パラメトリック測定トランスデューサ。 機能トランスデューサー: 測定、パラメトリック、ジェネレーター

使用されるほとんどの測定器の主な要素は一次測定トランスデューサーです。その目的は、測定された物理量 (入力量) を、原則として、さらなる処理に便利な電気的な測定情報信号 (出力量) に変換することです。 。

一次コンバータはパラメトリックとジェネレータに分けられます。 パラメトリックトランスデューサでは、出力値は、電気回路の何らかのパラメータ（抵抗、インダクタンス、キャパシタンスなど）、発電機の出力値（EMF、測定値のエネルギーから生じる電流または電荷）の変化です。

入力値が圧力、力、またはトルクである測定トランスデューサには、さまざまな種類があります。 一般に、これらのトランスデューサでは、入力値が弾性要素に作用してその変形を引き起こし、それが観察者（機械的指示計器）によって知覚される信号または電気信号に変換されます。

トランスデューサの慣性特性は、大部分が弾性要素の固有振動数によって決まります。固有振動数が高いほど、トランスデューサの慣性は低くなります。 構造用合金を使用する場合のこれらの周波数の最大値は 50 ～ 100 kHz です。 結晶材料 (石英、サファイア、シリコン) は、高精度トランスデューサーの弾性要素の製造に使用されます。

抵抗コンバータはパラメトリックコンバータであり、その出力値は電気抵抗の変化であり、機械的、熱的、光、磁気などのさまざまな物理的性質の量の影響によって引き起こされる可能性があります。

電位差変換器は加減抵抗器であり、そのエンジンは測定値 (入力値) の影響を受けて動きます。 出力量は抵抗値となります。

電位差トランスデューサは、レベル ゲージやセンサー (圧力など) の調整体 (直線および角度) の位置を測定し、弾性感知要素の変形を測定するために使用されます。 電位差変換器の利点は、大きな出力信号、計測特性の安定性、高精度、およびわずかな温度誤差です。 主な欠点は、周波数範囲が狭いこと（数十ヘルツ）です。

ひずみゲージの動作は、導体と半導体の機械的変形中の抵抗の変化 (テンソル効果) に基づいています。 ワイヤ (またはフォイル) ひずみゲージは、直径 0.02 ... 0.05 mm のジグザグに湾曲した細いワイヤ、または 4 ... mm のフォイル テープです。 出力銅導体はグリッドの端に接続されます。 トランスデューサは部品に接着されており、その表面層の変形を感知します。

部品や構造のひずみと応力を測定する場合、原則として測定チャンネルを校正することはできず、測定誤差は 2 ～ 10% です。 一次測定トランスデューサにひずみゲージを使用する場合、校正によって誤差を 0.5 ～ 1% に減らすことができます。 このタイプのひずみゲージの主な欠点は、出力信号が小さいことです。

測定トランスデューサの弾性感応要素の小さな変形を測定するには、シリコンまたはサファイアで作られた弾性要素上に直接成長させた半導体ひずみゲージが使用されます。

最大 5 kHz の周波数で動的変形を測定する場合、ベースが 10 mm 以下のワイヤまたはフォイルひずみゲージを使用する必要があり、それらの最大変形は 0.1% (半導体の場合は 0.02%) を超えてはなりません。

圧電トランスデューサの動作は、結晶変形中の電荷の出現 (直接圧電効果) に基づいています。

圧電トランスデューサは、急速に変化する量を測定する機能を備え (トランスデューサの固有周波数は 200 kHz に達します)、信頼性が高く、全体の寸法と重量が小さくなります。 主な欠点は、結晶表面からの電気漏れのため、ゆっくりと変化する量の測定と静的校正の実行が難しいことです。

静電コンバータは、誘電率 e の媒体内に距離 d で平行に配置された面積 F の 2 つの電極 (プレート) として概略的に表すことができます。

通常、これらのコンバータは、出力値が静電容量の変化（この場合は容量性と呼ばれます）となるように設計されており、入力値はギャップ d または面積 F を変化させる機械的変位、または温度、化学組成などの変化による媒体の誘電率の変化。

静電コンバータの出力値としては、静電容量に加えてEMFも使用されます。 電場内の電極の相互運動によって生成されます (ジェネレーター モード)。 たとえば、コンデンサー マイクはジェネレーター モードで動作し、音響振動のエネルギーを電気エネルギーに変換します。

静電コンバータの利点は、ノイズや自己発熱がないことです。 ただし、干渉を防ぐために、接続線とコンバータ自体を慎重にシールドする必要があります。

誘導コンバータの場合、出力値はインダクタンスの変化であり、入力値はコンバータの個々の部品の動きであり、磁気回路の抵抗、回路間の相互インダクタンスなどの変化につながります。

コンバータの利点は、特性の直線性、外部の影響、衝撃、振動に対する出力信号の依存性が低いことです。 高感度。 欠点 - 出力信号が小さく、高周波電源電圧が必要です。

振動周波数変換器の動作原理は、弦や薄いブリッジの張力が変化したときの固有振動数の変化に基づいています。

トランスデューサの入力値は、機械的な力 (または力に変換された量 - 圧力、トルクなど) です。 これは、ジャンパーに関連付けられた弾性要素によって認識されます。

一定の値または時間の経過とともにゆっくりと変化する値（周波数が100...150 Hz以下）を測定する場合、振動周波数コンバータの使用が可能です。 それらは高精度と周波数信号 - ノイズ耐性の向上によって区別されます。

光電変換器は、光学範囲内の電磁波の伝播および物質との相互作用のパターンを使用します。

コンバーターの主な要素は放射線受信器です。 それらの中で最も単純な熱変換器は、入射するすべての放射エネルギーを温度に変換するように設計されています (一体型変換器)。

放射線受光器としては、光電効果の現象を利用した各種光電変換器も使用されている。 太陽光発電コンバータは選択的です。 比較的狭い波長範囲で高感度です。 たとえば、外部光電効果 (光の影響による電子の放出) は、真空やガスが充填された光電池や光電子増倍管で使用されます。

真空光電池はガラス容器であり、その内面に感光性材料の層が堆積され、陰極が形成されます。 アノードは金属ワイヤーのリングまたはメッシュの形で作られます。 カソードが照射されると、光電子放出電流が発生します。 これらの素子の出力電流は数マイクロアンペアを超えません。 ガス充填光電池 (不活性ガス Ne、Ar、Kr、Xe を充填に使用) では、光電子によるガスのイオン化により出力電流が 5 ～ 7 倍増加します。

光電子増倍管では、一次光電流の増幅は二次電子放出、つまりカソードとアノードの間に設置された二次カソード (エミッター) からの電子の「ノックアウト」によって発生します。 多段光電子増倍管の合計ゲインは数十万に達する可能性があり、出力電流は 1 mA になる場合があります。 光電子増倍管と真空素子は、光電子放出現象には実質的に慣性がないため、急速に変化する量の測定に使用できます。

圧力測定

全圧または静圧を測定するには、受け穴のある特別なレシーバーが流れの中に配置され、小径チューブ（空気圧ライン）によって対応する一次トランスデューサーまたは測定器に接続されます。

最も単純な全圧レシーバは、端が垂直に切断され、直角に曲げられ、流れの方向に向けられた円筒形のチューブです。 流れの方向に対する受信機の感度を下げるため (たとえば、小さな渦を伴う流れで測定する場合)、特別な受信機設計が使用されます。 たとえば、流れを伴う全圧レシーバー（図 3.3）は、数値 M で最大 45 ° のベベル角度で 1% 未満の測定誤差を特徴とします。<0,8.

チャネルの壁近くの静圧を測定する場合、直径 0.5 ～ 1 mm の受け穴 (排水穴) が壁に直接開けられます。 排水箇所に凹凸がなく、穴の端にバリがあってはなりません。 このタイプの測定は、燃焼室、ディフューザー、ノズル内のパイプやチャネルの流れの研究において非常に一般的です。

米。 3.3. 全圧レシーバーの図:

米。 3.4. 静圧レシーバーのスキーム:

a - くさび形。

b - ディスク;

c - M £ 1.5 での測定用の L 字型

流れ中の静圧を測定するには、くさび形や円盤状のレシーバーのほか、側面に受け穴を設けたL字管状のレシーバー（図3.4）も使用されます。 これらの受信機は、亜音速および低速超音速で良好に動作します。

チャネルの断面の圧力分布を研究するために、複数のレシーバーを備えた全圧および静圧のコム、または全圧と静圧の両方のレシーバーを備えた複合コムが普及しています。 複雑な流れ構造を持つ流れ（燃焼室、ターボ機械のブレード間チャネル）を測定する場合、配向可能な受圧器と配向不可能な受圧器を使用して、全圧と静圧の値、および速度ベクトルの方向を決定します。 そのうちの 1 つ目は 2 次元の流れの測定を目的としており、その設計により、回転によって局所的な流速ベクトルに対して特定の位置に受信機を設定できます。

向きを変えられないレシーバーには、小さな直径 (3 ～ 10 mm) の円筒または球の壁に作られるか、一定の角度で切断されたチューブの端に位置する、いくつかの受け穴 (5 ～ 7) が装備されています。角度（直径0.5...2 mm）を組み合わせて単一の構造単位にします（図3.5）。 レシーバーの周りを流れると、レシーバーの周囲に一定の圧力分布が形成されます。 受信穴を使用して測定された圧力値と風洞内の受信機の予備校正の結果を使用して、全圧と静圧の値、および流速の局所的な方向を決定することができます。

超音速の流速では、受圧器の前面で衝撃が発生するため、測定結果を処理する際にはこれを考慮する必要があります。 たとえば、流れ内の静圧 p と直接衝撃の背後の全圧 p * の測定値から、レイリーの公式を使用して数値 M を決定し、次に全圧の値を決定することができます。流れの中で：

エンジンとその要素をテストするときは、圧力測定にさまざまなデバイス (ポインターの変形、液体、グループ記録圧力計) が使用されます。これにより、オペレーターは実験対象物の動作モードを制御できます。 情報計測システムではさまざまな一次変換器が使用されています。 一般に、圧力、またはむしろ圧力差（たとえば、測定圧力と大気圧の間、満水圧力と静圧力の間など）は弾性感応要素（膜）に作用し、その変形が電気信号に変換されます。 ほとんどの場合、一定のゆっくりと変化する圧力を測定する場合には誘導性およびひずみに敏感なトランスデューサがこの目的に使用され、変動する圧力を測定する場合には圧電結晶および誘導性トランスデューサが使用されます。

米。 3.5. 5チャンネル圧力レシーバーのスキーム:

C x 、 C y 、 C z - 速度ベクトルの成分。 p i - 測定された圧力値

例として、図に示します。 3.6 に Sapphire-22DD コンバータの図を示します。 このタイプのトランスデューサは、さまざまな範囲の過圧、差圧、真空、絶対圧、過圧、真空を測定するために設計されたいくつかの改良版が入手可能です。 弾性感応要素は金属膜２であり、その上部にはスパッタリングされたシリコンひずみゲージを備えたサファイア膜が半田付けされている。 測定された圧力差は、2つのダイヤフラム5からなるブロックに作用します。それらの中心が変位すると、力はロッド4の助けを借りてレバー3に伝達され、ひずみゲージ付き膜2の変形につながります。 ひずみゲージからの電気信号は電子ユニット 4 に入り、そこで統一信号 (直流 0...5 または 0...20 mA) に変換されます。 コンバータの電力供給は、電圧 36 V の DC 電源から行われます。

変動する（脈動など）圧力を測定する場合、空気圧ラインの存在により測定システムの振幅周波数特性に大きな変化が生じるため、一次トランスデューサを測定場所にできるだけ近づけることをお勧めします。 この意味での制限は、非排水方式です。この方式では、小型の圧力トランスデューサが、流れの周囲を流れる表面 (チャネル壁、コンプレッサーブレードなど) と同一平面上に取り付けられます。 既知のトランスデューサは、高さ１．６ｍｍおよび膜直径５ｍｍを有する。 圧力受信器と導波管（長さ ～ 100 mm）を備えたシステムも使用されます（遠隔圧力受信器の方法）。

特性、矯正音響および電気リンクが使用されます。

測定システムの測定点が多数の場合、特殊な高速空気圧スイッチを使用して、数十の測定点を 1 つのコンバータにシリアル接続できます。

高精度を確保するには、自動設定器を使用して圧力測定器を使用条件下で定期的に管理する必要があります。

温度測定

温度を測定するにはさまざまな測定器が使用されます。 熱電温度計 (熱電対) は、異なる材料で作られた 2 つの導体で構成され、端 (接合部) で互いに接続 (溶接またははんだ付け) されます。 接合部の温度が異なる場合、熱起電力の作用により回路内に電流が流れます。その値は導体の材質と接合部の温度によって異なります。 測定中は、原則として、接合部の 1 つがサーモスタットで制御されます (これには溶ける氷が使用されます)。 この場合、熱電対の EMF は「ホット」接合部の温度と一意に関係します。

熱電回路には異なる導体を含めることができます。 この場合、すべての接合部が同じ温度であれば、結果として生じる EMF は変化しません。 この特性は、限られた長さの熱電極に接続される、いわゆる延長ワイヤー (図 3.7) の使用に基づいています。 したがって、高価な材料を節約できます。 同時に、延長ワイヤの接続点の温度 (T c) と、考えられる温度変化 T c および T 0 (通常はそれ以上ではない) の範囲内での主熱電対の熱電同一性を確保する必要があります。 0～200℃以上）。 熱電対の実際の使用では、温度 T 0 が 0℃と異なる場合があります。 次に、この状況を考慮して、熱電対の EMF は E \u003d E meas + DE (T 0) として定義し、キャリブレーション依存性から温度値を見つける必要があります。 ここで、E meas - EMF の測定値。 DE(T 0) は、T 0 の値に対応する EMF 値であり、キャリブレーション依存性によって決定されます。 熱電対の校正依存性は、0℃に等しい「低温」接点温度 T 0 で得られます。 これらの依存関係は、線形依存関係とは多少異なります。 例として、図に示します。 3.8 は、白金-ロジウム-白金熱電対の校正依存性を示しています。

最も一般的な熱電対のいくつかの特性を表に示します。 3.1.

実際には、電極直径 0.2 ～ 0.5 mm の熱電対が最も一般的です。 電極の電気絶縁は、電極をアスベストまたはシリカの糸で巻き付け、続いて耐熱性ワニスを含浸させ、熱電極をセラミック管内に配置するか、これらの管の一部 (「ビーズ」) をその上に張ることによって達成されます。 耐熱鋼製の薄肉シェル内に 2 つの熱電極が配置されたケーブル型熱電対が普及しています。 熱電極を絶縁するために、シェルの内腔には MgO または Al 2 O 3 粉末が詰められます。 シェルの外径は 0.5 ～ 6 mm です。

表3.1

構造要素の温度を正確に測定するには、熱電対は、熱接点とその近くの熱電極が表面上に突出しないように、また温度制御された表面からの熱伝達条件が熱伝導の影響で妨げられないように密閉する必要があります。熱電対の取り付け。 熱伝導率による熱電極に沿った熱接点からの熱の流出（または流入）による測定誤差を低減するには、熱電極を接点付近の一定の距離（7 ～ 10 mm）にほぼ等温線に沿って配置する必要があります。 。 指定された要件を満たす熱電対の終端スキームを図に示します。 3.9. この部品には深さ0.7 mmの溝があり、そこに接合部とそれに隣接する熱電極が配置されます。 接合部は抵抗溶接によって表面に溶接されます。 溝は厚さ0.2 ... 0.3 mmのホイルで閉じられます。

エンジンまたはそのコンポーネントの内部空洞からの熱電極の出力は、フィッティングを通じて実行されます。 この場合、熱電極が流れ構造をあまり乱さないこと、および熱電極同士の摩擦や構造の鋭いエッジとの摩擦により絶縁が損傷しないことを確認する必要があります。

回転要素の温度を測定する場合、ブラシまたは水銀集電装置を使用して熱電対の読み取り値が取得されます。 非接触集電装置も開発されています。

ガス流の温度を測定するために使用される熱電対の図を図に示します。 3.10. 熱接点 1 は直径 d 0 の球です (熱電極は突合せ溶接することもできます)。 接合部近くの熱電極 2 は、絶縁性の 2 チャネル セラミック チューブ 3 内に固定され、その後ハウジング 4 から取り外されます。図では、ハウジング 4 は水冷されているように示されています（1300 ℃を超える温度を測定する場合は冷却が必要です）。 ．１５００Ｋ）の場合、冷却水の供給および除去は継手５を介して行われる。

ガス温度が高い場合、熱電極を通した熱電対本体への熱伝導と環境への放射により接合部から熱が除去されるため、方法論的なエラーが発生します。 熱伝導率による熱損失は、断熱チューブの直径の 3 ～ 5 倍の延長部分を設けることで、ほぼ完全に排除できます。

放射による熱の除去を減らすために、熱電対のシールドが使用されます (図 3.10、b、c)。 これにより、ジャンクションが損傷から保護され、シールド内の流れの減速により、高速流れでの測定時の温度回復係数の増加に貢献します。

異なる熱電極を備えた 2 つの熱電対の読み取り値からガス温度を決定する方法も開発されました。

米。 3.9. 燃焼室要素の温度を測定するための熱電対終端方式

米。 3.10. ガス温度を測定するための熱電対回路:

a - オープンジャンクション熱電対; b、c - シールド熱電対; g - 二重接合熱電対。 1 - ジャンクション: 2 - 熱電極; 3 - セラミックチューブ; 4 - 本体。 5 - 水の入口と出口の継手

直径（図 3.10、d）。これにより、放射による熱の除去を考慮することができます。

熱電対の慣性は設計によって異なります。 したがって、時定数は、オープン接合熱電対の 1 ～ 2 秒からシールド熱電対の 3 ～ 5 秒まで変化します。

温度場（タービンの後ろ、燃焼室など）を研究する場合、熱電対コームが使用され、場合によっては回転タレットに取り付けられます。これにより、全体にわたる温度分布を十分に詳細に決定することができます。断面。

抵抗温度計の動作は、温度の変化に伴う導体の抵抗の変化に基づいています。 電気抵抗として、銅（t \u003d -50 ... + 150 °C）、ニッケル（t \u003d -50 ... 200 °C）製の直径0.05 ... 0.1 mmのワイヤが使用されます。 C) またはプラチナ (t=-200...500°С)。

ワイヤーはフレームに巻き付けてケースに収めます。 測温抵抗体は精度が高く信頼性が高いですが、慣性が大きいという特徴があり、局所的な温度の測定には適していません。 測温抵抗体は、エンジン入口の空気温度、燃料、オイルなどの温度を測定するために使用されます。

液体温度計は液体の熱膨張特性を利用しています。 作動液体として水銀(t=-30～+700℃)、アルコール(t=-100～+75℃)などが使用され、液体や気体の温度を測定するために液体温度計が使用されます。実験室条件でのメディア、および他の機器の校正時にも使用できます。

温度を測定する光学的方法は、加熱された物体の熱放射の法則に基づいています。 実際には、3 種類の高温計を実装できます。輝度高温計は、特定の固定波長での温度による物体の熱放射の変化に基づいて動作します。 放射スペクトルの特定の部分内のエネルギー分布の温度による変化を使用するカラー高温計。 身体から放出されるエネルギーの総量の温度依存性に基づく放射高温計。

現在、構造要素の温度を測定するエンジンをテストする場合、放射エネルギーの光電受信器に基づいて作成された輝度高温計が応用されています。 例として、稼働中のエンジンのタービンブレードの温度測定時の高温計の設置スキームを図に示します。 32.11。 レンズ 2 の助けにより、一次トランスデューサの「視野」は小さな領域 (5 ～ 6 mm) に制限されます。 高温計は、各ブレードのエッジと背面の一部を「検査」します。 保護ガラス 1 はサファイア製で、レンズを汚れや過熱から保護します。 信号はライトガイド３を通って光検出器に送信される。 慣性が低いため、高温計を使用して各ブレードの温度を制御できます。

エンジンの構造要素の温度を測定するには、色温度インジケーター (感熱塗料または感熱ワニス) を使用できます。これは、特定の温度 (転移温度) に達すると、化学的相互作用により色が劇的に変化する複雑な物質です。成分またはその中で起こる相転移。

米。 3.11。 エンジンへのパイロメーターの取り付け図:

(a) (1 - 送風空気供給、2 - 一次コンバータ) および一次コンバータの図

(b) (1 - 保護ガラス、2 - レンズ、3 - ライトガイド)

感熱塗料と感熱ワニスを固体表面に塗布すると、乾燥後に硬化して薄いフィルムが形成され、転移温度で色が変化します。 たとえば、白色感熱塗料 TP-560 は、t=560 °C に達すると無色になります。

温度インジケーターの助けを借りて、手の届きにくい場所を含むエンジン要素の過熱ゾーンを検出できます。 測定の複雑さは低いです。 ただし、どのモードで最高温度に達したかを常に確認できるとは限らないため、その使用は制限されています。 さらに、サーマルインジケーターの色は、温度にさらされた時間によって異なります。 したがって、熱インジケーターは、原則として、他の測定方法 (熱電対など) に代わることはできませんが、調査対象の物体の熱状態に関する追加情報を提供します。

測定トランスデューサの操作は、通常、測定の対象が多くのパラメータによって特徴付けられる複雑で多面的なプロセスであり、各パラメータが他のパラメータとともに測定トランスデューサに作用するため、困難な状況で行われます。 私たちが関心があるのは 1 つのパラメータだけです。 測定値、他のすべてのプロセスパラメータが考慮されます 干渉。したがって、各送信機には独自の 自然投入量、それは干渉を背景にして彼によって最もよく認識されます。 同様の方法で区別できます 自然出力値測定トランスデューサー。

出力信号の種類の観点から、非電気から電気へのコンバータは、電荷、電圧、または電流（出力値 E \u003d F (X) または I \u003d F (X) を生成する発電機のものに分類できます。 ）および内部抵抗ZBH \u003d const）、および出力抵抗、インダクタンス、またはキャパシタンスのパラメトリックで、入力値（EMF E \u003d 0、およびR、Lの変化の形での出力値）の変化に応じて変化します。または関数 X の C)。

発電機とパラメトリックコンバーターの違いは等価電気回路によるもので、コンバーターで使用される物理現象の性質の基本的な違いを反映しています。 発電機コンバータは直接発行される電気信号の源であり、パラメトリックコンバータのパラメータの変化の測定は、外部電源を備えた回路に強制的に組み込まれる結果として電流または電圧を変更することによって間接的に実行されます。ソース。 パラメトリックコンバーターに直接接続された電気回路が信号を生成します。 したがって、パラメトリックコンバータと電気回路の組み合わせが電気信号の源となります。

作業の基礎となる物理現象と入力物理量の種類に応じて、ジェネレータとパラメトリック コンバータはいくつかの種類に分類されます (図 2.3)。

発電機 - 圧電式、

熱電など。

抵抗性 - 接触時、

レオスタティックなど。

電磁 - 誘導、

変圧器など

変調のタイプに応じて、すべての IP は、振幅と周波数、時間、位相の 2 つの大きなグループに分類されます。 最後の 3 つの品種には多くの共通点があるため、1 つのグループにまとめられます。

米。 2.3. 非電気量の測定トランスデューサを電気量に分類します。

2. 変換の性質上、入力値は次のとおりです。

線形;

非線形。

3. 動作原理に従って、一次測定トランスデューサ (PMT) は次のように分けられます。

発生器;

パラメトリック。

発電機 PIP の出力信号は、測定値 (たとえば、熱電対の EMF) に関数的に関連する EMF、電圧、電流、および電荷です。

パラメトリック PIP では、測定値により電気回路のパラメータ R、L、C が比例的に変化します。

ジェネレーターには次のものが含まれます。

誘導;

圧電;

電気化学のいくつかの種類。

抵抗IP - 測定値を抵抗に変換します。

電磁的IP – インダクタンスまたは相互インダクタンスの変化に変換されます。

容量性IP – は静電容量の変化に変換されます。

圧電電源 - 動的力を電荷に変換します。

ガルバノ磁気IP - ホール効果に基づいて、作用する磁場を EMF に変換します。

サーマルIP - 測定された温度は熱抵抗またはEMFの値に変換されます。

光電子IP - 光信号を電気信号に変換します。

センサーの主な特徴は次のとおりです。

動作温度範囲とこの範囲内の誤差。

一般化された入力および出力抵抗。

周波数応答。

産業用途では、制御プロセスで使用されるセンサーの誤差は 1 ～ 2% 未満である必要があります。 そして制御タスクの場合 - 2〜3%。

2.1.3. 一次測定トランスデューサをオンにするためのスキーム

主な測定トランスデューサは次のとおりです。

パラメトリック;

発生器。

パラメトリック一次測定トランスデューサをオンにするためのスキームは次のように分かれています。

シーケンシャル接続:

差動スイッチング:

1 つの主測定トランスデューサ付き。

2 つの主要な測定トランスデューサを備えています。

ブリッジスイッチング回路:

1 つのアクティブ アームを備えた対称的なアンバランス ブリッジ。

2つのアクティブアームを備えた対称的なアンバランスブリッジ。

4 本のアクティブアームを備えた対称的なアンバランスブリッジ。

発電機測定トランスデューサのスイッチを入れるためのスキームは次のように分かれています。

一連;

差動;

代償。

発電機はエネルギー源を必要としませんが、パラメトリック発電機はエネルギー源を必要とします。 多くの場合、発電機は EMF 源として表すことができ、パラメトリックな発電機はアクティブまたはリアクティブ抵抗器として表すことができ、その抵抗は測定値の変化に応じて変化します。

シーケンシャルおよび差動スイッチングは、パラメトリック電源と発電機電源の両方に適用できます。 補償スキーム - 発電機へ。 ブリッジ - パラメトリックに。

2.1.3.1. パラメトリック測定トランスデューサのシリアル接続のスキーム

1 つのパラメトリック測定トランスデューサの連続接続 (図 2.4):

米。 2.4. 1 つのパラメトリック IP の連続接続。

https://pandia.ru/text/80/219/images/image012_106.gif" width="137" height="45 src=">;

https://pandia.ru/text/80/219/images/image014_89.gif" width="247" height="65 src=">;

https://pandia.ru/text/80/219/images/image016_83.gif" width="116 height=41" height="41"> - 現在の感度。

- 電圧感度;

電力感度。

米。 2.5. 直列接続された IP の出力特性:

リアル; bが理想的です。

2 つのパラメトリック測定トランスデューサーの連続接続 (図 2.6)。

図2.6。 2 つのパラメトリック IP の連続接続。

https://pandia.ru/text/80/219/images/image022_71.gif" width="88" height="24 src=">;

電気測定器は、非電気量の測定に広く使用されています。 これは特別なコンバーター (PR) の使用により可能になりました。

このようなコンバータの出力信号は、機能依存性によって入力信号に関連付けられた回路パラメータまたは EMF (電荷) の形式で送信されます。 1つ目はパラメトリック、2つ目はジェネレーターと呼ばれます。

パラメトリックトランスデューサの中で最も広く使用されているのは、レオスタティック、ひずみ感応、感熱、電解、イオン化、誘導、容量性の各デバイスです。

加減抵抗器コンバータそれらは、ターンに沿って移動する導体とブラシが巻かれている独立したフレームです。 それらの出力パラメータは回路の抵抗です。

測定値 Pr は、ブラシの直線または円の動きとすることができます。 知覚システムを改善することにより、Pr を使用してスライダーが移動する圧力または質量を決定できます。

加減抵抗器を巻くには、抵抗が外部要因 (温度、圧力、湿度など) にほとんど依存しない材料が使用されます。 このような物質は、ニクロム、フェクラル、コンスタンタン、マンガニンなどです。 コアの形状と断面を変更することにより (それに応じて 1 ターンの長さが変更されます)、スライダーの動きに対する回路抵抗の非線形依存性を実現することができます。

レオスタットコンバータの利点は、設計がシンプルであることです。 ただし、1回転以内に出力抵抗が変化すると正確な変位量を求めることができません。 これがこのような Pr の主な欠点であり、その誤りの特徴です。

ひずみ感応トランスデューサ (TSChPr)。 彼らの研究は、圧力や機械的変形の影響下での導体のアクティブ抵抗の変化に基づいています。 この現象はテンソル効果と呼ばれます。

TFPR の入力信号は、機器部品や金属構造の張力、圧縮、または別のタイプの変形であり、出力信号はトランスデューサーの抵抗の変化です。

ひずみに敏感な Pr は、紙またはフィルムで作られた薄い基板と、それに接着された非常に小さな断面積のワイヤーです。 受信素子としては、通常、温度に依存しない抵抗を有する直径 0.02 ～ 0.05 mm のコンスタンタン線が使用されます。 箔 TFPR およびフィルムひずみゲージも使用されます。

TF トランスデューサは、部品の線膨張軸が TST の長手方向軸と一致するように、測定部品に接着されます。 測定対象物の膨張に伴って、TFCの長さが増加し、その抵抗が変化します。

このようなデバイスの利点は、直線性、設計と設置の簡単さです。 デメリットとしては感度が低いことが挙げられます。

感熱トランスデューサー (TRPr)。 このようなデバイスの主要な素子としては、サーミスタ、サーマルダイオード、サーモトランジスタなどが使用されており、熱電素子は回路電流が通過して測定素子の温度に影響を与える形で電気回路に含まれています。

これらの助けを借りて、要素が配置されている媒体の温度、粘度、熱伝導率、移動速度、その他のパラメーターを測定できます。

-260°C ～ +1100°C の温度範囲での測定には白金サーミスタが使用され、-200°C ～ +200°C の範囲では銅が使用されます。 -80°C ～ +150°C の温度範囲で特別な精度が必要な場合は、サーマル ダイオードとサーマル トランジスタが使用されます。

TRPRは動作モードに応じて過熱ありと予熱なしに分けられます。 予熱のないデバイスは、デバイスに流れる電流が加熱に影響を及ぼさないため、媒体の温度を測定する目的でのみ使用されます。 素子の抵抗により媒体の温度が正確に決定されます。

別のタイプのサーマルコンバータの動作モードは、所定の値への予熱に関連付けられています。 次に、それらを測定対象の媒体中に置き、その抵抗の変化を監視します。

抵抗の変化率によって、どの程度の強さの冷却や加熱が起こっているかを判断することができ、測定対象物質の移動速度や粘度などを知ることができます。

半導体 TPRr はサーミスタよりも感度が高いため、正確な測定の分野で使用されます。 ただし、大きな欠点は、温度範囲が狭く、デバイスの静特性の再現性が低いことです。

電解コンバーター（ELP）。 溶液の電気伝導率は溶液中の塩濃度の程度に大きく依存するため、溶液の濃度を測定するために使用されます。

ELP は 2 つの電極を備えた容器です。 電圧が電極に印加されると、電気回路が電解質層を介して閉じられます。 このようなコンバータは交流で使用されます。これは、直流の影響下で電解質が正イオンと負イオンに解離し、測定に誤差が生じるためです。

ELP のもう 1 つの欠点は、電解質の導電率が温度に依存することです。そのため、冷蔵または暖房設備を利用して一定の温度を維持する必要があります。

誘導性および容量性トランスデューサー。 名前が示すように、このようなデバイスの出力パラメータはインダクタンスとキャパシタンスです。 単純な誘導性変圧器 Pr の測定値は 10 ～ 15 mm の変位になる可能性がありますが、開放システムの誘導性変圧器 Pr の場合、この値は 100 mm まで増加する可能性があります。 容量性 Pr は、1 mm 程度の変位を測定するために使用されます。

インダクティブ Pr は、オープンコア上に配置された 2 つのインダクターです。 コイルの相互インダクタンスは、開放部分のエアギャップの長さ、エアギャップの断面積、エアギャップの透磁率などのパラメータによって影響されます。

したがって、コイルの相互インダクタンスを測定することにより、上記のパラメータがどの程度変化したかを判断できます。 そして、誘電体プレートがエアギャップ内で動くと変化する可能性があります。 これが誘導性 Pr の動作原理の基礎です。

容量性Prの動作原理は、プレートのアクティブ領域の減少に伴うコンデンサの静電容量の変化、コンデンサのプレート間の距離の変化、およびコンデンサの誘電率の変化に基づいています。プレート間のスペース。

容量性トランスデューサは、入力パラメータの変化に対する感度が高くなります。 容量性 Pr は、1000 分の 1 ミリメートル移動した場合でも静電容量の変化を検出できます。

イオン化トランスデューサー。 この装置の動作原理は、放射性物質の電離α線、β線、γ線、またはX線として使用できる電離放射線の影響下でのガスやその他の媒体の電離現象に基づいています。

ガス室が放射線にさらされると、電極に電流が流れます。 この電流の大きさは、ガスの組成、電極の寸法、電極間の距離、および印加電圧によって異なります。

既知の媒体組成、電極間の距離、印加電圧を使用して回路内の電流を測定することにより、電極のサイズ、またはその逆のその他のパラメータを決定することが流行しています。 部品の寸法やガスの組成などを測定するために使用されます。

Pr をイオン化する主な利点は、高圧または高温の攻撃的な環境での非接触測定が可能であることです。 このような Pr の欠点は、放射線への曝露から人員を生物学的に保護する必要があることです。

測温抵抗体。測温抵抗体は、熱電対と同様、気体、固体、液体の温度と表面温度を測定するように設計されています。 温度計の動作原理は、温度によって電気抵抗が変化する金属や半導体の特性を利用することに基づいています。 純金属で作られた導体の場合、-200 °C ～ 0 °C の温度範囲におけるこの依存性は次の形式になります。

R t \u003d R 0、

0°Сから630°Сの温度範囲で

R t \u003d R 0、

どこ R t 、R 0 -温度における導体抵抗 tそして0°С; A、B、C -係数; そ、温度、°С。

0 °C ～ 180 °C の温度範囲では、導体抵抗の温度依存性は次の近似式で表されます。

R t \u003d R 0、

どこ α - 導体材料の抵抗温度係数 (TCS)。

裸金属導体用 α≈ 6-10 -3 ...4-10 -3 度 -1 。

測温抵抗体で温度を測定することは、その抵抗を測定することになります。 Rt,sその後、式または校正テーブルに従って温度に移行します。

ワイヤー測温抵抗体と半導体測温抵抗体を区別します。 ワイヤ測温抵抗体は、純粋な金属で作られた細いワイヤであり、耐温度材料で作られたフレーム（検出素子）に固定され、保護金具に配置されています（図5.4）。

米。 5.4. 測温抵抗体検知素子

感知素子からのリード線は温度計のヘッドに接続されています。 合金ではなく純金属からワイヤの測温抵抗体を製造する選択は、純金属の TCR が合金の TCR よりも大きいため、純金属をベースにした温度計の方が感度が高いためです。

この業界では、プラチナ、ニッケル、銅の測温抵抗体を製造しています。 温度計の互換性と均一な校正を確保するために、温度計の抵抗値は標準化されています。 R0そしてTKS。

半導体測温抵抗体 (サーミスター) は、測定回路に接続するためのリード線が付いた半導体材料で作られたビーズ、ディスク、またはロッドです。

業界では、さまざまな設計の多くの種類のサーミスタが商業的に生産されています。

サーミスタのサイズは通常小さく、数ミリメートル程度であり、一部のタイプは 10 分の 1 ミリメートルです。 機械的損傷や環境への暴露から保護するために、サーミスタはガラスまたはエナメルのコーティング、および金属ケースで保護されています。

サーミスタの抵抗は通常、数百キロオーム単位です。 動作温度範囲における TCS は、ワイヤー温度計よりも 1 桁大きいです。 サーミスタの作動本体の材料として、ニッケル、マンガン、銅、コバルトの酸化物の混合物が使用され、これらをバインダーと混合して目的の形状にし、高温で焼結します。 サーミスターは、-100 ～ 300°C の範囲の温度を測定するために使用されます。 サーミスタの慣性は比較的小さいです。 それらの欠点には、抵抗の温度依存性の非線形性、公称抵抗と TCR の大きなばらつきによる互換性の欠如、および経時的な抵抗の不可逆的な変化が含まれます。

絶対零度に近い温度範囲の測定にはゲルマニウム半導体温度計が使用されます。

温度計の電気抵抗の測定は、DC および AC ブリッジまたは補償器を使用して実行されます。 温度測定の特徴は、温度計の作動体の加熱を排除するために測定電​​流を制限することです。 ワイヤ抵抗温度計の場合、温度計の消費電力が 20 ～ 50 mW を超えないように測定電流を選択することをお勧めします。 サーミスタの許容消費電力ははるかに小さいため、各サーミスタについて実験的に決定することをお勧めします。

ひずみに敏感なトランスデューサー (センサー)。設計の実践では、多くの場合、構造要素の機械的応力とひずみを測定する必要があります。 これらの量を電気信号に変換する最も一般的な変換器はひずみゲージです。 ひずみゲージの動作は、金属や半導体に加えられる力の作用により電気抵抗が変化するという金属や半導体の特性に基づいています。 最も単純なひずみゲージは、変形可能な部品の表面にしっかりと取り付けられたワイヤです。 部品の伸縮によりワイヤも比例して伸縮し、その結果電気抵抗が変化します。 弾性変形の範囲内で、ワイヤの抵抗の相対的な変化は、次の関係により相対的な伸びに関係します。

ΔR/R=K Τ Δl/l、

どこ l、R-ワイヤの初期の長さと抵抗。 Δl, ΔR-長さと抵抗の増加。 KΤ -ひずみゲージ係数。

ひずみゲージの係数の値は、ひずみゲージを製造する材料の特性、およびひずみゲージを製品に固定する方法によって異なります。 各種金属の金属線用 KΤ= 1... 3,5.

ワイヤーひずみゲージと半導体ひずみゲージを区別してください。 ワイヤひずみゲージの製造には、十分に高いひずみ感度係数と低い抵抗温度係数を備えた材料が使用されます。 ワイヤひずみゲージの製造に最も一般的に使用される材料は、直径 20 ～ 30 ミクロンのコンスタンタン ワイヤです。

構造的には、ワイヤーひずみゲージは、薄い紙 (またはその他) の基板に接着されたワイヤーのいくつかのループで構成される格子です (図 5.5)。 基板の材質に応じて、ひずみゲージは -40 ～ +400 °C の温度で動作します。

米。 5.5. 張力計

セメントを使用して部品の表面に取り付けられるひずみゲージの設計があり、最大 800 °C の温度で動作することができます。

ひずみゲージの主な特性は公称抵抗です。 R、ベース 私とゲージ率 KΤ 。業界では、ベースサイズが 5 ～ 30 mm の幅広いひずみゲージを製造しています。 , 公称抵抗は 50 ～ 2000 オーム、ひずみゲージ係数は 2 ± 0.2。

ワイヤひずみゲージのさらなる発展は、フォイルおよびフィルムひずみゲージであり、その感応要素はフォイル ストリップの格子またはラッカーベースの基板上に蒸着された最も薄い金属膜です。

ひずみゲージは半導体材料に基づいて作られています。 テンソル効果は、ゲルマニウム、シリコンなどで最も顕著です。半導体ひずみゲージとワイヤひずみゲージの主な違いは、ひずみゲージ係数の値が大きいため、変形中に抵抗が大きく (最大 50%) 変化することです。

誘導トランスデューサー。誘導トランスデューサは、変位、寸法、形状偏差、表面配置の測定に使用されます。 コンバータは、磁気コアを備えた固定インダクタと、これも磁気コアの一部であり、インダクタに対して相対的に移動するアーマチュアで構成されます。 可能な限り最大のインダクタンスを得るために、コイルとアーマチュアの磁気回路は強磁性体で作られています。 アーマチュア（たとえば、測定装置のプローブに関連付けられている）が移動すると、コイルのインダクタンスが変化し、その結果、巻線に流れる電流が変化します。 図上。 5.6 は、可変エアギャップ d を備えた誘導トランスデューサーの図を示しています (図 5.6)。 あ) 0.01 ... 10 mm 以内の変位を測定するために使用されます。 可変エアギャップ面積 S δ (図 5.6) b) 5 ... 20 mm の範囲で使用されます。

米。 5.6. 誘導変位トランスデューサ

5.2. オペアンプ

オペアンプ (オペアンプ) は、非常に高いゲインを備えた DC 差動アンプです。 電圧アンプの場合、伝達関数 (ゲイン) は次の式で与えられます。

設計計算を簡略化するために、理想的なオペアンプが次の特性を持つと仮定します。

1. 開ループゲインは無限大です。

2. 入力抵抗 R d は無限大に等しい。

3. 出力抵抗 R 0 = 0。

4. 帯域幅は無限大です。

5. V 0 \u003d 0 at V 1 \u003d V 2 (ゼロバイアス電圧はありません)。

最後の特徴は非常に重要です。 V 1 -V 2 \u003d V 0 / Aなので、V 0 が有限の値を持ち、係数 A が無限に大きい場合（通常値 100000）、次のようになります。

V 1 - V 2 \u003d 0 および V 1 \u003d V 2。

差動信号の入力インピーダンス (V 1 - V 2) なので、

も非常に大きい場合、R d を流れる電流は無視できます これら 2 つの仮定により、オペアンプの回路開発が大幅に簡素化されます。

ルール1。オペアンプが線形領域で動作する場合、同じ電圧が 2 つの入力に作用します。

ルール2。両方のオペアンプ入力の入力電流はゼロです。

オペアンプの基本的な回路ブロックを考えてみましょう。 これらの回路のほとんどでは、オペアンプは閉ループ構成で使用されます。

5.2.1. ユニティゲインアンプ

(ボルテージフォロア)

非反転アンプで R i を無限大に、R f をゼロに設定すると、図に示す回路になります。 5.7.

規則 1 によれば、入力電圧 V i はオペアンプの反転入力にも作用し、回路の出力に直接送信されます。 したがって、V 0 = Vi となり、出力電圧は入力電圧に追従 (複製) します。 多くの A/D コンバータでは、入力インピーダンスはアナログ入力信号の値に依存します。 ボルテージフォロワの助けにより、一定の入力抵抗が保証されます。

5.2.2. 加算器

反転アンプは複数の入力電圧を加算できます。 加算器の各入力は、重み付け抵抗を介してオペアンプの反転入力に接続されています。 反転入力は、すべての入力電流とフィードバック電流がここで加算されるため、加算ノードと呼ばれます。 加算アンプの基本回路図を図に示します。 5.8.

従来の反転アンプと同様に、反転入力の電圧はゼロである必要があるため、オペアンプに流れる電流もゼロになります。 したがって、

i f = i 1 + i 2 + 。 。 。 +私n

ゼロ電圧が反転入力に作用するため、適切な置換の後、次のようになります。

V 0 \u003d -R f ( +. . . + )。

抵抗 R f は回路全体のゲインを決定します。 抵抗Ｒ １ 、Ｒ ２ 、． 。 。 R n は各チャンネルの重み係数と入力インピーダンスの値を設定します。

5.2.3. インテグレーター

積分器は、入力信号の (時間の経過に伴う) 積分に比例する出力信号を生成する電子回路です。

図上。 図 5.9 は単純なアナログ積分器の回路図を示しており、積分器の 1 つの出力は加算ノードに接続され、もう 1 つは積分器の出力に接続されています。 したがって、コンデンサの両端の電圧も出力電圧になります。 積分器の出力信号は、単純な代数関係では説明できません。入力電圧が固定されている場合、出力電圧はパラメーター Vi 、R、および C によって決定される速度で変化するためです。したがって、出力電圧を求めるには、次のようになります。入力信号の継続時間を知る必要があります。 最初に放電されたコンデンサの両端の電圧

ここで、i f はコンデンサ経由、t i は積分時間です。 ポジティブな場合

Vi では、i i = V i /R が得られます。 i f = i i なので、信号の反転を考慮すると、次のようになります。

この関係から、V 0 は、0 ～ t 1 の範囲の入力電圧の積分 (逆符号) にスケール係数 1/RC を乗算して決定されることがわかります。 電圧 V ic は、初期時間 (t = 0) におけるコンデンサの両端の電圧です。

5.2.4. 差別化要因

微分器は、時間の経過に伴う入力信号の変化率に比例した出力信号を生成します。 図上。 5.10に簡単な微分器の回路図を示します。

コンデンサに流れる電流。

微分値が正の場合、電流 i i は負の出力電圧 V 0 が生成される方向に流れます。

したがって、

この信号微分方法は単純に見えますが、実際の実装では、高周波数での回路の安定性を確保する上で問題があります。 すべてのオペアンプが微分器での使用に適しているわけではありません。 選択基準はオペアンプの速度です。高い最大スルーレートと高いゲイン帯域幅積を備えたオペアンプを選択する必要があります。 高速電界効果トランジスタオペアンプは微分器でうまく機能します。

5.2.5. コンパレータ

コンパレータは、2 つの入力電圧を比較し、入力の状態に応じた出力信号を生成する電子回路です。 コンパレータの基本回路図を図に示します。 5.11。

ご覧のとおり、ここではオペアンプは開いたフィードバック ループで動作します。 基準電圧が入力の 1 つに印加され、未知の (同等の) 電圧がもう 1 つの入力に印加されます。 コンパレータの出力信号は、未知の入力信号のレベルが基準電圧レベルより上か下かを示します。 図 5.11 の回路では、基準電圧 V r が非反転入力に印加され、未知の信号 V i が反転入力に供給されます。

V i > V r の場合、コンパレータの出力は電圧 V 0 = - V r (負の飽和電圧) に設定されます。 それ以外の場合は、V 0 = +V r となります。入力を交換できます。これにより、出力信号が反転します。

5.3. 測定信号の切り替え

情報および測定技術では、アナログ測定変換を実装するときに、必要な過渡プロセスを引き起こし、リアクタンス要素によって蓄えられたエネルギーを散逸させるために、測定回路の 2 つ以上のポイント間に電気接続を行う必要があることがよくあります。コンデンサを放電する）、測定回路の電源を接続する、アナログセルメモリをオンにする、離散化中に連続プロセスのサンプルを取得するなど。さらに、多くの測定機器は、多数の電気量にわたって連続的に測定変換を実行します。宇宙に分布しています。 上記を実現するには、測定スイッチと測定キーが使用されます。

測定スイッチは、空間的に分離されたアナログ信号を時間的に分離された信号に、またはその逆に変換するデバイスです。

アナログ信号の測定スイッチは、次のパラメータによって特徴付けられます。

切り替えられる値のダイナミックレンジ。

伝達係数誤差。

速度（スイッチング周波数または 1 回のスイッチング動作を実行するのに必要な時間）。

切り替えられた信号の数。

スイッチングの制限数 (接触測定キー付きスイッチの場合)。

スイッチで使用される測定キーのタイプに応じて、 接触スイッチと非接触スイッチ.

測定の鍵となるのは、電流-電圧特性の顕著な非直線性を備えた 2 端子回路です。 キーのある状態 (クローズ) から別の状態 (オープン) への遷移は、制御要素を使用して実行されます。

5.4. アナログからデジタルへの変換

アナログからデジタルへの変換は、測定手順に不可欠な部分です。 指示装置においては、この操作が実験者による数値結果の読み取りに相当します。 デジタルおよびプロセッサー測定器では、アナログからデジタルへの変換が自動的に実行され、結果は直接ディスプレイに表示されるか、プロセッサーに入力されて数値形式での後続の測定変換が実行されます。

測定におけるアナログからデジタルへの変換方法は深く徹底的に開発され、対応するコードの組み合わせ（数値）による固定時点での入力アクションの瞬間値の表現に還元されます。 アナログ - デジタル変換の物理的な基礎は、ゲートと固定基準レベルとの比較です。 最も普及しているのは、ビット単位のコーディング、シーケンシャル カウンティング、トラッキング バランシングなどの ADC です。 今後数年間の ADC およびデジタル測定の開発トレンドに関連するアナログ - デジタル変換方法論の問題には、特に次のようなものがあります。

統合テクノロジーの発展に伴い一般的になってきている、最も高速にマッチングする ADC における読み取りの曖昧さを排除します。

冗長フィボナッチ数体系に基づいてフォールトトレランスを実現し、ADC の計測特性を改善します。

統計的検定法のアナログからデジタルへの変換を行うアプリケーション。

5.4.1 D/A コンバータおよび A/D コンバータ

デジタル - アナログ (DAC) およびアナログ - デジタル コンバーター (ADC) は、自動制御および調整システムに不可欠な部分です。 さらに、測定される物理量の大部分はアナログであり、その処理、表示、登録は原則としてデジタル方式で実行されるため、DAC および ADC は自動測定機器に広く応用されています。 したがって、DAC と ADC はデジタル測定器 (電圧計、オシロスコープ、スペクトラム アナライザ、相関器など) の一部であり、プログラマブル電源、陰極線管ディスプレイ、グラフ プロッタ、監視要素や超小型回路用の設備のレーダー システムなど、重要なコンポーネントです。各種変換器や発電機、コンピュータ情報入出力装置など。 テレメトリーとテレビでは、DAC と ADC の使用に関する幅広い展望が開かれています。 小型で比較的安価な DAC および ADC の量産により、科学技術における離散連続変換方式のさらに幅広い使用が可能になります。

DAC および ADC の設計とテクノロジには、モジュラー、ハイブリッド、統合の 3 つのタイプがあります。 同時に、DAC および ADC の出力総量に占める集積回路 (IC) の生産の割合は常に増加しており、これはマイクロプロセッサとデジタル データ処理方法の普及によって大きく促進されています。 DAC は、入力デジタル信号に比例する出力アナログ信号 (電圧または電流) を生成するデバイスです。 この場合、出力信号の値は、出力信号のフルスケールを決定する基準電圧 U op の値に依存します。 アナログ信号が基準電圧として使用される場合、DAC の出力信号は入力デジタル信号とデジタル信号の積に比例します。 アナログ ADC では、出力のデジタル コードは、変換された入力アナログ信号とフルスケールに対応する基準信号の比によって決まります。 この関係は、基準信号が何らかの法則に従って変化した場合にも満たされます。 ADC は、デジタル出力を備えた比率計または分圧器と考えることができます。

5.4.2. ADCの動作原理、基本要素、ブロック図

現在、さまざまな要件を満たすために、多数のタイプの ADC が開発されています。 場合によっては、主な要件は高精度であることもあれば、変換速度であることもあります。

動作原理によれば、既存のすべてのタイプの ADC は 2 つのグループに分類できます。1 つは入力変換された信号を離散電圧レベルで比較する ADC、もう 1 つは積分タイプの ADC です。

変換された入力信号を離散電圧レベルと比較する ADC は、変換プロセスを使用します。その本質は、対応するデジタル コードと同等のレベルの電圧を生成し、これらの電圧レベルを入力電圧と比較して、入力信号のデジタル等価物。 この場合、電圧レベルは同時に、順次、または組み合わせて形成できます。

シリアルカウンティングADCステップ鋸歯状電圧を備えたコンバータは、最も単純なコンバータの 1 つです (図 5.12)。

「スタート」信号により、カウンタはゼロ状態に設定され、その後、クロック パルスが所定の周波数で入力に到着します。 フィート DAC の出力電圧は段階的に直線的に増加します。

電圧Ｕ ｏｕｔ が値Ｕ ｉｎ に達すると、比較回路はカウンタＳＣ内のパルスのカウントを停止し、カウンタＳＣの出力からのコードがメモリレジスタに入力される。 このような ADC の容量と分解能は、その構成に使用される DAC の容量と分解能によって決まります。 変換時間は変換する入力電圧のレベルによって異なります。 フルスケール値に対応する入力電圧の場合、MF が満たされる必要があり、同時に DAC 入力でフルスケール コードを生成する必要があります。 これには、クロック周期の (2 n - 1) 倍の n ビット DAC 変換時間が必要です。 高速にアナログからデジタルに変換するには、このような ADC を使用するのは現実的ではありません。

で トラッキングADC(図 5.13) 入力電圧の変化を追跡するために、加算 Cch が可逆カウンタ Rch に置き換えられています。 CV 出力信号は、ADC 入力電圧が DAC 出力電圧を超えるかどうかに応じてカウントの方向を決定します。

測定を開始する前に、RF はスケールの中央 (01 ... 1) に対応する状態に設定されます。 トラッキング ADC の最初の変換サイクルは、シーケンシャル カウント ADC の変換サイクルと同様です。 将来的には、この ADC は数クロック周期にわたる入力信号の小さな偏差を追跡する時間があり、電流間の不一致の符号に応じて RFC に記録されるパルス数を増減させるため、変換サイクルが大幅に短縮されます。変換電圧Uinの値とDACの出力電圧。

SAR ADC (ビット単位バランス型)は、高い分解能、精度、速度を確保しながら、かなり単純な実装により最も広範囲の分布を示しています。並列変換方式を実装する ADC と比較すると、速度はわずかに劣りますが、分解能は大幅に高くなります。

高速化を図るため、制御装置としてパルス分配器RIと逐次比較レジスタを使用します。 入力電圧と基準電圧（DACフィードバック電圧）の比較は、生成されたバイナリコードの最上位ビットに対応する値から行われます。

RI を使用して ADC を開始すると、RPP は初期状態に設定されます。

1000 。 。 .0。 同時に、変換範囲の半分に対応する電圧が DAC 出力で生成され、その最上位ビットをオンにすることで保証されます。 入力信号が DAC からの信号より小さい場合、DAC を使用して次のサイクルで DAC のデジタル入力にコード 0100 が生成されます。 。 0、これは 2 番目に上位のカテゴリを含めることに対応します。 その結果、DACの出力信号は半分になります。

入力信号が DAC からの信号を超える場合、次のサイクルでコード 0110 ... 0 が DAC のデジタル入力に生成され、追加の 3 番目のビットがオンになります。 この場合、１．５倍に上昇したＤＡＣの出力電圧と入力電圧等を再度比較し、上記の手順を繰り返す。 n回（どこで nは ADC のビット数です)。

その結果、DAC の出力は、DAC の 1 LSB 以内で入力と異なる電圧を生成します。 変換の結果は RPP 出力から取得されます。

この回路の利点は、比較的高速（数百ナノ秒程度の変換時間）のマルチビット（最大 12 ビット以上）コンバータを構築できることです。

ADC 内 直読（パラレルタイプ）(図 5.15) 入力信号はすべての VF の入力に同時に適用されます。 メートルこれは ADC の容量によって決定され、m = 2 n - 1 に等しくなります。ここで、n は ADC ビット数です。 各 KN では、信号が、特定の放電の重みに対応し、ION によって電力供給される抵抗分圧器のノードから取得される基準電圧と比較されます。

CV 出力信号は、入力電圧のデジタル等価物であるパラレル コードを生成するロジック デコーダによって処理されます。 このような ADC は最高のパフォーマンスを発揮します。 このような ADC の欠点は、ビット深度が増加すると必要な要素の数がほぼ 2 倍になり、このタイプのマルチビット ADC の構築が困難になることです。 変換精度は、KN と抵抗分圧器の精度と安定性によって制限されます。 高速にビット深度を増やすために、2 段の ADC が実装され、出力コードの下位ビットは 2 段目の LN の出力から削除され、上位ビットは 2 段目の LN の出力から削除されます。最初の段階。

パルス幅変調付き ADC (シングルエンド積分)

ADC の特徴は、入力アナログ信号 Uin のレベルがパルスに変換され、その持続時間 t imp が入力信号の値の関数であり、基準周波数の周期数をカウントすることによってデジタル化されることです。パルスの始まりと終わりの間にフィットします。 接続時の積分器の出力電圧

入力 U op の値がゼロ レベルから速度とともに変化します

積分器の出力電圧が入力電圧 U in に等しくなった瞬間に CV がトリガーされ、その結果パルス幅の形成が終了し、その間に基準周波数の周期数がカウントされます。 ADCカウンター。 パルス持続時間は、電圧 U out がゼロから U in に変化する時間によって決まります。

このコンバータの利点はそのシンプルさにあり、欠点は速度と精度が比較的低いことです。

1. デバイス、動作原理、および用途は何ですか:

a) 光電変換器。

太陽光発電コンバータは、コンバータに入射する光束に応じて出力信号が変化するものです。 太陽光発電コンバータ、または以下では光電池と呼びますが、3 つのタイプに分類されます。

1) 外部光電効果を備えた光電池

これらは、真空またはガスが充填された球形のガラス容器であり、その内面に感光性材料の層が塗布され、陰極が形成されます。 アノードは、ニッケル線のリングまたはグリッドの形で作られます。 暗くなった状態では、電極間の熱電子放出と漏れの結果として、暗電流が光電池を通過します。 光が当たると、光電陰極は光子の影響を受けて電子を模倣します。 アノードとカソードの間に電圧が印加されると、これらの電子が電流を形成します。 電気回路に含まれる光電池の照度が変化すると、それに応じてこの回路内の光電流も変化します。

2) 内部光電効果を備えた光電池

これらは、例えばセレン化カドミウムで作られた接点を備えた均質な半導体プレートであり、光束の作用により抵抗が変化します。 内部光電効果は、物質内に自由に残っている原子の電子軌道から光量子によってノックアウトされる自由電子の出現で構成されます。 半導体などの材料内に自由電子が現れることは、電気抵抗が減少することと同等です。 フォトレジスタは高い感度と線形の電流電圧特性 (CVC) を備えています。 それらの抵抗は印加電圧に依存しません。

3) 太陽光発電コンバータ。

これらのコンバーターは、光に敏感な活性半導体であり、光が吸収されると、バリア層内の光電効果により自由電子と EMF を生成します。

フォトダイオード (PD) は、フォトダイオードとジェネレーター (バルブ) の 2 つのモードで動作できます。 フォトトランジスタ - 2 つ以上の p - " 接合を備えた放射エネルギーの半導体受信機であり、フォトダイオードと光電流増幅器が組み合わされています。

フォトトランジスタは、フォトダイオードと同様に、光信号を電気信号に変換するために使用されます。

b) 容量性トランスデューサ。

容量性トランスデューサは、測定された非電気量の作用により静電容量が変化するコンデンサです。 容量性トランスデューサとして、フラットコンデンサが広く使用されており、その静電容量は式C \u003d e0eS / 5で表すことができます。ここで、e0は空気の誘電率です（e0 \u003d 8.85 10 "12F / m、eはコンデンサプレート間の媒体の比誘電率、S-対向面積、5-対向面間の距離）

測定された非電気量はこれらのパラメータのいずれかと関数的に関連付けられる可能性があるため、容量性トランスデューサの設計は用途に応じて大きく異なる可能性があります。 液体および粒状体のレベルを測定するには、円筒形または平面コンデンサーが使用されます。 小さな変位、急速に変化する力と圧力の測定用 - プレート間のギャップが可変な差動容量性トランスデューサ。 容量性トランスデューサを使用してさまざまな非電気量を測定する原理を考えてみましょう。

c) 熱変換器。

サーマルコンバータは、環境と熱交換を行う、高い温度係数を備えた通電導体または半導体です。 熱交換にはいくつかの方法があります。 媒体の熱伝導率。 導体自体の熱伝導率。 放射線。

導体と環境の間の熱交換の強度は、次の要因によって決まります。気体または液体媒体の速度。 媒体の物理的特性 (密度、熱伝導率、粘度)。 環境温度。 導体の幾何学的寸法。 導体の温度のこの依存性、したがってその抵抗はリストされた要因に依存します。

気体または液体媒体を特徴づけるさまざまな非電気量（温度、速度、濃度、密度（真空））を測定するために使用されます。

d) イオン化コンバーター。

イオン化トランスデューサは、測定された非電気量がガス媒体の電子伝導性およびイオン伝導性の電流に関数的に関連するようなトランスデューサです。 電子とイオンの流れは、イオン化剤の影響下でのガス媒体のイオン化、熱電子放出、またはガス媒体の分子に電子を衝突させることなどによって、イオン化コンバーターで得られます。

あらゆるイオン化トランスデューサの必須要素は、放射線源と放射線受信器です。

e) レオスタットコンバータ。

加減抵抗器トランスデューサは加減抵抗器であり、そのエンジンは測定された非電気量の作用を受けて動きます。 絶縁材でできたフレームにワイヤーを均一なピッチで巻き付けます。 フレームの上部境界にあるワイヤーの絶縁体が剥がされ、ブラシが金属上を滑ります。 追加のブラシはスリップ リング上をスライドします。 両方のブラシは駆動ローラーから隔離されています。 レオスタティックトランスデューサは、フレームに巻かれたワイヤとレオコードタイプの両方で作られています。 線材にはニクロム、マンガニン、コンスタンタンなどが使用されますが、接触面の耐摩耗性の要求が非常に高い場合や接触圧力が非常に低い場合には、イリジウム、パラジウムなどとの白金合金が使用されます。 加減抵抗器ワイヤは、隣接する巻線を互いに絶縁するために、エナメルまたは酸化物の層で覆う必要があります。 エンジンは、接触圧力が 0.003 ～ 0.005 N の 2 本または 3 本のワイヤ (イリジウム入りプラチナ)、または力が 0.05 ～ 0.1 N のラメラ (銀、リン青銅) でできています。 巻かれたワイヤの接触面磨かれています。 接触面の幅はワイヤの直径の 2 倍または 3 倍に相当します。 レオスタティックトランスデューサのフレームは、絶縁ワニスまたは酸化膜でコーティングされたテキストライト、プラスチック、またはアルミニウムでできています。 フレームの形状は様々です。 レオスタットトランスデューサのリアクタンスは非常に小さいため、可聴範囲の周波数では通常無視できます。

レオスタティックトランスデューサは、限られた周波数範囲で振動加速度と振動変位を測定するために使用できます。

f) ひずみゲージ変換器。

ひずみゲージ変換器 (ひずみゲージ) は、引張または圧縮変形中に抵抗が変化する導体です。 導体の長さ / と断面積 S は変形に応じて変化します。 結晶格子のこれらの変形は、導体 p の抵抗率の変化をもたらし、その結果、合計抵抗の変化を引き起こします。

用途: 変形や機械的応力のほか、経路、加速度、力、曲げやトルク、ガスや液体の圧力など、補助弾性要素 (スプリング) の変形に比例するその他の静的および動的機械量を測定します。等 これらの測定量は、質量 (重量)、タンクの充填レベルなどの派生量を決定するために使用できます。 紙ベースのワイヤひずみゲージ、および箔およびフィルムひずみゲージは、0.005 ... 0.02 ～ 1.5 ... 2% の相対ひずみの測定に使用されます。 無料のワイヤーひずみゲージを使用して、最大 6 ～ 10% のひずみを測定できます。 ひずみゲージは実質的に慣性がなく、0 ～ 100 kHz の周波数範囲で使用されます。

g) 誘導トランスデューサ。

誘導測定トランスデューサは、位置 (変位) を電気信号に変換するように設計されています。 これらは、機械工学および計装における直線寸法測定の自動化の問題を解決するための、最もコンパクトでノイズ耐性があり、信頼性が高く経済的な測定トランスデューサです。

誘導トランスデューサは、回転ガイド上にスピンドルが配置されたハウジングで構成されており、その前端には測定チップがあり、後端にはアーマチュアがあります。 ガイドはゴム製の袖口により外部の影響から保護されています。 スピンドルに接続されたアーマチュアは、ボディに固定されたコイルの内側に配置されています。 次に、コイル巻線はハウジングに固定されたケーブルに電気的に接続され、円錐バネによってよじれから保護されます。 ケーブルの自由端には、コンバータを二次デバイスに接続するために使用されるコネクタがあります。 本体とスピンドルは焼入れステンレス鋼製です。 アーマチュアとスピンドルを接続するアダプターはチタン合金製です。 測定力を生み出すスプリングが中心にあるため、スピンドル移動時の摩擦がありません。 このトランスデューサの設計により、ランダム誤差と読み取り値のばらつきが 0.1 μm 未満のレベルに低減されます。

誘導トランスデューサは、主に直線変位および角変位の測定に広く使用されています。

h) 磁気弾性トランスデューサー。

磁気弾性トランスデューサは電磁トランスデューサの一種です。 これらは、強磁性体に対する機械的力 P の作用 (引張、圧縮、曲げ、ねじり) に関連して、強磁性体の透磁率 μ が、強磁性体に生じる機械的応力 σ に応じて変化する現象に基づいています。 強磁性コアの透磁率の変化により、コアRMの磁気抵抗が変化する。 RM が変化すると、コア上に配置されたコイル L のインダクタンスが変化します。 したがって、磁気弾性トランスデューサでは次のような一連の変換が行われます。

P→σ→μ→Rm→L。

磁気弾性トランスデューサは 2 つの巻線を持つことができます (トランス タイプ)。 透磁率の変化による力の作用により、巻線間の相互インダクタンス M と二次巻線 E の誘導起電力が変化します。この場合の変換回路は次の形式になります。

P→σ→μ→Rm→M→E。

機械的変形の影響下で強磁性材料の磁気特性が変化する効果は、磁気弾性効果と呼ばれます。

磁気弾性トランスデューサーは次のように使用されます。

圧力を直接感知し、追加のトランスデューサを必要としないため、高圧 (10 N/mm2 または 100 kg/cm2 を超える) の測定に適しています。

強さを測るために。 この場合、デバイスの測定限界は磁気弾性トランスデューサの面積によって決まります。 これらのトランスデューサは、力の作用下でもほとんど変形しません。 はい、で 私= 50mm、△ 私 < 10 мкм они имеют высо­кую жесткость и собственную частоту до 20... 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не дол­жны превышать 40 Н/мм2 .

i) 電解抵抗コンバータ;

電解コンバーターは電気化学コンバーターの一種です。 一般に、電気化学コンバーターは、溶液で満たされた電解槽であり、その中に電極が配置されており、コンバーターを測定回路に変える役割を果たします。 電気回路の要素として、電解槽は、発生する EMF、通過電流からの電圧降下、抵抗、静電容量、およびインダクタンスによって特徴付けることができます。 これらの電気パラメータと測定された非電気量との関係を強調し、他の要因の作用を抑制することにより、液体および気体の媒体の組成と濃度、圧力、変位、速度、加速度やその他の量。 セルの電気パラメータは、溶液と電極の組成、セル内の化学変化、温度、溶液の移動速度などに依存します。電気化学コンバーターの電気パラメータと非電気量の関係は決定されます。電気化学の法則による。

電解コンバータの動作原理は、電解セルの抵抗が電解質の組成と濃度、およびセルの幾何学的寸法に依存することに基づいています。 電解コンバーターの液柱抵抗：

R = ρh/S = k/૪

ここで、૪= 1/ρ は電解質の比導電率です。 k - コンバーターの定数。幾何学的寸法の比率に依存し、通常は実験的に決定されます。