Вульвет Дж.
Датчики в цифровых системах
Перевод с английского В. В. МАЛОВА
Под редакцией А. С. ЯРОМЕНКА
МОСКВА
ЭНЕРГОИЗДАТ
1981
В книге, написанной английским специалистом - руководителем школы механики и аэронавтики Политехнического института в Кингстоне обобщены вопросы применения датчиков физических величин в современных цифровых системах контроля и управления. Описаны наиболее распространенные типы структур цифровых систем и применяющиеся в них датчики. Наиболее полно рассмотрены кодирующие преобразователи угла, преобразователи частоты, сельсинные устройства, частотные датчики вибрационного типа, растровые оптические датчики и др. Материал изложен в простой, доступной широкому читателю форме.
Для специалистов в области автоматики и системотехники.
Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах. Пер. с англ, В88 Под ред. А. С. Яроменка. М.: Энергоиздат, 1981.
© 1977: Institution of Electrical Engineers
© Перевод на русский язык, Энергоиздат, 1981
Содержание книги
Датчики в цифровых системах
Предисловие редактора к русскому изданию
Предисловие
Глава первая. Цифровые системы
1.1. Введение
1.2. Устройства цифровой обработки и регистрации данных (регистраторы данных)
1.3. Системы, управляемые ЭВМ
а) Аналоговые системы и коммутирующие устройства
б) Магистральные системы связи
в) Аналоговые и цифровые датчики
Глава вторая. Цифровые кодирующие преобразователи угловых перемещений
2.1. Кодирующие преобразователи абсолютных значений
а) Контактные кодирующие преобразователи
б) Проблемы Считывания
в) Магнитные устройства кодирования угла
г) Оптические кодирующие преобразователи угла
д) Усилители
е) Дополнительные устройства
ж) Оптические интерполяторы
2.2. Накапливающие кодирующие преобразователи положения вала
а) Позиционная логика
б) Сельсинные кодирующие преобразователи
2.3. Цифровые тахометры
а) Электромагнитные имлульсные тахометры
б) Емкостные тахометры
Глава третья. Датчики с частотным выходом
3.1. Преобразователи напряжение — частота
а) Методы измерений
3.2. Автогенераторные датчики
а) Термисторный преобразователь температура - частота
б) Кварцевый преобразователь температура - частота
в) Кварцевый преобразователь давление - частота
г) Датчики со струнными и стержневыми резонаторами
Д) Датчик давления с вибрирующим стержневым резонатором
3.3. Датчик с вибрирующим цилиндром
а) Датчик давления газа
б) Датчик плотности газа
в) Измерение массового расхода
г) Датчик плотности жидкостей
Глава четвертая. Цифровые преобразователи линейных перемещений
4.1. Применение кодирующих преобразователей угла
4.2. Линейные кодирующие преобразователи
а) Кодирующий преобразователь накапливающего типа
б) Особенности конструкции
в) Индуктосины
4.3. Методы муаровых полос
а) Увеличение разрешающей способности
б) Применение растровых решеток в абсолютном преобразователе
Глава пятая. Методы аналогового преобразования
5.1. Особенности построения
5.2. Коммутирующие устройства
а) Механические переключатели
б) Коммутирующие устройства на реле
в) Транзисторные коммутирующие устройства
г) Шумы коммутирующих устройств
5.3. Нормализация сигналов
а) Фильтр нижних частот
б) Место включения фильтров
в) Усилители
г) Подавление помех
д) Цифровая фильтрация
5.4. Аналого-цифровые преобразователи
а) Апертурное время
б) Точность преобразования
в) Источники погрешности
г) Погрешность от воздействия помех
д) Погрешность нелинейности
е) Погрешность коэффициента передачи
ж) Погрешность смещения нуля
з) Методы преобразования
и) Аналоговые методы преобразования
к) Методы обратной связи
л) Цифровая «пила»
м) Метод реверсивного счетчика
н) Метод последовательных приближений
5.5. Заключение
Глава шестая. Преобразователи на сельсинах и синусно-косинусных решающих устройствах
6.1. Сельсинные системы
а) Сельсинная пара
б) Управляемый дифференциальный сельсин
в) Синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ)
г) Индикаторный сельсин-приемник
д) Бесконтактные сельсины
е) Двухотсчетная (двухскоростная) сельсинная система
6.2. Следящие преобразователи
а) Формат СКВТ
б) Преобразователи фазового сдвига
в) Преобразователи на основе функциональных генераторов
г) Следящие преобразователи
д) Следящие преобразователи с высокой разрешающей способностью
6.3. Преобраозватели с выборкой амплитудных значений
а) Методы выборки
б) Преобразователи, построенные по методу последовательных приближений
в) Преобразователь на основе генератора гармонических сигналов
г) Погрешности преобразователей
д) Преобразование цифрового сигнала в сигнал сельсина
Глава седьмая. Другие методы
7.1. Цифровые датчики положения
а) Индуктивные чувствительные элементы
б) Емкостные датчики
7.2. Датчики с силовым уравновешиванием
7.3. Магнитные датчики
а) Магнитный матричный датчик
б) Датчик с магнитной цифровой записью
7.4. Радиационные датчики
7.5. Вихревые датчики
Приложение
Аналоговые датчики
а) Изменения сопротивления
б) Изменения емкостей и индуктивностей
в) Температурные измерения
г) Пьезоэлектрические приборы
д) Системы датчиков
Список литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
За последние 15—20 лет достигнуты большие успехи в разработке самых различных датчиков физических величин, которые стали широко применяться в информационных измерительных системах (ИИС), управляемых во многих случаях специализированными ЭВМ. Появление этой области применения датчиков привело к значительному увеличению числа предъявляемых к ним требований: наряду с традиционными требованиями точности, быстродействия, помехоустойчивости существенное значение приобрели требования по технологичности, взаимозаменяемости, стоимости, а также по согласованию выходов датчиков с входными устройствами ИИС.
В предлагаемой читателям книге Дж. Вульвета рассмотрены датчики физических величин (положения, перемещения, уровня, скорости, давления, деформаций и др.), предназначенные для применения в составе цифровых ИИС, систем управления и приборов, содержащих цифровые устройства обработки и регистрации данных. Несмотря на сравнительно небольшой объем книги, автор попытался рассмотреть и систематизировать основные типы существующих датчиков, а также сопрягаемые с ними входные устройства ИИС. Кроме цифровых и частотных датчиков, которым уделено основное внимание, автором описаны также аналоговые датчики, выходные сигналы которых преобразуются в цифровые коды с помощью аналого-частотных преобразователей (АЧП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП).
В отечественной литературе наиболее близкой к работе Дж. Вульвета является, по-видимому, книга П. В. Новицкого, В. Г. Кнорринга и В. С. Гутникова «Цифровые приборы с частотными датчиками».
Настоящая книга в основном имеет обзорный характер: большинство рассмотренных автором датчиков уже описано в технической литературе, относительно малое внимание уделено анализу функциональных узлов датчиков и конструкционных особенностей этих узлов.
Следует также отметить, что описания некоторых датчиков из-за краткости изложения не являются достаточно ясными и четкими.
Вместе с тем автор рассматривает целый ряд оригинальных датчиков и цифровых приборов с датчиками, выпускаемых в настоящее время различными зарубежными фирмами (в основном фирмами Великобритании), которые представляют несомненный интерес для специалистов. Большое внимание уделяется вопросам обработки и приведения сигналов датчиков к заданному цифровому формату, а также методам обеспечения высоких точности и быстродействия. Книга содержит самостоятельные разделы по АЦП, АЧП и промежуточным (согласующим) цифровым преобразователям, обеспечивающим сопряжение датчиков с ИИС. Несмотря на отмеченную краткость изложения, для большинства рассмотренных датчиков приведены данные по максимально достижимым точности и разрешающей способности, представляющие практическую ценность.
Указывая на общеизвестные достоинства частотных датчиков и приборов (высокая точность, простое сопряжение с устройствами цифровой обработки, высокие эргономические- показатели, большая помехоустойчивость), автор отмечает, что круг физических явлений, на основе которых могут непосредственно выполняться датчики с частотными и цифровыми выходами, существенно ограничен, и поэтому до настоящего времени аналоговые датчики не утратили возможностей своего применения в цифровых ИИС. Это связано с высокой степенью отработанности основных конструктивных узлов и элементов аналоговых датчиков, а также с бурным развитием техники аналого-цифрового и аналого-часточного преобразования в последние годы, проявившимся в разработке миниатюрных и высокоточных микроэлектронных АЦП и АЧП, обладающих сравнительно невысокой стоимостью, которые могут размещаться непосредственно в самих датчиках.
Например, частотные датчики давления с силочувствительными кварцевыми, резонаторами имеют значительно большую стоимость по сравнению с аналогичными тензорезистивными датчиками давления со встроенными АЧП (§3.2 гл. 3). При использовании в ИИС ЭВМ функции аналого-цифрового преобразования могут осуществляться с относительно малыми дополнительными материальными затратами. Автор отмечает, что при выборе тех или иных датчиков для ИИС далеко не последнюю роль играют технологические и стоимостные показатели, и поэтому общие утверждения на тему, какие датчики являются лучшими — частотные или аналоговые с АЦП — безотносительно к конкретным условиям их применения, не являются достаточно корректными.
Нами использован термин «датчик», которых в наибольшей степени соответствует английскому термину transducer. Поскольку в книге большое внимание уделено рассмотрению вопросов аналого-цифрового и ана-лого-частотного преобразований, термины «преобразователь» и «измерительный преобразователь» (английский термин-аналог convertor) применялись в основном для обозначения устройств этого вида.
Настоящая книга может использоваться в качестве практического руководства для инженерно-технических и научных специалистов в области разработки датчиков для ИИС, а также для студентов и аспирантов технических вузов соответствующих профилей.
А. С. Яроменок
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая работа представляет собой обзор измерительных преобразователей с цифровым выходом. Эти приборы используются преимущественно в системах на базе ЭВМ и в аппаратуре с выводом информации в цифровой форме.
Сегодня при решении задач передачи и обработки данных логические двухуровневые сигналы стали привычны и естественны. Природа, однако, по-видимому, не создала подобных средств, с помощью которых физические параметры — сила, расход, перемещение либо температура— могли бы прямо преобразовываться в код. Единственное исключение, пожалуй, — частотные датчики, в которых при изменениях физического параметра варьируется частота выходного сигнала. В книге приборы этого типа описаны. В любых других цифровых датчиках для создания цифрового выхода требуется дополнительное преобразование исходного аналогового сигнала.
Расширение областей применения цифровых систем контроля и управления определяет растущий интерес к цифровым датчикам. Разработано большое количество методов и приборов подобного типа. Ряд из них сегодня эксплуатируется. Некоторые методы в настоящей работе рассмотрены. Дан также обзор представляющих интерес разработок, не нашедших пока практического применения.
Книга может быть полезна инженерам, имеющим дело с ЭВМ, в которых используется режим обработки данных в реальном масштабе времени, а также для студентов-дипломников и аспирантов, специализирующихся в области измерительных систем.
Скачать книгу Датчики в цифровых системах. Москва, Издательство Энергоиздат, 1981
|
