Взаимодействие преобразователей с внешней средой

Физические величины и поля. Принципы

их преобразования.

Физическая величина – особенность, свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и т.д.), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Примерами физических величин являются масса, длина, плотность, вязкость, показатель преломления, перемещение, скорость, ускорение и т.д.

Они в свою очередь классифицируются на:

· Электрические

· Магнитные

· Тепловые

· Акустические

· Механические и т.д.

Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения.

Поле физическое – особая форма материи; система с бесконечным числом степеней свободы. К физическому полю относится электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным частицам (например электронно-позитронное поле).

Источниками физических полей являются частицы (например электромагнитного поля – заряженные частицы).

Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются магнитный поток, магнитная индукция, напряженность магнитного поля.

Измеряемые магнитные величины обычно предварительно преобразуют в электрические, более удобное для измерения. Преобразователи магнитных величин в электрические строятся на основе явлений электромагнитной индукции, ядерного магнитного резонанса, гальваномагнитного и некоторого других.

В процессе эксплуатации датчики располагают непосредственно на объекте измерения.

Условия эксплуатации на современных объектах измерения весьма разнообразны. Это могут быть лабораторные условия с температурой, давлением и влажностью, колеблющимся в незначительных пределах, могут быть весьма жесткие условия стендовых испытаний реактивного двигателя или же уникальные внешние условия космического полета.

В процессе проектирования обеспечивается устойчивость датчиков к воздействию заданного комплекса внешних условий.

Параметрами основных из влияющих факторов являются: температура, вибрации, уровень акустического давления, пониженное давление, колебания питающего напряжения, электромагнитные поля, агрессивная среда, радиация.

Обобщенная математическая модель измерительного устройства (датчика).

Как правило, датчик может представлять как систему, имеющую несколько входов (рис.), причем на основной вход действует измеряемая величина, а на дополнительные – внешние влияющие факторы.

Схема влияния на датчик влияющих величин.

Как сама измеряющая величина, так и влияющие факторы случайными функциями времени.

Воздействуя на датчик, влияющие факторы вносят искажения в выходной сигнал датчика. Следовательно, погрешность будет являтся случайной функцией, аргументы которой также случайные функции.

В соответствии с введенным понятием датчика как преобразователя сигналов, поступающий по основному и дополнительным входам, представим функцию преобразования в виде:

,

где - выходной сигнал устройства;

f – оператор преобразования;

- дестабилизирующие факторы в функции от времени t

Оператор преобразования в данном случае не лимитирован никакими ограничениями. Эта самая общая многомерная функция, которая может быть для отдельных аргументов как непрерывной, так и дискретной, связанной как с амплитудой, так и с частотой или кодовой модуляцией сигналов с линейными или нелинейными преобразованиями входных величин.

Этот оператор может быть несколько конкретизирован, если принять во внимание некоторые особенности построения измерительных преобразователей.

Зависимость выходного параметра устройства от входного измеряемого параметра во всех случаях выбирают по возможности близкой к линейной. Линейные операторы преобразования отличаются наиболее высокой инвариантностью процесса преобразования, требуют для своего отображения минимального объема информации, легко реализуются в технических устройствах.

В случае аналогового сигнала на входе и на выходе устройства (т.е. использование амплитудной модуляции) функция преобразования представляет собой уравнение прямой в размерных координатах входного и выходного параметров с добавлением некоторой части, обусловленной имеющейся нелинейностью преобразователя.

В случае использования частотной модуляции, когда входной аналоговый сигнал преобразуется в частоту следовании посылок, функция преобразования может быть представлена аналогично.

Наконец, при использовании кодовой модуляции аналоговых величин каждой комбинации используемого кода может быть приписан определенный порядковый номер, в результате чего функция преобразования представляет собой квазилинейную между непрерывным входным параметром и дискретными уравнениями, каждый из которых соответствует одной из возможных кодовых комбинаций.

Учитывая формальное сходство трех описываемых случаев, дальнейший анализ проводят с использованием следующего вида: , где y(t) - выходной сигнал преобразователя; k – коэффициент чувствительности устройства к измеряемому параметру; f₁ – некоторая функция измеряемого параметра и дестабилизирующих факторов, влияющая на коэффициент преобразования устройства; b – начальный уровень выходного сигнала; f₂ – некоторая отличная от f₁ – функция дестабилизирующих факторов, влияющая на начальный уровень выходного сигнала устройства; φ – некоторая отличительная от f₁ и f₂ функция измеряемого параметра и дестабилизирующих факторов, учитывающая реальную нелинейность преобразователя.

Дата добавления: 2014-01-05