УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА

4.1. Согласование датчика с измерительной схемой

Измерительная схема с пассивными датчиком эквивалентна генератору с некоторым внутренним сопротивлением, выдающе­му измерительный сигнал нагрузке. Чтобы получить на нагруз­ке, оптимальную мощность сигнала, а также обеспечить опти­мальную чувствительность схемы и ее стабильность к внешним воздействиям, нужно согласовать внутреннее сопротивление ге­нератора с сопротивлением нагрузки.

Если эквивалентный генератор является источником э.д.с, включенным последовательно с импедансом Zс (см. рис. 4.1,а), то импеданс нагрузки Zi, с тем чтобы свести к минимуму влия­ние на измерительное напряжение v_m изменений Zc . должен су­щественно превышать последний, т. е.

при

Этому условию удовлетворяют операционные усилители с обратной связью, в том числе повторитель напряжения (рис. 4.1, б и в), дифференциальный усилитель с незаземленным вхо­дом (разд. 4.3.3), усилитель с гальванически разделенными кас­кадами (разд. 4.3.4) (рис. 4:1, г) и др.

Если эквивалентный генератор является источником тока i_c(m) с внутренним импедансом Zc (например, фотодиод или фотоумножитель, см. рис. 4.2, а), необходимо, чтобы импеданс Zc нагрузки был много меньше импеданса Z_c; тогда ток 1_т практически равен i_c и не зависит от Z_c, т. е.

при

Однако падение напряжения и_т на нагрузке может оказать­ся слишком малым. Использование в таком случае преобразо­вателя ток — напряжение позволяет уменьшить влияние Z_c и усилить напряжение Um (рис. 4.2,6).

Если эквивалентный генератор является источником заряда qc(т) с внутренним емкостным импедансом С_с (например, кристалл пьезоэлектрика), то, вследствие весьма малой выходной мощности подобного источника (датчика), к.его выходу необходимо подключать усилитель с возможно большим, выходным сопротивлением (см рис. 4.3,а). При этом необходимо учитывать паразитную емкость С_р, образуемую емкостью подводящего кабеля и входной емкостью усилителя. Для измерения заряда таких датчиков используют электрометрический усилитель (рис. 4.3, б) выходное напряжение которого пропорционально коли­честву заряда на его входе и не зависит от емкости датчика и паразитной емкости входа.

4.2. Коррекция погрешности линейности

Существует ряд способов, позволяющих скорректировать нелинейность характеристики как самого датчика, так и изме­рительной схемы в целом, не допустив при этом отклонений от линейности преобразования; в рабочем диапазоне изменения измеряемой величины, и в пределах допускаемой погрешности измерений полагать чувствительность неизменной.

Эти способы условно могут быть разбиты на две группы:

а) корректирующие характеристику датчика или схемы ап­паратными средствами путем компенсации нелинейности;

б) корректирующие результаты измерений аналоговой или цифровой обработкой выходного сигнала аппаратными и (или) программными средствами.

4.2.1. Линеаризация характеристики преобразования

Коррекция нелинейности датчика. Выбор линейного участка характеристики датчика. Если градуировочная характеристика датчика имеет определенный линейный участок, а измеряемая величина изменяется относительно этого участка в таких же пределах, то, воздействуя на датчик определенным постоянным значением измеряемой величины, можно обеспечить изменения' выходного сигнала датчика в границах данного линейного уча­стка характеристики. Так, например, на модулированный свето­вой поток Фi(t), воспринимаемый фототранзистором, может быть наложен постоянный световой поток Фо, который выбирают таким, чтобы преобразование сигналов происходило в зоне Ли­нейности характеристики фототранзистора. Однако этот метод применим лишь при отсутствии постоянной составляющей в из­меряемой величине, содержащей полезную информацию.

Линеаризация изменений импеданса датчика. Метод, в его наиболее простом виде, состоит в подключении параллельно дат­чику с сопротивлением Rс(m) резистора с сопротивлением R, не зависящим от измеряемой величины, таким образом, чтобы суммарное сопротивление Rd изменялось квазилинейно в огра­ниченном диапазоне изменений измеряемой величины. Этот метод. Часто применяемый к термисторам (резистивным датчикам температуры), подробно рассмотрен в разд. 6.3.2.

Дифференциальное включение двух нелинейных датчиков. В качестве иллюстрации этого метода рассмотрим одинаковые резистивные датчики, чувствительные к одной и той же «изме­ряемой величине m, но изготовленные из разных материалов, так что зависимость их сопротивлений от измеряемой величины m описывается выражениями

Встречное включение двух таких Датчиков образует сопротивле­ние, изменяющееся в функции m линейно:

при условии, что

Этот метод находит применение, например, при работе с металлическими термометрами сопротивления (см. разд. 6.3.2).

Линеаризация характеристики преобразования для диффе­ренциального включения двух одинаковых датчиков с нелиней­ной характеристикой в смежные ветви моста, при воздействии на них одинаковых, но противоположных по знаку значений из­меряемой величины рассмотрена выше, в разд. 3.3.1 и 3.3.2.

Коррекция нелинейности характеристики измерительной схемы с пассивными датчиками. Некоторые методы, используемые для линеаризации характеристик мостовых и потенциометрических; схем с пассивными датчиками, уже рассматривались выше, в разд. 3.3.1 и 3.3.2. Ниже рассмотрены методы, основанные на использовании обратных связей.

Линеаризация характеристики мостовой схемы путем использования отрицательной обратной связи, воздействующей на напряжение разбаланса (рис. 4.4). Датчик включается в цепь обратной связи усилителя. При начальном значении измеряемой величины m₀ сопротивление датчика равно Rco, а остальные сопротивления моста равны ему, т. е.

Когда измеряемая величина изменяется, сопротивление дат­чика становится , , а напряжение разбаланса

Где

Um — напряжение на выходе Усилителя.

Так как усилитель с отрицательной обратной связью поддер­живает равной нулю разность потенциалов между точками диа­гонали моста, т. е. , то

С точностью до малых второго порядка значимости можно обес­печить компенсацию влияющей на результаты измерения вели­чины, если использовать в качестве R1, датчик, идентичный ос­новному измерительному датчику и подвергающийся такому же воздействию этой влияющей величины.

В подобной схеме датчики необходимо изолировать от мас­сы, что часто оказывается невозможным.

Линеаризация характеристики мостовой схемы использова­нием двойной обратной связи, воздействующей на напряжение разбаланса и на напряжение питания моста (рис. 4.5). Мост, как и в предыдущей схеме, образован плечами сопротивлений, а

Отрицательная обратная связь в первом каскаде A1 дейст­вует в направлении устранения разбаланса моста; равновесие наступает при

Напряжения ±V1 питания моста задают сумматор A2 и инвер­тор А3 при этом

Когда выполняется условие, измеряемое напряжение определяется выражением