eng
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков . . . . . . . . .. . 13
1.1.
Термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.
Классификация датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.
Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 24
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков) . . . 31
2.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.
Обобщенный генераторный преобразователь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.
Метод электромеханических аналогий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Глава 3. Характеристики датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.
Статические характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.
Метрологические характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.
Динамические характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.
Типовые динамические звенья . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Глава 4. Электронные устройства датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2.
Операционный усилитель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.
Усилители заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.
Аналогово-цифровые преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.5.
Генераторы сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Глава 5. Упругие элементы датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.
Основные разновидности и расчетные соотношения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.
Материалы упругих элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3.
Статические и динамические характеристики упругих элементов . . . . . . . . . . . . 98
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Глава 6. Оптические элементы датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.2.
Элементы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.
Фотометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6.4.
Источники оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.5.
Оптические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.6.
Линзы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.7.
Светопропускающие окна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.8.
Плоские и сферические зеркала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.9.
Волоконные световоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.10.
Покрытия, поглощающие тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Глава 7. Резистивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.1.
Основные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2.
Реостатные датчики перемещений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.3.
Тензорезистивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4.
Полупроводниковые тензодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Глава 8. Емкостные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.2.
Емкостные датчики давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.3.
Датчики уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
8.4.
Емкостный датчик перемещений (неровности поверхности) . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.5.
Измерительные схемы емкостных датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Глава 9. Пьезоэлектрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.2.
Пьезоэлектрические материалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.3.
Классификация пьезоэлектрических датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.4.
Методы исследования пьезоэлектрических датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.5.
Пьезоэлектрические резонаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.6.
Пьезокерамические трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
9.7.
Пространственная энергосиловая структура пьезокерамического элемента . . . . 187
9.8.
Обратная связь в пьезоэлектрических датчиках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.9.
Биморфные и триморфные пьезоэлементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.10.
Резонансные пьезодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.11.
Датчики на основе доменно-диссипативных пьезотрансформаторов . . . . . . . . 201
9.12.
Электроакустические преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Глава 10. Электромагнитные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.1.
Основные разновидности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.2.
Индуктивные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
10.3.
Взаимоиндуктивные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.4.
Индукционные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.5.
Магнитоупругие и магнитоанизотропные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.6.
Датчики Холла . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
10.7.
Магниторезистивные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
10.8.
Магнитодиоды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
10.9.
Магнитотранзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Глава 11. Датчики температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
11.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
11.2.
Терморезистивные преобразователи температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
11.3.
Термоэлектрические преобразователи температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11.4.
Радиационные пирометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.5.
Акустические термометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
11.6.
Кварцевые термодатчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Глава 12. Датчики и приборы для измерения механических величин . . . . . . . . . . 264
12.1.
Силоизмерительные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
12.2.
Датчики и приборы для измерения массы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
6
Содержание
12.3.
Датчики давления и разницы давлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
12.4.
Преобразователи крутящих моментов (торсиометры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
Глава 13. Датчики вибраций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 281
13.1.
Классификация датчиков вибрации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.2.
Механические приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
13.3.
Индукционные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
13.4.
Индуктивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
13.5.
Тензометрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.6.
Емкостные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
13.7.
Электронно-механические датчики перемещения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
13.8.
Фотоэлектрические датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13.9.
Магнито-резистивные датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.10.
Пьезоэлектрические акселерометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Глава 14. Гидроакустические преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 312
14.1.
Классификация и характеристики преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
14.2.
Соотношения электромеханического преобразования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
14.3.
Цилиндрические пьезокерамические преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.4.
Пластинчатые и сферические пьезокерамические преобразователи . . . . . . . . . 317
14.5.
Стержневые магнитострикционные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
14.6.
Цилиндрические магнитострикционные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . 322
14.7.
Основные требования, предъявляемые к проектируемым преобразователям . . 326
14.8.
Выбор способа преобразования энергии и формы колебаний . . . . . . . . . . . . . 328
14.9.
Некоторые конструкции преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
15.1.
Классификация методов неразрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
15.2.
Магнитные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
15.3.
Электрические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
15.4.
Вихретоковые методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
15.5.
Радиоволновые методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
15.6.
Тепловые методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
15.7.
Оптические методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15.8.
Радиационные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15.9.
Неразрушающий контроль проникающими веществами . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
15.10.
Акустические методы неразрушающего контроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
15.11.
Пьезоэлектрические преобразователи для неразрушающего контроля . . . . . . 345
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Глава 16. Датчики газоанализаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
16.1.
Тепловые газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 359
16.2.
Магнитные газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
16.3.
Оптические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
16.4.
Фотоколориметрические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
16.5.
Электрохимические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
16.6.
Ионизационные газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
16.7.
Хроматографические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
16.8.
Масс-спектрометрические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
16.9.
Акустические газоанализаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Глава 17. Датчики влажности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.2.
Методы измерения влажности твердых тел и жидкостей . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
17.3.
Датчики электрических влагомеров твердых и жидких тел . . . . . . . . . . . . . . . 402
17.4.
Методы измерения влажности газов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .407
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Глава 18. Приемники излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
18.1.
Параметры и характеристики приемников оптического излучения . . . . . . . . . 417
18.2.
Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . . 423
18.3.
Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта . . . . . . . . . . . . . . . . 444
18.4.
Тепловые приемники оптического излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Глава 19. Детекторы ионизирующих излучений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
19.1.
Классификации детекторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
19.2.
Ионизационные камеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
19.3.
Газовые счетчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
19.4.
Сцинтилляционные счетчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
19.5.
Полупроводниковые детекторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
19.6.
Интегрирующие детекторы для индивидуальной дозиметрии . . . . . . . . . . . . . 471
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
Глава 20. Радиоволновые датчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
20.1.
Общие сведения. Физические основы реализации радиоволновых датчиков . . 475
20.2.
Датчики геометрических параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
20.3.
Датчики механических величин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
20.4.
Датчики параметров движения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .489
20.5.
Датчики физических свойств материалов и изделий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
20.6.
Контроль и измерение параметров некоторых объектов и процессов . . . . . . . 502
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
Глава 21. Электрохимические и биохимические датчики . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 514
21.1.
Классификации электрохимических датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
21.2.
Характеристики электрохимических датчиков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
21.3.
Основные разновидности методов химического анализа . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
21.4.
Кондуктометрические устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
21.5.
Измерительные преобразователи рН-метров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
21.6.
Ионометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
21.7.
Электрохимические полевые транзисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
21.8.
Модифицированные электроды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
Глава 22. Расходомеры и счетчики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
22.1.
Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
22.2.
Расходомеры переменного перепада давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
22.3.
Дифференциальные манометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
22.4.
Поплавковые дифманометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
22.5.
Колокольные дифманометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
22.6.
Деформационные дифманометры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
22.7.
Расходомеры переменного уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
22.8.
Расходомеры обтекания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
22.9.
Тахометрические расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
22.10.
Шариковые расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548
22.11.
Поршневые расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
22.12.
Тепловые расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
22.13.
Электромагнитные расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
22.14.
Акустические расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
22.15.
Лазерные расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 556
22.16.
Расходомеры, основанные на использовании явления ядерного магнитного
резонанса (ЯМР) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
22.17.
Центробежные расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .559
22.18.
Турборасходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
22.19.
Кориолисовые и гироскопические расходомеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
Глава 23. Датчики охранной сигнализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
23.1.
Состав систем охранной сигнализации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
23.2.
Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации . . . . . . . . . 570
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
Глава 24. Датчики и приборы летательных аппаратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 582
24.1.
Классификация и условия работы авиационных датчиков и приборов . . . . . . 582
24.2.
Пилотажно-навигационные датчики и приборы летательных аппаратов . . . . . 585
24.3.
Технические характеристики типовых авиационных приборов и датчиков . . . 607
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
Сведения об авторах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
Предисловие
Настоящая книга написана коллективом авторов: — Ишаниным Г.Г., Коше-
вым Н.Д., Минаевым И.Г., Полищуком Е.С., Совлуковым А.С., Шарапо-
вым В.М. — под общей редакцией В.М. Шарапова и Е.С. Полищука.
Авторы благодарны рецензенту д.т.н., профессору Тымчику Г.С. за полез-
ные замечания, высказанные при обсуждении книги.
В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны
конструкции и характеристики датчиков физических величин. В конце каждой
главы приведена обширная библиография, а также сайты предприятий-разра-
ботчиков и изготовителей.
В главе 1 вводятся основные понятия, обсуждаются термины и определе-
ния, приводятся классификации датчиков, а также описания некоторых физи-
ко-технических эффектов, используемых в датчиках.
В главах 2 и 3 приведены элементы общей теории датчиков, описан метод
электромеханических аналогий, статические, динамические и метрологиче-
ские характеристики датчиков, а также типовые динамические звенья.
В главах 4, 5, 6 описаны наиболее часто используемые для датчиков элект-
ронные устройства, а также упругие и оптические элементы датчиков.
В главах 7—10 описаны резистивные, емкостные, пьезоэлектрические и
электромагнитные датчики, а в главах 11—19 — применение датчиков для из-
мерения различных физических величин.
В главах 20—24 описаны электрохимические, биохимические и радиовол-
новые датчики, а также применение датчиков для измерения расхода и коли-
чества жидкостей, в охранной сигнализации, в летательных аппаратах.
Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов,
специалистов в области разработки датчиков, измерительных приборов, эле-
ментов и устройств вычислительной техники и систем управления.
Авторы благодарны Л.Г. Куницкой за помощь в оформлении книги.
Авторы благодарны также генеральному директору издательства «Техно-
сфера» Казанцевой О.А. за помощь и поддержку авторов.
Глава 1
Основные понятия и определения.
Классификация датчиков
Датчик — это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической ве-
личины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения.
Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, сис-
тем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможно ни
измерение, ни контроль, ни регулирование.
Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество
физических эффектов (принципов). Некоторые из них приведены в табл. 1.1.
Развитие, совершенствование датчиков в значительной степени определя-
ется достижениями в области физики, химии, физической химии, механики,
радиотехники и других наук. Особое место в развитии датчиков занимают до-
стижения и возможности современных технологий.
Принципы действия датчиков могут быть самыми разноообразными в за-
висимости от физической природы измеряемой величины, ее абсолютного
значения, требуемой точности преобразования и т.п. Однако в подавляющем
большинстве случаев преобразование входных физических величин в соответ-
ствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии, в том числе
преобразованием энергии одного вида в другой. Энергетическое представление
принципа работы измерительных преобразователей, базирующееся на двух
фундаментальных законах — законе сохранения энергии и принципе обрати-
мости, стало предпосылкой для создания А.А. Харкевичем основ общей тео-
рии измерительных преобразователей и их представления в виде пассивных
четырехполюсников со сторонами разной физической природы [53].
Развитие общей теории измерительных преобразователей нашло отраже-
ние в работах Д.И. Агейкина, Л.А. Островского, А.М. Туричина, П.В. Новиц-
кого и др.
Значительный вклад в развитие общих вопросов теории и практики датчи-
ков отдельных физических величин внесли Д.И. Агейкин, Ж. Аш, Ф.Б. Бай-
баков, А.И. Бутурлин, В.И. Ваганов, В.А. Викторов, Дж. Вульвет, Г. Выглеб,
А.Н. Гордов, З.Ю. Готра, Р. Джексон, В. Домаркас, Ишанин Г.Г., П.П. Крем-
левский, Л.Ф. Куликовский, Е.С. Левшина, Я. Луцик, В.В. Малов, Ф. Мейзда,
И.Г. Минаев, П.В. Новицкий, Ю.Р. Носов, Г. Нуберт, П.П. Орнатский,
Е.П. Осадчий, Л.А. Осипович, Е.С. Полищук, В.П. Преображенский, С.И. Пу-
гачев, А.С. Совлуков, В.В. Солодовников, С.А. Спектор, Б.И. Стадник, С.Г. Та-
ранов, Р. Тиль, Н.Г. Фарзане, Дж. Фрайден, А.В. Храмов, В.М.Шарапов, В. Эр-
лер, H.N. Norton, S. Thomson, R.W. White и др. (см. литературу к главе 1).
1.1. Термины и определения
Как всегда, начиная изучать какой-либо вопрос, следует договориться о тер-
минологии. Особое значение это приобретает в области, где существуют раз-
ные точки зрения, применяются различные термины для одного и того же тех-
нического устройства, существуют давние традиции и т.д.
Следует уточнить, что определение — это лингвистическая модель реально-
го явления или объекта и, как всякая модель, является конечной, упрощенной
и приближенной, содержит как истинную, так и условно-истинную и ложную
информацию. Отсюда следует, что может существовать множество моделей
(следовательно и определений) одного и того же явления, объекта. То есть,
каждое определение — это некая грань призмы, которой является исследуемое
явление или объект.
В литературе достаточно широко используются термины измерительное
преобразование, измерительный преобразователь, датчик, чувствительный
элемент, сенсор, измерительный прибор, средство измерений, а их определе-
ния — самые разнообразные. Например:
Преобразователями называют устройства, которые преобразуют одни физи-
ческие величины, один вид энергии, один вид информации в другую физиче-
скую величину, в другой вид энергии или в другой вид информации [41, 43].
В широком смысле преобразователь — это, например, устройство, преобразую-
щее давление в электрический сигнал (датчик давления), напряжение одного
уровня в напряжение другого (трансформатор), электрическое напряжение во
вращение вала (электродвигатель), энергию в движение (самолет, автомобиль)
и т.д. Даже живой организм — это тоже своеобразный преобразователь.
Измерительное преобразование — представляет собой отражение размера
одной физической величины размером другой физической величины, функци-
онально с ней связанной [39, 40].
Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построен-
ное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно из-
мерительное преобразование [39, 40].
Измерительный преобразователь — это преобразователь одной физической
величины в другую, удобную для использования и обработки [18, 39].
Измерительное преобразование — это преобразование входного измеритель-
ного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал.
Измерительный преобразователь (ИП) — это средство измерений, предназ-
наченное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой
величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразова-
ния, передачи, обработки или хранения, но непригодный для непосредствен-
ного восприятия наблюдателем [29].
Измерительный прибор является средством измерений, вырабатывающим
выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно вос-
принять значение измеряемой физической величины [39].
Первичный измерительный преобразователь — это техническое устройство,
которое непосредственно взаимодействует с материальным объектом измере-
ния или контроля и предназначено для однозначного функционального пре-
образования одной физической величины — входной — в другую физическую
10 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
величину — выходную, которая является удобной для дальнейшего использо-
вания [54].
Объект — это явление или часть внешнего или внутреннего мира, которые
наблюдает или может наблюдать человек в данный момент.
Материальный объект — это предмет материального исследования, сведе-
ния о котором нужны исследователю.
Объект измерения или контроля — это материальный объект или процесс,
совокупность свойств которого определяет содержание ожидаемой информа-
ции. Объект измерения или контроля характеризуется измеряемыми физиче-
скими величинами или зависимостями между ними.
Чувствительный элемент (первичный чувствительный преобразователь) —
конструктивный элемент или прибор, воспринимающий измеряемую физиче-
скую величину [60]. Чувствительный элемент является первичным измеритель-
ным преобразователем в измерительной цепи и осуществляет преобразование
входного сигнала (измеряемой величины) в величину, удобную для последую-
щей информационной обработки.
В различных областях техники чувствительный элемент называют детекто<
ром, датчиком, приемником, зондом или измерительной головкой.
Датчик — чувствительный элемент или конструктивно объединенная груп-
па чувствительных элементов [60].
Детектор — чувствительный элемент (датчик) для измерения или регистра-
ции излучения, полей или частиц [60].
Главным элементом измерительного преобразователя является чувстви<
тельный элемент — сенсор, который основывается на некотором физическом
эффекте (принципе) [24, 39, 55, 61].
Принцип — лат principium — основа, первоначало — основное исходное
положение какой-либо теории, учение науки, основа устройства или действия
какого-либо прибора, механизма и т.д. [29].
Сенсоры — от лат. sensus — чувство, ощущение — чувствительные искусст-
венные устройства или органы живых организмов [29].
Датчик — это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздейст-
вия и реагирующие на них [49].
Датчик — совокупность измерительных преобразователей, объединенных в
один конструктивный узел, выносимый на объект измерения [24].
В общем случае датчик может состоять из нескольких преобразователей
[24, 39, 55, 60].
F1 Пр1
F2 Пр1
F3 Пр1
U
Рис. 1.1. Функциональная схема датчика: Пр1, Пр2, Пр3 — преобразователи;
F1 — входная физическая величина; F2, F3 — промежуточные физиче-
ские величины; U — выходной электрический сигнал
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от
типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуе-
мого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи инфор-
мации, а любая передача информации связана с передачей энергии [50].
Датчик — устройство, непосредственно принимающее и передающее спе-
циальным приборам данные о деятельности механизма, живого организма или
других явлениях [29].
Измерительный преобразователь является средством измерения и для него
могут нормироваться технические и метрологические характеристики [39, 40].
Датчиком иногда называют средство измерений, представляющее собой
конструктивно завершенное устройство, размещаемое в процессе измерения
непосредственно в зоне исследуемого объекта и выполняющее функцию изме-
рительного преобразователя [57].
В английском языке слово «sensor» оначает сенсор, датчик, чувствитель-
ный элемент.
Несмотря на почти полное совпадение смысла терминов датчик (сенсор,
чувствительный элемент) и первичный преобразователь, между ними сущест-
вуют также и некоторые смысловые и содержательные отличия. Датчик (сен-
сор, чувствительный элемент) чувствует (физическую величину), а преобразо-
ватель преобразует (в том числе и физическую величину).
Причем «чувствовать» в данном случае означает преобразовывать физиче-
скую величину к виду, удобному для дальнейшего использования или восприя-
тия. Обычно это электрический сигнал, который легко преобразовать, напри-
мер, в показания индикатора. Однако это может быть и неэлектрический
сигнал, а изменение цвета (например, раствора или лакмусовой бумаги), кото-
рое может быть связано с наличием какого-то вещества в растворе или газе.
Понятие «преобразовывать» имеет, как мы уже отмечали, более широкий
смысл.
Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях
и имеющее нормируемые метрологические характеристики.
Измерительное устройство — средство измерений, в котором выполняется
только одна из составляющих процедуры измерения (измерительная опера-
ция).
Измерительное преобразование (физической величины) — это измерительная
операция, при которой входная физическая величина преобразуется в выхо-
дую, функционально связанную с ней.
Измерительный преобразователь — средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для пе-
редачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не под-
дающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Первичный измерительный преобразователь (сенсор, датчик) — измеритель-
ный преобразователь, ко входу которого подведена измеряемая величина, т.е.
первый в измерительной цепи.
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выра-
ботки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосред-
ственного восприятия наблюдателем.
Итак, оставляя в стороне некоторые лингвистические и семантические тон-
кости, а также очевидные неточности и противоречия в приведенных определе-
ниях, отметим, что анализ этих определений с функциональных и системных по-
зиций показывает, что понятие сенсор, датчик, чувствительный элемент, первич<
ный измерительный преобразователь, детектор, приемник в целом равнозначны.
1.2. Классификация датчиков
Классификация — операция отнесения заданного объекта к одному из классов,
внутри которых объекты считаются неразличимыми. Классификация — это
также результат этой операции [38, 58]. Классификация — простейший вид
моделирования, в частности, самый слабый вид измерения [38, 58].
Классификация — это первичная, простейшая модель. Полнота классифи-
кации является предметом особого внимания при ее построении. Часто оказы-
вается необходимым провести разграничение внутри одного класса, не отка-
зываясь тем не менее от общности в его рамках. Так появляются подклассы,
что приводит к многоуровневой, иерархической классификации.
Как и в случае лингвистических моделей, классификация, как и всякая
модель, является конечной, упрощенной и приближенной, содержит истин-
ную, условно-истинную и ложную информацию.
Отсюда также следует вывод, что может существовать (и существует) зна-
чительное количество классификаций преобразователей и датчиков по различ-
ным классификационным признакам. Например, в работе [55] приведена
классификация датчиков по 24 классификационным признакам.
Задача классификации датчиков в первую очередь выдвигает требование
установить целесообразные классификационные признаки [66]. Наиболее пол-
ное представление о всем разнообразии датчиков можно получить, приводя
общую классификацию с учетом многих классификационных признаков
(рис. 1.2).
Одна из самых общих классификаций делит датчики в зависимости от по-
требителя информации о них.
Для потребителей датчиков важна информация о датчиках, предназначен-
ных для измерения определенных физических величин (ФВ), сведениях о вы-
ходных и входных параметрах и сигналах, технических и метрологических ха-
рактеристиках. Такой подход требует построения классификационной схемы
по видам физической величины.
Для разработчиков датчиков, студентов, специалистов, изучающих работу
датчиков, важна информация о физических принципах их действия или, точ-
нее, физических закономерностях, определяющих принцип их действия.
По видам входных и выходных величин измерительные преобразователи
(датчики) можно разделить на 4 больших класса (рис. 1.3) [61]:
• электрических величин в электрические, например, непрерывных во вре-
мени (аналоговых) в прерывистые (дискретные, цифровые);
• неэлектрических величин в неэлектрические, например, давление в пере-
мещение жесткого центра мембраны;
• электрических величин в неэлектрические, например, тока в отклонение
стрелки прибора;
• неэлектрических величин в электрические. Примеры в данном случае мы
приводить не будем, так как этим преобразователям (датчикам) посвя-
щена почти вся эта книга.
Важнейшим классификационным признаком для датчиков является физи<
ческий принцип действия — принцип преобразования физических величин, ко-
Классификации
датчиков
По виду преобразуемых
физических величин (ФВ)
По функциональному
назначению
По физическому
принципу действия
По методу преобразования
физических величин (ФВ)
По необходимости внешнего
источника энергии
По количеству
выполняемых функций
По возможности непрерыв-
ного преобразования
входной ФВ
По наличию
источника
излучения
По возможности определять
знак (полярность, фазу)
входной ФВ
По наличию
вспомогательного
источника энергиии
По пространственной
селективности
По виду вспомогательного
источника энергии
По типу
взаимодействия
с объектом
По наличию
вмонтированных
вычислительных устройств
По количеству
чувствительных элементов
По технологии
изготовления
По виду уравнений
преобразования
По виду
выходного сигнала
По характеру изменения
выходного сигнала
Рис. 1.2. Виды классификаций датчиков
Преобразователи
(датчики)
Электрических величин
в электрические
Неэлектрических величин
в неэлектрические
Электрических величин
в неэлектрические
Неэлектрических величин
в электрические
Рис. 1.3. Классификация преобразователей по виду входных и выходных величин
торый основывается на некотором физико-техническом (физическом, элект-
рохимическом, биоэлектронном, химическом и т.д.) эффекте (явлении). Такая
классификация приведена на рис. 1.4.
Кроме того, можно классифицировать датчики по виду измеряемых не-
электрических величин (рис. 1.5.) и электрических величин (рис. 1.6.).
По физическомупринципудействия датчики (преобразователи) могут быть
физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические
и т.п.), химическими и комбинированными (физико-химические, электрохи-
мические, биоэлектрические и т.п.). Принцип действия датчика определяется
прежде всего тем, какая закономерность используется в нем. Однако сущест-
вуют датчики, которые не относятся ни к одному из перечисленных классов,
например, механоэлектрические. Эти датчики называются комбинирован-
ными.
По видувыходной величины и необходимости внешнего источника энергии
датчики можно разделить на генераторные (активные), выходной величиной
которых являются электрические величины (напряжение, заряд, ток, электро-
движущая сила (ЭДС) и параметрические (пассивные), выходной величиной
которых является сопротивление, индуктивность, емкость, диэлектрическая
или магнитная проницаемость и т.п.
В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в
пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах
пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение).
В параметрических датчиках под действием измеряемой физической вели-
чины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопро-
тивление в тензорезисторах). Для получения выходного электрического сигна-
ла требуется источник энергии (тока или напряжения). Таким образом, датчики
могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.
Датчики
физических величин
Резистивные Электростатические
Электромагнитные Гальваномагнитные
Магнитные Тепловые
Электрохимические Пьезоэлектрические
Оптоэлектрические
(оптоэлектронные)
Спектрометрические
(волновые)
Рис. 1.4. Классификация датчиков по принципу действия
Датчики неэлектрических
физических величин
Линейных и угловых размеров
и перемещений
Механических усилий, моментов,
давлений, напряжений
Параметров
пространственной ориентации
Параметров движения
Температуры
Количества и расхода веществ
Параметров и характеристик
биологических объектов
Состава веществ
Параметров и характеристик
окружающей среды
Параметров и характеристик
материалов
Параметров излучений (акустических,
световых, радиационных и т.д.)
Рис. 1.5. Классификация датчиков по виду измеряемых неэлектрических величин
Датчики электрических
физических величин
Электрических зарядов
Электрических токов,
напряжений, мощностей
Напряженностей электрических,
магнитных и электромагнитных полей,
магнитной индукции
Параметров электрических цепей
и электротехнических материалов
Рис. 1.6. Классификация датчиков по виду измеряемых электрических величин
Вспомогательные источники энергии в датчике могут быть электрическими,
гидравлическими, пневматическими, механическими, оптическими и т.д. Та-
ких источников в одном датчике может быть несколько.
По функциональному назначению датчики (преобразователи) можно разде-
лить на:
— индикаторные (метрологические характеристики не нормируются). Дат-
чик выдает информацию о наличии или отсутствии физической вели-
чины;
— измерительные (метрологические характеристики нормируются);
— комбинированные.
По методупреобразования физической величины датчики (преобразовате-
ли) делятся на (рис. 1.7):
— датчики (преобразователи) прямого одно- или многоступенчатого преоб<
разования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в
другую физическую величину — выходной сигнал датчика;
— датчики (преобразователи) непрямого преобразования, в которых измеря-
емая физическая величина преобразуется в промежуточную физическую
величину, а уже затем эта величина преобразуется в выходной сигнал
датчика;
— датчики комбинированного типа.
Виды преобразований
физических величин
Прямое одноступенчатое
Прямое многоступенчатое
Непрямое
Рис. 1.7. Классификация видов преобразования физических величин
По характерупреобразования значений физической величины датчики делят
на две группы:
— датчики непрерывного действия;
— датчики дискретного (циклического) действия.
По типу взаимодействия с объектом и количеству элементов датчики мо-
гут быть:
— стационарными или подвижными;
— контактными или бесконтактными;
— пространственно-распределенными (непрерывными, дискретными или
многоэлементными);
— сосредоточенными (одноэлементными).
По пространственной селективности датчики делят на две группы:
— датчики направленного действия;
— датчики ненаправленного действия.
По наличию источника излучения датчики делятся на те, в которых такой
источник есть (например, ионизационный датчик газоанализатора), и на те, в
которых источников излучения нет.
Все большее распространение получают преобразователи с вмонтированны<
ми электронными и вычислительными устройствами, которые производят пред-
варительную обработку выходного сигнала датчика. Такая обработка может
включать корректировкупогрешностей датчика в зависимости от влияющих
факторов и т.д.
По видуу равнения преобразования датчики бывают с линейной и нели-
нейной зависимостью выходного сигнала от измеряемой физической вели-
чины.
По технологии изготовления датчики могут быть изготовлены с использова-
нием объемного, печатного монтажа, гибридной и полупроводниковой техно-
логии, микро- и нанотехнологий.
По способности различать изменение фазы или полярности входной физиче-
ской величины датчики делят на фазочувствительные (реверсивные) и нефазо-
чувствительные (нереверсивные), у которых выходной сигнал не зависит от
полярности входной величины.
По характеруизменения выходного сигнала датчики делят на три группы:
— датчики с аналоговым выходным сигналом, который непрерывно изме-
няется;
— датчики с дискретным (например, импульсно изменяющимся) выход-
ным сигналом.
Методы преобразования физических величин делятся на методы непо-
средственного преобразования, дифференциальный, замещения и нулевой
(рис. 1.8).
Методы преобразования
физических величин
Непосредственного преобразования
Дифференциальный
Замещения
Нулевой
Рис. 1.8. Методы преобразования, используемые в датчиках
Дифференциальный метод, метод замещения и нулевой метод относятся к
обобщенному методу сравнения [54, 59].
Все методы преобразования делятся также на методы непосредственного
преобразования и методы уравновешивающего преобразования.
Метод уравновешивающего преобразования осуществляется в условиях,
когда есть две цепи — прямого преобразования и обратной связи.
По характерувыполняемых в датчиках (преобразователях) информационных
преобразований и способу получения выходных сигналов датчики можно раз-
делить на несколько групп (рис. 1.9).
По характеруадаптации к особенностям преобразования физических вели-
чин датчики делятся на адаптивные и неадаптивные, которые, в свою очередь,
могут быть одно- и много-функциональные.
По видувыходной информации датчики (преобразователи) могут быть ана-
логовыми, дискретными (цифровыми) и аналого-цифровыми, при этом в дат-
чиках могут осуществляться принципы сравнения или уравновешивания.
Преобразователи, выполненные с использованием принципа сравнения,
могут быть непрерывного или циклического действия.
1.2. Классификация датчиков 19
Рис. 1.9. Классификация датчиков по способу получения выходных сигналов и
по характеру выполняемых в них информационных преобразований
Датчики
Адаптивные Неадаптивные
Однофункциональные
Многофункциональные
Аналоговые Цифровые Аналого-цифровые
Сравнения Уравновешивания
Непрерывного
действия
Циклического
действия Следящие
Развертываю-
щего действия
Преобразователи, выполненные с использованием принципа уравновеши-
вания, могут быть следящими или развертывающего действия.
Приведенные классификации датчиков, хотя и широко используются в из-
мерительной технике и автоматическом управлении, не являются абсолютно
корректными и окончательно завершенными, а характеризуют лишь наш уро-
вень знаний в этой области.
1.3. Некоторые физические эффекты,
используемые в датчиках физических величин
Основные физические эффекты, используемые в датчиках, приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
1 Акустический па-
рамагнитный ре-
зонанс
Резонансное поглощение энергии ультразвуковой волны опре-
деленной частоты при ее прохождении сквозь парамагнитный
кристалл, который находится в постоянном магнитном поле
2 Вентильный фо-
тоэффект
Возникновение электродвижущей силы в системе, которая
включает контакт двух разных полупроводников или полупро-
водника и металла, при поглощении оптического излучения
3 Вихревые токи
(токи Фуко)
Возникновение замкнутых электрических токов в массивном
электропроводнике при изменении интенсивности магнитного
потока, который пересекает его
4 Гальваноупругий
магнитный
эффект
Изменение электрического сопротивления ферромагнетика,
размещенного в магнитном поле, при воздействии односторон-
него упругого напряжения растяжением или сжатием
5 Действие магнит-
ного поля на кон-
тур с электриче-
ским током
Вращение рамки с током под действием вращательного момен-
та, который возникает при размещении рамки в однородном
магнитном поле
6 Электротепловой
эффект
Изменение температуры пироэлектрического кристалла под
воздействием электрического поля
7 Электростатиче-
ская индукция
Возникновение на поверхности проводника или диэлектрика
одинаковых и противоположных по знаку зарядов под действи-
ем внешнего электрического поля
8 Электромагнитная
индукция
Возникновение электродвижущей силы индукции в электропро-
водящем контуре при изменении во времени магнитного потока
через ограниченную контуром поверхность
9 Эффект Зеебека В электрической цепи из последовательно соединенных разно-
родных проводников, контакты между которыми имеют разные
температуры, возникает электродвижущая сила
10 Эффект Томсона В проводнике с током, вдоль которого имеется градиент темпе-
ратуры, выделяется или поглощается теплота (кроме выделения
джоулевой теплоты)
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
11 Эффект Пельтье При протекании электрического тока через контакт разнород-
ных металлов в нем выделяется или поглощается теплота
12 Эффект Холла Между боковыми гранями пластины из металлического провод-
ника или полупроводника, вдоль которого протекает электриче-
ский ток, при действии перпендикулярного магнитного поля
возникает разница потенциалов
13 Электрострикция Деформация диэлектрика под воздействием внешнего электри-
ческого поля, пропорциональная квадрату напряженности поля
14 Эффект Фарадея Вращение плоскости поляризации линейно поляризуемого све-
та, который распространяется в изотропном веществе вдоль по-
стоянного магнитного поля, в котором находится это вещество
15 Эффект Нерста Возникновение продольного градиента температуры в провод-
нике с током, который находится в магнитном поле
16 Эффект Нерста—
Эттингсхаузена
Возникновение электрического поля в твердом проводнике при
наличии градиента температуры и перпендикулярного к нему
магнитного поля
17 Эффект Риги—
Ледюка
Возникновение вторичной разности температур в проводнике с
перепадом температуры, размещенном в магнитном поле пер-
пендикулярно к тепловому потоку
18 Закон Кулона Взаимодействие двух заряженных тел с силой, пропорциональ-
ной произведению их зарядов и обратно пропорциональной
квадрату расстояния между ними
19 Закон всемирного
тяготения
Действие на тело, которое находится в произвольной точке гра-
витационного поля, создаваемого массой тела, силы гравита-
ции, которая зависит от массы этого тела, и напряженности
гравитационного поля
20 Закон Ампера Возникновение механической силы, которая действует на про-
водник с током, при перемещении проводника во внешнем маг-
нитном поле
21 Закон Ома Возникновение в проводнике электрического тока, плотность
которого пропорциональна напряженности поля
22 Закон Био—Сава-
ра—Лапласа
При протекании по электропроводнику электрического тока во-
круг него в пространстве возникает магнитное поле
23 Обратный пьезо-
электрический
эффект
В анизотропных кристаллических диэлектриках под действием
электрического поля возникает механическая деформация
24 Закон Джоуля—
Ленца
В электропроводнике выделяется тепловая энергия, количество
которой пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению
проводника и времени протекания тока
25 Закон Фарадея Количество вещества, которое выделяется или разлагается на
электроде при электролизе, пропорционально количеству элект-
ричества (произведению силы тока на время электролиза), кото-
рое прошло через поверхность контакта электрода с раствором
1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 21
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
26 Зависимость Не-
рста равновесного
потенциала элект-
рода от концент-
рации вещества
Равновесный потенциал металлического электрода в растворе
неорганического вещества пропорционален газовой постоян-
ной, температуре и логарифму концентрации вещества и обрат-
но пропорционален заряду иона и константе Фарадея
27 Зависимость элек-
тропроводности
жидкого вещества
от ее концентра-
ции
Электропроводность жидкого вещества в определенном объеме
пропорциональна площади электрода и удельной электропро-
водности вещества и обратно пропорциональна длине электрода
28 Зависимость тем-
пературы плавле-
ния твердого тела
от внешнего дав-
ления
Изменение температуры плавления кристаллических веществ
при увеличении внешнего давления. Если удельный объем жид-
кой фазы больше, чем твердой, то температура плавления
увеличивается
29 Зависимость элек-
трического сопро-
тивления твердого
тела от давления
Изменение электрического сопротивления твердого тела при
изменении внешнего давления в области высоких температур.
В большинстве веществ электрическое сопротивление уменьша-
ется с увеличением давления
30 Зависимость по-
казателя прелом-
ления газов от
плотности
Увеличение показателя преломления газа с увеличением его
плотности. Зависимость является квадратичной
31 Зависимость по-
казателя прелом-
ления газов от
давления
Увеличение показателя преломления газа при увеличении его
давления. Зависимость в широком диапазоне изменений давле-
ния описывается полиномом некоторой степени
32 Зависимость мо-
дуля упругости
металлов от тем-
пературы
Уменьшение модуля упругости металлов с увеличением темпе-
ратуры
33 Зависимость гра-
ницы текучести
металлов и спла-
вов от температу-
ры
Уменьшение границы текучести металлов и сплавов с ростом
температуры. Зависимость является близкой к экспоненци-
альной
34 Зависимость плот-
ности металлов от
температуры при
переходе через
точку плавления
Скачкообразное уменьшение плотности металлов с увеличением
температуры вблизи температуры плавления
35 Звуколюминес-
ценция
Свечение жидкости под действием интенсивной акустической
волны (при акустической кавитации)
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
36 Ионизация газа
под действием
электрического
поля
Под действием сильного электрического поля атомы и молеку-
лы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы
и свободные электроны
37 Ионизация газа
рентгеновским из-
лучением
Возникновение положительных и отрицательных ионов и сво-
бодных электронов в газе под действием электромагнитного из-
лучения рентгеновского диапазона
38 Катодолюминес-
ценция
Излучение света, который возникает при возбуждении люмино-
фора электронным пучком
39 Магниторезистив-
ний эффект
Изменение электрического сопротивления твердых проводни-
ков под действием магнитного поля
40 Магнитострикция Изменение формы и размеров тела при его намагничивании
41 Магнитный гисте-
резис
Неоднозначная зависимость намагниченности ферромагнитного
тела от напряженности внешнего магнитного поля. При цикли-
ческом изменении напряженности поля кривая изменения на-
магниченности имеет вид петли магнитного гистерезиса
42 Намагничивание
тел
Возникновение или изменение намагниченности вещества при
действии на него внешнего магнитного поля. Диамагнетики на-
магничиваются против поля, пара- и ферромагнетики — в
направлении поля
43 Пьезоэлектриче-
ский эффект
Изменение поляризации некоторых кристаллических диэлект-
риков (пьезоэлектриков) при механической деформации
44 Пьезомагнитний
эффект
Возникновение в веществе намагниченности под действием
внешнего давления
45 Пироэлектриче-
ский эффект
Возникновение электрических зарядов на поверхности некото-
рых кристаллических диэлектриков (пироэлектриков) при их
нагревании или охлаждении
46 Поверхностный
эффект
Переменный ток в электропроводнике неравномерно распреде-
ляется по площади его сечения. Неравномерность плотности
тока увеличивается с увеличением частоты тока и площади се-
чения проводника
47 Поглощение звука Уменьшение интенсивности акустической волны, которая про-
ходит сквозь вещество, в результате необратимого перехода
энергии волны в другие виды энергии, в частности, в теплоту
48 Поглощение света Уменьшение интенсивности электромагнитного излучения при
прохождении сквозь вещество
49 Поляризация ди-
электриков
Возникновение объемного дипольного момента диэлектрика
под действием электрического поля. На поверхности диэлектри-
ка появляются связанные поляризуемые заряды
50 Сверхпроводи-
мость
Скачкообразное уменьшение практически до нуля электриче-
ского сопротивления ряда металлических проводников и силь-
нолегированных полупроводников при охлаждении ниже кри-
тической температуры, характерной для данного материала
1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 23
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
51 Сила Лоренца Действие на заряженную частицу, которая движется в магнит-
ном поле, силы, перпендикулярной к вектору магнитной индук-
ции поля и вектору скорости движения частицы
52 Тензорезистивний
эффект
Изменение электрического сопротивления в твердых электро-
проводниках под действием растягивающих или сжимающих
напряжений
53 Тепловое расши-
рение тел
Изменение размеров тела при его нагревании. Характеризуется
коэффициентом линейного (для твердых тел) или объемного
(для жидких и газообразных тел) теплового расширения
54 Термоэлектронная
эмиссия
Излучение электронов нагретыми телами в вакуум или другую
среду
55 Терморезистив-
ний эффект
Изменение электрического сопротивления электропроводных
тел при изменении их температуры. В металлических проводни-
ках сопротивление растет с ростом температуры, в жидких элек-
тролитах и полупроводниках — уменьшается
56 Фотоэлектронная
эмиссия (внеш-
ний фотоэффект)
Излучение электронов твердыми телами и жидкостями в вакуум
или другую среду под действием электромагнитного излучения
Литература
1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирова-
ния. — М.: Машиностроение, 1965. — 928 с.
2. Аш Ж и др. Датчики измерительных систем / Пер. с франц. под ред. А.С. Обухо-
ва. — М.:Мир. — Кн. 1, 1992. — 480с., Кн. 2, 1992. — 460с.
3. Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. — М.: Химия,
1989. — 260с.
4. Берлинер М.А. Измерения влажности. — М.: Энергия, 1973. -400с.
5. Бутурлин А.И. Газочувствительные датчики на основе металлоксидных полупровод-
ников //Заруб. Электр. Техника. -1983. —Вып. 10.
6. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.
7. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей / Под ред. О.С. Арутюнова. — М.: Энер-
гия, 1970. — 552с.
8. Викторов В.А., Совлуков А.С. Радиоволновые датчики. — М. : Наука, 1983 — 314с.
9. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах: Пер. с англ. / Под ред. А.С. Яромен-
ко. — М.: Энергоиздат, 1981. — 200с.
10. Выглеб Г. Датчики: Устройство и применение. — М.: Мир, 1989. — 196с.
11. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.С. Основы температурных измерений. —
М.: Энергоатомиздат, 1992. — 304с.
12. Гордов А.Н., Стадник Б.И., Бычковский Р.В. и др. Приборы для измерения темпе-
ратуры: Спр. — Львов: Наукова думка, 1986, — 348с.
13. Гордов А.Н. Основы пирометрии. — М.: Металлургия, 1971. — 472с.
14. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я., Полищук Е.С. и др. Датчики: Спр. / Под ред.
З.Ю. Готры и О.И. Чайковского. — Львов: Каменяр, 1995. — 312с.
15. Джексон Р. Новейшие датчики. — М.: Техносфера, 2006. — 620с.
24 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
Продолжение табл. 1.1
16. Домаркас В., Кажис Р. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразо-
ватели. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 258с.
17. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразова-
тели. — М.: Радио и связь, 1989. — 256с.
18. Зарипов М.Ф. Датчики малых угловых скоростей. — Уфа: Изд. Уфимского авиаци-
онного института, 1975.
19. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д.,Челибанов В.П. Приемники излучения. — СПб: Папи-
рус. 2003. — 527стр.
20. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. — М.: Радио и связь, 2006. — 96с.
21. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Спр. — Л.: Машинострое-
ние, 1989. -701с.
22. Кремлевский П.П. и др. Расчет и конструирование расходомеров / Под ред. П.П.
Кремлевского. — Л.: Машиностроение, 1978. — 224с.
23. Куликовский Л.Ф., Жиров В.Г. Магнитомодуляционные измерительные преобразо-
ватели. — М.: Энергия, 1977. — 87с.
24. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Из-
мерительные преобразователи. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320с.
25. Луцик Я., Буняк Л., Стадник Б. Использование ультразвуковых сенсоров. — Львов:
СП Бак, 1998. — 232с. (на укр.).
26. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 272с.
27. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и и методы измерений. — М.:
Мир, 1990. — 535с.
28. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1968. — 248с.
29. Новый словарь иностранных слов. — Мн.: Современный литератор, 2005. — 1088с.
30. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника, физические основы, приборы и устройства, — М.:
Машиностроение, 1978. — 480с.
31. Нуберт Г. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Введение в
теорию, расчет и конструирование. — Л.: 1970. — 360с.
32. Ожегов С.И. Словарь русского языка. Под ред. Н.Ю. Шведовой. — М.: Рус. яз.,
1978. — 846с.
33. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техни-
ки. —К.: Вища шк., 1983. — 455с.
34. Осадчий Е.П. и др. Проектирование датчиков для измерения механических вели-
чин. — М.: Машиностроение, 1979. — 480с.
35. Осипович Л.А. Датчики физических величин.— М.: Машиностроение, 1979.— 160 с.
36. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1971. — 544с.
37. Павленко В.А. Газоанализаторы. — М. — Л.: Машиностроение, 1965. -296с.
38. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. — М.: Высш. шк.,
1989. — 367с.
39. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа. 1981, —
296с.
40. Полищук Е.С., Дорожовец М.М., Стадник Б.И., Ивахив О.В., Бойко Т.Г., Коваль-
чик А. Средства и методы измерений неэлектрической величины: Учебник /Под
ред. проф. Е.С. Полищука. —Издательство «Бескид-Біт», 2008. — 618 с. (на укр.).
41. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия,
1978. — 704с.
42. Пьезокерамические преобразователи: Спр. / Под ред. С.И. Пугачева. — Л.: Судо-
строение, 1984.
43. РМГ29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная
система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и опре-
деления.
Литература 25
44. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измере-
ний. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 320с.
45. Таранов С.Г., Фахралева М.Е. Методы и средства измерения параметров магнитных
полей. — К., 1985. — 392с.
46. Телеников Ф.Е. и др. Теоретические основы информационной техники. — М.:
Энергия, 1971. — 424с.
47. Техническая кибернетика / Под ред. В.В. Солодовникова. Измерительные устрой-
ства, преобразующие элементы и устройства. — М.: Машиностроение, 1973. —
680с.
48. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин: Пер. с нем. — М.:
Энергоатомиздат, 1987. — 192с.
49. Фарзане Н.Г. и др. Автоматические детекторы газов и жидкостей. — М.: Энергоато-
миздат, 1983. — 96с.
50. Фрайден Дж. Современные датчики. Спр. М.: Техносфера, 2005. — 592с.
51. Франко Р.Т. и др. Газоаналитические системы и приборы. М.: Машиностроение. —
218с.
52. Харкевич А.А. Теория преобразователей. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1948. — 188с.
53. Харкевич А.А. Избранные труды. — М.: Наука, 1973. т.1 — 400с.
54. Хомерики О.К. Гальваномагнитные элементы и устройства автоматики и вычисли-
тельной техники. — М.: Энергия, 1975. — 176с.
55. Храмов А.В. Первичные измерительные преобразователи измерительных приборов
и автоматических систем. — К.: Вища шк., 1988. — 527с. (на укр.).
56. Sharapov V. Piezoceramic sensors. — Springer, 2011.- 498p.
57. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. —
М.: Техносфера, 2006. — 632с.
58. Шарапов В.М., Шарапова Е.В. Универсальные технологии управления. — Москва:
Техносфера, 2006. — 632 с.
59. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезокерамические преобразовате-
ли физических величин. — Черкассы: ЧГТУ, 2005. — 496с.
60. Шульц Ю.Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Спр.: пер.
с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 288с.
61. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. —
Изд. 5-е перераб. и доп. — Л.: Энергия, 1975. — 576с.
62. Эрлер В., Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупро-
водниковыми тензорезисторами. — М.: Мир, 1974. — 286с.
63. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. — М.: Машино-
строение, 1989. — 360с.
64. Norton, Handbook of Transducers. Pretice-Hall, Englewood cliffs, NI, 1989.
65. Thomson, S. Control Systems: Engineering & Design. Longman Scientific & Technical,
Essex, UK, 1989.
66. White, R.W. A sensor classification sceme. In.: Microsensors. IEEE Press, New York,
1991.
26 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
Глава 2
Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
2.1. Общие сведения
Всякий измерительный прибор или устройство могут быть, представлены в
виде цепи той или иной структуры, состоящей из ряда преобразователей, име-
ющих различное функциональное значение и принцип действия. Такие преоб-
разователи могут быть предназначены как для преобразования одной физиче-
ской величины в другую (аналоговые), так и для превращения непрерывных
(аналоговых) величин в ряд дискретных — мгновенных или квантованных
(округленных) — значений и наоборот.
Общая теория аналоговых преобразователей основывается на энергетиче-
ских представлениях, устанавливающих связи между выражениями энергии,
запасенной в системе, и возникающими в ней силами. В области измеритель-
ных преобразователей подобные представления получили широкое развитие в
результате работ А.А. Харкевича, Л.А. Островского, Е. Г. Шрамкова и др. [3,
8]. Эти работы позволили осуществить наиболее общий подход к преобразова-
телям физических величин как к обобщенным четырехполюсникам, причем
теория распространяется только на обратимые преобразователи аналоговых
величин, для которых справедлив принцип взаимности.
Обычно энергию любой системы по аналогии с механическими системами
можно представить произведением двух величин, одной из которых является
сила, а другой — перемещение (координата). Выбор физических величин, ко-
торые были бы эквивалентны механической силе и перемещению, в значите-
льной степени условный, но их произведение должно соответствовать энергии
как физической величине. В качестве обобщенных параметров можно принять
также силу и скорость (производная перемещения во времени), произведение
которых соответствует мощности как физической величине.
Для нахождения связи между силами и перемещениями движущейся сис-
темы тел широко используются уравнения Лагранжа второго рода. Эти уравне-
ния дают возможность сравнительно легко решать задачи динамики связанных
систем.
Полученные для механических систем уравнения Лагранжа используются и
для других, немеханических систем. Так, они были использованы Д.Максвеллом
для изучения электромагнитных явлений, В.Томсоном (лордом Кельвином) для
изучения тепловых явлений, вследствие чего были созданы соответственно теоре-
тические основы электродинамики и теоретические основы термодинамики.
В общем случае в уравнениях Лагранжа в качестве обобщенных координат
могут быть приняты любые физические величины, которые определяют энерге-
тическое состояние системы. Это дает возможность использовать уравнения Лаг-
ранжа для анализа работы измерительных преобразователей (ИП), входные и вы-
ходные величины которых могут быть величинами разной физической природы.
Таким образом, измерительный преобразователь (рис. 2.1), может описы-
ваться уравнениями Z-формы обобщенного пассивного четырехполюсника [3]:
F Z 1 11v1 Z12v2;
(2.1)
F2 Z21v1 Z22v2.
Сопротивления Z11 и Z 22 определяются
как отношения соответствующих обобщен-
ных сил к обобщенным скоростям при усло-
вии отсутствия движения (v = 0, режим холо-
стого хода) на противоположной стороне. В режиме холостого хода также
определяются сопротивления Z12 и Z 21 . Таким образом, значения всех этих
сопротивлений не зависят от свойств последующих устройств, которые могут
быть подключены к преобразователю, и характеризируют лишь свойства ИП.
Поэтому сопротивления Z11 и Z 22 называют собственными входным и выход-
ным сопротивлениями преобразователя, а Z12 и Z 21 — собственными взаим-
ными (передаточными) сопротивлениями. Далее будет показано, что Z12 и Z 21
имеют смысл коэффициентов преобразования.
При присоединении к выходу преобразователя некоторого обобщенного
сопротивления Z Н входное сопротивление преобразователя определится как
Z
F
v
Z Z
v
v
Z
Z Z
Z Z
вх Z Z
Н
1
1
11 12
2
1
11
12 21
22
11 , (2.2)
поскольку, исходя из второго уравнения четырехполюсника при присоединен-
ном Z H (рис. 2.2.), отношение
v
v
Z
ZН Z
2
1
21
22
(здесь Z
F
v H 2
2
, и по своей
физической сути является сопротивлением нагрузки; знак минус учитывает
противоположность направлений выходной обобщенной силы и выходной
обобщенной скорости в Z-форме уравнений четырехполюсника).
Из последнего выражения следует, что входное сопротивление ИП в об-
щем отличается от его собственного входного сопротивления, т.е. сопротивле-
ния Z11 на значение так называемого внесенного сопротивления Z, которое
обратно пропорционально сумме собственного выходного сопротивления и
сопротивления нагрузки.
2.2. Обобщенный генераторный преобразователь
Приведенные выше уравнения измерительного преобразователя как четырех-
полюсника касаются, как уже было сказано, преобразователей, для которых
справедлив принцип обратимости. Такими являются генераторные преобразо-
Рис. 2.1. Измерительный преоб-
разователь как четырехполюсник
ватели, которые вследствие действия входной величины генерируют на выходе
определенный энергетический процесс. Исходя из Z-формы уравнений и учи-
тывая выражение для входного сопротивления, эквивалентную схему генера-
торного преобразователя можно представить в виде, который изображен на
рис. 2.2, где Fi — источник входной силы с внутренним сопротивлением Zi .
В зависимости от того, какие из входных и выходных параметров являются
информативными, решая уравнение четырехполюсника, можно найти уравне-
ние преобразования измерительного преобразователя и соответственно коэф-
фициенты преобразования, выраженные через обобщенные сопротивления:
v kF
Z
Z Z Z Z Z
F
Н
2 1 1
21
12 21 11 22
1
( )
, (2.3)
F kF
Z
Z
Z
Z Z Z Z
F
Н
2 2 1
21
11 11 22 12 21
1 1
( )
, (2.4)
v kv
Z
Z Z
v
Н
2 31
21
22
1
, илиF kv
Z
Z
Z
v
Н
2 41
21
22
1
1
. (2.5)
Приведенные уравнения связывают входные и выходные параметры преоб-
разователя в наиболее общем случае его работы с нагрузкой. Характеризиро-
вать работу ИП в первом приближении можно более простыми формулами.
Действительно, режим работы ИП с выходным информативным параметром в
виде обобщенной силы F2 должен быть близким к холостому ходу Z Н , а
режим роботы ИП с информативным параметром в виде обобщенной скоро-
сти v2 — близким к короткому замыканию(Z Н 0). Тогда:
v
Z
Z Z Z Z
2 F
21
12 21 11 22
1
, F
Z
Z
2 F
21
11
1; (2.6)
v
Z
Z
2 v
21
22
1,F2 Z21v1. (2.7)
Коэффициенты преобразования k1,k2,k3 и k4 для линейных преобразова-
телей постоянны и независимы от аргументов v1 и v2 .
2.2. Обобщенный генераторный преобразователь 29
Рис. 2.2. Эквивалентная схема генераторного преобразователя
Коэффициенты Zik в приведенных выше уравнениях измерительных пре-
образователей являются операторными сопротивлениями и равны:
Z ik = p m ik pRik Wik
2 ,
где mik , Rik и Wik — обобщенные параметры преобразователя, соответственно
обобщенная масса, обобщенное активное сопротивление и обобщенная упру-
гость.
Таким образом, выражая операторное сопротивление Zik через параметры
преобразователя, можно перейти к дифференциальному уравнению преобразо-
вателя. В наиболее общем случае дифференциальное уравнение преобразова-
теля в операторной форме с входной Х(t) величиной и выходной Y(t) величи-
ной (рис. 2.3) будет выглядеть как:
(anp a p a )Y(t) (b p b p b )X(t).
n
n
n
m
m
m
m
1
1
0 1
1
0 (2.8)
Простейшие ИП могут с достаточной
точностью определяться дифференциаль-
ными уравнениями первого или второго
порядков.
Уравнения измерительного преобразо-
вателя как четырехполюсника и его диффе-
ренциальные уравнения с обобщенными
входными и выходными параметрами описывают работу обобщенного преоб-
разователя. Используя эти уравнения для оценки работы реальных преобразо-
вателей тех или иных физических величин, применяют методы аналогий, ко-
торые основаны на аналогии между обобщенными силами, перемещениями,
скоростями и сопротивлениями различной физической природы.
2.3. Метод электромеханических аналогий
Метод электромеханических аналогий является очень удобным средством ис-
следования внутренней структуры преобразователей [3, 7].
Этот метод позволяет заменить уравнения движения данной механической
системы соответствующими уравнениями для эквивалентной электрической
цепи, что существенно упрощает задачу исследования. Таким путем определя-
ются, например, частотные и переходные характеристики механических сис-
тем преобразователей различной конструкции и назначения, причем в боль-
шинстве случаев задача сводится к исследованию некоторого эквивалентного
колебательного контура, свойства которого всесторонне изучены в теории
электрических цепей.
Методом исследования, не требующим знания механизма системы, яви-
лись уравнения Лагранжа второго рода, причем в качестве обобщенных коор-
динат Максвелл выбрал количество электричества, а обобщенной скорости со-
ответственно электрический ток, т.е.
i
dq
dt
, (2.9)
где q — количество электричества.
30 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
Рис. 2.3. Измерительный преобра-
зователь как структурный элемент
Если рассматривать обобщенную силу в качестве причины изменений в
системе, то, как уже указывалось, она должна быть выбрана так, чтобы произ-
ведение силы на приращение обобщенной координаты равнялось произведен-
ной работе. Такой силой при выбранных Максвеллом обобщенных координа-
тах становится электродвижущая сила.
В начале своего развития теоретическая электротехника использовала ма-
тематический аппарат теоретической механики [6].
В скором времени, однако, последовало развитие и совершенствование
собственных методов электротехники. Наличие обильного количества готовых
решений электротехнических задач привело впоследствии к обратному про-
цессу, т.е. к перенесению более развитых методов электротехники на решение
задач механики. Так возник метод электромеханических аналогий, основы ко-
торого вытекают из сравнения аналогичных по форме уравнений механиче-
ских и электрических систем [2, 3, 7, 8].
Приведем для примера такие широко известные уравнения:
1. Уравнение электродвижущихсил для последовательного колебательного
контура, находящегося под действием синусодальной ЭДС,
L
di
dt
Ri
C
idt Em t 1
sin , (2.10)
где L, R и С — индуктивность, сопротивление и емкость контура соответст-
венно.
Это же уравнение можно переписать, выразив все токи через количество
электричества:
L
d q
dt
R
dq
dt C
q Em t
2
2
1 sin . (2.11)
Подавляющее большинство электромеханических измерительных преобра-
зователей представляет собой механические системы с одной степенью свобо-
ды. Имея почти всегда два разнородных накопителя энергии в виде массы и
гибкости пружины, такие системы описываются дифференциальными уравне-
ниями второго порядка и схематично могут быть изображены так, как это сде-
лано для систем с поступательным и вращательным движением на рис. 2.4.
Уравнения движения этих систем, как известно из теоретической механики,
могут быть написаны в различных формах.
2. Уравнение поступательного движения
массы, установленной на пружине, имеет
вид:
m
d x
dt
R
dx
dt C
m x F t
x
m
2
2
1 sin , (2.12)
где m, R и Сх — соответственно масса, ме-
ханическое сопротивление поступательно-
му движению и эластичность, или гиб-
кость пружины.
Справа, как всегда, находится внеш-
няя, синусоидально меняющаяся сила.
2.3. Метод электромеханических аналогий 31
а) б)
Рис. 2.4. Механические колебатель-
ные системы с поступательным (а)
и вращательным (б) движением
3. Уравнение вращательного движения массы на упругом подвесе имеет со-
вершенно аналогичную форму:
J
d
dt
P
d
dt C
Dm t
2
2
1
sin , (2.13)
где J — момент инерции системы: Р — коэффициент успокоения, который,
как далее показано, оказывается механическим сопротивлением вращательно-
му движению; С — эластичность растяжек или пружин.
Как правило, пользуются величиной, обратной эластичности, называемой
удельным противодействующим моментом W, где
W
C
1
. (2.14)
Угловое отклонение системы принято обозначать через .
Приведенные уравнения аналогичны по форме, в результате чего анало-
гичны и их решения.
Не останавливаясь на решении этих уравнений, укажем, что во всех случа-
ях достаточно просто можно найти отношение действующей силы к возника-
ющей вследствие этого скорости, т. е. сопротивление.
Так можно получить модули полных сопротивлений:
а) для электрической цепи
Z R L
C
2
2 1
; (2.15)
б) для механической системы с поступательным движением
Z R mCm m
x
x
2
2
1
; (2.16)
в) для механической системы с вращательным движением
Z P J
W
m
2
2
. (2.17)
Сопоставление как исходных дифференциальных уравнений, так и вы-
ражений для полных сопротивлений приводит к возможности обоснова-
ния первой системы аналогий, представленной в виде сводки аналогов в
табл. 2.1.
Рассмотрим теперь основные принципы, используемые для построения экви-
валентныхэлектрическихцепей при помощи метода аналогий.
Система электромеханических аналогий позволяет строить схемы электри-
ческих цепей, эквивалентные механическим, при условии соблюдения опреде-
ленных правил [3].
Для составления механических схем самих измерительных преобразовате-
лей пользуются представлениями об основных механических элементах или
32 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
механических двухполюсниках. Различают следующие основные механические
элементы.
Таблица 2.1. Механические и электрические аналоги
Механические величины Электрические аналогии
Линейное перемещение
Угловое перемещение
x
Механическая скорость dx
dt
d
dt
,
Действующая сила F или момент D
Сила реакции системы Fx, момент М
Полное механическое сопротивление
Механическое сопротивление потерь
Масса m, момент инерции J
Эластичность, гибкость пружины
Упругость, удельный противодейству-
ющий момент
Количество электричества q
Электрический ток I dq
dt
Электродвижущая сила Е
Напряжение U
Полное электрическое сопротивление
Активное сопротвление R
Индуктивность L
Электрическая емкость С
Величина, обратная емкости, т.е. 1/С
Элементом массы считают систему, состоящую из конечной массы m и
точки, связанной с бесконечно большой массой, служащей началом системы
отсчета. В качестве такой бесконечно большой массы принимается масса Зем-
ли. Наличие связи с бесконечной массой вытекает из представления сил как
некоторых натяжений, а это предусматривает по крайней мере два взаимодей-
ствующих тела.
Элемент массы условно изображают, например, так, как это показано на
рис. 2.5, а.
Элементом упругости является идеализированный элемент, у которого лю-
бому относительному перемещению концов противодействует только упругая
сила Fx или момент М, причем соблюдаются равенства:
где Сх — эластичность или гибкость элемента;
W — удельный противодействующий момент.
Элемент упругости изображается так, как показано на рис. 2.5, б.
2.3. Метод электромеханических аналогий 33
а) б) в) г)
Рис. 2.5. Элементы механических систем: а — масса; б — упругость; в — эле-
мент успокоения (трения); г — обобщенный механический элемент
Под элементом успокоения обычно понимают такой идеальный двухполюс-
ник, у которого любое относительное перемещение концов связано с сопро-
тивлением силы трения, пропорциональной скорости, т. е.
F
C
x x
x
1
;M W ,
F R
dx
dt усп м
или
M P
d
dt усп
.
В обоих случаях направление силы (момента) и перемещения противопо-
ложны. Элемент успокоения изображен на рис. 2.5, в.
На схемах любой механический элемент, если он представляется обобщен-
но, а не конкретно, часто изображается так, как показано на рис. 2.5,г.
Механические элементы могут соединяться друг с другом по-разному, при-
чем простейшими соединениями являются соединения цепочкой (рис. 2.6,а)
или узлом (рис. 2.6, б).
Из определения механических элементов и указанных способов их про-
стейших соединений вытекают такие основные следствия.
Соединение элементов цепочкой. При соединении элементов цепочкой спра-
ведливы следующие условия:
1. Относительное перемещение концов цепочки равно сумме относитель-
ных перемещений концов каждого из элементов.
2. Относительная скорость концов цепочки равна сумме относительных
скоростей концов элементов.
Если сопоставить это правило с законом распределения токов в электриче-
ской цепи, станет ясно, что соединение цепочкой соответствует не последова-
тельному, а параллельному соединению, так как только при параллельном со-
единении токи складываются.
Из условия равновесия всей системы сила, действующая на каждый эле-
мент цепочки, равна приложенной силе. Последнее условие соответствует
электродвижущей силе, приложенной к элементам электрической цепи, сое-
диненным параллельно.
Таким образом, соединение механических элементов цепочкой соответству-
ет параллельному соединению элементов электрической цепи. Отсюда также
следует, что. податливость механической системы, т. е. величина, обратная ме-
ханическому сопротивлению, равна сумме податливостей отдельных элементов.
34 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
а) б)
Рис. 2.6. Соединение элементов цепочкой (а) и узлом (б)
Соединение элементов в узлы. Предполагая соединение концов абсолютно
жестким, легко прийти к следующим выводам:
1. Относительное перемещение узлов, как это видно из рис. 2.6,б, равно
относительному перемещению концов каждого элемента.
2. В соответствии с этим относительная скорость узла равна относитель-
ной скорости концов скрепленных элементов. Такое равенство скоростей ха-
рактерно не для параллельного, а для последовательного соединения элемен-
тов электрической цепи, так как при этом токи в каждом из элементов оди-
наковы.
3. Сумма реакций всех элементов узла равна приложенной внешней силе.
В электрической цепи этому соответствует сумма падений напряжений на по-
следовательно включенных элементах.
Перечисленные свойства показывают, что соединение механических эле-
ментов в узлы соответствует последовательному соединению элементов элект-
рической цепи. Если же говорить о механическом сопротивлении такой систе-
мы, то оно равно сумме сопротивлений отдельных элементов.
Основные примеры аналогий между механическими и электрическими це-
пями приведены в табл. 2.2, где для вращательного движения специальных
обозначений не предусмотрено.
Нужно отметить то обстоятельство, что всякая реальная механическая сис-
тема в действительности всегда является системой с распределенными посто-
янными. Рассмотрение подобных систем при помощи эквивалентных схем с
сосредоточенными параметрами является приближением, степень и допусти-
мость которого зависят от конкретных условий задачи. Здесь под приближени-
ем понимается сохранение в эквивалентной системе некоторого числа свойств
реальной системы. Чем большее число свойств требуется сохранить, тем силь-
нее усложняется эквивалентная схема и тем труднее становится ее исследо-
вание.
По этой причине всегда важно суметь выделить главные свойства, чтобы
разумно пожертвовать второстепенными. Методы исследования механических
систем с распределенными постоянными при помощи аналогий подробно рас-
сматриваются в электроакустике [2, 3, 7, 8].
Следует отметить, что соответствующие аналогии построены для электро-
магнитных электротепловых цепей и устройств [1, 3, 8].
Обобщенные параметры и их аналогии в цепях разной природы приведены
в табл. 2.3.
В таблице 2.3 использованы следующие обозначения: — удельное элект-
рическое сопротивление; — удельное магнитное сопротивление; m —
плотность тела; l и S — длина и площадь поперечного сечения цепи соответст-
вующей физической природы; w — количество витков; FТр = РНSTp (тут: PH —
давление, нормальное к поверхности трения STp ); kTp — коэффициент трения;
e d /dt— удельная ЭДС, то есть ЭДС, которая наводится в одном витке;
0 — электрическая постоянная; 0 — магнитная постоянная; Q — тепловая
энергия системы (количество теплоты); CQ — удельная теплоемкость, и —
относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости.
2.3. Метод электромеханических аналогий 35
Таблица 2.2. Аналогии механических и электрических цепей
Механическая цепь Электрический аналог
36 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
Таблица 2.3. Обобщенные параметры и их аналогии в цепях разной природы
Обобщенный
параметр
Природа цепи
Механическая Электрическая Магнитная Тепловая
Обобщенная
сила
F [H]
сила
U [B]
напряжение
F = I w [A]
магнитодвижущая
сила
T [K]
разность
температур
Обобщенная
координата
x [м]
перемещение
q [Кл], [А c]
заряд
F [Вб], [В с]
магнитный поток
SQ = Q/Tср [Дж/К]
энтропия
Обобщенная
скорость
v = dx/dt
[м/с]
скорость
I = dq/dt [A]
ток
е = d /dt [B]
скорость измене-
ния магнитного
потока (ЭДС)
vQ = dSQ/dt [Вт/K]
скорость
изменения
энтропии
Обобщенное
сопротив-
ление
Rтр = kтрFтр
[H c/м]
сопротив-
ление
трения
R = l
S
[Ом]
активное
сопротивление
R =
l
S
[См]
активная состав-
ляющая магнитно-
го сопротивления
Rт = Тсрl/ TS
[K2/Bт]
тепловое
сопротивление
Обобщенная
масса
(индук-
тивность)
m = m l S
[кг]
масса
L = 2 0
S
l
[Гн]
индуктивность
(контура)
L S
l
0 [Ф]
магнитная
индуктивность
—
Обобщенная
эластичность
(емкость)
CН = x/F
[м/Н]
эластичность
С = 0
S
l
[Ф]
емкость
С = 0
S
l
[Гн]
магнитная
емкость
Ст = m СQ/Tср
[Дж/К2]
тепловая емкость
Литература
1. Зарипов М.Ф., Петрова Н.Ю. Проблемы информационной базы систем управления.
Уфа: Башкирский филиал АН СССР, 1979.
2. Ольсон Г. Динамические аналогии. — М.: Изд. ин. лит., 1947.
3. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1971. — 544с.
4. Гаврилюк М.А., Полищук Е.С., Обозовский С.С. и др. Электрические измерения
электрических и неэлектрических величин. /Под ред. Е.С.Полищка. — Киев: Вища
школа, 1984. — 360 с.
5. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа, 1981. — 296
с.
6. Савин Г.Н., Путята Т.В., Фрадлин Б.Н. Курс теоретической механики. — Киев:
Вища школа, 1973. — 360с.
7. Фурдуев В.В. Электроакустика — М.: Гостехиздат, 1948.
8. Харкевич А.А. Избранные труды. — М.: Наука, 1973. т.1 — 400 с.
Настоящая книга написана коллективом авторов: — Ишаниным Г.Г., Коше-
вым Н.Д., Минаевым И.Г., Полищуком Е.С., Совлуковым А.С., Шарапо-
вым В.М. — под общей редакцией В.М. Шарапова и Е.С. Полищука.
Авторы благодарны рецензенту д.т.н., профессору Тымчику Г.С. за полез-
ные замечания, высказанные при обсуждении книги.
В книге изложены теоретические основы, принципы действия, описаны
конструкции и характеристики датчиков физических величин. В конце каждой
главы приведена обширная библиография, а также сайты предприятий-разра-
ботчиков и изготовителей.
В главе 1 вводятся основные понятия, обсуждаются термины и определе-
ния, приводятся классификации датчиков, а также описания некоторых физи-
ко-технических эффектов, используемых в датчиках.
В главах 2 и 3 приведены элементы общей теории датчиков, описан метод
электромеханических аналогий, статические, динамические и метрологиче-
ские характеристики датчиков, а также типовые динамические звенья.
В главах 4, 5, 6 описаны наиболее часто используемые для датчиков элект-
ронные устройства, а также упругие и оптические элементы датчиков.
В главах 7—10 описаны резистивные, емкостные, пьезоэлектрические и
электромагнитные датчики, а в главах 11—19 — применение датчиков для из-
мерения различных физических величин.
В главах 20—24 описаны электрохимические, биохимические и радиовол-
новые датчики, а также применение датчиков для измерения расхода и коли-
чества жидкостей, в охранной сигнализации, в летательных аппаратах.
Книга предназначена для научных работников, студентов, аспирантов,
специалистов в области разработки датчиков, измерительных приборов, эле-
ментов и устройств вычислительной техники и систем управления.
Авторы благодарны Л.Г. Куницкой за помощь в оформлении книги.
Авторы благодарны также генеральному директору издательства «Техно-
сфера» Казанцевой О.А. за помощь и поддержку авторов.
Глава 1
Основные понятия и определения.
Классификация датчиков
Датчик — это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической ве-
личины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения.
Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, сис-
тем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможно ни
измерение, ни контроль, ни регулирование.
Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество
физических эффектов (принципов). Некоторые из них приведены в табл. 1.1.
Развитие, совершенствование датчиков в значительной степени определя-
ется достижениями в области физики, химии, физической химии, механики,
радиотехники и других наук. Особое место в развитии датчиков занимают до-
стижения и возможности современных технологий.
Принципы действия датчиков могут быть самыми разноообразными в за-
висимости от физической природы измеряемой величины, ее абсолютного
значения, требуемой точности преобразования и т.п. Однако в подавляющем
большинстве случаев преобразование входных физических величин в соответ-
ствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии, в том числе
преобразованием энергии одного вида в другой. Энергетическое представление
принципа работы измерительных преобразователей, базирующееся на двух
фундаментальных законах — законе сохранения энергии и принципе обрати-
мости, стало предпосылкой для создания А.А. Харкевичем основ общей тео-
рии измерительных преобразователей и их представления в виде пассивных
четырехполюсников со сторонами разной физической природы [53].
Развитие общей теории измерительных преобразователей нашло отраже-
ние в работах Д.И. Агейкина, Л.А. Островского, А.М. Туричина, П.В. Новиц-
кого и др.
Значительный вклад в развитие общих вопросов теории и практики датчи-
ков отдельных физических величин внесли Д.И. Агейкин, Ж. Аш, Ф.Б. Бай-
баков, А.И. Бутурлин, В.И. Ваганов, В.А. Викторов, Дж. Вульвет, Г. Выглеб,
А.Н. Гордов, З.Ю. Готра, Р. Джексон, В. Домаркас, Ишанин Г.Г., П.П. Крем-
левский, Л.Ф. Куликовский, Е.С. Левшина, Я. Луцик, В.В. Малов, Ф. Мейзда,
И.Г. Минаев, П.В. Новицкий, Ю.Р. Носов, Г. Нуберт, П.П. Орнатский,
Е.П. Осадчий, Л.А. Осипович, Е.С. Полищук, В.П. Преображенский, С.И. Пу-
гачев, А.С. Совлуков, В.В. Солодовников, С.А. Спектор, Б.И. Стадник, С.Г. Та-
ранов, Р. Тиль, Н.Г. Фарзане, Дж. Фрайден, А.В. Храмов, В.М.Шарапов, В. Эр-
лер, H.N. Norton, S. Thomson, R.W. White и др. (см. литературу к главе 1).
1.1. Термины и определения
Как всегда, начиная изучать какой-либо вопрос, следует договориться о тер-
минологии. Особое значение это приобретает в области, где существуют раз-
ные точки зрения, применяются различные термины для одного и того же тех-
нического устройства, существуют давние традиции и т.д.
Следует уточнить, что определение — это лингвистическая модель реально-
го явления или объекта и, как всякая модель, является конечной, упрощенной
и приближенной, содержит как истинную, так и условно-истинную и ложную
информацию. Отсюда следует, что может существовать множество моделей
(следовательно и определений) одного и того же явления, объекта. То есть,
каждое определение — это некая грань призмы, которой является исследуемое
явление или объект.
В литературе достаточно широко используются термины измерительное
преобразование, измерительный преобразователь, датчик, чувствительный
элемент, сенсор, измерительный прибор, средство измерений, а их определе-
ния — самые разнообразные. Например:
Преобразователями называют устройства, которые преобразуют одни физи-
ческие величины, один вид энергии, один вид информации в другую физиче-
скую величину, в другой вид энергии или в другой вид информации [41, 43].
В широком смысле преобразователь — это, например, устройство, преобразую-
щее давление в электрический сигнал (датчик давления), напряжение одного
уровня в напряжение другого (трансформатор), электрическое напряжение во
вращение вала (электродвигатель), энергию в движение (самолет, автомобиль)
и т.д. Даже живой организм — это тоже своеобразный преобразователь.
Измерительное преобразование — представляет собой отражение размера
одной физической величины размером другой физической величины, функци-
онально с ней связанной [39, 40].
Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построен-
ное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно из-
мерительное преобразование [39, 40].
Измерительный преобразователь — это преобразователь одной физической
величины в другую, удобную для использования и обработки [18, 39].
Измерительное преобразование — это преобразование входного измеритель-
ного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал.
Измерительный преобразователь (ИП) — это средство измерений, предназ-
наченное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой
величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразова-
ния, передачи, обработки или хранения, но непригодный для непосредствен-
ного восприятия наблюдателем [29].
Измерительный прибор является средством измерений, вырабатывающим
выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно вос-
принять значение измеряемой физической величины [39].
Первичный измерительный преобразователь — это техническое устройство,
которое непосредственно взаимодействует с материальным объектом измере-
ния или контроля и предназначено для однозначного функционального пре-
образования одной физической величины — входной — в другую физическую
10 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
величину — выходную, которая является удобной для дальнейшего использо-
вания [54].
Объект — это явление или часть внешнего или внутреннего мира, которые
наблюдает или может наблюдать человек в данный момент.
Материальный объект — это предмет материального исследования, сведе-
ния о котором нужны исследователю.
Объект измерения или контроля — это материальный объект или процесс,
совокупность свойств которого определяет содержание ожидаемой информа-
ции. Объект измерения или контроля характеризуется измеряемыми физиче-
скими величинами или зависимостями между ними.
Чувствительный элемент (первичный чувствительный преобразователь) —
конструктивный элемент или прибор, воспринимающий измеряемую физиче-
скую величину [60]. Чувствительный элемент является первичным измеритель-
ным преобразователем в измерительной цепи и осуществляет преобразование
входного сигнала (измеряемой величины) в величину, удобную для последую-
щей информационной обработки.
В различных областях техники чувствительный элемент называют детекто<
ром, датчиком, приемником, зондом или измерительной головкой.
Датчик — чувствительный элемент или конструктивно объединенная груп-
па чувствительных элементов [60].
Детектор — чувствительный элемент (датчик) для измерения или регистра-
ции излучения, полей или частиц [60].
Главным элементом измерительного преобразователя является чувстви<
тельный элемент — сенсор, который основывается на некотором физическом
эффекте (принципе) [24, 39, 55, 61].
Принцип — лат principium — основа, первоначало — основное исходное
положение какой-либо теории, учение науки, основа устройства или действия
какого-либо прибора, механизма и т.д. [29].
Сенсоры — от лат. sensus — чувство, ощущение — чувствительные искусст-
венные устройства или органы живых организмов [29].
Датчик — это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздейст-
вия и реагирующие на них [49].
Датчик — совокупность измерительных преобразователей, объединенных в
один конструктивный узел, выносимый на объект измерения [24].
В общем случае датчик может состоять из нескольких преобразователей
[24, 39, 55, 60].
F1 Пр1
F2 Пр1
F3 Пр1
U
Рис. 1.1. Функциональная схема датчика: Пр1, Пр2, Пр3 — преобразователи;
F1 — входная физическая величина; F2, F3 — промежуточные физиче-
ские величины; U — выходной электрический сигнал
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от
типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуе-
мого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи инфор-
мации, а любая передача информации связана с передачей энергии [50].
Датчик — устройство, непосредственно принимающее и передающее спе-
циальным приборам данные о деятельности механизма, живого организма или
других явлениях [29].
Измерительный преобразователь является средством измерения и для него
могут нормироваться технические и метрологические характеристики [39, 40].
Датчиком иногда называют средство измерений, представляющее собой
конструктивно завершенное устройство, размещаемое в процессе измерения
непосредственно в зоне исследуемого объекта и выполняющее функцию изме-
рительного преобразователя [57].
В английском языке слово «sensor» оначает сенсор, датчик, чувствитель-
ный элемент.
Несмотря на почти полное совпадение смысла терминов датчик (сенсор,
чувствительный элемент) и первичный преобразователь, между ними сущест-
вуют также и некоторые смысловые и содержательные отличия. Датчик (сен-
сор, чувствительный элемент) чувствует (физическую величину), а преобразо-
ватель преобразует (в том числе и физическую величину).
Причем «чувствовать» в данном случае означает преобразовывать физиче-
скую величину к виду, удобному для дальнейшего использования или восприя-
тия. Обычно это электрический сигнал, который легко преобразовать, напри-
мер, в показания индикатора. Однако это может быть и неэлектрический
сигнал, а изменение цвета (например, раствора или лакмусовой бумаги), кото-
рое может быть связано с наличием какого-то вещества в растворе или газе.
Понятие «преобразовывать» имеет, как мы уже отмечали, более широкий
смысл.
Средство измерений — техническое средство, используемое при измерениях
и имеющее нормируемые метрологические характеристики.
Измерительное устройство — средство измерений, в котором выполняется
только одна из составляющих процедуры измерения (измерительная опера-
ция).
Измерительное преобразование (физической величины) — это измерительная
операция, при которой входная физическая величина преобразуется в выхо-
дую, функционально связанную с ней.
Измерительный преобразователь — средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для пе-
редачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не под-
дающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Первичный измерительный преобразователь (сенсор, датчик) — измеритель-
ный преобразователь, ко входу которого подведена измеряемая величина, т.е.
первый в измерительной цепи.
Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для выра-
ботки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосред-
ственного восприятия наблюдателем.
Итак, оставляя в стороне некоторые лингвистические и семантические тон-
кости, а также очевидные неточности и противоречия в приведенных определе-
ниях, отметим, что анализ этих определений с функциональных и системных по-
зиций показывает, что понятие сенсор, датчик, чувствительный элемент, первич<
ный измерительный преобразователь, детектор, приемник в целом равнозначны.
1.2. Классификация датчиков
Классификация — операция отнесения заданного объекта к одному из классов,
внутри которых объекты считаются неразличимыми. Классификация — это
также результат этой операции [38, 58]. Классификация — простейший вид
моделирования, в частности, самый слабый вид измерения [38, 58].
Классификация — это первичная, простейшая модель. Полнота классифи-
кации является предметом особого внимания при ее построении. Часто оказы-
вается необходимым провести разграничение внутри одного класса, не отка-
зываясь тем не менее от общности в его рамках. Так появляются подклассы,
что приводит к многоуровневой, иерархической классификации.
Как и в случае лингвистических моделей, классификация, как и всякая
модель, является конечной, упрощенной и приближенной, содержит истин-
ную, условно-истинную и ложную информацию.
Отсюда также следует вывод, что может существовать (и существует) зна-
чительное количество классификаций преобразователей и датчиков по различ-
ным классификационным признакам. Например, в работе [55] приведена
классификация датчиков по 24 классификационным признакам.
Задача классификации датчиков в первую очередь выдвигает требование
установить целесообразные классификационные признаки [66]. Наиболее пол-
ное представление о всем разнообразии датчиков можно получить, приводя
общую классификацию с учетом многих классификационных признаков
(рис. 1.2).
Одна из самых общих классификаций делит датчики в зависимости от по-
требителя информации о них.
Для потребителей датчиков важна информация о датчиках, предназначен-
ных для измерения определенных физических величин (ФВ), сведениях о вы-
ходных и входных параметрах и сигналах, технических и метрологических ха-
рактеристиках. Такой подход требует построения классификационной схемы
по видам физической величины.
Для разработчиков датчиков, студентов, специалистов, изучающих работу
датчиков, важна информация о физических принципах их действия или, точ-
нее, физических закономерностях, определяющих принцип их действия.
По видам входных и выходных величин измерительные преобразователи
(датчики) можно разделить на 4 больших класса (рис. 1.3) [61]:
• электрических величин в электрические, например, непрерывных во вре-
мени (аналоговых) в прерывистые (дискретные, цифровые);
• неэлектрических величин в неэлектрические, например, давление в пере-
мещение жесткого центра мембраны;
• электрических величин в неэлектрические, например, тока в отклонение
стрелки прибора;
• неэлектрических величин в электрические. Примеры в данном случае мы
приводить не будем, так как этим преобразователям (датчикам) посвя-
щена почти вся эта книга.
Важнейшим классификационным признаком для датчиков является физи<
ческий принцип действия — принцип преобразования физических величин, ко-
Классификации
датчиков
По виду преобразуемых
физических величин (ФВ)
По функциональному
назначению
По физическому
принципу действия
По методу преобразования
физических величин (ФВ)
По необходимости внешнего
источника энергии
По количеству
выполняемых функций
По возможности непрерыв-
ного преобразования
входной ФВ
По наличию
источника
излучения
По возможности определять
знак (полярность, фазу)
входной ФВ
По наличию
вспомогательного
источника энергиии
По пространственной
селективности
По виду вспомогательного
источника энергии
По типу
взаимодействия
с объектом
По наличию
вмонтированных
вычислительных устройств
По количеству
чувствительных элементов
По технологии
изготовления
По виду уравнений
преобразования
По виду
выходного сигнала
По характеру изменения
выходного сигнала
Рис. 1.2. Виды классификаций датчиков
Преобразователи
(датчики)
Электрических величин
в электрические
Неэлектрических величин
в неэлектрические
Электрических величин
в неэлектрические
Неэлектрических величин
в электрические
Рис. 1.3. Классификация преобразователей по виду входных и выходных величин
торый основывается на некотором физико-техническом (физическом, элект-
рохимическом, биоэлектронном, химическом и т.д.) эффекте (явлении). Такая
классификация приведена на рис. 1.4.
Кроме того, можно классифицировать датчики по виду измеряемых не-
электрических величин (рис. 1.5.) и электрических величин (рис. 1.6.).
По физическомупринципудействия датчики (преобразователи) могут быть
физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические
и т.п.), химическими и комбинированными (физико-химические, электрохи-
мические, биоэлектрические и т.п.). Принцип действия датчика определяется
прежде всего тем, какая закономерность используется в нем. Однако сущест-
вуют датчики, которые не относятся ни к одному из перечисленных классов,
например, механоэлектрические. Эти датчики называются комбинирован-
ными.
По видувыходной величины и необходимости внешнего источника энергии
датчики можно разделить на генераторные (активные), выходной величиной
которых являются электрические величины (напряжение, заряд, ток, электро-
движущая сила (ЭДС) и параметрические (пассивные), выходной величиной
которых является сопротивление, индуктивность, емкость, диэлектрическая
или магнитная проницаемость и т.п.
В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в
пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах
пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение).
В параметрических датчиках под действием измеряемой физической вели-
чины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопро-
тивление в тензорезисторах). Для получения выходного электрического сигна-
ла требуется источник энергии (тока или напряжения). Таким образом, датчики
могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.
Датчики
физических величин
Резистивные Электростатические
Электромагнитные Гальваномагнитные
Магнитные Тепловые
Электрохимические Пьезоэлектрические
Оптоэлектрические
(оптоэлектронные)
Спектрометрические
(волновые)
Рис. 1.4. Классификация датчиков по принципу действия
Датчики неэлектрических
физических величин
Линейных и угловых размеров
и перемещений
Механических усилий, моментов,
давлений, напряжений
Параметров
пространственной ориентации
Параметров движения
Температуры
Количества и расхода веществ
Параметров и характеристик
биологических объектов
Состава веществ
Параметров и характеристик
окружающей среды
Параметров и характеристик
материалов
Параметров излучений (акустических,
световых, радиационных и т.д.)
Рис. 1.5. Классификация датчиков по виду измеряемых неэлектрических величин
Датчики электрических
физических величин
Электрических зарядов
Электрических токов,
напряжений, мощностей
Напряженностей электрических,
магнитных и электромагнитных полей,
магнитной индукции
Параметров электрических цепей
и электротехнических материалов
Рис. 1.6. Классификация датчиков по виду измеряемых электрических величин
Вспомогательные источники энергии в датчике могут быть электрическими,
гидравлическими, пневматическими, механическими, оптическими и т.д. Та-
ких источников в одном датчике может быть несколько.
По функциональному назначению датчики (преобразователи) можно разде-
лить на:
— индикаторные (метрологические характеристики не нормируются). Дат-
чик выдает информацию о наличии или отсутствии физической вели-
чины;
— измерительные (метрологические характеристики нормируются);
— комбинированные.
По методупреобразования физической величины датчики (преобразовате-
ли) делятся на (рис. 1.7):
— датчики (преобразователи) прямого одно- или многоступенчатого преоб<
разования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в
другую физическую величину — выходной сигнал датчика;
— датчики (преобразователи) непрямого преобразования, в которых измеря-
емая физическая величина преобразуется в промежуточную физическую
величину, а уже затем эта величина преобразуется в выходной сигнал
датчика;
— датчики комбинированного типа.
Виды преобразований
физических величин
Прямое одноступенчатое
Прямое многоступенчатое
Непрямое
Рис. 1.7. Классификация видов преобразования физических величин
По характерупреобразования значений физической величины датчики делят
на две группы:
— датчики непрерывного действия;
— датчики дискретного (циклического) действия.
По типу взаимодействия с объектом и количеству элементов датчики мо-
гут быть:
— стационарными или подвижными;
— контактными или бесконтактными;
— пространственно-распределенными (непрерывными, дискретными или
многоэлементными);
— сосредоточенными (одноэлементными).
По пространственной селективности датчики делят на две группы:
— датчики направленного действия;
— датчики ненаправленного действия.
По наличию источника излучения датчики делятся на те, в которых такой
источник есть (например, ионизационный датчик газоанализатора), и на те, в
которых источников излучения нет.
Все большее распространение получают преобразователи с вмонтированны<
ми электронными и вычислительными устройствами, которые производят пред-
варительную обработку выходного сигнала датчика. Такая обработка может
включать корректировкупогрешностей датчика в зависимости от влияющих
факторов и т.д.
По видуу равнения преобразования датчики бывают с линейной и нели-
нейной зависимостью выходного сигнала от измеряемой физической вели-
чины.
По технологии изготовления датчики могут быть изготовлены с использова-
нием объемного, печатного монтажа, гибридной и полупроводниковой техно-
логии, микро- и нанотехнологий.
По способности различать изменение фазы или полярности входной физиче-
ской величины датчики делят на фазочувствительные (реверсивные) и нефазо-
чувствительные (нереверсивные), у которых выходной сигнал не зависит от
полярности входной величины.
По характеруизменения выходного сигнала датчики делят на три группы:
— датчики с аналоговым выходным сигналом, который непрерывно изме-
няется;
— датчики с дискретным (например, импульсно изменяющимся) выход-
ным сигналом.
Методы преобразования физических величин делятся на методы непо-
средственного преобразования, дифференциальный, замещения и нулевой
(рис. 1.8).
Методы преобразования
физических величин
Непосредственного преобразования
Дифференциальный
Замещения
Нулевой
Рис. 1.8. Методы преобразования, используемые в датчиках
Дифференциальный метод, метод замещения и нулевой метод относятся к
обобщенному методу сравнения [54, 59].
Все методы преобразования делятся также на методы непосредственного
преобразования и методы уравновешивающего преобразования.
Метод уравновешивающего преобразования осуществляется в условиях,
когда есть две цепи — прямого преобразования и обратной связи.
По характерувыполняемых в датчиках (преобразователях) информационных
преобразований и способу получения выходных сигналов датчики можно раз-
делить на несколько групп (рис. 1.9).
По характеруадаптации к особенностям преобразования физических вели-
чин датчики делятся на адаптивные и неадаптивные, которые, в свою очередь,
могут быть одно- и много-функциональные.
По видувыходной информации датчики (преобразователи) могут быть ана-
логовыми, дискретными (цифровыми) и аналого-цифровыми, при этом в дат-
чиках могут осуществляться принципы сравнения или уравновешивания.
Преобразователи, выполненные с использованием принципа сравнения,
могут быть непрерывного или циклического действия.
1.2. Классификация датчиков 19
Рис. 1.9. Классификация датчиков по способу получения выходных сигналов и
по характеру выполняемых в них информационных преобразований
Датчики
Адаптивные Неадаптивные
Однофункциональные
Многофункциональные
Аналоговые Цифровые Аналого-цифровые
Сравнения Уравновешивания
Непрерывного
действия
Циклического
действия Следящие
Развертываю-
щего действия
Преобразователи, выполненные с использованием принципа уравновеши-
вания, могут быть следящими или развертывающего действия.
Приведенные классификации датчиков, хотя и широко используются в из-
мерительной технике и автоматическом управлении, не являются абсолютно
корректными и окончательно завершенными, а характеризуют лишь наш уро-
вень знаний в этой области.
1.3. Некоторые физические эффекты,
используемые в датчиках физических величин
Основные физические эффекты, используемые в датчиках, приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1.
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
1 Акустический па-
рамагнитный ре-
зонанс
Резонансное поглощение энергии ультразвуковой волны опре-
деленной частоты при ее прохождении сквозь парамагнитный
кристалл, который находится в постоянном магнитном поле
2 Вентильный фо-
тоэффект
Возникновение электродвижущей силы в системе, которая
включает контакт двух разных полупроводников или полупро-
водника и металла, при поглощении оптического излучения
3 Вихревые токи
(токи Фуко)
Возникновение замкнутых электрических токов в массивном
электропроводнике при изменении интенсивности магнитного
потока, который пересекает его
4 Гальваноупругий
магнитный
эффект
Изменение электрического сопротивления ферромагнетика,
размещенного в магнитном поле, при воздействии односторон-
него упругого напряжения растяжением или сжатием
5 Действие магнит-
ного поля на кон-
тур с электриче-
ским током
Вращение рамки с током под действием вращательного момен-
та, который возникает при размещении рамки в однородном
магнитном поле
6 Электротепловой
эффект
Изменение температуры пироэлектрического кристалла под
воздействием электрического поля
7 Электростатиче-
ская индукция
Возникновение на поверхности проводника или диэлектрика
одинаковых и противоположных по знаку зарядов под действи-
ем внешнего электрического поля
8 Электромагнитная
индукция
Возникновение электродвижущей силы индукции в электропро-
водящем контуре при изменении во времени магнитного потока
через ограниченную контуром поверхность
9 Эффект Зеебека В электрической цепи из последовательно соединенных разно-
родных проводников, контакты между которыми имеют разные
температуры, возникает электродвижущая сила
10 Эффект Томсона В проводнике с током, вдоль которого имеется градиент темпе-
ратуры, выделяется или поглощается теплота (кроме выделения
джоулевой теплоты)
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
11 Эффект Пельтье При протекании электрического тока через контакт разнород-
ных металлов в нем выделяется или поглощается теплота
12 Эффект Холла Между боковыми гранями пластины из металлического провод-
ника или полупроводника, вдоль которого протекает электриче-
ский ток, при действии перпендикулярного магнитного поля
возникает разница потенциалов
13 Электрострикция Деформация диэлектрика под воздействием внешнего электри-
ческого поля, пропорциональная квадрату напряженности поля
14 Эффект Фарадея Вращение плоскости поляризации линейно поляризуемого све-
та, который распространяется в изотропном веществе вдоль по-
стоянного магнитного поля, в котором находится это вещество
15 Эффект Нерста Возникновение продольного градиента температуры в провод-
нике с током, который находится в магнитном поле
16 Эффект Нерста—
Эттингсхаузена
Возникновение электрического поля в твердом проводнике при
наличии градиента температуры и перпендикулярного к нему
магнитного поля
17 Эффект Риги—
Ледюка
Возникновение вторичной разности температур в проводнике с
перепадом температуры, размещенном в магнитном поле пер-
пендикулярно к тепловому потоку
18 Закон Кулона Взаимодействие двух заряженных тел с силой, пропорциональ-
ной произведению их зарядов и обратно пропорциональной
квадрату расстояния между ними
19 Закон всемирного
тяготения
Действие на тело, которое находится в произвольной точке гра-
витационного поля, создаваемого массой тела, силы гравита-
ции, которая зависит от массы этого тела, и напряженности
гравитационного поля
20 Закон Ампера Возникновение механической силы, которая действует на про-
водник с током, при перемещении проводника во внешнем маг-
нитном поле
21 Закон Ома Возникновение в проводнике электрического тока, плотность
которого пропорциональна напряженности поля
22 Закон Био—Сава-
ра—Лапласа
При протекании по электропроводнику электрического тока во-
круг него в пространстве возникает магнитное поле
23 Обратный пьезо-
электрический
эффект
В анизотропных кристаллических диэлектриках под действием
электрического поля возникает механическая деформация
24 Закон Джоуля—
Ленца
В электропроводнике выделяется тепловая энергия, количество
которой пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению
проводника и времени протекания тока
25 Закон Фарадея Количество вещества, которое выделяется или разлагается на
электроде при электролизе, пропорционально количеству элект-
ричества (произведению силы тока на время электролиза), кото-
рое прошло через поверхность контакта электрода с раствором
1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 21
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
26 Зависимость Не-
рста равновесного
потенциала элект-
рода от концент-
рации вещества
Равновесный потенциал металлического электрода в растворе
неорганического вещества пропорционален газовой постоян-
ной, температуре и логарифму концентрации вещества и обрат-
но пропорционален заряду иона и константе Фарадея
27 Зависимость элек-
тропроводности
жидкого вещества
от ее концентра-
ции
Электропроводность жидкого вещества в определенном объеме
пропорциональна площади электрода и удельной электропро-
водности вещества и обратно пропорциональна длине электрода
28 Зависимость тем-
пературы плавле-
ния твердого тела
от внешнего дав-
ления
Изменение температуры плавления кристаллических веществ
при увеличении внешнего давления. Если удельный объем жид-
кой фазы больше, чем твердой, то температура плавления
увеличивается
29 Зависимость элек-
трического сопро-
тивления твердого
тела от давления
Изменение электрического сопротивления твердого тела при
изменении внешнего давления в области высоких температур.
В большинстве веществ электрическое сопротивление уменьша-
ется с увеличением давления
30 Зависимость по-
казателя прелом-
ления газов от
плотности
Увеличение показателя преломления газа с увеличением его
плотности. Зависимость является квадратичной
31 Зависимость по-
казателя прелом-
ления газов от
давления
Увеличение показателя преломления газа при увеличении его
давления. Зависимость в широком диапазоне изменений давле-
ния описывается полиномом некоторой степени
32 Зависимость мо-
дуля упругости
металлов от тем-
пературы
Уменьшение модуля упругости металлов с увеличением темпе-
ратуры
33 Зависимость гра-
ницы текучести
металлов и спла-
вов от температу-
ры
Уменьшение границы текучести металлов и сплавов с ростом
температуры. Зависимость является близкой к экспоненци-
альной
34 Зависимость плот-
ности металлов от
температуры при
переходе через
точку плавления
Скачкообразное уменьшение плотности металлов с увеличением
температуры вблизи температуры плавления
35 Звуколюминес-
ценция
Свечение жидкости под действием интенсивной акустической
волны (при акустической кавитации)
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
36 Ионизация газа
под действием
электрического
поля
Под действием сильного электрического поля атомы и молеку-
лы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы
и свободные электроны
37 Ионизация газа
рентгеновским из-
лучением
Возникновение положительных и отрицательных ионов и сво-
бодных электронов в газе под действием электромагнитного из-
лучения рентгеновского диапазона
38 Катодолюминес-
ценция
Излучение света, который возникает при возбуждении люмино-
фора электронным пучком
39 Магниторезистив-
ний эффект
Изменение электрического сопротивления твердых проводни-
ков под действием магнитного поля
40 Магнитострикция Изменение формы и размеров тела при его намагничивании
41 Магнитный гисте-
резис
Неоднозначная зависимость намагниченности ферромагнитного
тела от напряженности внешнего магнитного поля. При цикли-
ческом изменении напряженности поля кривая изменения на-
магниченности имеет вид петли магнитного гистерезиса
42 Намагничивание
тел
Возникновение или изменение намагниченности вещества при
действии на него внешнего магнитного поля. Диамагнетики на-
магничиваются против поля, пара- и ферромагнетики — в
направлении поля
43 Пьезоэлектриче-
ский эффект
Изменение поляризации некоторых кристаллических диэлект-
риков (пьезоэлектриков) при механической деформации
44 Пьезомагнитний
эффект
Возникновение в веществе намагниченности под действием
внешнего давления
45 Пироэлектриче-
ский эффект
Возникновение электрических зарядов на поверхности некото-
рых кристаллических диэлектриков (пироэлектриков) при их
нагревании или охлаждении
46 Поверхностный
эффект
Переменный ток в электропроводнике неравномерно распреде-
ляется по площади его сечения. Неравномерность плотности
тока увеличивается с увеличением частоты тока и площади се-
чения проводника
47 Поглощение звука Уменьшение интенсивности акустической волны, которая про-
ходит сквозь вещество, в результате необратимого перехода
энергии волны в другие виды энергии, в частности, в теплоту
48 Поглощение света Уменьшение интенсивности электромагнитного излучения при
прохождении сквозь вещество
49 Поляризация ди-
электриков
Возникновение объемного дипольного момента диэлектрика
под действием электрического поля. На поверхности диэлектри-
ка появляются связанные поляризуемые заряды
50 Сверхпроводи-
мость
Скачкообразное уменьшение практически до нуля электриче-
ского сопротивления ряда металлических проводников и силь-
нолегированных полупроводников при охлаждении ниже кри-
тической температуры, характерной для данного материала
1.3. Некоторые физические эффекты, используемые в датчиках физических величин 23
Продолжение табл. 1.1
N
п/п
Название эффекта Краткое содержание эффекта
51 Сила Лоренца Действие на заряженную частицу, которая движется в магнит-
ном поле, силы, перпендикулярной к вектору магнитной индук-
ции поля и вектору скорости движения частицы
52 Тензорезистивний
эффект
Изменение электрического сопротивления в твердых электро-
проводниках под действием растягивающих или сжимающих
напряжений
53 Тепловое расши-
рение тел
Изменение размеров тела при его нагревании. Характеризуется
коэффициентом линейного (для твердых тел) или объемного
(для жидких и газообразных тел) теплового расширения
54 Термоэлектронная
эмиссия
Излучение электронов нагретыми телами в вакуум или другую
среду
55 Терморезистив-
ний эффект
Изменение электрического сопротивления электропроводных
тел при изменении их температуры. В металлических проводни-
ках сопротивление растет с ростом температуры, в жидких элек-
тролитах и полупроводниках — уменьшается
56 Фотоэлектронная
эмиссия (внеш-
ний фотоэффект)
Излучение электронов твердыми телами и жидкостями в вакуум
или другую среду под действием электромагнитного излучения
Литература
1. Агейкин Д.И., Костина Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирова-
ния. — М.: Машиностроение, 1965. — 928 с.
2. Аш Ж и др. Датчики измерительных систем / Пер. с франц. под ред. А.С. Обухо-
ва. — М.:Мир. — Кн. 1, 1992. — 480с., Кн. 2, 1992. — 460с.
3. Байбаков Ф.Б., Шарапов В.М. Контроль примесей в сжатых газах. — М.: Химия,
1989. — 260с.
4. Берлинер М.А. Измерения влажности. — М.: Энергия, 1973. -400с.
5. Бутурлин А.И. Газочувствительные датчики на основе металлоксидных полупровод-
ников //Заруб. Электр. Техника. -1983. —Вып. 10.
6. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.
7. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей / Под ред. О.С. Арутюнова. — М.: Энер-
гия, 1970. — 552с.
8. Викторов В.А., Совлуков А.С. Радиоволновые датчики. — М. : Наука, 1983 — 314с.
9. Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах: Пер. с англ. / Под ред. А.С. Яромен-
ко. — М.: Энергоиздат, 1981. — 200с.
10. Выглеб Г. Датчики: Устройство и применение. — М.: Мир, 1989. — 196с.
11. Гордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.С. Основы температурных измерений. —
М.: Энергоатомиздат, 1992. — 304с.
12. Гордов А.Н., Стадник Б.И., Бычковский Р.В. и др. Приборы для измерения темпе-
ратуры: Спр. — Львов: Наукова думка, 1986, — 348с.
13. Гордов А.Н. Основы пирометрии. — М.: Металлургия, 1971. — 472с.
14. Готра З.Ю., Ильницкий Л.Я., Полищук Е.С. и др. Датчики: Спр. / Под ред.
З.Ю. Готры и О.И. Чайковского. — Львов: Каменяр, 1995. — 312с.
15. Джексон Р. Новейшие датчики. — М.: Техносфера, 2006. — 620с.
24 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
Продолжение табл. 1.1
16. Домаркас В., Кажис Р. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразо-
ватели. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 258с.
17. Дубовой Н.Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразова-
тели. — М.: Радио и связь, 1989. — 256с.
18. Зарипов М.Ф. Датчики малых угловых скоростей. — Уфа: Изд. Уфимского авиаци-
онного института, 1975.
19. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д.,Челибанов В.П. Приемники излучения. — СПб: Папи-
рус. 2003. — 527стр.
20. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. — М.: Радио и связь, 2006. — 96с.
21. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Спр. — Л.: Машинострое-
ние, 1989. -701с.
22. Кремлевский П.П. и др. Расчет и конструирование расходомеров / Под ред. П.П.
Кремлевского. — Л.: Машиностроение, 1978. — 224с.
23. Куликовский Л.Ф., Жиров В.Г. Магнитомодуляционные измерительные преобразо-
ватели. — М.: Энергия, 1977. — 87с.
24. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Из-
мерительные преобразователи. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 320с.
25. Луцик Я., Буняк Л., Стадник Б. Использование ультразвуковых сенсоров. — Львов:
СП Бак, 1998. — 232с. (на укр.).
26. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 272с.
27. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и и методы измерений. — М.:
Мир, 1990. — 535с.
28. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1968. — 248с.
29. Новый словарь иностранных слов. — Мн.: Современный литератор, 2005. — 1088с.
30. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника, физические основы, приборы и устройства, — М.:
Машиностроение, 1978. — 480с.
31. Нуберт Г. Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Введение в
теорию, расчет и конструирование. — Л.: 1970. — 360с.
32. Ожегов С.И. Словарь русского языка. Под ред. Н.Ю. Шведовой. — М.: Рус. яз.,
1978. — 846с.
33. Орнатский П.П. Теоретические основы информационно-измерительной техни-
ки. —К.: Вища шк., 1983. — 455с.
34. Осадчий Е.П. и др. Проектирование датчиков для измерения механических вели-
чин. — М.: Машиностроение, 1979. — 480с.
35. Осипович Л.А. Датчики физических величин.— М.: Машиностроение, 1979.— 160 с.
36. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1971. — 544с.
37. Павленко В.А. Газоанализаторы. — М. — Л.: Машиностроение, 1965. -296с.
38. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. — М.: Высш. шк.,
1989. — 367с.
39. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа. 1981, —
296с.
40. Полищук Е.С., Дорожовец М.М., Стадник Б.И., Ивахив О.В., Бойко Т.Г., Коваль-
чик А. Средства и методы измерений неэлектрической величины: Учебник /Под
ред. проф. Е.С. Полищука. —Издательство «Бескид-Біт», 2008. — 618 с. (на укр.).
41. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. — М.: Энергия,
1978. — 704с.
42. Пьезокерамические преобразователи: Спр. / Под ред. С.И. Пугачева. — Л.: Судо-
строение, 1984.
43. РМГ29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная
система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и опре-
деления.
Литература 25
44. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измере-
ний. — Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 320с.
45. Таранов С.Г., Фахралева М.Е. Методы и средства измерения параметров магнитных
полей. — К., 1985. — 392с.
46. Телеников Ф.Е. и др. Теоретические основы информационной техники. — М.:
Энергия, 1971. — 424с.
47. Техническая кибернетика / Под ред. В.В. Солодовникова. Измерительные устрой-
ства, преобразующие элементы и устройства. — М.: Машиностроение, 1973. —
680с.
48. Тиль Р. Электрические измерения неэлектрических величин: Пер. с нем. — М.:
Энергоатомиздат, 1987. — 192с.
49. Фарзане Н.Г. и др. Автоматические детекторы газов и жидкостей. — М.: Энергоато-
миздат, 1983. — 96с.
50. Фрайден Дж. Современные датчики. Спр. М.: Техносфера, 2005. — 592с.
51. Франко Р.Т. и др. Газоаналитические системы и приборы. М.: Машиностроение. —
218с.
52. Харкевич А.А. Теория преобразователей. — М. — Л.: Госэнергоиздат, 1948. — 188с.
53. Харкевич А.А. Избранные труды. — М.: Наука, 1973. т.1 — 400с.
54. Хомерики О.К. Гальваномагнитные элементы и устройства автоматики и вычисли-
тельной техники. — М.: Энергия, 1975. — 176с.
55. Храмов А.В. Первичные измерительные преобразователи измерительных приборов
и автоматических систем. — К.: Вища шк., 1988. — 527с. (на укр.).
56. Sharapov V. Piezoceramic sensors. — Springer, 2011.- 498p.
57. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики. —
М.: Техносфера, 2006. — 632с.
58. Шарапов В.М., Шарапова Е.В. Универсальные технологии управления. — Москва:
Техносфера, 2006. — 632 с.
59. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезокерамические преобразовате-
ли физических величин. — Черкассы: ЧГТУ, 2005. — 496с.
60. Шульц Ю.Электроизмерительная техника: 1000 понятий для практиков: Спр.: пер.
с нем. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 288с.
61. Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. —
Изд. 5-е перераб. и доп. — Л.: Энергия, 1975. — 576с.
62. Эрлер В., Вальтер Л. Электрические измерения неэлектрических величин полупро-
водниковыми тензорезисторами. — М.: Мир, 1974. — 286с.
63. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. — М.: Машино-
строение, 1989. — 360с.
64. Norton, Handbook of Transducers. Pretice-Hall, Englewood cliffs, NI, 1989.
65. Thomson, S. Control Systems: Engineering & Design. Longman Scientific & Technical,
Essex, UK, 1989.
66. White, R.W. A sensor classification sceme. In.: Microsensors. IEEE Press, New York,
1991.
26 Глава 1. Основные понятия и определения. Классификация датчиков
Глава 2
Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
2.1. Общие сведения
Всякий измерительный прибор или устройство могут быть, представлены в
виде цепи той или иной структуры, состоящей из ряда преобразователей, име-
ющих различное функциональное значение и принцип действия. Такие преоб-
разователи могут быть предназначены как для преобразования одной физиче-
ской величины в другую (аналоговые), так и для превращения непрерывных
(аналоговых) величин в ряд дискретных — мгновенных или квантованных
(округленных) — значений и наоборот.
Общая теория аналоговых преобразователей основывается на энергетиче-
ских представлениях, устанавливающих связи между выражениями энергии,
запасенной в системе, и возникающими в ней силами. В области измеритель-
ных преобразователей подобные представления получили широкое развитие в
результате работ А.А. Харкевича, Л.А. Островского, Е. Г. Шрамкова и др. [3,
8]. Эти работы позволили осуществить наиболее общий подход к преобразова-
телям физических величин как к обобщенным четырехполюсникам, причем
теория распространяется только на обратимые преобразователи аналоговых
величин, для которых справедлив принцип взаимности.
Обычно энергию любой системы по аналогии с механическими системами
можно представить произведением двух величин, одной из которых является
сила, а другой — перемещение (координата). Выбор физических величин, ко-
торые были бы эквивалентны механической силе и перемещению, в значите-
льной степени условный, но их произведение должно соответствовать энергии
как физической величине. В качестве обобщенных параметров можно принять
также силу и скорость (производная перемещения во времени), произведение
которых соответствует мощности как физической величине.
Для нахождения связи между силами и перемещениями движущейся сис-
темы тел широко используются уравнения Лагранжа второго рода. Эти уравне-
ния дают возможность сравнительно легко решать задачи динамики связанных
систем.
Полученные для механических систем уравнения Лагранжа используются и
для других, немеханических систем. Так, они были использованы Д.Максвеллом
для изучения электромагнитных явлений, В.Томсоном (лордом Кельвином) для
изучения тепловых явлений, вследствие чего были созданы соответственно теоре-
тические основы электродинамики и теоретические основы термодинамики.
В общем случае в уравнениях Лагранжа в качестве обобщенных координат
могут быть приняты любые физические величины, которые определяют энерге-
тическое состояние системы. Это дает возможность использовать уравнения Лаг-
ранжа для анализа работы измерительных преобразователей (ИП), входные и вы-
ходные величины которых могут быть величинами разной физической природы.
Таким образом, измерительный преобразователь (рис. 2.1), может описы-
ваться уравнениями Z-формы обобщенного пассивного четырехполюсника [3]:
F Z 1 11v1 Z12v2;
(2.1)
F2 Z21v1 Z22v2.
Сопротивления Z11 и Z 22 определяются
как отношения соответствующих обобщен-
ных сил к обобщенным скоростям при усло-
вии отсутствия движения (v = 0, режим холо-
стого хода) на противоположной стороне. В режиме холостого хода также
определяются сопротивления Z12 и Z 21 . Таким образом, значения всех этих
сопротивлений не зависят от свойств последующих устройств, которые могут
быть подключены к преобразователю, и характеризируют лишь свойства ИП.
Поэтому сопротивления Z11 и Z 22 называют собственными входным и выход-
ным сопротивлениями преобразователя, а Z12 и Z 21 — собственными взаим-
ными (передаточными) сопротивлениями. Далее будет показано, что Z12 и Z 21
имеют смысл коэффициентов преобразования.
При присоединении к выходу преобразователя некоторого обобщенного
сопротивления Z Н входное сопротивление преобразователя определится как
Z
F
v
Z Z
v
v
Z
Z Z
Z Z
вх Z Z
Н
1
1
11 12
2
1
11
12 21
22
11 , (2.2)
поскольку, исходя из второго уравнения четырехполюсника при присоединен-
ном Z H (рис. 2.2.), отношение
v
v
Z
ZН Z
2
1
21
22
(здесь Z
F
v H 2
2
, и по своей
физической сути является сопротивлением нагрузки; знак минус учитывает
противоположность направлений выходной обобщенной силы и выходной
обобщенной скорости в Z-форме уравнений четырехполюсника).
Из последнего выражения следует, что входное сопротивление ИП в об-
щем отличается от его собственного входного сопротивления, т.е. сопротивле-
ния Z11 на значение так называемого внесенного сопротивления Z, которое
обратно пропорционально сумме собственного выходного сопротивления и
сопротивления нагрузки.
2.2. Обобщенный генераторный преобразователь
Приведенные выше уравнения измерительного преобразователя как четырех-
полюсника касаются, как уже было сказано, преобразователей, для которых
справедлив принцип обратимости. Такими являются генераторные преобразо-
Рис. 2.1. Измерительный преоб-
разователь как четырехполюсник
ватели, которые вследствие действия входной величины генерируют на выходе
определенный энергетический процесс. Исходя из Z-формы уравнений и учи-
тывая выражение для входного сопротивления, эквивалентную схему генера-
торного преобразователя можно представить в виде, который изображен на
рис. 2.2, где Fi — источник входной силы с внутренним сопротивлением Zi .
В зависимости от того, какие из входных и выходных параметров являются
информативными, решая уравнение четырехполюсника, можно найти уравне-
ние преобразования измерительного преобразователя и соответственно коэф-
фициенты преобразования, выраженные через обобщенные сопротивления:
v kF
Z
Z Z Z Z Z
F
Н
2 1 1
21
12 21 11 22
1
( )
, (2.3)
F kF
Z
Z
Z
Z Z Z Z
F
Н
2 2 1
21
11 11 22 12 21
1 1
( )
, (2.4)
v kv
Z
Z Z
v
Н
2 31
21
22
1
, илиF kv
Z
Z
Z
v
Н
2 41
21
22
1
1
. (2.5)
Приведенные уравнения связывают входные и выходные параметры преоб-
разователя в наиболее общем случае его работы с нагрузкой. Характеризиро-
вать работу ИП в первом приближении можно более простыми формулами.
Действительно, режим работы ИП с выходным информативным параметром в
виде обобщенной силы F2 должен быть близким к холостому ходу Z Н , а
режим роботы ИП с информативным параметром в виде обобщенной скоро-
сти v2 — близким к короткому замыканию(Z Н 0). Тогда:
v
Z
Z Z Z Z
2 F
21
12 21 11 22
1
, F
Z
Z
2 F
21
11
1; (2.6)
v
Z
Z
2 v
21
22
1,F2 Z21v1. (2.7)
Коэффициенты преобразования k1,k2,k3 и k4 для линейных преобразова-
телей постоянны и независимы от аргументов v1 и v2 .
2.2. Обобщенный генераторный преобразователь 29
Рис. 2.2. Эквивалентная схема генераторного преобразователя
Коэффициенты Zik в приведенных выше уравнениях измерительных пре-
образователей являются операторными сопротивлениями и равны:
Z ik = p m ik pRik Wik
2 ,
где mik , Rik и Wik — обобщенные параметры преобразователя, соответственно
обобщенная масса, обобщенное активное сопротивление и обобщенная упру-
гость.
Таким образом, выражая операторное сопротивление Zik через параметры
преобразователя, можно перейти к дифференциальному уравнению преобразо-
вателя. В наиболее общем случае дифференциальное уравнение преобразова-
теля в операторной форме с входной Х(t) величиной и выходной Y(t) величи-
ной (рис. 2.3) будет выглядеть как:
(anp a p a )Y(t) (b p b p b )X(t).
n
n
n
m
m
m
m
1
1
0 1
1
0 (2.8)
Простейшие ИП могут с достаточной
точностью определяться дифференциаль-
ными уравнениями первого или второго
порядков.
Уравнения измерительного преобразо-
вателя как четырехполюсника и его диффе-
ренциальные уравнения с обобщенными
входными и выходными параметрами описывают работу обобщенного преоб-
разователя. Используя эти уравнения для оценки работы реальных преобразо-
вателей тех или иных физических величин, применяют методы аналогий, ко-
торые основаны на аналогии между обобщенными силами, перемещениями,
скоростями и сопротивлениями различной физической природы.
2.3. Метод электромеханических аналогий
Метод электромеханических аналогий является очень удобным средством ис-
следования внутренней структуры преобразователей [3, 7].
Этот метод позволяет заменить уравнения движения данной механической
системы соответствующими уравнениями для эквивалентной электрической
цепи, что существенно упрощает задачу исследования. Таким путем определя-
ются, например, частотные и переходные характеристики механических сис-
тем преобразователей различной конструкции и назначения, причем в боль-
шинстве случаев задача сводится к исследованию некоторого эквивалентного
колебательного контура, свойства которого всесторонне изучены в теории
электрических цепей.
Методом исследования, не требующим знания механизма системы, яви-
лись уравнения Лагранжа второго рода, причем в качестве обобщенных коор-
динат Максвелл выбрал количество электричества, а обобщенной скорости со-
ответственно электрический ток, т.е.
i
dq
dt
, (2.9)
где q — количество электричества.
30 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
Рис. 2.3. Измерительный преобра-
зователь как структурный элемент
Если рассматривать обобщенную силу в качестве причины изменений в
системе, то, как уже указывалось, она должна быть выбрана так, чтобы произ-
ведение силы на приращение обобщенной координаты равнялось произведен-
ной работе. Такой силой при выбранных Максвеллом обобщенных координа-
тах становится электродвижущая сила.
В начале своего развития теоретическая электротехника использовала ма-
тематический аппарат теоретической механики [6].
В скором времени, однако, последовало развитие и совершенствование
собственных методов электротехники. Наличие обильного количества готовых
решений электротехнических задач привело впоследствии к обратному про-
цессу, т.е. к перенесению более развитых методов электротехники на решение
задач механики. Так возник метод электромеханических аналогий, основы ко-
торого вытекают из сравнения аналогичных по форме уравнений механиче-
ских и электрических систем [2, 3, 7, 8].
Приведем для примера такие широко известные уравнения:
1. Уравнение электродвижущихсил для последовательного колебательного
контура, находящегося под действием синусодальной ЭДС,
L
di
dt
Ri
C
idt Em t 1
sin , (2.10)
где L, R и С — индуктивность, сопротивление и емкость контура соответст-
венно.
Это же уравнение можно переписать, выразив все токи через количество
электричества:
L
d q
dt
R
dq
dt C
q Em t
2
2
1 sin . (2.11)
Подавляющее большинство электромеханических измерительных преобра-
зователей представляет собой механические системы с одной степенью свобо-
ды. Имея почти всегда два разнородных накопителя энергии в виде массы и
гибкости пружины, такие системы описываются дифференциальными уравне-
ниями второго порядка и схематично могут быть изображены так, как это сде-
лано для систем с поступательным и вращательным движением на рис. 2.4.
Уравнения движения этих систем, как известно из теоретической механики,
могут быть написаны в различных формах.
2. Уравнение поступательного движения
массы, установленной на пружине, имеет
вид:
m
d x
dt
R
dx
dt C
m x F t
x
m
2
2
1 sin , (2.12)
где m, R и Сх — соответственно масса, ме-
ханическое сопротивление поступательно-
му движению и эластичность, или гиб-
кость пружины.
Справа, как всегда, находится внеш-
няя, синусоидально меняющаяся сила.
2.3. Метод электромеханических аналогий 31
а) б)
Рис. 2.4. Механические колебатель-
ные системы с поступательным (а)
и вращательным (б) движением
3. Уравнение вращательного движения массы на упругом подвесе имеет со-
вершенно аналогичную форму:
J
d
dt
P
d
dt C
Dm t
2
2
1
sin , (2.13)
где J — момент инерции системы: Р — коэффициент успокоения, который,
как далее показано, оказывается механическим сопротивлением вращательно-
му движению; С — эластичность растяжек или пружин.
Как правило, пользуются величиной, обратной эластичности, называемой
удельным противодействующим моментом W, где
W
C
1
. (2.14)
Угловое отклонение системы принято обозначать через .
Приведенные уравнения аналогичны по форме, в результате чего анало-
гичны и их решения.
Не останавливаясь на решении этих уравнений, укажем, что во всех случа-
ях достаточно просто можно найти отношение действующей силы к возника-
ющей вследствие этого скорости, т. е. сопротивление.
Так можно получить модули полных сопротивлений:
а) для электрической цепи
Z R L
C
2
2 1
; (2.15)
б) для механической системы с поступательным движением
Z R mCm m
x
x
2
2
1
; (2.16)
в) для механической системы с вращательным движением
Z P J
W
m
2
2
. (2.17)
Сопоставление как исходных дифференциальных уравнений, так и вы-
ражений для полных сопротивлений приводит к возможности обоснова-
ния первой системы аналогий, представленной в виде сводки аналогов в
табл. 2.1.
Рассмотрим теперь основные принципы, используемые для построения экви-
валентныхэлектрическихцепей при помощи метода аналогий.
Система электромеханических аналогий позволяет строить схемы электри-
ческих цепей, эквивалентные механическим, при условии соблюдения опреде-
ленных правил [3].
Для составления механических схем самих измерительных преобразовате-
лей пользуются представлениями об основных механических элементах или
32 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
механических двухполюсниках. Различают следующие основные механические
элементы.
Таблица 2.1. Механические и электрические аналоги
Механические величины Электрические аналогии
Линейное перемещение
Угловое перемещение
x
Механическая скорость dx
dt
d
dt
,
Действующая сила F или момент D
Сила реакции системы Fx, момент М
Полное механическое сопротивление
Механическое сопротивление потерь
Масса m, момент инерции J
Эластичность, гибкость пружины
Упругость, удельный противодейству-
ющий момент
Количество электричества q
Электрический ток I dq
dt
Электродвижущая сила Е
Напряжение U
Полное электрическое сопротивление
Активное сопротвление R
Индуктивность L
Электрическая емкость С
Величина, обратная емкости, т.е. 1/С
Элементом массы считают систему, состоящую из конечной массы m и
точки, связанной с бесконечно большой массой, служащей началом системы
отсчета. В качестве такой бесконечно большой массы принимается масса Зем-
ли. Наличие связи с бесконечной массой вытекает из представления сил как
некоторых натяжений, а это предусматривает по крайней мере два взаимодей-
ствующих тела.
Элемент массы условно изображают, например, так, как это показано на
рис. 2.5, а.
Элементом упругости является идеализированный элемент, у которого лю-
бому относительному перемещению концов противодействует только упругая
сила Fx или момент М, причем соблюдаются равенства:
где Сх — эластичность или гибкость элемента;
W — удельный противодействующий момент.
Элемент упругости изображается так, как показано на рис. 2.5, б.
2.3. Метод электромеханических аналогий 33
а) б) в) г)
Рис. 2.5. Элементы механических систем: а — масса; б — упругость; в — эле-
мент успокоения (трения); г — обобщенный механический элемент
Под элементом успокоения обычно понимают такой идеальный двухполюс-
ник, у которого любое относительное перемещение концов связано с сопро-
тивлением силы трения, пропорциональной скорости, т. е.
F
C
x x
x
1
;M W ,
F R
dx
dt усп м
или
M P
d
dt усп
.
В обоих случаях направление силы (момента) и перемещения противопо-
ложны. Элемент успокоения изображен на рис. 2.5, в.
На схемах любой механический элемент, если он представляется обобщен-
но, а не конкретно, часто изображается так, как показано на рис. 2.5,г.
Механические элементы могут соединяться друг с другом по-разному, при-
чем простейшими соединениями являются соединения цепочкой (рис. 2.6,а)
или узлом (рис. 2.6, б).
Из определения механических элементов и указанных способов их про-
стейших соединений вытекают такие основные следствия.
Соединение элементов цепочкой. При соединении элементов цепочкой спра-
ведливы следующие условия:
1. Относительное перемещение концов цепочки равно сумме относитель-
ных перемещений концов каждого из элементов.
2. Относительная скорость концов цепочки равна сумме относительных
скоростей концов элементов.
Если сопоставить это правило с законом распределения токов в электриче-
ской цепи, станет ясно, что соединение цепочкой соответствует не последова-
тельному, а параллельному соединению, так как только при параллельном со-
единении токи складываются.
Из условия равновесия всей системы сила, действующая на каждый эле-
мент цепочки, равна приложенной силе. Последнее условие соответствует
электродвижущей силе, приложенной к элементам электрической цепи, сое-
диненным параллельно.
Таким образом, соединение механических элементов цепочкой соответству-
ет параллельному соединению элементов электрической цепи. Отсюда также
следует, что. податливость механической системы, т. е. величина, обратная ме-
ханическому сопротивлению, равна сумме податливостей отдельных элементов.
34 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
а) б)
Рис. 2.6. Соединение элементов цепочкой (а) и узлом (б)
Соединение элементов в узлы. Предполагая соединение концов абсолютно
жестким, легко прийти к следующим выводам:
1. Относительное перемещение узлов, как это видно из рис. 2.6,б, равно
относительному перемещению концов каждого элемента.
2. В соответствии с этим относительная скорость узла равна относитель-
ной скорости концов скрепленных элементов. Такое равенство скоростей ха-
рактерно не для параллельного, а для последовательного соединения элемен-
тов электрической цепи, так как при этом токи в каждом из элементов оди-
наковы.
3. Сумма реакций всех элементов узла равна приложенной внешней силе.
В электрической цепи этому соответствует сумма падений напряжений на по-
следовательно включенных элементах.
Перечисленные свойства показывают, что соединение механических эле-
ментов в узлы соответствует последовательному соединению элементов элект-
рической цепи. Если же говорить о механическом сопротивлении такой систе-
мы, то оно равно сумме сопротивлений отдельных элементов.
Основные примеры аналогий между механическими и электрическими це-
пями приведены в табл. 2.2, где для вращательного движения специальных
обозначений не предусмотрено.
Нужно отметить то обстоятельство, что всякая реальная механическая сис-
тема в действительности всегда является системой с распределенными посто-
янными. Рассмотрение подобных систем при помощи эквивалентных схем с
сосредоточенными параметрами является приближением, степень и допусти-
мость которого зависят от конкретных условий задачи. Здесь под приближени-
ем понимается сохранение в эквивалентной системе некоторого числа свойств
реальной системы. Чем большее число свойств требуется сохранить, тем силь-
нее усложняется эквивалентная схема и тем труднее становится ее исследо-
вание.
По этой причине всегда важно суметь выделить главные свойства, чтобы
разумно пожертвовать второстепенными. Методы исследования механических
систем с распределенными постоянными при помощи аналогий подробно рас-
сматриваются в электроакустике [2, 3, 7, 8].
Следует отметить, что соответствующие аналогии построены для электро-
магнитных электротепловых цепей и устройств [1, 3, 8].
Обобщенные параметры и их аналогии в цепях разной природы приведены
в табл. 2.3.
В таблице 2.3 использованы следующие обозначения: — удельное элект-
рическое сопротивление; — удельное магнитное сопротивление; m —
плотность тела; l и S — длина и площадь поперечного сечения цепи соответст-
вующей физической природы; w — количество витков; FТр = РНSTp (тут: PH —
давление, нормальное к поверхности трения STp ); kTp — коэффициент трения;
e d /dt— удельная ЭДС, то есть ЭДС, которая наводится в одном витке;
0 — электрическая постоянная; 0 — магнитная постоянная; Q — тепловая
энергия системы (количество теплоты); CQ — удельная теплоемкость, и —
относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости.
2.3. Метод электромеханических аналогий 35
Таблица 2.2. Аналогии механических и электрических цепей
Механическая цепь Электрический аналог
36 Глава 2. Элементы общей теории измерительных преобразователей (датчиков)
Таблица 2.3. Обобщенные параметры и их аналогии в цепях разной природы
Обобщенный
параметр
Природа цепи
Механическая Электрическая Магнитная Тепловая
Обобщенная
сила
F [H]
сила
U [B]
напряжение
F = I w [A]
магнитодвижущая
сила
T [K]
разность
температур
Обобщенная
координата
x [м]
перемещение
q [Кл], [А c]
заряд
F [Вб], [В с]
магнитный поток
SQ = Q/Tср [Дж/К]
энтропия
Обобщенная
скорость
v = dx/dt
[м/с]
скорость
I = dq/dt [A]
ток
е = d /dt [B]
скорость измене-
ния магнитного
потока (ЭДС)
vQ = dSQ/dt [Вт/K]
скорость
изменения
энтропии
Обобщенное
сопротив-
ление
Rтр = kтрFтр
[H c/м]
сопротив-
ление
трения
R = l
S
[Ом]
активное
сопротивление
R =
l
S
[См]
активная состав-
ляющая магнитно-
го сопротивления
Rт = Тсрl/ TS
[K2/Bт]
тепловое
сопротивление
Обобщенная
масса
(индук-
тивность)
m = m l S
[кг]
масса
L = 2 0
S
l
[Гн]
индуктивность
(контура)
L S
l
0 [Ф]
магнитная
индуктивность
—
Обобщенная
эластичность
(емкость)
CН = x/F
[м/Н]
эластичность
С = 0
S
l
[Ф]
емкость
С = 0
S
l
[Гн]
магнитная
емкость
Ст = m СQ/Tср
[Дж/К2]
тепловая емкость
Литература
1. Зарипов М.Ф., Петрова Н.Ю. Проблемы информационной базы систем управления.
Уфа: Башкирский филиал АН СССР, 1979.
2. Ольсон Г. Динамические аналогии. — М.: Изд. ин. лит., 1947.
3. Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. — Л.:
Энергия, 1971. — 544с.
4. Гаврилюк М.А., Полищук Е.С., Обозовский С.С. и др. Электрические измерения
электрических и неэлектрических величин. /Под ред. Е.С.Полищка. — Киев: Вища
школа, 1984. — 360 с.
5. Полищук Е.С. Измерительные преобразователи. — Киев: Вища школа, 1981. — 296
с.
6. Савин Г.Н., Путята Т.В., Фрадлин Б.Н. Курс теоретической механики. — Киев:
Вища школа, 1973. — 360с.
7. Фурдуев В.В. Электроакустика — М.: Гостехиздат, 1948.
8. Харкевич А.А. Избранные труды. — М.: Наука, 1973. т.1 — 400 с.