Тема: Изучение измерительно-информационных систем подъемно-транспортных машин. Оценка точности измерения параметров эксперимента

1.ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

1.1. СТРУКТУРА ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

 

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники способствовало широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, быту и в научных исследованиях. Реализация широкой автоматизации в значительной степени определяется созданием автоматизированных устройств.

По структурному построению автоматизированные устройства напоминают собой такие биологические системы, как например человек. Органом чувств человека соответствуют датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга, как центрального устройства для обработки сигналов, служит ЭВМ с ее системой

памяти (Рис 1.1).

Сочетание датчик-ЭВМ- исполнительное устройство представляет собой информационную систему. Схема полной информационной системы представлена на рис. 1

 

 

Рисунок 1- Полная информационная система, включающая в себя датчик в качестве пассивного чувствительного элемента (получение сигнала) и исполнительные устройства в качестве активных преобразователей сигнала.

 

На рис. 1 показано прохождение сигнала от его возникновения в датчике с последу-ющей обработкой в ЭВМ и до выхода к исполнительному устройству.

 

 

 

 

 

Рисунок 2- Аналогия между процессами получения, обработки и преобразования сигналов в биологических(человек) и технических(автомат) системах.

Для упрощения сопряжения датчика с микро-ЭВМ была бы предпочтительна выдача датчиком цифровой информации. Но, в природе и технике информация существует в основном в виде аналоговых величин, которые для обработки сигналов в ЭВМ должны быть трансформированы в цифровые с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), рис. 3.

Работа данной системы в значительной мере определяется возможностью устройств для получения информации о контролируемом параметре или процессе. Такими устройствами являются датчики.

Рисунок 3-Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием сигнала: Ф – Т- первичный процесс,Т – R – вторичный процесс, R-U – измерительный мост, согласование сигналов, Амр – усилитель.

 

1.2. ДАТЧИКИ

 

1.2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДАТЧИКОВ

 

По определению одного из основоположников современной техники измерения физических величин А.М. Туричина к датчикам относятся все основные узлы электронной схемы для измерения неэлектрических величин, расположенные непосредственно у объекта. Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный электрический сигнал послужило позднее основанием для введения термина «измерительный преобразователь» вместо термина датчик.

Техника конструирования и применения датчиков, или как ее еще называют сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали применять более высокие требования к следующим параметрам:

- миниатюрность;

- дешевизна;

- механическая прочность.

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный преемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий требуемой точностью и пригодный для серийного изготовления.

В настоящее время на смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твердотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.), которые все больше вытесняются интегральными схемами.

Совершенствование полупроводниковой техники позволило расширить сферы применения датчиков, при этом сигнал датчиков в большинстве случаев аналоговый для обработки в микропроцессоре или микро-ЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя аналого-цифровой преобразователь.

В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, ведутся работы по конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.

При эксплуатации, автоматизации, контроля работы и проведения испытаний подъемно-транспортных машин наиболее широко применяются датчики температуры, датчики давления. датчики расхода и скорости, тензодатчики.

 

Технология изготовления датчиков чаще всего определяется известными способами изготовления полупроводниковых интегральных схем (табл. 1)

 

Таблица 1.Основные виды технологии изготовления объемных и пленочных датчиков, совместимых с микроэлектроникой.

 

	Кремниевая технология	Тонкопленочная технология	Толстопленочная технология
Входные величины	Удлинение(тензодатчики) Температура Магнитное поле Свет,ИК-излучение (Состав и концентрация газа)	Удлинение(тензодатчики) Температура Магнитное поле Свет,ИК-излучение (Емкость) (Состав и концентрация газа)	Удлинение(тензодатчики) Температура Магнитное поле Емкость
Воспроизводимость(однородность продукции)	Низкая - средняя	Высокая(при использовании лазерной доводки-очень вы- сокая)	Средняя-низкая(при использовании лазерной доводки-высокая)
Стабильность	Высокая	очень высокая	Высокая
Температурный диапазон	До 150 оС(ограничен кремнием)	Может быть очень большим(например,у датчиков температуры:от -50 оС до +600 оС	Примерно до +400 оС
Возможность миниатюризации	Очень хорошая	Хорошая	Средняя
Возможность встраивания	На одном кристалле (монолитно) в виде ИС	На одной подложке (гибридная технология)	На одной подложке (гибридная технология)
Рентабильный объем произ-водства(шт./год)	Выше 105	103…105(106)	102…104
Капитальные затраты на разработку и производство (в марках ФРГ)	Более 1 млн.	Более 500 тыс.	Около 100 тыс.
Затраты на один датчик в масссовом производстве	Очень низкие	Низкие	Низкие
То же при мелкосерийном производстве	Очень высокие	Высокие	Низкие
Затраты на исследования и разработку	Высокие; требуется НИОКР (научный персонал)	Очень высокие; требуется НИОКР (научный персонал)	Средние; в общем случае необходимы только ОКР.
Возможность вари-аций в ходе разра-ботки(гибкость)	Низкая	Высокая	Низкая

 

1.2.2. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Датчики температуры имеют наиболее широкую разновидность поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются температурой, например:

-регулирование отопления на основании температуры теплоносителя на входе и выходе, а также на основании в помещении и температуры окружающей среды;

- регулирование температуры воды в стиральной машине;

- регулирование температуры электроутюга, электроплиты, духовки и т.д.;

- контроль и регулирование температуры в двигателе внутреннего сгорания;

- контроль и регулировка температуры во вращающей печи для производства цемента и т.д.

При использовании такого рода датчиков температура измеряется, как правило, на основании зависимости электрического сопротивления от температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается электрическое сопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики, соответственно с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (КТС). Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положительным ктс.