Общие характеристики схем формирования сигналов

3.1.1. Основные типы схем

Вариации импеданса Z_c пассивного (параметрического) датчика, связанные с изменениями измеряемой величины т, могут быть преобразованы в электрический сигнал путем включения датчика с источником напряжения е_s или тока i_s в измерительную схему. При этом измерительная схема характеризуется собственным импедансом Z_k, аизмеряемая величина преобразуется либо в напряжение выходного электрического сигнала

как в случае потенциометрических и мостовых схем, либо в изменение частоты

как в генераторных схемах.

Потенциометрическая схема (рис. 3.1, а) привлекает своей простотой, но ее главным недостатком является чувствительность к паразитным помехам; то же справедливо и для реостатной схемы с источником тока (рис. 3.1, б), при Z₁<<Z_с. В мостовой схеме, содержащей два делителя, дифференциальным включением датчиков удается существенно снизить влияние внешних факторов.

Когда в таких схемах формирования сигналов используют источник синусоидального напряжения е_s, то выходной сигнал схемы является результатом модуляции питающего напряжения сигналом Zc. При этом для извлечения информации необходимо продетектировать, а затем отфильтровать выходной сигнал. Для выполнения этих операций желательно, чтобы частота источника по меньшей мере в 5 раз превосходила максимальную частотуизменения измеряемой величины. Однако если частота питающего напряжения относительно высока, то на погрешность измерений начинают заметно влиять реактивные сопротивления паразитных емкостей и индуктивностей и их необходимо учитывать при измерениях. В измерительных схемах на постоянном токе, когда датчик является чисто активным сопротивлением, этот фактор несуществен, однако следует заботиться об устранении термо-э.д.с. и дрейфов.

Генераторы, используемые в схемах формирования сигналов датчиков, могут быть источниками синусоидальных (рис. 3.1, г) или прямоугольных сигналов; информация содержится в частоте этих сигналов, что обеспечивает хорошую защиту от паразитных влияний, особенно в случае телеизмерений. Кроме того, упрощается преобразование измеряемой величины в код, для чего достаточно подсчитать число периодов колебаний в единицу времени.

3.1.2. Параметры схем формирования

Чувствительность и линейность. Изменению Δm измеряемой величины соответствует изменение ΔZ_c импеданса датчика, которое в зависимости от типа схемы вызывает изменение либо амплитуды, либо частоты измеряемого напряжения. Общая чувствительность S_а измеряемой схемы равна

т.е. ( амплитуда),

т.е. (частота).

В этих выражениях чувствительность собственно схемы формирования равна соответственно:

и ,

а чувствительность датчика .

Для получения хорошей чувствительности схемы формирования важен соответствующий выбор Z_k.

Передаточная характеристика схемы линейна, если чувствительность схемы не зависит от Z_c; соединение линейной схемы формирования с линейным датчиком обеспечивает пропорциональность сигнала измеряемой величине. Если схема формирования нелинейна, то ее можно линеаризовать, заменяя один из ее компонентов вторым датчиком (дифференциальное включение), имеющим обратную первому характеристику.

Рассмотрим, не нарушая общности выводов, пример резистивного датчика с импедансом R_с и схемы формирования сигнала, состоящей из резисторов R_k, чувствительных к измеряемой величине; тогда можно написать

Характеристика такой схемы с датчиком линейна при условии

В простейшем случае, когда потенциометр состоит из сопротивления R₁ и резистивного датчика R_c, имеем

и чувствительность равна

Выбирая в качестве R₁ датчик, подобный R_с, но такой, в котором воздействие измеряемой величины вызывает обратное познаку приращение сопротивления:

получаем следовательно, .

Общая чувствительность измерительной схемы в этом случае равна

и постоянна. Поскольку линеен каждый из датчиков, линейна и вся схема. Если датчик сам по себе нелинеен, иногда удается скомпенсировать его нелинейность направленной в обратную сторону нелинейностью характеристики схемы формирования; тогда вся совокупность (датчик — схема формирования) оказывается квазилинейной по крайней мере в ограниченном диапазоне изменения измеряемой величины.

Компенсация воздействия влияющих величии. Если датчик чувствителен к какой-либо из влияющих величин, например, температуре или излучению, необходимо по возможности устранить это влияние на выходной сигнал датчика.

Рассмотрим резистивный датчик с соответствующей схемой формирования, для которой выполняется условие

Влияющая величина амплитуды gможет воздействовать на определенные компоненты схемы формирования и на сам датчик; при этом ее приращения dg вызывают вариации dν_m измеряемого напряжения

Изменения величины gне оказывают влияния на выходное напряжение, когда выполняется условие

Если, например, влиянию величины g подвержены только собственно резистивные элементы схемы, но их изменения при этом идентичны изменениям сопротивления R._с датчика: