4. Компьютеризированный сбор данных 2
4.1. Введение 2
4.2. Общая схема сбора данных 2
4.2.1. Диаграмма организации сбора данных 2
4.2.2.Объекты мониторинга 2
4.3. Датчики 3
4.3.1. Физические эффекты 3
4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные) 4
4.3.3. Основные виды датчиков 5
а) температурные 6
б) оптические 7
в) датчики влажности и газовые анализаторы 9
г) магнитные датчики 10
4.3.4. Классификация датчиков 10
4.4.Типы сигналов 12
4.4.1. Аналоговые сигналы 12
4.4.2. Импульсные сигналы 12
4.4.3. Цифровой сигнал 13
а) квантование по уровню 13
б) квантование по времени 13
в) дискретные сигналы 13
4.5. Преобразование сигналов 14
4.6. Организация компьютеризированного сбора данных 14
4. Компьютеризированный сбор данных 4.1. ВведениеИстория методов сбора и регистрации данных:
регистрация человеком;
механические регистраторы;
электронные регистраторы;
автоматизированные регистраторы данных (dataloggers);
комп’ютеризированные системы сбора и анализа данных.
4.2. Общая схема сбора данных 4.2.1. Диаграмма организации сбора данных
Рис 4.1. Диаграмма организации сбора данных
4.2.2.Объекты мониторингаОбъектом мониторинга может быть:
физический объект;
процесс.
Каждый объект определенным образом взаимодействует со внешней средой, например, излучая. Известно четыре фундаментальных поля, но с практической точки зрения удобно вводить дополнительные поля, нефундаментальные, которые являются либо ограниченной частью либо комбинацией фундаментальных излучений. Имеется множество различных излучений (нефундаментальных), которые необходимо на практике контролировать, например:
тепловое излучение: электромагнитное излучение ИК-диапазона;
видимый свет: электромагнитное излучение диапазона ≈380-750 нм;
ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение выше видимого диапазона;
акустические излучения: механические колебания молекул, например, воздуха;
различные виды радиационного излучения (α, β, γ – излучения).
Кроме параметров излучения на практике часто необходимо измерять различные физические и химические величины:
давление;
влажность: удельное содержание паров воды в воздухе;
температура: кинетическая энергия движений молекул объекта;
удельное содержание различных примесей (загрязнителей);
перемещение, скорость, ускорение движения и геометрические размеры объекта;
кислотность почвы;
и т.д.
4.3. Датчики 4.3.1. Физические эффекты
В основе действия любого датчика лежит физический эффект – преобразование значения/изменения одной физической величины в определенные значения/изменения другой физической величины.
В следующей таблице приведены известные физические эффекты:
Таблица 4.1. Физические эффекты
| Эффект, явление, свойство | Физическая сущность преобразования |
| Теплопроводность (тепловая энергия изменение физических свойств) | Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область с более низкой температурой |
| Тепловое излучение (тепловая энергия инфракрасные лучи) | Оптическое излучение при повышении температуры физического объекта |
| Эффект Зеебека (температура электричество) | Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев |
| Пироэлектрический эффект (температура электричество) | Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры |
| Термоэлектронный эффект (тепловая энергия электроны) | Испускание электронов при нагревании металла в вакууме |
| Электротермический эффект Пельтье (электричество тепловая энергия) | Поглощение или генерация тепловой энергии при электрическом токе в цепи с биметаллическими соединениями |
| Электротермический эффект Томсона (температура и электричество тепловая энергия) | Генерация или поглощение тепловой энергии в электрической цепи из однородного материала при разных температурах участков цепи |
| Фотогальванический эффект (свет электричество) | Появление свободных электронов и положительных дырок (возникновение ЭДС) в облучаемом светом p-n-переходе |
| Эффект фотопроводимости (свет электрическое сопротивление) | Изменение электрического сопротивления полупроводника при его облучении светом |
| Эффект Зеемана (свет, магнетизм спектр) | Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле |
| Эффект Рамана или комбинационное рассеяние света (свет свет) | Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического |
| Эффект Поккельса (свет и электричество свет) | Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пъезокристалл с приложенным к нему электрическим напряжением в перпендикулярном лучу направлении. |
| Эффект Керра (свет и электричество свет) | Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотропном веществе с приложенным к нему электрическим напряжением в перпендикулярном к лучу направлении. |
| Эффект, Фарадея (свет и магнетизм свет) | Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитное вещество |
| Эффект Холла (магнетизм и электричество электричество) | Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электрического тока и приложении магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока. |
| Магнитосопротивление (магнетизм и электричество электрическое сопротивление) | Увеличение электрического сопротивления твердого тела в магнитном поле. |
| Магнитострикция (магнетизм деформация) | Деформация ферромагнитного тела, помещенного в магнитное поле. |
| Пьезоэлектрический эффект (давление электричество) | Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением. |
| Эффект Доплера (звук, свет частота) | Изменение частоты при взаимном перемещении объектов по сравнению с частотой, когда эти объекты неподвижны. |
4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные)
По способу измерения различают датчики:
прямого
косвенного
преобразования.
Для датчиков технической системы в связи с обработкой их сигналов на микро-ЭВМ обязательно требуется преобразование сигналов в электрические. Однако среди датчиков далеко не все построены на основе прямого преобразования того или иного явления в электрические сигналы. Во многих датчиках необходимы еще дополнительные преобразования. Датчики подобного типа называются косвенными в отличие от прямых, или непосредственных, где электрические сигналы формируются без промежуточных преобразований (рис. 4.2). Возьмем, например, оптический датчик. Это фотоэлектрический элемент на основе CdS. В зависимости от освещенности изменяется электрическое сопротивление между выводами элемента (рис. 4.3). Другим примером датчика прямого типа служит терморезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры.
Рис. 4.2. Принцип работы датчиков с прямым (а) и косвенным (б) преобразователем
В
Рис. 4.3. Характеристика фотодатчика
датчиках косвенного типа явление, обусловленное непосредственным взаимодействием с внешней средой, преобразуется в другое явление (или ряд других), а последнее — в электрический сигнал. Примером такого типа может быть датчик массы на основе измерения деформации. В нем осуществляется следующая цепочка преобразований: масса механическое смещение изменение электрического сопротивления, в результате которых получается электрический сигнал. Еще одним примером датчика косвенного типа может служить датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Здесь осаждение инея вызывает изменение освещенности, которое, в свою очередь, преобразуется в выходной электрический сигнал.По принципу действия датчики укрупненно делятся на физические и химические. Первые построены на основе физических, вторые—на основе химических явлений. Но, строго говоря, имеются датчики, которые нельзя четко отнести к тому или иному типу. Практически подавляющее большинство современных датчиков работает на основе физических принципов. Для химических датчиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надежностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью. В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодолеваются, и в будущем химические датчики найдут широкое применение, особенно как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в тело.
4.3.3. Основные виды датчиков
При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах:
Рис. 4.4. Виды датчиков
Ниже рассмотрим основные типы датчиков:
а) температурныеС температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных (табл. 4.2).
Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в самых разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков этого типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), с положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление резко изменяется при пороговом значении температуры). На рис.4.5 показана зависимость сопротивления от температуры для каждого вида терморезистора. Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются постоя
Рис.4.5. Характеристики различных терморезисторов
1 — положительная;
2 — отрицательная;
3 — критичная
нные резисторы.
Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости р—п-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.
Таблица 4.2.
| Принцип действия | Тип датчика (примеры) | Диапазон измеряемых тзмпаратур, °С | ||||
| -273 | 0 | 500 | 1000 | 1500 | ||
| Т | Термометр на основе измерения давления герметизированных | |||||
| Ртутный термометр | ||||||
| Биметаллический датчик | ||||||
| Изменение электрического сопротивления | Термометр сопротивления платиновый | |||||
| Терморезистор с отрицательной характеристикой | ||||||
| Терморезистор с положительной характеристикой | ||||||
| Терморезистор с критичной характеристикой | ||||||
| Генерация Термо-ЭДС | Термопара хромель-алюмель | |||||
| Полупроводниковый (НдСаТе) элемент | ||||||
| Изменение магнитной проницаемости | Термочувствительным феррит | |||||
| Изменение электрической емкости | Термочувствительный конденсатор | |||||
| Явления в полупроводниках | Диод,транзистор | |||||
| Тиристор | ||||||
| Интегральная схема | ||||||
| Тепловое излучение | Инфракрасный детектор пироэлектрического типа | |||||
| Изменение частоты | Кварцевый резонатор | |||||
| Изменение цвета | Термочувствительная краска | |||||
| Тепловые шумы | Платиновый провод | |||||
| Деформация, разрушение | Плавкий предохранитель | |||||
епловое расширениеб) оптические
Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. Как видно из табл. 4.3, по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.
Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект,— это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/K (где ft—постоянная Планка, с—скорость света, К—длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление, ими указанного барьера.
Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,— это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом (см. рис. 4.4). Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,—ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500—550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков—замедленная реакция (50 мс и более).
Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах р—п-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри р—п-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу,— фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Рис. 6 помогает лучше понять принцип действия фотогальванических элементов.
Пироэлектрические эффекты—это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: LiTaOa, РЬТЮз, ВаТЮз и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.
Таблица 4.3.
| Вид | Принцип оптико-электрического преобразования | Основное назначение | Исполнение | Рабочая область спектра | Тип | Достоинства и особенности |
| Фотоприемные | Фотоэлектронная эмиссия | - | - | - | Фотоэлемент электровакуумный | Высокая чувствительность, высокая скорость отклика, возможность счета фотоимпульсов |
| Фотоэлектронный умножитель | хорошее отношение сигнал-шум, большой выходной сигнал, возможность счета фотоимпульсов, быстрый отклик | |||||
| Фотопроводимость | Фоторезистор | малые габариты, малая стоимость, максимальная чувствительность CdS на волне 520 нм | ||||
| Фотогальванический эффект | Фотообнаружение | Одиночный элемент | Ультра-фиолетовая | Фотодиод, чувствительный к УФ-лучам | Малые габариты, твердотельная конструкция, не требуется источника электрического питания | |
| Видимая | Фотодиод, чувствительный к видимой области спектра | Не требуется источника электрического питания | ||||
| То же со встроенной схемой усилителя | Широкий динамический диапазон, значительный выходной сигнал, в фотокамере используется логарифмичность характеристики | |||||
| Ближняя инфракрасная | Фотодиод, чувствительный к ближней инфракрасной области спектра | Малые габариты, низкая стоимость, твердотельная конструкция, простота согласования с транзисторами, не требуется источника электрического питания | ||||
| То же, малоинерционный | Малые габариты и быстрота отклика, особенно у PIN-дио-дов | |||||
| Фототранзистор | Мощный выходной сигнал, малая стоимость, хорошее согласование с транзисторами |
Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью в. всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.
Основные преимущества перед датчиками других типов:
Возможность бесконтактного обнаружения.
Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.
Высокая скорость отклика.
Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.
Обширная сфера использования: измерение различных физических величин — перемещения, температуры, давления, плотности и др., определение формы, распознавание объектов и т. д.
Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).
Рис. 4. 6. Схема (а), поясняющая принцип действия фотогальванического элемента, и его вольт-амперная характеристика (б).
в) датчики влажности и газовые анализаторы
Влажность—физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков влажности не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности—разнообразные регуляторы атмосферы. В последнее время у датчиков влажности появилась новая, быстро расширяющаяся область применения, а именно системы автоматизации управления электронной кухонной плитой и устройства обнаружения повышенной влажности (нерабочее состояние) в видеомагнитофонах.
Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях—для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т. д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности SiOz, или устройства, работающие по принципу каталитического горения.
При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.
г) магнитные датчики
Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.
Таблица 4.4. Классификация магнитных датчиков
| Тип | Материал |
| Датчик Холла Магнитный диод Магниторезистор | Полупроводник Si, Ge, QaAs Si InSb,InAs |
| Магниторезистор Датчик Виганда | Ферромагнетик Ni—Co Fe—Ni, V—Co—Fe |
| Датчик Джозефсона | Сверхпроводник Pb, Nb |
Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Особенно эффективно применение элементов Холла в бесколлекторных двигателях видеомагнитофонов, где они используются для определения положения угла поворота и управления частотой вращения.
Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных Датчиков, в которых используются ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический Диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.
Взяв за основу элементы Холла или магниторезистивные, можно с помощью промежуточных преобразований явлений создать датчики давления, массы, расхода жидкости и др.
Эффект Джозефсона, или, иными словами, эффект сверхпроводимости при очень низких температурах, позволяет получить сверхчувствительные магнитные датчики. С их помощью можно обнаруживать микроизменения магнитного поля, связанные с потоками крови в системе кровообращения человека. Не исключено, что подобные датчики потребуются в медицине.
4.3.4. Классификация датчиков
а) по физическим закономерностям
механические упругие преобразователи;
электрические и механоэлектрические резистивные преобразователи;
электростатические преобразователи;
преобразователи электромеханической группы;
гальваномагнитные преобразователи;
электромагнитные преобразователи;
тепловые преобразователи;
электрохимические преобразователи;
оптические преобразователи;
квантовые преобразователи.
б) по виду входной измеряемой величины:
преобразователи электрических величин;
преобразователи неэлектрических величин.
в) по способу формирования выходного сигнала:
генераторные;
параметрические.
г) по методу преобразования:
прямого преобразования;
преобразователи уравновешивания.
д) по функции преобразования:
масштабные;
функциональные (многопараметрические, интегрирующие, дифференцирующие, статистические и т.п.)
4.4.Типы сигналов 4.4.1. Аналоговые сигналы
О
сновные параметры:
максимальный размах;
динамический диапазон;
частотный диапазон;
отношение сигнал/шум;
и т.д.
4.4.2. Импульсные сигналы
О
t, с
сновные характеристики:
уровень логического нуля;
уровень логической единицы;
частота следования импульсов;
ширина импульса;
тип импульсной модуляции (если есть).
4.4.3. Цифровой сигнал а
) квантование по уровню
Основные характеристики:
шаг квантования;
разрядность квантования;
погрешность квантования;
Правило выбора разрядности квантования
б) квантование по времени
О
сновные моменты:
частота дискретизации;
теорема Котельникова/Найквиста;
правило выбора частоты дискретизации для реальных сигналов.
в) дискретные сигналы
АЦП/ЦАП (виды и основные параметры);
правило выбора АЦП.
4.5. Преобразование сигналов
преобразование ток/напряжение;
мостовые преобразователи;
масштабирование сигналов;
фильтрация сигналов (ФНЧ, ФВЧ, заграждающие и полосовые фильтры);
изолирования и гальваническая развязка (конденсаторного, трансформаторного и оптронного принципов действия) и усиление.
Использование операционных усилителей для каждого из преобразований сигналов.
4.6. Организация компьютеризированного сбора данных
Основные этапы:
Выбор датчика
Выбор схемы включения (измерительного преобразователя).
Выбор параметров дискретизации сигналов (частоты и разрядности дискретизации).
Выбор платы АЦП.
Обеспечение согласования сигналов (усиление, фильтрация и т.д.).
Выбор программного обеспечения.