Устройство преобразователей сигнала регистрирующей аппаратуры

Перед обсуждением принципов преобразования, часто используемых для и измерения обычных физических величин, таких как перемещение, скорость, температура, магнитная индукция и т. д., мы сначала рассмотрим несколько методов, объединяющих преобразователи (датчики) с частными принципа­ми преобразования в один единственный составной преобразователь. Эти «композитные методы» используются для уменьшения или даже полного исключения некоторых ограничений, связанных с отдельными преобразователями.

Широко распространен метод комбинирования преобразователей, при котором два идентичных преобразователя используются в балансной конфигурации (см. рис. 2.1(а). Если оба преобразователя Т и Т' имеют одну и ту же передаточную характеристику , то выход у балансной схемы имеет вид:

(2.1)

Здесь может быть нелинейной передаточной функцией, которую мы хотим линеаризовать,

Предположим, что функцию можно представить рядом Тейлора в следующем виде:

(2.2)

Используя полученное выше уравнение для балансной схемы, получаем:

(2.3)

Очевидно, что константа (или смещение) а₀, и четные члены а₂х¹, а₄х⁴, исчезают при использовании в балансной схеме двух преобразователей. Если нелинейность в функции не выражается никакими нечетными члена­ми, то мы получим идеально линейную схему. В этом случае система относится к так называемой «разностной конфигурации». Однако обычно балансирование улучшает линейность системы всего лишь в ограниченном диапазоне входной величины х. Такая система называется «дифференциальной конфигурацией». Балансная схема не чувствительна к внешним возмущениям, так как в ней, по существу, применяется параллельная компенсация. Схема невосприимчива к аддитивным помехам, если преобразователи Т и Т' одинаково чувствительны к этим помехам. Для того, чтобы она была невосприимчива также к мультипликативным помехам коэффициенты чувствительности по отношению к помехам у преобразователей Т и Т' должны быть одной величины, но противоположи по знаку. На рис. 2.1(б) показан пример, в котором применена балансная схема преобразователя. Оба емкостных датчика перемещения, обозначенные С и С' являются отдельными преобразователями. Входной величиной является смещение х, а выходной — напряжение V₀. Пренебрегая краевыми эффектами на кромках пластин конденсатора, находим:

и (2.4)

Очевидно, что зависимость нелинейная. Входная величина х входит в выражение для С' с отрицательным знаком. Можно показать, что выходное напряжение V₀ трансформаторного моста пропорционально раз- ности емкостей конденсаторов С и С':

(2.5)

Подстановка значений С и С' дает:

(2.6)

Использование в этом примере двух емкостных преобразователей смещения в балансной схеме, позволяет достичь идеальной линейности. Поэтому мы можем записать:

. (2.7)

а) б)

Рис. 2.1. (а) - Балансная схема преобразователя, Т и Т' – два одинаковых преобразователя. (б) - Применение балансной схемы в емкостном датчике смещения.

Чувствительность S определяется как . Чувствительность мо­ста определяется напряжением источника питания V.

Другой обычно используемой конфигурацией является схема с обратной связью, состоящая из двух преобразователей T₁ и T₂ (см. рис. 3.2). Назначени­ем системы является преобразование входного сигнала х в электрический выходной сигнал у. Для этого можно воспользоваться единственным преоб­разователем T₁. Предположим, однако, что T₁ не подходит для непосред­ственного использования из-за недопустимо большой нелинейности и слиш­ком высокой чувствительности к помехам. Если у нас есть второй преобра­зователь, способный выполнять обратное преобразование (преобразовывать у в х), и это преобразование линейное и невосприимчиво к помехам, то, объединяя оба преобразователя T₁ и T₂ (с усилителем А для увеличения пет­левого усиления) в схему с обратной связью, как показано на рис. 2.2(а), мы можем реализовать составной преобразователь для преобразования из­меряемого сигнала х в сигнал у с такими же характеристиками, как у ис­пользованного обратного преобразователя. Необходимы­ми условиями достижения такого результата являются большой коэффици­ент петлевого усиления и квазистатический динамический режим элемен­тов T₁, T₂ и А. Однако на практике динамическая характеристика, особенно у преобразователей T₁ и T₂, часто имеет более высокий порядок, поэтому ситуация оказывается не столь идеальной, как описано выше.

Рис. 2.2(б) иллюстрирует применение обратной связи в акселерометре. Входная величина, ускорение х, оказывает усилие на подвижную массу, соединенную со «звуковой катушкой» электродинамического выходного преобразователя. Ускорение приводит массу в движение. Это движение опре­деляется датчиком смещения (здесь - разностный конденсатор). Выходной сигнал датчика смещения усиливается и подается в виде тока на катушку выходного преобразователя Т₂ противодействуя изменению положения под­вижной массы. Поэтому, если коэффициент усиления А велик, то масса будет едва смещаться. Таким образом, передаточная характеристика акселе­рометра определяется соотношением между током I, протекающим по зву­ковой катушке и тем усилием, которое катушка оказывает на подвижную массу, воспринимающую ускорение. Ток I можно преобразовать в выходное напряжение V₀ с помощью резистора R.

а) б)

Рис. 2.2. (а) Схема с отрицательной обратной связью. Т1, выполняет желаемое преобразование х в у, а Т2 осуществляет обратное преобразование. (б) Применение обратной связи в акселерометре.

В преобразователе такого типа входная величина автоматически компен­сируется внутренней величиной с помощью цепи отрицательной обратной связи, поэтому его часто называют компенсационным датчиком.

Входной диапазон большинства преобразователей мал, динамический диапазон часто не превышает величины 3 - 10. Для тех случаев, где этого недостаточно, можно объединить вместе несколько преобразователей, име­ющих различные входные диапазоны, с целью обеспечить более широкий входной диапазон. При превышении измеряемой величиной входного диа­пазона одного преобразователя вступает в действие следующий преобразо­ватель. В такой «релейной конструкции» все преобразователи должны иметь одинаковую чувствительность, иначе общая передаточная характеристика становится разрывной. Кроме того, отдельные преобразователи должны очень хорошо выдерживать перегрузки по входу.

Наконец, часто проблемой является надежность преобразователя. Иногда это решается путем применения нескольких преобразователей, вместе из­меряющих одну и ту же величину. Поскольку между выходными сигналами преобразователей остаются различия в некотором заданном допустимом интервале, окончательным результатом измерения является среднее значе­ние отдельных выходных сигналов. Если, однако, один из выходов суще­ственно отличается от остальных, то сигнал соответствующего преобразо­вателя исключается из выходного сигнала. При использовании n преобразо­вателей, до n-2 из них могут быть повреждены, прежде чем система дей­ствительно становится непригодной. Такая «дублирующая конструкция» зна­чительно улучшает надежность системы, увеличивая, конечно, стоимость.

Перед рассмотрением различных принципов преобразования необходи­мо сделать полезное заключительное замечание. Динамику линейного пре­образователя можно легко описать, используя его электрический аналог. Проиллюстрируем это на примере. На рис. 2.3(а) показан электродинами­ческий преобразователь, который можно считать линейным для малых от­клонений мембраны. Предполагая, что давление окружающего воздуха, дей­ствующего на мембрану, изменяется по синусоидальному закону (при использовании преобразователя в качестве микрофона), можно ввести комплексные обозначения. Сила F, действующая на мембрану, приводит ее в движение со скоростью V. Это движение создает на выводах катушки напряжение V, которое, в свою очередь, вызывает ток I, протекающий через сопротивление нагрузки. Мы можем рассматривать преобразователь как неоднородный линейный четырехполюсник; это означает, что соответствующие величины (V- и I- величины) на входе и выходе четырехполюсника имеют разную размерность. Связь между входными и выходными величина­ми задается следующими двумя передаточными уравнениями:

(2.8)

(2.9)

а) б)

Рис. 2.3. (а) Электродинамический преобразователь. (б) Линейный неоднородный четырехполюсник

Предположим на время, что преобразователь идеальный, а именно, что у катушки нет электрического сопротивления, емкости и самоиндукции, а мембрана абсолютно гибкая и не имеет массы и трения. Применяя к катуш­ке, находящейся в постоянном магнитном поле с индукцией В закон об электромагнитной индукции Фарадея, получаем: , где n - число витков, а l - длина одного витка. Сила Лоренца, действующая на катушку, равна F = пlВI, поэтому

(2.10)

Поскольку определитель этой матрицы равен единице, преобразователь должен быть обратимым.

Его можно использовать как входной преобразователь (микрофон), а также, наоборот, в качестве выходного преобразователя (громкоговоритель). Если этот датчик используется, как входной преобразователь и к его катушке не подключена нагрузка, то выходное напряжение будет пропорционально скорости движения мембраны. Если этот преобразователь, используемый как выходной, возбуждается некоторым током, а мембрана удерживается неподвижной, так что скоростью можно пренебречь, то сила, действующая на поверхность мембраны, будет пропорциональна току (см. также рис. 3.2.(б)).

Очевидно, что мы можем рассматривать этот идеальный пассивный преобразователь как трансформатор, преобразующий размерность входной величины в соответствующую размерность выходной величины. Коэффициент передачи этого преобразователя размерности равен . Согласно рис. 3.3(с) и учитывая импеданс катушки Z_e, получаем:

. (2.11)

Даже если к катушке не подключено сопротивление нагрузки, она будет все-таки оказывать определенное воздействие на мембрану, придавая ей некоторую скорость, что вызвано механическим импедансом Z_m подвижной части преобразователя. С учетом этого можно записать: . Когда I' = 0 .

Этот пример демонстрирует один из недостатков V- и I- величин. Механический импеданс равен обратной величине отношения V к I. Это связано с внесистемным выбором импеданса в механике.

Поэтому переход от V_m, F и V'_m, F' задается равенством:

. (2.12)

Следовательно, передаточные соотношения для преобразователя в целом принимают вид:

,

и их можно переписать как

. (2.13)

В результате в схеме на рис. 2.3(б), импеданс Z_m заменен на сопротивле­ние катушки R_e и включенную последовательно с ним индуктивность катушки L_e. Механическая проводимость Y_m определяется механическим сопротивлением R_m, массой подвижной части мембраны и катушки С_m и механической гибкостью закрепленной части мембраны L_m. Если мы знаем величину каждого параметра, то можем найти передаточную характеристику и определить динамическое поведение. Можно ожидать, что поведение системы зависит от электрического импеданса, которым нагружена звуковая катушка. Аналог, показанный на рис. 2.3(б), позволяет нам к тому же рассчитать входной и выходной импедансы этого преобразователя. Эта информация необходима для правильного согласования преобразователя с объектом измерения и с остальной частью измерительной системы.