08_Sen_preobr (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

4

Преобразователи.

Для работы с ЭВМ необходимо кодировать величину выходного параметра датчика. Датчики могут

- непосредственно преобразовывать физическую величину в последовательность импульсов (БИСПИН датчики излучения),

- иметь один уровень преобразования (фотоэлектрические датчики с кодовым диском),

- многоуровневое преобразование (поплавковый уровнемер с потенциометрическим выходом ).

Кодирующие устройства подразделяются на

- шифраторы приращения (перемещение от начального состояния определяется по числу возбуждений датчика, требуются идентификация начального состояния),

- абсолютные шифраторы (имеют сложную кодирующую систему).

Униполярные коды.

Натуральный двоичный код использует сложение весов 2^N разрядов N.

Двоично-десятичный код представляет набор 4-разрядных кодов для каждой цифры десятичного числа (удобен для штрих-кода).

Код Грея предусматривает увеличение (уменьшение) только одного разряда при увеличении (уменьшении) числа на 1. Он удобен для кодирования угла. Он уменьшает неопределенность при измерении последовательных угловых положений.

Кодеры углового положения (А117-р.5.10-с.209) имеют 3 разряда. Недостатком натурального двоичного кодирования проявляется даже при небольшой разъюстировке старшего значащего разряда кодера. Так кодовая комбинация 011 может перейти в комбинацию 111, что приводит к ошибке в 180⁰ . Аналогичная разъюстировка кодера Грея приведет к ошибке, не превышающей одного младшего значащего разряда.

1. Кодирующие датчики с (одним уровнем преобразования).

1.1. Фотоэлектрические цифровые устройства дают на выходе импульсы, число которых N пропорционально углу поворота вала . На валу устанавливают диск с прорезями по внешнему контуру. Диск при повороте модулирует световой поток источника. Под действием этого потока фотоэлемент формирует импульсы.

И сточник света Фотоэлемент

В ал N = k 

Диск

Рис. Схема фотоэлектрического кодового датчика угла поворота.

Диск КД с концентрически расположенными прорезями

(рис.А11-8.33) может кодировать величину угла поворота вала. Группа прорезей одного диаметра относительно центра вала образуют один разряд. Диск служит для образования 3-разрядного двоичного кода. Для каждого разряда имеется свой фотоэлемент ФЭ.

При повороте диска от 0 до 45 световой поток не падает на фотоэлементы - это соответствует коду 000. при повороте от 45 до 90 освещается ФЭ1 - код 001. Т.о. определяется cтатическое положение вала. Для повышения точности увеличивают число разрядов (бывают до 19).

Кроме фотоэлектрического кодирования применяется

- механическое (контакты на проводниках в местах прорезей диэлектрической подложки),

- емкостное (емкостная связь диска и чувствительного элемента),

- индукционное ( для каждого разряда устанавливается свой индукционный преобразователь или датчик Холла, в том числе в составе логической МУМС).

1.2. Для представления выходного параметра в цифровом виде используется многоэлементная фоторезистивная структура

(рис.А17-6.1). Кодовая топология формируется непосредственно в фотопроводящем слое и представляет собой последовательность регулярно расположенных фоточувствительных ячеек 1 и нечувствительных промежутков 2. Каждая группа ячеек, ответственных за формирование сигнала двоичного разряда преобразования, объединена планарными электродами 4. Образованная при этом разрядная группа ячеек содержит 2 идентичные кодовые дорожки с общим сигнальным электродом и 2 наружными электродами питания U. Выходной сигнал каждой разрядной группы, выделяемый на соответствующем сопротивлении нагрузки R_н , определяется протекающим через фото-ячейки этой группы током. Ток зависит от суммы темновой проводимости неосвещенного и световой проводимости освещенного участков дорожки.

При возбуждении кодового фоторезистора световым штрихом через фокон по линии считывания 00¹ возникает набор проводимостей (₁,.._n) разрядных групп, благодаря чему на нагрузочных сопротивления выделяются напряжения низкого или высокого уровней (U₁,..U_n). Полученное сочетание сигналов образует кодовое слово, обозначающее координату светового штриха.

В качестве кода преобразования используется код Грея благодаря

- однопеременности, устраняющей неоднозначность считывания на границах пространственных квантов преобразования,

- удвоения длины фоточувствительных ячеек в младшем разряде, что улучшает технологическую воспроизводимость малоразмерных элементов.

2. Многоуровневые преобразователи.

2.1. Преобразователи типа “выходной параметр датчика - напряжение - АЦП”.

Мосты неуравновешенные позволяют определять изменение параметра ( R, C, L) по значению тока или напряжения выходной диагонали моста U_б-г. При большом входном сопротивлении последующего преобразователя

U_б-г = U ( Z₁ Z₄ - Z₂ Z₃ ) / ( ( Z₁ + Z₂ ) ( Z₃ + Z₄ ))

В зависимости от параметра измерения различаются нагрузки моста (табл.А11-7.1).

б

Z₁ Z₂

U_б-г а Z_вх в

Z₃ Z₄

г

U

Рис. Схема одинарного моста.

( Мост уравновешивающий использует принцип компенсации измеряемого параметра, добиваясь U ( I ) = 0. Он скорее является регулятором, чем преобразователем. )

Преобразование фазы в напряжение (в датчиках размеров, расстояний) может производится по схеме (рис. А11.6.14) . Формирователи импульсов ФИ₁ и ФИ₂ вырабатывают короткие импульсы в момент перехода напряжения U₁ и U₂ через ноль от отрицательных значений к положительным. Сформированные импульсы управляют электронным ключом В, который замыкается при поступлении импульса от ФИ₁ и размыкается при поступлении импульса от ФИ₂ . В результате на нагрузке R от источника стабильного напряжения (ИСН) выделяются импульсы длительностью  и амплитудой U₀ . Среднее значение напряжения этих импульсов U_ср = U₀  / T =  U₀ / 360.

Преобразование ток - напряжение может реализоваться с помощью операционного усилителя (рис. А60-25б).

Согласование высокоомного выходного сопротивления датчика (например, электролитического для определения концентрации жидкости) может производится с помощью буферного каскада на операционном усилителе (рис. А60-25а).

Кодирование напряжения U производится с помощью АЦП. Для получения оптимального для АЦП уровня напряжения U при промежуточном преобразовании, а также для ЭДС термопары, ЭДС Холла) используются инвертирующие и неинвертирующие операционные усилители (рис.А60-24). Для ряда датчиков необходимо ослабление выходного сигнала: тахогенератора, индуктосина, вращающегося трансформатора.

2.2 Преобразователи типа “выходной параметр датчика - частота”.

Емкостные и индукционные датчики могут включаться в колебательный контур генератора, изменяя его частоту f.

Если датчик удален от вычислительного устройства (ВУ), удобно преобразование “аналоговое напряжение - частота”. Работа на разных частотах позволяет передавать информацию от разных датчиков по одному тракту. У цифровой системы выше помехозащищенность.

Частота f ( =1/Т ) является одним из видов кодов ВУ, поскольку легко рассчитывается с помощью счетчика и таймера (число импульсов N за интервал времени t : N = t / T = t f ).