Средства автоматизации измерения, контроля и управления. Лекция 8

3.1. Датчики измерительных систем
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
3. Средства автоматизации измерения, контроля и управления
Сенсорика (от англ. sensor - датчик) – направление, занимающееся разработкой новых типов датчиков физических и электрических величин, на основе новых принципов измерений, новых методов обработки измерительной информации, в различном конструктивном исполнении.

Распределенные датчики
3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
Устройство и принцип работы
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

Квазираспределенная система измерения температуры на основе кварцевых резонаторов
3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
Measurement system of water, oil and gas content in a horizontal oil well
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
Borehole unit
Printed circuit boards of the borehole unit
Measurement system of water, oil and gas content in a horizontal oil well
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
Техническое зрение
Метод соприкасающихся частей
Разработка алгоритма обработки изображений
NI VISION environment
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
Task: measuring geometrical dimensions of watch components with + 2 um accuracy
Watch stones
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Техническое зрение

Датчики с использованием MEMS-технологии
3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems
Под технологией MEMS понимают технологию микрообработки, позволяющую изготавливать кремниевые микросхемы с механическими элементами очень малых размеров.
MEMS – это объединение механических элементов, датчиков, приводов и электроники на одном кремниевом основании (подложке).
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Принцип работы конденсаторных акселерометров
Принцип работы пьезоэлектрических акселерометров

Датчики с использованием MEMS-технологии
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Гироскоп ST Microelectronics – LYPR540AH
Крупный план конструкции гироскопа STM LYPR540AH
MEMS - акселерометр

«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Датчики с использованием MEMS-технологии
Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (площадь кристалла – 1 кв.мм)

«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Датчики с использованием MEMS-технологии
Прототип щипцов для микрохирургии глаза. Размеры головки щипцов – порядка 1,5х1,5 миллиметра. Толщина губ – несколько десятков микрон
Ультракомпактный и высокоточный датчики давления

«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Датчики с использованием MEMS-технологии
DLP-проектор (DLP – Digital Light Processing)
Два подвижных микрозеркала на подложке
Матрица микрозеркал в сравнении с острием иголки

«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Датчики с использованием MEMS-технологии
Пример изготовления микротурбин/микронасосов
Микрозеркало с изменяемым углом наклона

Использованные источники:
3.1.1. Перспективные направления в области сенсорики
1. Саленко Д.С. История развития и области применения технологии MEMS/Автоматика и программная инженерия. 2013, №3(5). 68-74с. [Электронный ресурс]: http://www.jurnal.nips.ru/sites/default/files/%D0%90%D0%98%D0%9F%D0%98-3-2013-13.pdf (Дата обращения: 11.03.2021). Режим доступа: свободный.
2. 3D News/MEMS: микроэлектромеханические системы [сайт]: https://3dnews.ru/600098 (Дата обращения: 11.03.2021). Режим доступа: свободный.
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.2. Классификация датчиков
1. По способу формирования выходного сигнала:
1) пассивные;
2) активные.
Активные датчики не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал.
Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды, пьезоэлек­трические чувствительные элементы и др.
Пассивный датчик для своей работы требуют внешней энер­гии, называемой сигналом возбуждения.
Примеры: терморезисторы, тензорезисторы и др.
2. В зависимости от выбора точки отсчета:
1) абсолютные;
2) относительные.
Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений.
Выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному.
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.2. Классификация датчиков
3. По виду преобразуемых величин:
1. Датчики механических величин. Служат для преобразования линейных и угловых перемещений, силовых воздействий (механические силы, моменты, давление, акустические сигналы и т.п.), величин, характеризующих движение (скорость, расход газа и жидкости, ускорение).
Например: тензорезисторные, пьезоэлектрические, индуктивные, емкостные, реостатные, струнные, трансформаторные.
2. Датчики состояния вещества. Преобразуют температуру, электрические и магнитные поля, ионизирующее излучение, световую и химическую энергию и т.д.
К их числу относятся: термопары и пироэлектрические преобразователи, датчики Холла, индукционные, полупроводниковые детекторы излучения, фоторезисторы, фотодиоды и др.
3. Датчики состава вещества в газообразной, жидкой и твердой фазах. Основаны на физико-химических и физических эффектах.
К данной группе относятся: хроматографические датчики, тепловые, магнитные и ионизационные датчики, электрохимические датчики.
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

Применяемые в настоящее время датчики служат, в основном, для восприятия следующих физических и физико-химических полей:
1. Механические поля: тензорезисторы, тензодиоды, тензотранзисторы, диод Ганна, интегральные мембранные преобразователи давления.
2. Акустические поля: пьезо- и тензопреобразователи.
3. Электрические и магнитные поля: микроэлектроды, датчики Холла, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотиристоры.
4. Теплофизические поля: терморезисторы, диоды, транзисторы, тиристоры.
5. Световые поля: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотопреобразователи на ПЗС-структурах.
6. Физико-химические поля: химотронные (электрохимические, электродиффузионные, полярографические) датчики, ионочувствительные датчики на полевых транзисторах.
3.1.2. Классификация датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.3. Метрологические характеристики датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
На практике наиболее часто распространены следующие МХ СИ.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ.
Пределы измерения – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений. Применяются понятия верхний предел измерения и нижний предел измерения.
Функция преобразования (градуировочная характеристика) – это зависимость между информационным параметром y выходного сигнала измерительного прибора и значением измеряемой величины x воздействующей на его вход.
Общий вид функции преобразования:
(1)

3.1.3. Метрологические характеристики датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
1) линейная зависимость
Общий вид функции преобразования:
где b – постоянное смещение;
a – крутизна (S, K - чувствительность)
Рис. 1.
Для заданной ФП справедливо равенство:
(2)
(3)

3.1.3. Метрологические характеристики датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
2) нелинейная зависимость
Рис. 2.
Способы описания нелинейной ФП:
1) в виде полинома:
(3)
2) с помощью кусочно-линейной аппроксимации.
(4)

3.1.3. Метрологические характеристики датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Рис. 3.
Рис. 4.

3.1.3. Метрологические характеристики датчиков
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Примеры тензорезисторов
Пример тензодатчика S-образного типа
Пример тензодатчика консольного типа

Датчики с потенциальным выходом
3.1.4. Сопряжение датчиков с измерительной системой
Системное представление устройства сопряжения датчика
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Типовые схемы сопряжения
на основе ОУ
Сопряжение с усилением
переменного напряжения
Сопряжение по сопротивлению на основе повторителя напряжения

Датчики с токовым выходом
3.1.4. Сопряжение датчиков с измерительной системой
Системное представление
устройства сопряжения датчика
Схема сопряжения на основе ОУ
Датчики электрического заряда
Системное представление устройства сопряжения датчика
Схема сопряжения на основе ОУ
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

3.1.4. Сопряжение датчиков с измерительной системой
Резистивные датчики
Системное представление
устройства сопряжения датчика
Схема включения резистивного датчика
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»

«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»
Включение датчика с импедансным выходом
3.1.4. Сопряжение датчиков с измерительной системой

Темы для самостоятельного изучения
Унифицирующие измерительные преобразователи
Аналоговые коммутаторы
АЦП
ЦАП
«Автоматизированные системы измерения, контроля и управления РЭС»