Первичные средства измерения. Аналоговые и дискретные датчики

Типов и видов датчиков существует огромное множество. Они различаются типом измеряемого параметра, способом измерения, конструкцией, диапазоном измерения, видом выходного сигнала и т.д. Рассмотрим только те типы и виды, которые применяются в инженерных системах зданий.

Аналоговые измерительные датчики – это первичные преобразователи.
Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия таких датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.

Дискретные измерительные датчики – сигнализаторы, реле и т.п.
Такой тип датчиков применяется, когда необходимо отследить конкретное значение измеряемого параметра для каких либо дальнейших действий.
Эти датчики устанавливаются там, где отсутствует необходимость получения всех значений измеряемого параметра, там, где необходимо знать, достиг ли параметр какого-либо конкретного значения. В этом случае измерительная система выдает сигнал только при достижении заданного ограничительного значения.

Датчики (измерительные преобразователи ) температуры.
Физический смысл работы преобразователей температуры (термосопротивлений) основан на изменении сопротивления применяемого в качестве чувствительного элемента металла в зависимости от температуры среды, в которую он погружен. Пропуская через этот элемент электрический ток, мы можем получить зависимость изменения напряжения от температуры. Раньше в качестве такого металла применялась медь. Были медные чувствительные элементы с сопротивлением 50 Ом или 100 Ом при 0ºС. Их недостатком было то, что при значительных длинах проводов, которые соединяли их с вторичными устройствами, сопротивление кабеля было соизмеримо, а то и больше, чем сопротивление самих датчиков. Это, естественно, вносило погрешности в измерения, которые необходимо было компенсировать. Сейчас от этой проблемы ушли, применяя металлы, имеющие 500 Ом или 1000 Ом при 0ºС. Это платина (Pt) и никель (Ni). Поэтому сегодня в инженерных системах чаще всего применяются датчики типа Pt 1000.
В современных системах чаще используются погружные термопреобразователи сопротивления, чувствительный элемент которых непосредственно погружен в измеряемую среду, и накладные, которые измеряют температуру поверхности, предполагая, что она приблизительно равна температуре самой среды. В качестве дискретных датчиков температуры чаще всего применяются манометрические термометры. Это устройства, в которых чувствительным элементом является термобаллон, который соединен капиллярной трубкой с сильфоном. При изменении температуры термобаллона изменяется давление в системе и сильфон перемещает механизм, который заканчивается контактными устройствами. Часто можно услышать название таких датчиков – сигнализаторы температуры или термостаты. Бывают также и
биметаллические датчики.

Датчики (измерительные преобразователи ) давления и перепада давлений.
Датчики давления, как и датчики температуры, бывают аналоговые и дискретные.
Раньше использовались мембранные и сильфонные датчики, принцип действия которых был основан на механическом перемещении (сжатии или расширении) данных чувствительных элементов при изменении давления среды. Далее эти чувствительные элементы имели шток, перемещающийся в магнитном поле и меняющий величину, например, магнитной индукции. Сейчас в качестве чувствительных элементов все чаще применяют тензорезисторы. При сжатии или расширении такого резистора меняется его сопротивление. А дальше, так же, как и в термопреобразователях сопротивления, данный резистор включается в электрическую схему. Дискретные датчики давления рассчитаны на необходимость фиксации конкретного значения давления или перепада давления. Для этого применяются электроконтактные манометры и дифманометры, в качестве чувствительных элементов которых применены трубчатые пружины и мембраны.
Датчики (измерительные преобразователи) влажности.
Датчики влажности

Почти все современные аналоговые датчики влажности имеют емкостной чувствительный элемент. Их принцип работы основан на изменении емкости чувствительного элемента при изменении влажности. Далее этот чувствительный элемент включен в измерительную схему вторичного прибора. Достаточно часто встречаются совмещенные аналоговые датчики влажности и температуры. Таким образом, в точке отбора, где требуется измерение этих двух параметров, устанавливается один прибор вместо двух. Такой датчик имеет два независимых выходных сигнала – один по влажности, другой по температуре.
Дискретные датчики влажности отличаются от аналоговых наличием контактной группы, срабатывающей только при заданном значении. Такие датчики также называют гигростатами.

Датчики (измерительные преобразователи) расхода.
В системах измерения встречаются ультразвуковые, индукционные, вихревые аналоговые расходомеры и термомассовые расходомеры. Дискретные датчики расхода могут быть выполнены в виде крыльчатки, вращающейся в потоке жидкости. С такого датчика сигнал выдается в виде импульса при совершении каждого полного ее оборота. Считая эти импульсы можно организовать учет количества жидкости, прошедшей через прибор за определенное время. Такие датчики могут называться также сигнализаторами расхода.
Сигнализаторы также могут быть выполнены в виде заслонки, установленной поперек потока. Чем больше расход, тем больше давление потока на ее поверхность и больший угол ее отклонения от вертикального положения. При определенном угле отклонения срабатывает контакт и выдается сигнал о наличии расхода. Такие сигнализаторы расхода часто называют реле протока.

Датчики (измерительные преобразователи) уровня жидкости
Аналоговые датчики уровня – это те же датчики дифференциального давления, т.к. любой столб жидкости создает разность давлений между верхним и нижним уровнем.
Дискретные датчики уровня (фактически это датчики наличия жидкости) построены на принципе электропроводности жидкости и состоят из минимум двух электродов, через которые проходит электрический ток. При погружении их в воду образуется замкнутая электрическая цепь. В частности такие системы применяются в дренажных приямках для измерения наличия уровня в них воды.

Датчики (измерительные преобразователи) качества воздуха.
В системах вентиляции и кондиционирования воздуха все чаще поддерживаются не только температура и влажность воздуха, но и его качество, т.е. количество углекислого газа, озона, таких примесей как, сигаретный дым, запах пота, алкоголя, выхлопных газов и т.д. Для измерения этих параметров применяются датчики определяющие наличие в воздухе каких-то отдельных веществ, например углекислого газа, и датчики анализирующие качество воздуха по комплексу присутствующих в нем примесей.
Такие датчики также могут быть аналоговыми и дискретными.

Остались вопросы? Не стесняйтесь задавать их:ФОРМА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

1. Типовые компоненты и датчики контрольно-диагностических средств/ М – во образования Респ. Беларусь, Учреждение образования «Полоц. гос. ун – т». – Новополоцк: ПГУ, 2004. – 382
2. Фрайден Д. Современные датчики/ Дж. Фрайден. – Москва: Техносфера, 2005. – 588 с. – (Мир электроники)
4. Школа автоматчиков. УРОК №5. Основы автоматизации
5. Бейлина, Р.А. Микроэлектронные датчики/ Р.А. Бейлина, Ю.Г. Грозберг, Д.А. Довгяло. Новополоцк: ПГУ, 2001. – 307 с.

Источник

Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет только одно фиксированное значение), дискретной (если она может иметь два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она может иметь бесчисленное множество значений). Все эти величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговым называется такой сигнал, который может быть представлен непрерывной линией из множества значений, определенных в каждый момент времени относительно временной оси.

Значения аналогового сигнала произвольны в каждый момент времени, поэтому он может быть в принципе представлен как некая непрерывная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.

Аналоговым сигналом можно назвать, например, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым акустическим усилителем, поскольку такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) сильно отличаются друг от друга в каждый момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример подобного рода аналогового сигнала.

Аналоговые величины могу иметь бесконечное множество значений в определенных пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый логический контроллер, который управляет с помощью твердотельного реле температурой в электрической печи.

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал называют дискретным. Чаще всего на практике применяются дискретные сигналы, распределенные по равномерной временной решетке, шаг которой называется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает определенные не нулевые значения лишь в моменты дискретизации, то есть он является не непрерывным в отличие от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать небольшие кусочки определенного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Ниже приведен пример формирования подобного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Обратите внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, но не сами значения сигнала.

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (количество их значений всегда выражается целыми числами).

Когда дискретный сигнал принимает только какие-то фиксированные значения (которые могут быть расположены по сетке с определенным шагом), такие что они могут быть представлены как количество квантовых величин, такой дискретный сигнал называется цифровым. То есть цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.

Практически дискретные и цифровые сигналы в ряде задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов с помощью вычислительного устройства.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Обратите внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а только определенные — целое количество вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, тогда как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пусть и незначительной, части информации.

Обработка цифровых сигналов позволяет получать устройства с очень высокими характеристиками благодаря выполнению вычислительных операций совершенно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.

В силу этих достоинств, именно цифровые сигналы повсеместно распространены сегодня в системах хранения и обработки данных. Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (такие как пленочные кассеты и т.д.) давно ушли в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы для измерения напряжения:

Но даже у цифровых сигналов есть свои недостатки. Их невозможно передать напрямую как есть, ибо передача обычно реализуется посредством непрерывных электромагнитных волн. Поэтому при передаче и приеме цифровых сигналов необходимо прибегать к дополнительной модуляции и аналого-цифровому преобразованию. Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение наибольшего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, является еще одним их недостатком.

Существуют и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы. Например аналоговый звук никогда не сравнится с цифровым, поэтому ламповые усилители и пластинки до сих пор не выходят из моды, несмотря на обилие цифровых форматов записи звука с самой высокой частотой дискретизации.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Датчики дискретных параметров

К основным дискретным параметрам, преобразуемым датчи­ками в электрические сигналы, можно отнести состояние объекта («включен —выключен», «открыт—закрыт» и т.д.) и количество объектов. Частным случаем параметра «состояние» можно считать параметр «код» (операции, позиции и т.д.), который, как и со­стояние, определяется по некоторому признаку или набору при­знаков.Как уже говорилось ранее, любой аналоговый (т.е. непрерыв­ный) параметр может быть дискретизирован, т.е. представлен на­бором значений, отличающихся одно от другого на определен­ную величину. Предположим, что суппорт обрабатывающего станка может иметь фиксированные значения угла поворота 0, 10, 20° и т.д. Угол поворота — величина аналоговая, но если пронумеро­вать положения суппорта, то мы будем иметь дело с дискретными величинами — кодами позиций: 1, 2, 3 и т.д. Для получения ин­формации о том, на какой угол повернут суппорт в данный мо­мент, можно использовать датчик углового перемещения, но если на суппорте есть указатель, по которому можно определить код позиции суппорта, то проще использовать датчик состояния.

Разница между датчиками состояния и количества заключает­ся в следующем. Датчик состояния формирует электрический сиг­нал, однозначно соответствующий одному из двух или несколь­ких признаков состояния объекта. Например, двигатель включен — на выходе датчика есть сигнал; двигатель выключен — на выходе датчика сигнала нет. И наличие, и отсутствие сигнала содержат информацию о состоянии объекта.

Датчик количества формирует сигнал при наличии единствен­ного признака (например, при наличии изделия на конвейере), после чего он возвращается в исходное состояние. При каждом очередном появлении этого признака формируется новый сиг­нал, т.е. именно в наличии этого сигнала заключается полезная информация.

Сигналы с датчика количества поступают на устройство обра­ботки дискретных сигналов — счетчик, который подсчитывает количество поступивших сигналов, а значит, количество объек­тов, с которыми связан датчик. Сигналы с датчика состояния по­ступают на другое устройство — регистр, по которому оператор или управляющее устройство судят о состоянии объекта, с кото­рым связан датчик.

Простейший датчик дискретных параметров — контактный (рис. 4.26). Его дискретный входной параметр — перемещение; диск­ретная выходная величина — сопротивление электрической цепи, которое может быть или равным нулю (контакты замкнуты), или бесконечно большим (контакты разомкнуты). Дискретность вход­ного параметра означает, что датчик воспринимает только два значения перемещения движущегося штока относительно его на­чального положения: либо перемещение меньше определенного значения и контакт разомкнут, либо больше и контакт замкнут. Такой датчик может использоваться, например, как концевой выключатель цепи управления движущимся элементом, достиг­шим крайнего положения, или для контроля предельно допусти­мого размера деталей на конвейере. Погрешность его может быть очень маленькой — около 1 мкм.

Широко используются для преобразования дискретных сигна­лов оптические датчики. В подразд. 4.2.3 была рассмотрена работа оптического датчика как преобразователя аналоговой величины (углового перемещения), работающего в дискретном режиме. Но он может использоваться также и как датчик состояния, и как датчик количества.

В первом случае объект, состояние которого контролируется, должен быть снабжен непрозрачным «флажком», который при одном состоянии объекта перекрывает поток света от источника к приемнику излучения, а при другом его состоянии пропускает этот поток. Соответственно в цепи приемника излучения либо нет тока, либо он есть. Роль флажка может выполнять и сам контро­лируемый объект.

В режиме датчика количества источник и приемник излучения располагаются так, что каждый очередной объект, подлежащий счету, перекрывает оптический канал и очередной сигнал с при­емника излучения передается на счетчик.

Оптические датчики удобны тем, что в них отсутствует меха­нический контакт с контролируемым объектом. Они широко ис­пользуются не только для измерения и контроля технологических параметров, но и для защиты обслуживающего персонала от по­падания в опасную зону. В такой ситуации сигнал с датчика может не только предупредить персонал об опасности, но при необхо­димости автоматически отключить оборудование во избежание травмирования людей.

Комбинация дискретного контактного датчика с первичными механическими преобразователями позволяет создавать дискрет­ные датчики аналоговых параметров, называемые релейными. Кон­тактный датчик размещается рядом с механическим преобразова­телем, выходной величиной которого является перемещение (на­пример, пружинным преобразователем силы, сильфонным пре­образователем давления или биметаллическим — температуры). По достижении заданного значения параметра перемещающийся эле­мент замыкает контакты датчика, формируя выходной сигнал. При изменении параметра в обратном направлении контакты снова размыкаются, причем обычно имеется небольшая разница в зна­чениях параметров, соответствующих замыканию и размыканию контактов (гистерезис).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение датчика.

2. Почему именно в электрический сигнал датчик преобразует техно­логический параметр?

3. Какие датчики называются активными? Назовите их.

4. Назовите основные выходные параметры пассивного датчика.

5. Перечислите основные характеристики датчиков.

6. Перечислите виды датчиков перемещения. Что является их входной и выходной величиной?

7. Назовите основные датчики деформации, силы. Что является их входной и выходной величиной?

8. Назовите основные датчики температуры. Что является их входной и выходной величиной?

9. Назовите основные датчики дискретных параметров. Какие прин­ципы положены в основу их работы?

ГЛАВА 5 УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Если человек сильно утомлен, то может не заметить, напри­мер, идущего ему навстречу приятеля или не услышать с первого раза звонок в дверь. Но ведь его датчики — глаза и уши — получи­ли информацию и преобразовали ее в сигналы, поступившие в нервную систему. Почему же мозг не отреагировал на эти сигна­лы? Возможно, потому, что они оказались слишком слабыми — из-за переутомления ваша нервная система не обеспечила необ­ходимое усиление этих сигналов или не смогла выделить их на фоне других поступивших сигналов (помех).

В технических системах тоже возможны ситуации, когда сигна­лы датчиков слишком слабые, сопровождаются помехами, поэто­му в них большое внимание уделяют устройствам преобразования сигналов. Эти устройства обеспечивают:

• передачу информационных сигналов от датчиков к аппарату­ре обработки сигналов и управляющих сигналов к исполнитель­ным механизмам;

• предварительную обработку (нормализацию) сигналов дат­чиков;

• преобразование аналоговой величины в дискретную, и на­оборот;

• формирование управляющих сигналов для исполнительных механизмов.

Источник

Датчики и микроконтроллеры. Часть 1. Матчасть

В этом цикле я расскажу о датчиках — как о немаловажном элементе системы управления неким объектом или тех. процессом.

Все свое повествование я буду вести касаемо практических вопросов реализации цифровых систем управления на базе микроконтроллеров.

Введение

В системе управления технологической установкой снятие текущих показаний некоторой величины — температуры, влажности, давления, уровня жидкости, напряжения, тока и проч. осуществляется с помощью датчиков — устройств и механизмов, предназначенных для преобразования сигнала внешнего воздействия в форму, понятную системе управления. Например, датчик влажности генерирует электрический сигнал, пропорциональный текущему значению влажности воздуха.

Как правило, датчики используются не сами по себе, а входят в состав системы управления, обеспечивая сигнал обратной связи.

Рисунок 1. Типовая схема замкнутой системы регулирования
На рисунке 1 представлена типовая схема системы регулирования. Имеется сигнал задания Xз, который сравнивается с сигналом на выходе, получаемым с помощью датчика, имеющего передаточную функцию Wд(p). Ошибка управления подается на регулятор, который, в свою очередь, формирует сигнал управления исполнительным узлом, формирующим выходной сигнал Y.[1]

Простой пример — центробежный регулятор частоты вращения двигателя, где датчиком является платформа с шарами, которая, вращаясь, устанавливает то или иное положение топливной рейки. Заслонка, управляемая этой рейкой, регулирует количество топлива, подаваемое на двигатель. Сигналом задания будет являться требуемое значение скорости.

1.1 Классификация датчиков

Следует отметить, что в литературе встречается и альтернативный вариант классификации, когда Генераторные датчики определяются как Активные, а Параметрические — как Пассивные. Здесь и далее я руководствуюсь вариантом согласно справочнику Фарйдена.

2 Характеристики датчиков

Большинство датчиков имеют сложную процедуру преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Например, в тензорезисторном датчике давления измеряемая величина воздействует на чувствительный элемент, изменяя его сопротивление. После подачи сигнала возбуждения, падение напряжения на резисторе позволит косвенно определить его сопротивление и, на основании зависимости сопротивления от давления, вычислить измеряемую величину.

Для разработчика датчик представляет собой черный ящик с известными соотношениями сигналов между входами и выходами.

2.1 Диапазон измеряемых и выходных значений

Диапазон измеряемых значений показывает, какое максимальное значение входного сигнала датчик может преобразовать в выходной электрический сигнал, не выходя за пределы установленных погрешностей. Данные цифры всегда приводятся в спецификации на датчик, одновременно отображая возможную точность измерений в том или иной диапазоне.

Следует понимать, что одни датчики при подаче входного сигнала больше максимальных значений просто войдут в насыщение и будут возвращать неверные данные. Другие же датчики (например датчики температуры) могут выйти из строя. В дальнейшем, для каждого типа датчика будут даны свои рекомендации.

Диапазон выходных значений датчика — это минимальное и максимальное напряжение, которое датчик способен выдать при минимальном и максимальном внешнем воздействии. Так как мы рассматриваем датчики, преобразующие входной сигнал в электрический, то диапазон выходных значений датчика будет определяться в вырабатываемом им напряжении, или пропускаемом через него токе. Одной из наших задач при подключении датчика будет согласование выходного диапазона датчика со входным диапазоном измерительного тракта.

2.2 Передаточная функция — статические и динамические характеристики

При работе с датчиком требуется знать соотношение уровней сигналов на входе и выходе. Отношение Wд(p) = Y(p)/X(p) в операторном виде является передаточной функцией датчика и однозначно определяет характеристики датчика в статике и динамике.

Уравнение Y(p) = Wд(p)*X(p) в реальной плоскости, т.е. функция Y = f(x) будет являться статической характеристикой
Статическая характеристика может быть линейно и будет определяться как:
(1)
Где a – наклон прямой, определяемый чувствительностью датчика и b – постоянная составляющая(т.е. уровень выходного сигнала при отсутствии сигнала на входе)

Рисунок 2. Линейная зависимость

Помимо датчиков с линейной зависимостью, могут быть датчики с логарифмической зависимостью, с уравнением вида
(2)
Экспоненциальной:
(3)
Или степенной:
(4)
Где k – постоянное число.
Существуют датчики с более сложной характеристикой. Но на то есть документация.

Однако, передаточная функция раскрывает и то, какими свойствами обладает датчик в динамике, т. е. насколько быстро и точно отрабатывает датчик выходной сигнал при быстром изменении входной величины. Практически каждый реальный датчик имеет в себе накопитель энергии — конденсатор, массу и т. п. Рассмотрим поведение датчика, динамические характеристики которого описываются уравнением первого порядка:

(5)
В теории автоматического управления существует два тестовых входных сигнала. Это единичная функция — подача в нулевой момент времени единицы, и дельта-функция — подача сигнала бесконечной амплитуды и бесконечно малой длительности.

Рисунок 3. Единичная и дельта функции

Безынерционный, то бишь идеальный датчик в точности повторит форму входного сигнала. Реальный датчик, описанный формулой (5) выдаст следующую реакцию:

Рисунок 4. Реакция апериодического звена первого порядка на тестовые сигналы

Следует отметить, что значение на выходе датчика будет соответствовать поданному на входе только после завершения переходного процесса, которое будет длиться 3-4τ, где τ — постоянная времени нашего звена. При t=1τ, выходное значение достигнет

Нетрудно посчитать, что при t = 2τ выходное значение составит 86%, а при t = 3τ — 95% и переходный процесс будет считаться завершенным.

Таким образом нужно понимать, что, например, тот же датчик температуры будет реагировать на изменение температуры окружающей среды с некоторым запаздыванием из-за того, что между датчиком и окружающей средой имеется корпус, который должен поглотить тепло и нагреться. На это требуется время.

Разумеется, инерционные датчики могут описываться более сложными уравнениями, например представляться апериодическими звеньями второго порядка, иметь задержку реакции и т. д. Особенности поведения таких звеньев подробно описаны в [1].

2.3 Точность, нелинейность

Одной из важных характеристик датчика является его точность в диапазоне измеряемых величин. Выходной сигнал датчика соответствует значению измеряемой величины с некоторой достоверностью, называемой погрешностью.

Например, датчик температуры имеет точность ±2 градуса. Это означает, что при реальной температуре измеряемого объекта в 100 градусов, допустимые показания данного датчика температуры находятся в пределах 98 – 102 градусов.
Погрешность датчика бывает разной.

Различают аддитивную и мультипликативную погрешность.

Аддитивная погрешность постоянна во всем диапазоне измерений.

Рисунок 5. Аддитивная погрешность

Мультипликативная линейно зависит от уровня измеряемой величины:

Рисунок 6. Мультипликативная погрешность

Кроме того, существует нелинейность датчика в измеряемом диапазоне. В зависимости от текущего диапазона измерения, коэффициент наклона передаточной функции изменяется в некоторых пределах. При этом, в спецификации указываются либо кривые изменения точности по диапазону, либо худшие показатели нелинейности в том или ином диапазоне.

Рисунок 7. нелинейность датчика

Кроме того, некоторые датчики имеют эффект гистерезиса, когда для одного и того же входного сигнала после возрастания и убывания значения выходного сигнала получаются разными. Типичной причиной гистерезиса является трение и структурные изменения материалов. Наибольшему эффекту гистерезиса подвержены датчики на основе ферромагнитных материалов.

Для повышения точности и компенсации аддитивной и мультипликативной погрешности может производиться процесс калибровки датчика. Например, для линейного датчика необходимо с заведомо известной точностью определить показания в двух точках, находящиеся на разных концах рабочего диапазона. Для некоторых датчиков данные калибровки могут приводиться в паспорте на каждый конкретный экземпляр. Для проведения процедуры калибровки можно воспользоваться более точной аппаратурой, можно воспользоваться эталоном (например черное тело, эталонный килограмм и т. п.). Точность после калибровки естественно не сможет превышать точность эталона.

2.4 Чувствительность датчика, разрешающая способность и мертвая зона

Мертвая зона датчика — это нечувствительность датчика в определенном диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходные показания некорректны.

Для примера на рисунке 2 показания выходной величины для всех значений от 0 до x0 не определены. Такой особенностью грешат, например, некоторые датчики тока, имеющие нулевое напряжение на выходе при токах меньших, к примеру, 10мА.

Во всем остальном диапазоне имеет место определенная чувствительность датчика, т. е. насколько силен прирост выходного сигнала на изменение входного сигнала. т. е. чувствительность определяется следующей формулой:

Для линейного датчика, чувствительность будет постоянной на всем измеряемом диапазоне.

Разрешающая способность показывает, насколько малое изменение измеряемой величины способно вызвать изменение выходного сигнала. Например, какой-нибудь инкрементальный датчик положения имеет разрешающую способность в 1 градус. Аналоговые датчики обладают бесконечно большим разрешением, так как в их выходном сигнале нельзя определить отдельных ступеней его изменения.

3 Способ подключения датчиков

В зависимости от типа датчика, подключается он к измерительному тракту по-разному.

Подключение пассивного датчика

Так как пассивный датчик без посторонней помощи в ответ на внешнее воздействие самостоятельно вырабатывает для нас электрический сигнал, нам этот сигнал нужно считать.
В зависимости от того, будет ли наш датчик источником тока или источником напряжения, способ подключения будет отличаться.

К примеру, термопара является источником напряжения — напряжение на выходе не зависит от величины выходного тока (в разумных пределах конечно). Наша задача — измерить вырабатываемую ЭДС. Так как измерительный тракт будет иметь некоторое конечное сопротивление, схема подключения будет следующей:

Рисунок 8. Подключение источника напряжения к АЦП

Если Radc будет много больше внутреннего сопротивления r, тогда падение напряжения на нем будет стремиться к нулю и напряжение на входе АЦП будет стремиться к значению ЭДС.
Во второй части я подробно рассмотрю термопару, как один из самых точных и быстродействующих датчиков.
Другой случай, если наш датчик является источником тока, т.е генерируемое им напряжение зависит от пропускаемого через нагрузку тока.

Подключение датчика аналогично:

Рисунок 9. Подключение источника тока к АЦП
Однако, сопротивление нагрузки источника тока теперь должно стремиться к нулю. Для этого, датчик шунтируется резистором необходимого сопротивления, превращая тем самым, источник тока в источник напряжения:

Рисунок 10. Правильное подключение источника тока к АЦП

Сопротивление резистора Rш рассчитывается как частное от деления максимального напряжения, подаваемого на вход АЦП на максимальный ток, который способен выдать датчик

Наиболее яркий представить такого датчика — датчик тока.

ВНИМАНИЕ: датчики, имеющие схему замещения в виде источника тока, следует обязательно шунтировать сопротивлением и не допускать обрыва цепи шунтирования при наличии сколь угодно малого входного воздействия. В противном случае, тот же датчик тока генерирует на свободных клеммах вторичной обмотки напряжение в киловольты до пробоя схемы измерения или самого датчика. Современные датчики тока тестируют на напряжении 1кВ и более, так что получить на выходе 2-3кВ, а еще попасть в них пальцем — не самая сложная задача.

Подключение активного датчика

Рассмотрим активные датчики, представляющие собой переменное сопротивление. В частности это терморезисторы, тензорезисторы и прочие подобные датчики. Чтобы сопротивление датчика измерить, его необходимо подключить к источнику тока и определить падение напряжения на нем:

Рисунок 11. Подключение датчика к нерегулируемому источнику тока

Источник тока вырабатывает ток постоянного значения известной величины. Тогда, выходное напряжение будет определяться по формуле:
(7)

Например, рассчитаем выходное значение напряжения при токе источника 10мА если наш датчик изменяет сопротивление от 0,1кОм до 1 кОм. Тогда максимальное выходное напряжение будет равно
(8)
Что вполне соответствует требуемому значению напряжения для аналоговой системы управления на базе операционных усилителей.

Где взять источник тока? Бывает так что он встроен в сам микроконтроллер. Например в микроконтроллерах ADuCM360/361 есть два встроенных источника тока 0,01-1мА. Правда там у них диагностическая задача — подавая малый ток через цепи датчика можно убедить в его наличии и исправности.

Конечно, нам привычнее использовать источник напряжения с делителем:

Рисунок 12. Подключение датчика к источнику напряжения с делителем

Если говорить на чистоту, то цепочка U-R1 образует тот же самый источник тока, только его параметры зависят от нагрузки — Rд. Напряжение на выходе будет определяться по следующей формуле:

(9)

И тут всплывает главная проблема такого метода — от сопротивления нашего датчика в знаменателе не избавишься никак и показания становятся нелинейными, в отличие, кстати, от первого варианта.

С другой стороны, максимальное выходное напряжение у нас ограничено входными цепями измерительного устройства. Например, на вход микроконтроллера с питанием 5В необходимо подать напряжение, к примеру, не более 2,5В. Отмечу, что если максимально возможное напряжение, подаваемое на вход АЦП меньше напряжения питания, то мы сможем его туда подать.

Если наш датчик изменяет сопротивление от 0,1кОм до 1 кОм, то примем сопротивление резистора R1 равное верхней границе сопротивления датчика. Тогда Uвых сможет изменяться в пределах от 1/11Uвх до 1/2Uвх. В абсолютных цифрах данного примера — от 0,45 до 2,5В. И такими значениями мы используем (2,5-0,45)/2,5 = 82% всего диапазона АЦП, что довольно неплохо.

Еще датчик можно воткнуть в состав измерительного моста и измерять разницу напряжений в его плечах:

Рисунок 13. Датчик в составе измерительного моста
В этом случае мы работаем с дифференциальным АЦП, измеряя разность потенциалов Uab. Она будет равна:
(10)

Причем сопротивление резистора R1 может быть таким, чтобы Uab могло быть и отрицательным. Существуют датчики, внутренняя схема которых уже представляет собой балансный мост с необходимыми характеристиками. Позднее я рассмотрю примеры таких датчиков.

Существуют более удобные в использовании датчики. Они выдают необходимый аналоговый сигнал и без танцев с резисторами. Например, аналоговый датчик влажности HIH-4010-004 — трехвыводной корпус, 5В питание, линейный выход. Подключается это чудо так:

Рисунок 14. Подключение датчика влажности HIH-4010-004

Два провода к источнику опорного напряжения, выход — к АЦП микроконтроллера.

Подключение цифровых датчиков по стандарту 1-Wire

1-Wire это двунаправленная низкоскоростная цифровая шина передачи данных, требующая всего два провода — информационный провод и землю. Шина достаточно проста в использовании, поддерживает паразитное питание устройств от линии и позволяет подключать параллельно множество однотипных устройств вроде датчиков температуры(всеми любимыми DS18B20), или микросхем идентификации (iButton).
Паразитное питание организовывается следующим образом:

Рисунок 15. Паразитное питание устройств шины 1-Wire

А это обычное активное питание устройства, когда до источника рукой подать.

Рисунок 16. Питание устройства 1-Wire от внешнего источника

Количество подключенных параллельно датчиков фактически ограничено лишь параметрами линии.
Возможно горячее подключение и идентификация на ходу. Причем вычислительная сложность алгоритма идентификации O(log n)

Более подробно с этим протоколом мы поработаем во второй части.
А пока, про сам протокол можно почитать по классической ссылке: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdf

Подключение цифровых датчиков по стандарту I2C(Twi)/SMBus

Если 1-Wire требовала один провод данных, то эта шина, исходя из названия Two-Wire Bus — два.
Один из проводов — SCL будет тактирующим, по второму — SDA, полудуплексом будут передаваться данные.
Шина с открытым коллектором, следовательно обе линии необходимо подтянуть к питанию. Датчик будет подключаться следующим образом:

Рисунок 17. Подключение датчиков по I2C

Общее количество устройств, которые можно подключить к шине I2C — 112 устройств при 7-разрядной адресации. Каждому устройству на деле выделяется два последовательных адреса, младшим битом выставляется режим — на чтение или запись. Есть строгое требование по емкости шины — не более 400пФ.

Общеупотребительные значения скоростей — 100 кбит/сек и 10 кбит/сек, хотя последние стандарты допускают и скоростные режимы в 400 кбит/сек и 3.4мбит/сек.

Шина может работать как с несменяемым мастером, там и с передачей флага.
Огромное количество информации по протоколу можно найти по этой ссылке: http://www.esacademy.com/en/library/technical-articles-and-documents/miscellaneous/i2c-bus.html

Подключение цифровых датчиков по стандарту SPI

Рисунок 18. подключение по SPI и суть передачи

Каждое устройство в цепи содержит свой сдвиговый регистр данных. С помощью сигналов тактирования, спустя 8 тактов содержимое регистров меняется местами, тем самым, осуществляя обмен данными.

SPI — Самый скоростной из представленных интерфейс передачи данных. В зависимости от максимально-возможных частот тактирования скорость передачи данных может составлять 20, 40, 75 мбит/сек и выше.

Шина SPI позволяет подключать устройства параллельно, но здесь возникает проблема — каждому устройству требуется своя линия CS до процессора. Это ограничивает общее количество устройств на одном интерфейсе.
Главная сложность в настройке SPI — это установить полярность сигнала тактирования. Серьезно. Настроить SPI не просто, а очень просто.

Коротко и ясно об SPI с описанием периферийных модулей SPI для AVR и MSP430 можно прочитать здесь http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm

4 Снятие показаний с датчиков

Пора бы уже прочесть с наших датчиков хоть какую-то информацию.

В зависимости от способа подключения датчика и его типа возможны различные способы снятия показаний. Следует отметить, что некоторые датчики, например цифровые датчики, или датчики состава газа, требуют предварительного запуска режима измерения, который может длиться некоторое время.

Таким образом, процесс измерения состоит из двух тактов — такт измерения данных и такт снятия данных. При организации программы можно пойти по одному из следующих вариантов:

Рисунок 19. Процесс считывания показаний с датчика

Рассмотрим каждый вариант по отдельности и набросаем скелеты:
Вариант 1. запустили режим измерений, подождали, считали.
Вариант притягателен своей простотой, однако за ней кроется проблема — во время ожидания выполнения измерений микроконтроллер нагло простаивает, не выполняя задач. В большинстве систем автоматики такой режим — непозволительная роскошь.

В коде это будет выглядеть следующим образом:

Вариант 2. запустили режим измерений, вернулись к другим задачам, по прошествии времени сработало прерывание, считали данные.
Один из лучших вариантов. Но наиболее сложный:

Выглядит неплохо. позволяет варьировать время между циклами измерений и циклами считывания. например, датчик состава газов должен успеть остыть после предыдущих измерений, либо успеть нагреться во время измерений. Это разные периоды времени.

Вариант 3: Считали данные, запустили новый виток.
Если датчик позволяет после считывания данных запускать новый цикл измерений, то почему бы и нет — сделаем все наоборот.

Отличный способ сэкономить время. и знаете что — такой метод отлично работает и без прерываний. Цифровые датчики хранят вычисленное значение вплоть до отключения питания.А с учетом того, что считывать сигналы с датчика влажности ввиду его инерционности в 15 секунд часто и не требуется, можно и вовсе сделать так:

Может быть и такой вариант, что наш датчик самостоятельно запускает новый цикл измерений и потом с помощью внешнего прерывания он сообщает о завершении измерений. Например, АЦП можно настроить на автоматический режим считывания данных с частотой N Гц. С одной стороны, в обработчике прерывания будет достаточно реализовать только процесс считывания новых данных. С другой стороны, можно воспользоваться прерыванием АЦП с режимом Прямого Доступа к Памяти — ПДП(DMA). В этом случае по сигналу прерывания периферийный модуль АЦП на аппаратном уровне самостоятельно скопирует данные в определенную ячейку памяти в ОЗУ, тем самым обеспечивая максимальную скорость обработки данных и минимальное воздействие на рабочую программу (не надо уходить в прерывание, вызывать обработчик и проч.).

Но использование DMA сильно выходит за рамки данного цикла.

К сожалению, первый метод поголовно используется в библиотеках и примерах для Arduino, не позволяет этой платформе правильно использовать ресурсы микроконтроллера. Зато он проще в написании и отладке.

4.1 Работа с АЦП

Имея дело с аналоговыми датчиками имеем дело с АЦП. В данном случае рассматривается АЦП встроенный в микроконтроллер. Так как АЦП является по сути тем же датчиком — преобразует электрический сигнал в информационный — для него справедливо все что описано выше в разделе 2. Главными характеристиками АЦП для нас являются его эффективная разрядность, чувствительность, опорное напряжение и быстродействие. При этом, выходным значением АЦП преобразования будет некоторое число в выходном регистре, которое необходимо перевести в абсолютное значение в единицах измеряемой величины. В дальнейшем, для отдельных датчиков будут рассмотрены примеры таких расчетов.

4.1.1 Опорное напряжение
Опорное напряжение АЦП — это напряжение, которому будет соответствовать максимальное выходное значение АЦП. Опорное напряжение подается от источника напряжения, как встроенного в микроконтроллер, так и внешнего. От точности этого источника зависит точность показаний АЦП. Типовое опорное напряжение встроенного источника равняется напряжению питания или половине напряжения питания микроконтроллера. Могут быть и другие значения.

Например, таблица возможных значений опорного напряжения для микроконтроллера Atmega1280:

Рисунок 20. Выбор опорного напряжения для АЦП микроконтроллера Atmega1280

4.1.2 Разрядность АЦП и чувствительность
Разрядность АЦП определяет максимальные и минимальные значения в выходном регистре при минимальном и максимальном входном воздействии электрического сигнала.

Следует отметить, что максимальная разрядность АЦП может не соответствовать его эффективной разрядности.
Часть младших разрядов может быть отдана на шум. Обратимся к датащиту на микроконтроллер ADuCM360, имеющему 24-разрядный АЦП с эффективной разрядностью 14 бит:

Рисунок 21. Назначение битов регистра данных АЦП

Как видно из рисунка, в 32-разрядном регистре, часть выделяется на знак, часть на нули и часть на шум. И лишь 14 разрядов содержат данные, имеющие указанную точность. В любом случае, эти данные всегда указываются в документации.

От эффективной разрядности АЦП зависит его чувствительность. Чем больше промежуточных ступеней выходного напряжения, тем выше будет чувствительность.

Допустим, опорное напряжение АЦП Uоп. Тогда, N-разрядный АЦП, имея 2N возможных значений, имеет чувствительность
(11)

Таким образом, для 12-разрядного АЦП и опорного напряжения в 3,3В его чувствительность составит 3,3/4096 = 0,8мВ

Так как наш датчик также обладает определенной чувствительностью и точностью, будет неплохо, если АЦП будет обладать лучшими показателями

4.1.3 Быстродействие АЦП
Быстродействие АЦП определяет, насколько быстро считываются показания. Для АЦП последовательного приближения требуется определенное количество тактов, чтобы оцифровать уровень входного напряжения. Чем больше разрядность, тем требуется больше времени, соответственно, если к концу измерения уровень сигнала успевает измениться, это отразится на точности измерения.

Быстродействие АЦП измеряется в количестве семплов данных в секунду. Оно определяется как частота сигнала тактирования АЦП, деленная на требуемое для измерения число таков. Например, имея частоту тактирования АЦП в 1МГц и 13 тактов для снятия показаний, быстродействие АЦП будет равно 77 килосемплов в секунду. Для каждого варианта разрядности возможно рассчитать свое быстродействие. В технической документации обычно указывается максимально-возможная частота тактирования АЦП и его максимальное быстродействие при той или иной разрядности.

4.2 Цифровые датчики

Главное преимущество цифровых датчиков перед аналоговыми — они предоставляют информацию об измеряемой величие в готовом виде. Цифровой датчик влажности вернет абсолютное значение влажности в процентах, цифровой датчик температуры — значение температуры в градусах.

На этом я закончу общий материал. В следующей части мы рассмотрим датчики HVAC с примерами.
После датчиков пойдет рассмотрение исполнительных устройств — там довольно много интересного с точки значения теории автоматического управления, а потом доберемся и до синтеза и оптимизации регулятора всего этого безобразия.

UPD: Выражаю благодарность amartology, Arastas и Stross за справедливые замечания по статье. Добавил материал по 2 и 4 разделам и пояснил некоторые спорные моменты.

Источник