Датчики-преобразователи информации: Учебное пособие

ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò àýðîêîñìè÷åñêîãî ïðèáîðîñòðîåíèÿ

Е. А. Воробьев

ДАТЧИКИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ Учебное пособие

Ñàíêò-Ïåòåðáóðã 2001

УДК 321 ББК 66.01 В75 Воробьев E. A. В75 Датчики-преобразователи информации: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2001. 43 с. Учебное пособие к дисциплине “Физические основы получения информации” раскрывает материал первой части программы курса, где рассматриваются датчики-преобразователи информации по темам: назначение, решаемые функциональные задачи, характеристики, калибровка и их классификация. Предназначено для студентов всех специальностей.

Рецензенты: кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности Северо-Западного гocyдaрственнoгo технического университета; доктор технических наук профессор заслуженный деятель наук РФ А. И. Потапов

Óòâåðæäåíî ðåäàêöèîííî-èçäàòåëüñêèì ñîâåòîì óíèâåðñèòåòà â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî ïîñîáèÿ

© Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2001

© Е. А. Воробьев, 2001 2

1. НАЗНАЧЕНИЕ ДАТЧИКОВ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Получение информации техническими способами невозможно без применения средств измерений. Наиболее простая форма уравнения измерений физической величины N техническими средствами имеет вид (1) N=KN1, где N1 – единичное значение величины N; K – некоторый коэффициент пропорциональности, устанавливаемый экспериментально в результате проведения калибровки (градуировки) средств измерения. Суммарная погрешность измерения, ∆ΣN величины N в соответствии с общим определением погрешности измерения представляет собой разность (2) ∆ΣN=KN1–N01, где KN1 – результат измерения; N01 – фактическое, единичное значение измеряемой величины. За исключением простейших случаев прямых измерений (например, измерения геометрической длины линейкой), техническая реализация уравнений (1) и (2) требует построения специальной измерительной системы, состоящей как минимум из трех обязательных и взаимосвязанных узлов (рис. 1). Ф 1

X

2

Y

3

Z

Рис. 1. Простейшая схема измерений

На измерительную систему от объекта контроля, измерения, т. е. от объекта получения информации поступает некоторая физическая величина Ф. 1 – датчик-преобразователь (ДП) физической величины Ф в некоторую другую физическую величину X, которая в узле 2 может усиливаться, трансформироваться в другую физическую величину Y; эта 3

величина Y в узле 3 считывается, записывается или сохняется, образуя тем самым конечный продукт измерения Z. Понятно, что наиболее ответственным и предопределяющим эффективность и работоспособность измерительной системы, является 1-й узел ДП. Поэтому датчиком-преобразователем называется первичный приемник измеряемой и несущей информацию величины Ф, преобразующий ее в соответствии с выбранным физическим эффектом преобразования в некоторую другую величину X, которая далее системой измерения трансформируется в требуемый конечный продукт – информацию об объекте измерения (контроля). Понятно, что ДП должен также обладать необходимыми характеристиками в соответствии с функциональными задачами, которые он должен решать и быть пригодным для серийного изготовления. Следует сделать уточнение к данному выше понятию “датчика-преобразователя”. Дело в том, что все ДП подразделяются на два класса; к первому классу, наиболее многочисленному, относятся так называемые пассивные ДП, которые действительно поступающую на их вход физическую величину Ф преобразовывают в другую физическую величину X. Ко второму классу ДП, очень малочисленному, относятся, так называемые активные ДП, которые под воздействием поступающей на них физической величины Ф и пропорционально ей сами вырабатывают физическую величину X; активным датчикам (но не к “преобразователям”!) относятся, например датчики Холла, пьезодатчики и некоторые другие. Как видно, в измерительной системе (рис. 1) происходит прием, преобразование и регистрация информации, что возможно только в том случае, когда существует носитель информации. Таким носителем информации могут быть матриалы и (или) энергия, существующие в форме определенного их распределения в пространстве и времени, и которые могут быть описаны математически. Иначе говоря, и величина Ф, и величина X, и величина Y, и величина Z (рис. 1) являются носителями информации. Изменение величины Ф во времени принято называть сигналом, а сама физическая величина Ф является носителем сигнала. Такой подход лежит в основе схемотехнического проектирования любых измерительных систем, и причем так, чтобы получение сигнала, обработка сигнала и преобразование сигнала выполнялись оптимальным образом по критериям наиболее полного, точного и надежного объе4

ма получаемой информации. Заметим, что подобное характерно не только для технических измерительных систем, но и для измерительной биологической системы человека (рис. 2). Измерительная биологическая система (человек) Получение сигнала

Техническая измерительная биологическая система

Чувства

Датчики-преобразователи

Обоняние Вкус Слух Осязание

Газоанализатор рН-метр Микрофон Температура Перемещение Поток Усилие и т.д. Датчик излучения Датчик положения Телекамера (распознавание образа)

Зрение

Обработка, трансформация и усиление сигнала

Мозг

ЭВМ Память

Преобразование и использование сигнала

Органы Руки Ноги Речь Жестикуляция Письмо

Запоминающее устройство

Исполнительное устройство Механика Динамик Индикация Печать (графопостроитель)

Рис. 2. Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в биологических (человек) и технических системах измерения

Полное подобие между биологической измерительной системой человека и технической измерительной системой, решающей аналогичные задачи, причем “чувства” человека являются своеобразными биологическими ДП информации (т. е. преобразователями сигналов). 5

Характерно и то, что и биологическая измерительная система и техническая измерительная система своими исходными сигналами соответственно обеспечивают жизнедеятельность человека и управление определенными исполнительными устройствами. А это значит, что специально построенная техническая измерительная система, может быть использована и в качестве управляющего фактора для обеспечения качества изделий радиоприборостроения. В заключение раздела особо подчеркнем значимость ДП технических измерительных систем для получения надежной и полной информации, состояний и фактических характеристиках объекта измерения, а главное – значимость выбираемых характеристик и принципа действия ДП в минимизации результирующей погрешности измерений ∆ΣN.

6

2. ЧАСТНЫЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ДАТЧИКАМИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ Итак, главная задача ДП – это преобразование измеряемой физической величины Ф в некоторую другую физическую величину X, причем обе эти величины являются носителями информационного сигнала. Содержание информации в сигнале (т. е. в величинах Ф и X) принято описывать степенью изменения информационного параметра P этих величин; применительно к информационным характеристикам полей волн, рассмотренным ранее, параметр P описывает глубину, степень изменения последних, через которые возможно количественно оценить состояние, характеристики и другие интересующие нас признаки объекта контроля, т. е. объекта, о котором необходимо получать информацию. Понятие информационного параметра P поясним простейшим примером работы ДП как преобразователя высокой частоты в более низкую или в постоянный ток. Если мощность сигнала Ф во времени будет постоянна, то и сигнал X по своей величине будет постоянным и,следовательно, оба эти параметра никакой информации не несут. Если же сигнал Ф промодулирован по амплитуде, то только тогда сигнал X будет нести информацию о изменяющихся во времени свойствах или характеристиках объекта измерения. Чем больше глубина модуляции, т. е. изменение информационного параметра P, тем больше должен нести информации и сигнал Ф и полученный в результате преобразования сигнал X. Для нашего примера: при P = 0 сигналы информации не несут, при P = 1 – информативность обоих сигналов максимально возможная. Следует сделать два важных вывода, относящихся к любым ДП, применяемых в радиоприборостроении вообще. Во-первых, для получения максимальной информации информативный параметр P должен быть максимально возможным. Во-вторых, в результате преобразования величины Ф в величину X ДП (т. е. при его функциональной работе) потери информативного па7

раметра P должны быть минимальны. Разнообразие частотных функциональных задач, решаемых ДП различного назначения по преобразованию сигналов различной физической природы и соответствующие им информационные параметры, даны в табл. 1. Разнообразие композиционных задач, решаемых ДП различного назначения, когда информационный сигнал является сложным (непрерывный, дискретный, одномерный, двумерный, трехмерный), и когда сигнал можно представить в виде его составных частей, иллюстрирует табл. 2. Рассмотрение табл. 1 и 2 позволяет сделать еще одно немаловажное общее заключение – правильность и полнота информации при работе ДП должна достигаться за счет минимизации линейных и нелинейных искажений информативного параметра P при преобразовании ими информативных сигналов. Последнее заставляет для приборов различного уровня качества применять ДП, обладающие соответствующими характеристиками преобразования информативных сигналов. Подтверждающими это являются приборы для передачи и воспроизведения речевой и визуальной информации различных классов (приемники, магнитофоны, проигрыватели, телевизоры), а также измерительная техника повышенных классов точности. Как видно, многообразие и иногда достаточно сложные функции преобразования сигналов датчиков-преобразователей могут быть реализованы с помощью элементарных комбинаций изменения сигнала. Иначе говоря, простейшее преобразование сигнала (например, преобразование высокочастотного сигнала в постоянный ток) осуществимо простейшим ДП, решающим одну, частную функциональную задачу (например, детектором электромагнитного излучения); а ложные преобразования сигналов соответственно требуют применения сложных ДП, решающих одновременно несколько простейших функциональных задач, но связанных непосредственно с процессом преобразования сигналов, т. е. с процессом получения необходимой информации. Поэтому применительно к сложным ДП следует говорить об их сложной структуре, в которую входит не только собственно элемент преобразования сигнала Ф(P) в сигнал X(P) (например, полупроводниковый слой детектора излучения), но и дополнительные элементы, которые в своей совокупности и обеспечивают требуемую работоспособность сложного ДП. 8

Таблица 1 Âèäû ñèãíàëîâ, èõ ñîñòàâíûå ÷àñòè, íîñèòåëè ñèãíàëîâ, èõ èíôîðìàòèâíûå ïàðàìåòðû è âèäû èíôîðìàòèâíîãî ñèãíàëà íà âûõîäå äàò÷èêà-ïðåîáðàçîâàòåëÿ Сигнал Ф = (x, y, z, t)

Временной Ф = f(t) (форма, используемая в основном для передачи сигналов): – непрерывный – дискретный Пространственный Ф = f(x, y, z), (форма, используемая в основном для хранения сигналов): – одномерный Ф = f(x), – двумерный Ф = f(x, y), – трехмерный Ф = f(x, y, z),

Носитель сигнала Ф

9

Механический (скорость, ускорение, сила, масса, давление, работа и др.) Геометрический (длина, толщина, угол, площадь, объем, высота, печатные знаки и др.) Гидравлический (давление, перепад давлений, расход жидкости и др.) Пневматический (давление, перепад давлений, расход газа и др.) Акустический (интенсивность звука, высота звука, и др.) Тепловой (температура, количество теплоты и др.) Магнитный (индуктивность, напряженность магнитного поля, магнитный поток и др.) Электрический сигнал (ток, напряжение, мощность и др.) Оптический (яркость, коэффициент преломления, длина волны и др.) Ядерно-физический (плотность потока нейтронов и др.) Химический сигнал (показатель рН, концентрация газа и др.)

Информационный параметр сигнала Р

Вид сигнала на выходе ДП

Аналоговый Амплитуда (Р может принимать любые Частота значения в заданных предеФаза Количество импуль- лах) Дискретный сов Длительность им- (Р может принимать только конечные значения): пульса – бинарный (Р может приПоследовательнимать только два значения); ность импульсов Положение импуль- – цифровой (значения Р соответствуют словам уссов Количество точек ловного алфавита) Расположение точек – многоточечный (дискретРасстояние между ный без условного алфавита) точками и началом Непрерывный (Р может изменяться в люкоординат Расположение точек бой момент времени) Расстояние между Дискретный точками и началом (Р может изменяться только в определенные моменкоординат ты времени)

Таблица 2 Êîìáèíàöèîííûå çàäà÷è, ðåøàåìûå äàò÷èêàìè-ïðåîáðàçîâàòåëÿìè ïðè ïðåîáðàçîâàíèè ñëîæíûõ ñèãíàëîâ Сложный сигнал

Вид сигнала, информационный параметр Р

Возможный видеосигнал на выходе ДП

Временной, Аналоговый непрерывный: непрерывный амплитуда

t

Временной, Аналоговый, прерывистый: дискретный амплитуда

t

Дискретный, непрерывный: L амплитуда (два значения: 0 или L) 0

t

Дискретный прерывистый: амплитуда

t

Временной, Аналоговый, непрерывный: непрерывный частота t

Трехмерный, Дискретный: двумерный число и расположение точек

10

Перфокарта

Усложнение структуры ДП, решающих усложенные функциональные задачи преобразования, иллюстрирует табл. 3, в которой первой позицией выделена основная функция преобразования информативного сигнала, а ниже дополнительные, но без которых работоспособность сложного ДП не может быть обеспечена. Таблица 3 Ïðèìåðû ÷àñòíûõ ôóíêöèîíàëüíûõ çàäà÷, ðåøàåìûõ äàò÷èêàìè-ïðåîáðàçîâàòåëÿìè è òåõíè÷åñêèå ðåøåíèÿ, ñîîòâåòñòâåííî, óñëîæíÿþùèå èõ ñòðóêòóðó Вид частной функциональной задачи

Превращение (простейшее преобразование) I

Ф

x

Модуляция II

Ф

x = f (Ф)

x

Количественное изменение III

Ф

.K .K

x

Переключение IV Ф

x

Фильтрация V

Ф

∆f

x

Характеристика решаемой задачи

Примеры технического решения

Изменение материального или энергетического качества входного сигнала Ф (Ф и x физически различны)

Детектор радиоизлучения, терморезистор, фотодиод, термопара, детектор рентгеновского излучения (простейшие ДП преобразователи) Модулятор радиосигнала, модулятор светового сигнала в ДП

Изменение характера состояния сигнала во времени (Ф и x физически одинаковы) Изменение величины входного сигнала (K>1 – усиление; K