Компьютеризированный сбор данных. Датчики и их классификация

4. Компьютеризированный сбор данных_________________________________ 2

4.1. Введение___________________________________________________________________ 2

4.2. Общая схема сбора данных__________________________________________________ 2

4.2.1. Диаграмма организации сбора данных_______________________________________ 2

4.2.2.Объекты мониторинга_______________________________________________________ 2

4.3. Датчики____________________________________________________________________ 3

4.3.1. Физические эффекты________________________________________________________ 3

4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные)_____________________________________ 4

4.3.3. Основные виды датчиков___________________________________________________ 5

а) температурные________________________________________________________________ 6

б) оптические___________________________________________________________________ 7

в) датчики влажности и газовые анализаторы__________________________________________ 9

г) магнитные датчики____________________________________________________________ 10

4.3.4. Классификация датчиков__________________________________________________ 10

4.4.Типы сигналов_____________________________________________________________ 12

4.4.1. Аналоговые сигналы______________________________________________________ 12

4.4.2. Импульсные сигналы______________________________________________________ 12

4.4.3. Цифровой сигнал_________________________________________________________ 13

а) квантование по уровню________________________________________________________ 13

б) квантование по времени________________________________________________________ 13

в) дискретные сигналы___________________________________________________________ 13

4.5. Преобразование сигналов___________________________________________________ 14

4.6. Организация компьютеризированного сбора данных__________________________ 14

4. Компьютеризированный сбор данных

4.1. Введение

История методов сбора и регистрации данных:

- регистрация человеком;

- механические регистраторы;

- электронные регистраторы;

- автоматизированные регистраторы данных (dataloggers);

- комп’ютеризированные системы сбора и анализа данных.

4.2. Общая схема сбора данных

4.2.1. Диаграмма организации сбора данных

Рис 4.1. Диаграмма организации сбора данных

4.2.2.Объекты мониторинга

Объектом мониторинга может быть:

- физический объект;

- процесс.

Каждый объект определенным образом взаимодействует со внешней средой, например, излучая. Известно четыре фундаментальных поля, но с практической точки зрения удобно вводить дополнительные поля, нефундаментальные, которые являются либо ограниченной частью либо комбинацией фундаментальных излучений. Имеется множество различных излучений (нефундаментальных), которые необходимо на практике контролировать, например:

- тепловое излучение: электромагнитное излучение ИК-диапазона;

- видимый свет: электромагнитное излучение диапазона ≈380-750 нм;

- ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение выше видимого диапазона;

- акустические излучения: механические колебания молекул, например, воздуха;

- различные виды радиационного излучения (α, β, γ – излучения).

Кроме параметров излучения на практике часто необходимо измерять различные физические и химические величины:

- давление;

- влажность: удельное содержание паров воды в воздухе;

- температура: кинетическая энергия движений молекул объекта;

- удельное содержание различных примесей (загрязнителей);

- перемещение, скорость, ускорение движения и геометрические размеры объекта;

- кислотность почвы;

- и т.д.

4.3. Датчики

4.3.1. Физические эффекты

В основе действия любого датчика лежит физический эффект – преобразование значения/изменения одной физической величины в определенные значения/изменения другой физической величины.

В следующей таблице приведены известные физические эффекты:

Таблица 4.1. Физические эффекты

4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные)

По способу измерения различают датчики:

- прямого

- косвенного

преобразования.

Для датчиков технической системы в связи с обра­боткой их сигналов на микро-ЭВМ обязательно требует­ся преобразование сигналов в электрические. Однако среди датчиков далеко не все построены на основе пря­мого преобразования того или иного явления в электри­ческие сигналы. Во многих датчиках необходимы еще до­полнительные преобразования. Датчики подобного типа называются косвенными в отличие от прямых, или не­посредственных, где электрические сигналы формируют­ся без промежуточных преобразований (рис. 4.2). Возь­мем, например, оптический датчик. Это фотоэлектриче­ский элемент на основе CdS. В зависимости от освещен­ности изменяется электрическое сопротивление между выводами элемента (рис. 4.3). Другим примером датчика прямого типа служит терморезистор, сопротивление кото­рого изменяется в зависимости от температуры.

Рис. 4.2. Принцип работы датчиков с прямым (а) и косвенным (б) преобразователем

В датчиках косвенно­го типа явление, обуслов­ленное непосредственным взаимодействием с внеш­ней средой, преобразует­ся в другое явление (или ряд других), а послед­нее — в электрический сиг­нал. Приме­ром такого типа может быть датчик массы на ос­нове измерения деформа­ции. В нем осуществляет­ся следующая цепочка преобразований: масса ® механическое смещение ® изменение электрического сопротивления, в резуль­тате которых получается электрический сигнал. Еще одним примером датчика косвенного типа может служить датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Здесь осаждение инея вызывает изменение освещенности, которое, в свою очередь, преоб­разуется в выходной электрический сигнал.

По принципу действия датчики укрупненно делятся на физические и химические. Первые построены на осно­ве физических, вторые—на основе химических явлений. Но, строго говоря, имеются датчики, которые нельзя четко отнести к тому или иному типу. Практически по­давляющее большинство современных датчиков работает на основе физических принципов. Для химических дат­чиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надежностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью. В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодоле­ваются, и в будущем химические датчики найдут широ­кое применение, особенно как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в тело.

4.3.3. Основные виды датчиков

При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою оче­редь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах:

Рис. 4.4. Виды датчиков

Ниже рассмотрим основные типы датчиков:

а) температурные

С температурой мы сталки­ваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физи­ческая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных (табл. 4.2).

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Тер­морезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в самых разнообразных устройствах благодаря сравни­тельно малой стоимости датчиков этого типа. Существу­ет три вида терморезисторов: с отрицательной характе­ристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), с положительной характеристикой (с по­вышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление резко из­меняется при пороговом значении температуры). На рис.4.5 показана зависи­мость сопротивления от температуры для каждого вида терморе­зистора. Обычно со­противление под влия­нием температуры из­меняется довольно рез­ко. Для расширения линейного участка это­го изменения парал­лельно и последова­тельно терморезистору присоединяются посто­янные резисторы.

Термопары особен­но широко применяют­ся в области измере­ний. В них использу­ется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности тем­ператур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от приме­няемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соот­ветственно на магнитную и диэлектрическую проницае­мость, начиная с некоторого значения, которое называ­ется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувстви­тельные диоды и тиристоры относятся к полупроводни­ковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости р—п-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные тем­пературные датчики, представляющие собой термочув­ствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

Таблица 4.2.

б) оптические

Подобно температурным опти­ческие датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. Как видно из табл. 4.3, по прин­ципу оптико-электрического преобразования эти датчи­ки можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогаль­ванического и пироэлектрических.

Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэф­фект,— это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/K (где ft—постоянная Планка, с—скорость света, К—длина волны света), то, чем короче длина волны об­лучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление, ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэф­фект,— это изменение электрического сопротивления фи­зического тела при облучении его светом (см. рис. 4.4). Среди материалов, обладающих эффектом фотопрово­димости,—ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится при­близительно на свет с длиной волны 500—550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувстви­тельности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекоменду­ется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчи­ков—замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект заключается в возник­новении ЭДС на выводах р—п-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри р—п-перехода появляются свободные электроны и дыр­ки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу,— фотодиоды, фототранзисторы. Та­кой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней ин­фракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Рис. 6 по­могает лучше понять принцип действия фотогальваниче­ских элементов.

Пироэлектрические эффекты—это явления, при ко­торых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного «рельефа» воз­никают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобны­ми свойствами: LiTaOa, РЬТЮз, ВаТЮз и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из дат­чиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.

Таблица 4.3.

Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью в. всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной ча­сти спектра.

Основные преимущества перед датчиками других типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения.

2. Возможность (при соответствующей оптике) изме­рения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и по­лупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение раз­личных физических величин — перемещения, темпера­туры, давления, плотности и др., определение формы, распознавание объектов и т. д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обла­дают и некоторыми недостатками, а именно чувствитель­ны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полу­проводниковой основе).

Рис. 4. 6. Схема (а), поясняющая принцип действия фотогальванического элемента, и его вольт-амперная характеристика (б).

в) датчики влажности и газовые анализаторы

Влаж­ность—физический параметр, с которым, как и с тем­пературой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков влажности не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский во­лос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при измене­нии влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако дат­чики на этой основе обладают гистерезисом, нестабиль­ностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности—разнообраз­ные регуляторы атмосферы. В последнее время у дат­чиков влажности появилась новая, быстро расширяю­щаяся область применения, а именно системы автома­тизации управления электронной кухонной плитой и устройства обнаружения повышенной влажности (нера­бочее состояние) в видеомагнитофонах.

Газовые датчики широко используются на производ­ственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях—для обна­ружения утечки горючего газа. Во многих случаях тре­буется обнаруживать определенные виды газа и жела­тельно иметь газовые датчики, обладающие избиратель­ной характеристикой относительно газовой среды. Од­нако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-тран­зисторов, гальванических элементов, твердых электроли­тов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т. д. Для регистра­ции утечки бытового газа, например сжиженного при­родного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в част­ности SiOz, или устройства, работающие по принципу каталитического горения.

При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.

г) магнитные датчики

Главной особенностью магнит­ных датчиков, как и оптических, является быст­родействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Од­нако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнит­ных датчиков необходима достаточная близость к воз­действующему магнитному полю.

Таблица 4.4. Классификация магнитных датчиков

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется приме­нение элементов Холла в виде ИС, выполненных на крем­ниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Осо­бенно эффективно применение элементов Холла в бес­коллекторных двигателях видеомагнитофонов, где они используются для определения положения угла поворо­та и управления частотой вращения.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживи­лись исследования и разработки магниторезистивных Датчиков, в которых используются ферромагнетики. Не­достатком этих датчиков является узкий динамический Диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, со­ставляют несомненные преимущества.

Взяв за основу элементы Холла или магниторезистивные, можно с помощью промежуточных преобразо­ваний явлений создать датчики давления, массы, расхода жидкости и др.

Эффект Джозефсона, или, иными словами, эффект сверхпроводимости при очень низких температурах, по­зволяет получить сверхчувствительные магнитные дат­чики. С их помощью можно обнаруживать микроизмене­ния магнитного поля, связанные с потоками крови в системе кровообращения человека. Не исключено, что подобные датчики потребуются в медицине.

4.3.4. Классификация датчиков

а) по физическим закономерностям

- механические упругие преобразователи;

- электрические и механоэлектрические резистивные преобразователи;

- электростатические преобразователи;

- преобразователи электромеханической группы;

- гальваномагнитные преобразователи;

- электромагнитные преобразователи;

- тепловые преобразователи;

- электрохимические преобразователи;

- оптические преобразователи;

- квантовые преобразователи.

б) по виду входной измеряемой величины:

- преобразователи электрических величин;

- преобразователи неэлектрических величин.

в) по способу формирования выходного сигнала:

- генераторные;

- параметрические.

г) по методу преобразования:

- прямого преобразования;

- преобразователи уравновешивания.

д) по функции преобразования:

- масштабные;

- функциональные (многопараметрические, интегрирующие, дифференцирующие, статистические и т.п.)

4.4.Типы сигналов

4.4.1. Аналоговые сигналы

- максимальный размах;

- динамический диапазон;

- частотный диапазон;

- отношение сигнал/шум;

- и т.д.

4.4.2. Импульсные сигналы

Основные характеристики:

- уровень логического нуля;

- уровень логической единицы;

- частота следования импульсов;

- ширина импульса;

- тип импульсной модуляции (если есть).

4.4.3. Цифровой сигнал

а) квантование по уровню

Основные характеристики:

- шаг квантования;

- разрядность квантования;

- погрешность квантования;

Правило выбора разрядности квантования

б) квантование по времени

Основные моменты:

- частота дискретизации;

- теорема Котельникова/Найквиста;

- правило выбора частоты дискретизации для реальных сигналов.

в) дискретные сигналы

- АЦП/ЦАП (виды и основные параметры);

- правило выбора АЦП.

4.5. Преобразование сигналов

- преобразование ток/напряжение;

- мостовые преобразователи;

- масштабирование сигналов;

- фильтрация сигналов (ФНЧ, ФВЧ, заграждающие и полосовые фильтры);

- изолирования и гальваническая развязка (конденсаторного, трансформаторного и оптронного принципов действия) и усиление.

Использование операционных усилителей для каждого из преобразований сигналов.

4.6. Организация компьютеризированного сбора данных

Основные этапы:

1. Выбор датчика

2. Выбор схемы включения (измерительного преобразователя).

3. Выбор параметров дискретизации сигналов (частоты и разрядности дискретизации).

4. Выбор платы АЦП.

5. Обеспечение согласования сигналов (усиление, фильтрация и т.д.).

6. Выбор программного обеспечения.