Измерительные преобразования физических величин

Измерительное преобразование – однозначное преобразование одной физической величины в другую физическую величину или сигнал, функционально с ней связанные, удобные для обработки, хранения и дальнейшего преобразования. Любое измерение, по существу, сводится к совокупности отдельных измерительных преобразований.

Измерительный преобразователь – техническое устройство, построенное на определённом физическом явлении и выполняющее одно частое преобразование.

Понятие “измерительное преобразование” существенно шире, чем “измерительный преобразователь”, поскольку одно измерительное преобразование можно осуществить множеством различных преобразователей.

Пример. Преобразование изменения температуры Т в перемещение Δх:

Функциональная блок-схема:

Реализации:

Классификация измерительных преобразователей

По виду ФВ на входе ИП и ФВ на выходе:

преобразователи электрических величин в электрические (резистивные делители, усилители, трансформаторы, шунты и т.п.);
преобразователи неэлектрических в неэлектрические (рычаги, пружины, редукторы, мембраны);
преобразователи электрических в неэлектрические (электромоторы, осветители, двигатели, электрические нагреватели, холодильники);
преобразователи неэлектрических в электрические.

По виду зависимости ФВ величин от времени на входе и на выходе:

аналоговые (входные и выходные величины являются аналоговыми сигналами, могут изменяться непрерывно и гладко);
цифровые (дискретные; входные и выходные величины изменяются дискретно);
аналого-цифровые (АЦП) (входной сигнал аналоговый, выходной – дискретный);
цифро-аналоговые (ЦАП) (входной – цифровой, выходной – аналоговый).

По наличию или отсутствию энергии в измеряемом сигнале:

генераторные преобразователи – являются преобразователями одного вида энергии в другой вид (источники ЭДС, источники тока, термопары, акустоэлектрические, пьезоэлектрические, оптоэлектрические). Преобразуют активные ФВ;
параметрические преобразователи – не могут работать без источников энергии; выходной сигнал этих преобразователей обусловлен изменением пассивных измеряемых ФВ (R, L, C , перемещение стрелки и т.п.) на входе. Преобразуют пассивные ФВ в активные ФВ;
масштабные преобразователи – изменяют только величину ФВ, поступающей на их вход (делители, усилители).

По виду модуляции сигнала на выходе ИП:

амплитудные (амплитудно-модулированные);
частотные;
фазовые.

По виду динамических процессов, протекающих в ИП в процессе преобразования:

статические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через статическую характеристику ИП – коэффициент преобразования);
динамические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через динамические параметры ИП (динамические характеристики) преобразователя). Динамические характеристики— это характеристики, отражающие процессы превращения кинетической энергии (или энергии магнитного поля) в потенциальную (или энергию электрического поля);
модуляционные преобразователи – частный случай динамических преобразователей – преобразуют статический входной сигнал в периодический сигнал или изменяют частоту периодического входного сигнала с помощью специального устройства– модулятора.

Примеры статических преобразователей.

Акселерометр – прибор, измеряющий ускорение объекта. В данном случае постоянное ускорение преобразуется в постоянный угол отклонения маятника от положения равновесия.

Аналогичное преобразование имеет место в пружинных весах, где постоянная сила тяжести преобразуется в постоянное смещение пружины.

В пьезоэлектрических весах вес груза преобразуется в деформацию пьезокристалла, в котором возникает разность потенциалов, измеряемая вольтметром.

Примеры динамических преобразователей

Гравиметры измеряют статическую величину – ускорение свободного падения g. В обоих примерах эта статическая величина преобразуется в сигнал, выражаемый через динамические параметры гравиметра (период колебаний в первом случае и время движения вверх-вниз тела, брошенного вверх, – во втором). В обоих случаях процессе преобразования сопровождается превращением потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

В модуляционном преобразователе Ф – постоянный световой поток электрической лампочки (статический сигнал) превращается в периодический сигнал – переменный ток I.

Статические характеристики и статические погрешности СИ

Основная статическая характеристика СИ – функция преобразования. Функция преобразования – функциональная зависимость выходной величины от входной. Эта зависимость может описываться аналитически, графически или в виде таблицы. В случае аналитического описания будем писатьy=F(x).

Вводят также понятие чувствительности СИ, как производной y по x: . В общем (нелинейном) случае S зависит от x. В СИ стремятся иметь линейную функцию преобразования. Как будет показано в дальнейшем, это позволяет уменьшить погрешность, связанную с наличием шумов. В этом случае , и тогда вводят обозначение . Коэффициент K называют коэффициентом преобразования или масштабным коэффициентом. Очевидно, что K равен тангенсу угла наклона прямой y(x) к оси x (см. рис.).