емкостные преобразователи
 
     Емкостные преобразующие элементы превращают изменения измеряемой величины в изменения емкости. Конденсатор формируется из двух пластин, разделенных слоем диэлектрика, а его емкость определяется из следующего выражения:
,

     где ? – диэлектрическая проницаемость диэлектрика; 
     S – площадь  поверхности  каждой  пластины;
     x – расстояние между пластинами.
     Из  этого соотношения следует, что  емкость зависит от диэлектрической  проницаемости, площади поверхности пластин и расстояния между ними (рис.3).
     
Рис. 3 Емкостный измерительный преобразователь
     Емкость такого преобразователя обычно измеряется следующим образом:
    с помощью мостовой схемы переменного тока,   и которой преобразователь образует одно плечо моста;
    с помощью мультивибратора, в котором конденсатор в цепи определяет частоту колебаний.
     Примером  емкостного  преобразователя  может  служить конденсаторный микрофон,  предназначенный для измерения уровня звукового давления. При падении звуковой волны на мембрану (рис. 4) она прогибается, что влечет за собой изменение расстояния между мембраной и задним электродом и, следовательно, емкостью. Емкостное сопротивление определяется выражением:
     
,

     где f – частота падающей волны;
     С – ёмкость конденсатора.
       
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 4 Схема конденсаторного микрофона
      Пьезоэлектрические  преобразователи
 
     Одним  из  емкостных  принципов  преобразования,  требующим  специального  рассмотрения,  является  пьезоэлектрический эффект (рис. 5), при котором изменение измеряемой  величины  превращается  в изменение электростатического заряда или напряжения, возникающих в некоторых материалах при их механическом напряжении. Напряжение обычно образуется под действием сил сжатия, растяжения или изгиба, которые являются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент либо непосредственно, либо с помощью некоторой механической связи
       
 
 
 

Рис. 5 Схема пьезоэлектрического преобразователя 

     Чтобы воспринять изменение заряда или  напряжения, к пьезоэлектрическому материалу  подсоединяют  две  металлические  пластинки,  которые  фактически  образуют  пластины конденсатора, емкость которого определяется в виде:
,
 

     где Q – заряд;
     V – напряжение.
     В качестве пьезоэлектрического материала, применяемого в конструкции такого преобразователя, используются:
    природные кристаллы, такие, как кварц или рочеллевая соль;
    синтетические кристаллы, например сульфат лития;
    поляризованная ферромагнитная керамика, например, титанат бария.
      Электромагнитные  преобразователи
 
     Электродвижущая сила (ЭДС) генерируется вдоль про- водника, когда его пересекает переменное магнитное поле. И, наоборот,  когда проводник движется  через магнитное  поле, вдоль него генерируется ЭДС (рис. 6), определяемая из следующего соотношения:
,
 

     где – скорость изменения потокосцепления;
       Q – заряд.
       
 
 
 
 
 

Рис. 6 Электромагнитное преобразование
       
 
 
 
 

     Рис. 7 Индуктивное преобразование (слева) и преобразование магнитного сопротивления (справа)
     Индуктивное преобразование показано на рис. 7, где самоиндукция катушки меняется в соответствии с изменением измеряемой величины. Изменение индуктивности может быть осуществлено  путем движения  ферромагнитного сердечника внутри катушки либо путем внесения внешнего изменяющегося потока в катушку с неподвижным сердечником.
     Преобразование  магнитного сопротивления показано на рис. А.5, на котором цепочка сопротивления между двумя или более катушками (или отдельными частями одной или нескольких катушек) изменяется в зависимости от вариаций измеряемой величины. Когда к системе катушек прикладывается переменный  ток,  тогда изменение измеряемой  величины трансформируется в изменение выходного напряжения.
      Электромеханические преобразователи
     Электромеханические  преобразователи выпускаются  в разном исполнении, но все они выполняются в форме механического контактного устройства, работающего под действием изменяющейся  физической  величины,  измерение которой и осуществляется.  Обычно  контакты имеют  простую форму и работают в дискретном режиме, как, например, биметаллический выключатель (рис. 8).
       
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 8 Биметаллический элемент, работающий   как   электромеханический преобразователь
      Ионизационные преобразователи
 
     Когда значение измеряемой величины превышает  точку переключения, контакт размыкается или замыкается, вследствие этого в замкнутой или разомкнутой электрической цепи формируется выходной сигнал преобразователя. Электромеханические преобразователи являются, как правило, цифровыми (дискретными), поскольку их контакты могут быть лишь в двух положениях и представляют собой элемент включен/выключен. Ионизационные преобразующие элементы превращают изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жидкость, расположенную между двумя электродами (рис. 9).

Рис. 9 Ионизационное преобразование, при котором ионы мигрируют в жидкости к электродам и действуют как переносчики зарядов
     Типичным  примером  использования  ионизационного принципа является прибор для измерения кислотности раствора. Степень кислотности раствора определяется концентрацией в нем положительно заряженных ионов водорода, называемой водородным потенциалом (известного больше в виде аббревиатуры рН). Причем
,

     где [ ] – концентрация ионов водорода в граммах на литр.
     Значение  рН = 0 для чисто кислотного раствора, 7 – для нейтрального  раствора (например,  чистой воды)  и 14 –  для чисто щелочного раствора.
     Типичный  рН-зонд имеет электроды, находящиеся в желатине с известным значением водородного потенциала. Они формируются  специальной  стеклянной  мембраной,  которая находится в контакте с раствором, значение рН которого измеряется. Разность потенциалов между двумя электродами отражает значение рН раствора (около 59 мВ на единицу рН).
      Фотоэлектрические преобразователи
       Фотоэлектрическими являются такие первичные измерительные преобразователи, которые реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность преобразующего элемента. Излучение может быть видимым, т. е. световым, а также иметь большую или меньшую длину волны и быть невидимым.  Известны  три основных  типа  фотоэлектрических преобразователей: два из них официально классифицируются как полупроводниковые приборы (фотоэлектрические и фотополупроводниковые). Они подробно рассмотрены ниже. Хотя фотоэлектрический преобразователь и не  относится к полупроводниковым приборам, он тоже будет описан ниже.
     Фотопроводящие  преобразователи
     Эти преобразователи превращают изменение  измеряемой величины в изменение сопротивления используемого материала (рис. 10). Несмотря на то, что используемые материалы являются  полупроводниковыми,  фотопроводящие  преобразователи  не  всегда  являются  полупроводниковыми  приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников. Такие преобразователи называются пассивными, т. е. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, например, светочувствительные резисторы.
       

Рис.  10 Фотопроводящее преобразование
     Сопротивление материала является функцией   плотности основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием  интенсивности  излучения,  то  проводимость возрастает. Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заключить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100 – 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняется мегомам. В конструкции зависящих от света резисторов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.
     Солнечные элементы
     Солнечные элементы представляют собой фотоэлектрические  преобразователи, которые  превращают  излучаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преобразуется в изменение выходного  напряжения. Конструкция  преобразователя включает в себя слой фоточувствительного высокоомного материала, размещенного между двумя проводящими электродами.
     Один  из  электродов выполнен  из  прозрачного материала,  через который проходит излучение и попадает на фоточувствительный материал.  При  полном  освещении  один  элемент  вырабатывает выходное напряжение между электродами около 0,5 В.
      Резистивные преобразователи
     Весьма  большим  классом  измерительных  преобразователей являются резистивные преобразователи, принцип действия которых основан на преобразовании значения измеряемой величины в изменение сопротивления. Это может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе: нагреванием  или  охлаждением,  механическим  напряжением, воздействием светового потока, увлажнением, осушением, механическим перемещением контактной щетки реостата.
     
 
 
 
 
 
Рис. 11 Резистивный преобразователь (слева) и его эквивалентная схема (справа)
     Если  через резистивный материал во время  изменения измеряемой величины протекает фиксированный ток,  то результатом будет изменение, напряжения вдоль материала, которое отражает изменение измеряемой величины.
     Одним из вариантов резистивного преобразователя  является потенциометрический преобразователь, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения  напряжений  вследствие  изменения  положения контактной щетки на резистивном материале, запитываемом от внешнего источника. Определенный механический элемент преобразует изменение измеряемой величины в перемещение щетки.
     Потенциометр, изображенный на рис. 11, можно пред- ставить в виде эквивалентной электрической схемы на этом рисунке (справа). Его выходное напряжение определяется выражением:
,
 

     где V1 – напряжение на входе.
     Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяется положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.
     В преобразователях могут использоваться потенциометрические  устройства  (с  одним  или  несколькими  сопротивлениями в схеме) либо они сами являются потенциометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным.  Некоторые  преобразователи  имеют  непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).
     Мост  Уитстона
     Мост  Уитстона образуется путем параллельного  соединения двух потенциометрических устройств (рис. 12). Его можно использовать для высокоточных измерений сопротивления.  Выходное  напряжение  моста  Уитстона  определяется выражением:
     
.

При точной установке выходное напряжение моста  Уитстона должно быть равно нулю, откуда следует, что 

или
.

       

Рис. 12 Комбинация двух потенциометрических  делителей, образующая мост Уитстона
     Тензодатчики
     Поскольку сопротивление проводника определяется соотношением
     
,

     где  ? –  удельное сопротивление материала;
     L – длина; 
      A – площадь поперечного сечения, то сопротивление может изменяться при любом колебании измеряемой величины, которая влияет на один или несколько входящих в это выражение аргументов.
Рис. 13  Тензометрическое преобразование 
 

     Приведенная  зависимость  используется в тензодатчиках  – преобразователях, которые превращают изменение  прикладываемого  усилия  в изменение сопротивления (рис. 13). Как правило,  такой преобразователь применяется вместе с мостом Уитстона, когда одно, два или даже все четыре плеча представляют собою тензодатчики, а выходное напряжение изменяется в ответ на вариации измеряемого усилия.
      тензодатчиках используются  металлические преобразующие элементы, при приложении механической нагрузки, к которым происходит изменение их длины и площади поперечного сечения, что приводит, в свою очередь, к изменению сопротивления.
     Некоторые материалы тензодатчиков, например полупроводниковые,  проявляют  пьезоэлектрический эффект,  при котором приложенная к материалу нагрузка вызывает большое изменение его удельного сопротивления.
     Тензодатчики  такого  типа  обладают  на  два  порядка большей чувствительностью. В общем случае любой параметр, который воспроизводит движение или силу, может быть использован для создания тензометрических преобразователей. Сопротивление иногда также изменяется при колебании температуры. Для металла это изменение имеет линейную зависимость:
,

     где R0 – сопротивление при температуре 0°С; Т – температура,°С; ? – температурный коэффициент сопротивления.
     Типовые  зависимости  сопротивления  некоторых  металлов  от  температуры  показаны  на  рис.  14. Они  свидетельствуют о высокой степени линейности связи между сопротивлением и температурой.
     Для  создания  температурных измерительных преобразователей  такого  типа  обычно используется  проволока из  платины.
     
Рис. 14 Характеристики зависимости сопротивления некоторых металлов от температуры: 1 никель; 2вольфрам; 3 – медь; 4платина
      Полупроводниковые преобразователи
     Полупроводниковые  приборы  относятся  к  категории электронных компонентов, которые  называются  полупроводниками. Чистые или беспримесные полупроводники обычно не используются в этих приборах, но первоначально легированные примесями в полупроводниковую кристаллическую решетку они становятся примесными полупроводниками.
     Примесные  полупроводники  легируются  таким  образом, чтобы обеспечить избыток электронов (полупроводники n-типа) или их недостаток (полупроводники р-типа). Наличие примесей в полупроводниковой кристаллической решетке определяет степень электропроводности решетки.
     Одиночные слои п- или р-полупроводника не находят применения, и полупроводниковый материал становится полупроводниковым прибором только тогда, когда два или более слоев разных типов контактируют друг с другом. Простейший p-n-переход формирует  выпрямительный  прибор  или  диод. Вольт-амперная  характеристика  диода устанавливается согласно соотношению, известному как уравнение Шокли  либо уравнение идеального диода, а именно:
     
,

     где I 0 – ток насыщения (или ток утечки);
     Q – заряд электрона;
     V – прикладываемое к диоду напряжение;
     k – постоянная Больцмана;
     Т – температура, К.
     Любое  изменение  измеряемой  величины,  которое  вызывает  изменение  приведенного  выше  выражения,  может быть,  конечно,  использовано  для изменения тока,  протекающего через переход. Например, диод иногда применяется в качестве преобразователя температуры, поскольку ток утечки полупроводника изменяется в функции температуры. Ток утечки кремния составляет примерно 25 нА при температуре 25 °С и увеличивается до 6,5 мА при температуре 150 °С.
     Фотодетекторы
     Полупроводниковые  преобразователи,  предназначенные для измерения изменений  параметров  светового  излучения, называются фотодетекторами. Фотоэлектрический преобразователь, являющийся  простейшим  видом  фотодетекторов,  и
     представляет  собой полупроводниковый диод. Существует несколько типов таких преобразователей. Один из основных среди них – фотодиод, в котором используется эффект облучения светом (видимым или других длин волн) р-n-перехода с отрицательным смещением. При наличии облучения изменяется ток, протекающий через переход. Время отклика такого фото-диода составляет всего несколько наносекунд.
     Для обеспечения более быстрой реакции на изменение параметров излучения разработаны PIN-диоды, в которых между слоями р- и n-типа имеется слой беспримесного полупроводника. Это повышает чувствительность к световому излучению и одновременно уменьшает емкость перехода, благодаря чему диод быстрее реагирует на изменение уровня измеряемой величины.
     Фототранзисторы
    целом ряде приборов фотодиоды используются вместе с усилителями для повышения чувствительности. Конечно, в обычном транзисторе (трехслойный полупроводниковый прибор прп или рпр типа) содержится рп-переход с отрицательным смещением, и прибор способен усиливать ток, т. е. он обладает всеми необходимыми свойствами фотодиода и усилителя в одном приборе.
     Фототранзистор  отличается  от  обычного  полупроводникового триода тем, что он выполняется в прозрачном корпусе, который пропускает световое излучение. Свет, падающий на переход коллектор – база фототранзистора (рn-переход с отрицательным смещением), вызывает в базе фототок, который усиливается с коэффициентом усиления транзистора, что приводит к весьма большому току эмиттера. Ток  эмиттера  фототранзистора  определяется  из  следующего соотношения:
     
,

     где hFE – коэффициент усиления транзистора по постоянному току;
      IF
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.