ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Введение

Глава 1. «Портреты» датчиков и их метрологические
характеристики
1.1. Классификация (радиовидимости) измерительных преобразователей
1.2. Метрологические характеристики измерительных преобразователей

Глава 2. Измерительные преобразователи электрических входных величин в электрические выходные величины
2.1. Типовые структурные схемы средств измерений и виды превращений сигналов
2.2. Масштабные электрические измерительные преобразователи
2.3. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Глава 3. Контактные датчики
3.1. Резистивные датчики
3.2. Пьезоэлектрические датчики
3.3. Емкостные датчики
3.4. Электромагнитные датчики
3.5. Тепловые датчики

Глава 4. Оптико-электрические и оптические датчики
4.1. Оптическое излучение как объект измерения. Измерительные задачи
4.2. Оптико-электрические датчики
4.3. Оптические датчики

Глава 5. Волоконно-оптические датчики
5.1. Общие сведения
5.2. Амплитудные ВОД
5.3. Волоконно-оптические датчики с модуляцией фазы оптического излучения


ПРЕДИСЛОВИЕ

Мы живем в окружающем нас мире предметов, явлений, процессов и нуждаемся постоянно в получении количественной информации о них. Это достигается путем измерений характеризующих их физических величин. Так, например, судить о габаритах объекта или расстоянии до него можно путем измерения геометрических величин, основной из которых служит длина, а ее единицей измерения – метр. Массу объекта мы определяем взвешиванием на тех или иных весах – это также один из видов измерений. Этот ряд можно продолжить огромным количеством примеров измерений разнообразных физических величин, представляя результаты в узаконенных единицах.
Даже французский поэт, философствующий лирик Поль Валери (1871-1945 гг.), казалось бы, весьма далекий от теории и техники измерений, сказал со всей определенностью:
«Современный мир насыщен измерениями; знание, не имеющее количественного выражения, теряет ценность. Понятие «наука» все менее ассоциируется со знаниями, не преобразованными в числа».
Из предисловия к книге Ж.Аша с соавторами «Датчики измерительных систем» (Пер. с франц. под ред. А.С.Обухова. – М.: Мир, 1992. – Кн. 1. – 480 с).

С основами измерений и метрологии читатель может ознакомиться в недавно изданном учебном пособии [1]. Там же некоторое внимание было уделено датчикам, но именно некоторое! Однако этот «золотник» играет столь важную роль в современных измерениях, что заслуживает уважительного к себе отношения и весьма высокой оценки его вклада в достоверность получаемого результата измерений.



Мал золотник, да дорог!
(Русская пословица;
золотник = 4,2657 грамма)

Введение
НЕМНОГО ИСТОРИИ И СОВСЕМ ЧУТЬ-ЧУТЬ ТЕРМИНОЛОГИИ

Путь, который пришлось пройти измерениям и измерительной технике, прежде чем более или менее надежно утвердились относящиеся к ним общепринятые определения и термины, был весьма длинным и тернистым. Многие отечественные ученые, с большинством которых, начиная с середины ХХ века, автор имел честь быть знакомым, сотрудничать и даже дружить, внесли неоценимый вклад в развитие метрологии и измерений. К их заслугам следует отнести создание и развитие теории измерений (проф. М. Ф. Маликов, акад. А. А. Харкевич, проф. Ф. Е. Темников, Р. Р. Харченко, В. Н. Мильштейн, П. В. Новицкий, Э. И. Цветков, В. Г. Кнорринг, Г. Н. Солопченко, к.т.н. В. Я. Розенберг и многие другие), формирование крупнейших научных школ в области приборостроения, к числу которых в первую очередь необходимо отнести коллективы ученых и инженеров, «выпестованных» кафедрами Ленинградского (проф. Е. Г. Шрамков) и Львовского (проф. К. Б. Карандеев) политехнических институтов.
Невозможно (да и не нужно!) в одной популярной книге (а именно такой является предлагаемая читателю брошюра) осветить все стороны многогранной научной и производственной деятельности измерителей и приборостроителей, десятилетиями накапливавших бесценный опыт создания оригинальных, все более совершенных образцов измерительной техники. Остановимся в этой книге лишь на таком важнейшем для измерений понятии, как измерительное преобразование, и той роли, которую играют в этом процессе датчики (они же измерительные преобразователи!) физических величин.
Итак, что же такое измерение и основные связанные с ним понятия и определения? Достаточно подробно с этим знакомит книжка [1], поэтому нам остается лишь напомнить кое-что читателю, проявившему интерес к метрологии и измерениям.
Измерением является, несомненно, познавательный процесс получения количественной информации об объекте, которым может служить предмет, физическая система, явление и т.д. Очевидно, что объект измерения должен обладать одним или совокупностью характеризующих его свойств, представляющих интерес для получателя именно количественной информации!
Одно из таких свойств объекта (в дальнейшем речь будет идти исключительно о физических объектах), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них, называется физической величиной (или просто величиной), а она же, но подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с поставленной задачей, именуется измеряемой физической величиной (или просто измеряемой величиной). Заметим, что понятие физической величины является одним из фундаментальных понятий измерений (и, конечно, метрологии как науки об измерениях).
Для количественного выражения каждой измеряемой величины служит соответствующая единица измерения, т.е. такая же физическая величина, но которой присвоено числовое значение, равное единице.
При этом для дальнейшего изложения особенно важно отметить, что число подлежащих измерению механических, тепловых, оптических, акустических и пр. так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, уже в начале 60-х годов прошлого века во много раз превышало число всех возможных электрических и магнитных величин.
Измерения осуществляются специально предназначенными для этих целей техническими средствами, именуемыми средствами измерительной техники, причем основная «измерительная нагрузка» ложится на средство измерений, т.е. на техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормируемые метрологические характеристики, под которыми подразумеваются устанавливаемые нормативно-техническими документами свойства средства измерений, влияющие на получаемый результат и его достоверность. Эти же свойства, определяемые экспериментально, именуются действительными метрологическими характеристиками.
Чаще всего в повседневной практике нам приходится иметь дело с таким средством измерений, как измерительный прибор. Любому читателю хорошо известны термометры, весы, амперметры, вольтметры, счетчики электрической энергии, часы и даже хронометры. Словом, существует огромное количество разнообразных приборов для измерений и электрических, и неэлектрических величин.
Теперь же, любезный мой читатель, задумаемся вот над чем: измерительный прибор тем или иным способом воспринимает (внимание: этот глагол нам очень важен!) измеряемую величину, а в результате мы получаем отображенное в доступной нам форме (отсчет по шкале, цифры на дисплее, диаграмма на ленте самопишущего прибора и пр.) значение измеряемой величины, поэтому возникает очевидный вопрос: что же происходит внутри этого средства измерений, благодаря чему из «замарашки» на входе прибора (извини меня, входная измеряемая величина, за такое сравнение…) возникает «красавица-царевна» на выходе, т.е. выходная величина? Очевидно, остается предположить, что имеют место одно или несколько «волшебных» преобразований. Верно! Только в нашем случае они не волшебные, а измерительные преобразования.
При этом очень важно отметить, что по мере нашего продвижения со входа на выход измерительного прибора преобразования одной физической величины в другую сопровождаются соответствующими преобразованиями энергии, определяющими принцип действия данного средства измерений. Однако энергетические преобразования – неизбежная дань, которую приходится платить за получение количественной информации об объекте измерения. Поток энергии сквозь измерительный прибор – это лишь переносчик измерительного сигнала, содержащего количественную информацию об измеряемой физической величине. Очевидно, что при взаимодействии средства измерений с объектом измерений следует соблюдать принцип «не навреди чистоте эксперимента!» Это означает, что входная часть нашего измерительного прибора должна минимально воздействовать на измеряемый объект. В идеальном случае это означало бы отсутствие отбора энергии от объекта, но это физически нереализуемо. Поэтому надо стараться по возможности не вмешиваться входной частью средства измерений в «ауру» объекта измерения!
Таким образом, мы можем констатировать следующее: для получения количественной информации об объекте измерения нужно выбрать наиболее подходящую физическую величину, являющуюся интересующим нас свойством этого объекта, определиться с требуемым средством измерений и озаботиться хорошо продуманной «стыковкой» входной части прибора с объектом измерений с учетом вышеупомянутого принципа. При соблюдении этих условий мы приобретаем первоначальную уверенность в том, что физическая величина путем одного или нескольких измерительных преобразований с помощью передаваемого с входа на выход измерительного сигнала отобразится в виде результата измерений, именуемого значением физической величины.
Все относительно просто, пока измеряется одна величина, практически не меняющаяся в процессе измерения, да еще если необходима информация о свойстве объекта лишь в одной точке или в ее окрестности. А как быть, если нужно одновременно во многих разнесенных точках пространства измерять совокупность разных физических величин, причем непосредственный доступ к объекту измерения экспериментатору не разрешен (например, доменная печь или атомный реактор), да и сами физические величины достаточно быстро изменяются в ходе выполнения эксперимента?
В этих случаях средствами измерений служат уже измерительные системы (а не приборы!), представляющие собой совокупности функционально объединенных средств измерений и других технических средств, размещенных в разных точках объекта измерения, а часто, кроме того, удаленных друг от друга на значительные расстояния, что приводит к необходимости использования каналов связи (или передачи информации) между ними.
Именно здесь уместно познакомиться с двумя понятиями, которые окажутся весьма полезными в дальнейшем:
• совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода, называется измерительной цепью;
• измерительная цепь измерительной системы называется измерительным каналом.
Таким образом, коль скоро мы уяснили, что «по дороге» от объекта измерений как источника информации к экспериментатору как к пользователю этой информации выполняется ряд преобразований, формирующих процесс измерений, логично считать, что используемое средство измерений (или их совокупность) состоит из цепочки (измерительной цепи) измерительных преобразователей, один из которых, непосредственно связанный с объектом измерения, правомерно считать первичным измерительным преобразователем.
Мы не ошиблись, так оно и есть, а именно:
• техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками (т.е. тоже являющееся одной из разновидностей средств измерений), служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи, именуется измерительным преобразователем (ИП);
• измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи (канала) средства измерений, именуется первичным измерительным преобразователем или просто первичным преобразователем (ПП).
В дальнейшем, когда мы будем более подробно знакомиться с ИП, нам встретятся различные физические эффекты и явления, поясняющие принципы действия, а также варианты их конструктивного исполнения. В частности, ПП могут быть встроены в измерительный прибор или измерительное устройство, а также конструктивно обособлены. В последнем случае такой ПП рекомендуется именовать датчиком (поскольку от него якобы поступают измерительные сигналы, т.е. он «дает» информацию).
Судьба этого термина достаточно «драматична». Мало того, что в целом ряде применений его именуют (равно, кстати, как и ПП!) то сенсором, то детектором, то просто чувствительным элементом. Главное – в течение десятилетий в отечественной нормативной метрологической терминологии существовало строжайшее «табу», мягко говоря, не рекомендовавшее этот термин к использованию при написании книг и статей. В последние годы запрет снят, термин «датчик» признан метрологически обоснованным, причем оговорено, что он может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы.
И еще немного о датчике в терминологическом плане. Во-первых, датчики получили широкое распространение не только в средствах измерений, но и в устройствах управления, сигнализации, охраны, обнаружения различных объектов. Однако здесь мы рассматриваем лишь датчики как элементы измерительной техники, имеющие гарантированные, сохраняющиеся в течение определенного интервала времени метрологические характеристики. Во-вторых, еще раз обратим внимание на то, что датчик как первичный измерительный преобразователь не только «дает» информацию, но и (что, по мнению автора, еще важнее!) воспринимает измеряемую (входную) физическую величину от объекта измерения, играя при этом роль своеобразного «приемопередатчика». Следовательно, в датчике реализуются три процесса: восприятия входной физической величины, ее преобразования в промежуточную (или же сразу же в выходную) величину той же или иной физической природы, формирования измерительного сигнала, передаваемого вдоль измерительной цепи, сопрягаемой с датчиком.
Однако не стоит забывать, что измерительная цепь состоит и из ряда вторичных ИП, которые уже не являются датчиками, так как лишь передают друг другу измерительные сигналы, преобразуя их, но не соприкасаясь при этом непосредственно с объектом измерения. Тем не менее метрологические характеристики идентичны для первичных и вторичных ИП и их следует рассмотреть в первую очередь, что и будет нами выполнено в разд. 1.2.
(Прошу прощения, а золотник в эпиграфе? Нет, упоминание о нем не случайно, поскольку именно восприятие входной величины от объекта измерений часто является наиболее «деликатной» операцией при реализации измерительного процесса, требующей высочайшего искусства как при конструировании современного миниатюрного датчика с уникальными метрологическими характеристиками, так и при его стыковке с объектом измерения, обеспечивающей требуемую «неприкосновенность» последнего.)