Датчики электрического поля реферат

Обновлено: 03.07.2024

Рис. 21.20. Электроиндукционный преобразователь (а), плоская система электродов (б) и эквивалентная электрическая схема (в) В однородном электрическом поле между электродами индуцируется напряжение и = ?//э, причем эквивалентная измерительная база преобразователя 1Э зависит от расстояния между электродами, их конфигурации и соотношения электрофизических параметров электродов и окружающей среды… Читать ещё >

Электрические датчики физических величин ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Структура современных электрических датчиков физических величин может содержать необходимый набор встроенных преобразователей для получения и обработки информационных сигналов (рис. 21.16).

Энергетическое взаимодействие чувствительного элемента (ЧЭ) с объектом при их контакте или посредством восприятия создаваемых объектом физических полей позволяет получить информацию об исследуемой величине. В общем случае выходная величина чувствительного элемента может быть неэлектрической, как, например, деформация мембраны в датчиках давления. С помощью первичных преобразователей (ПП) переходят к электри;

Рис. 21.16. Общая структура электрического датчика.

(расшифровку обозначений см. в тексте) ческой величине (току, напряжению) или изменению параметра элемента электрической цепи (резистивного, индуктивного, емкостного). В последнем случае варьируемый параметр в дальнейшем преобразуется в электрический сигнал с помощью измерительной цепи (ИЦ).

Полученное с выхода ПП напряжение u (t) подвергается усилению, нормализации и частотной фильтрации (УН + ЧФ) в аналоговой форме. Нормализованный аналоговый сигнал может быть с помощью передатчика (ПД) введен в аналоговый канал связи (КСд) для передачи во внешние устройства обработки. Применяется также вариант подачи нормализованного сигнала на АЦП и его передачи в цифровой форме по каналу связи (КСц). Цифровой сигнал поступает в микропроцессор (МП), осуществляющий обработку данных, контроль параметров преобразователей и локально е управление режимом измерения. Электропитание всех преобразователей осуществляет встроенный или внешний источник электропитания (ИЭП).

Современный интеллектуальный датчик представляет многофункциональное измерительное средство с микропроцессорной обработкой информации и программируемыми характеристиками. Электронный этап развития датчиков проявился также в применении полупроводниковой технологии микросхем для изготовления в слое кремния объемных элементов (мембран, струн, балок) для чувствительных элементов датчиков. Объединение базовых технологических направлений (микроэлектроники, оптоэлектроники, акустоэлектроники, мехатроники) образовало направление микросистемной технологии (МСТ). Приборная микросистема включает три основных элемента автоматики: микросенсор, преобразователь информационных сигналов и регулятор. Использование пьезоэлектрических свойств кремния является основой создания микроэлектромеханических систем (МЭМС), или integrated Micro Electro Mechanical System (iMEMS), на базе которых строятся датчики ускорения, скорости, силы, перемещения.

Одним из важных классификационных параметров электрического датчика, который определяет его возможности совместной работы с устройствами обработки информационных сигналов, является характер выходного сопротивления измерительной цепи. Теоретически для сигналов произвольной формы выходное сопротивление имеет сложный комплексный характер (резистивно-индуктивно-емкостный), но в пределах рабочей полосы частот можно при создании математической модели принять однородный характер сопротивления, диапазона скоростей изменения входной величины (или ее спектра), что позволяет выделить основные факторы, определяющие характеристики преобразователя. Как правило, однотипные измерители различных величин (например, резистивные преобразователи температуры и давления) имеют схожие конструкции и идентичные характеристики, а преобразователи разных типов для одной и той же величины (например, индуктивные и емкостные преобразователи перемещения) имеют существенные конструктивные отличия и разные характеристики.

Резистивные преобразователи, принципы действия которых основаны на создании при воздействии измеряемой величины электрических токов в резистивном чувствительном элементе, а также на зависимости сопротивления элементов от различных факторов (температуры, длины и площади сечения проводника), имеют множество разновидностей: термопары, преобразователи Холла, тензорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы. К достоинствам резистивных преобразователей следует отнести независимость коэффициента преобразования от частоты сигнала, а также возможности их изготовления с использованием технологии интегральных микросхем (7, "https://referat.bookap.info").

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на эффекте повышения концентрации свободных электронов на нагретом конце проводника. При соединении двух проводников из различных материалов в спаях образуются контактные разности потенциалов, вызванные диффузией свободных электронов из области с большей концентрацией. Возникшие термоэлектродвижущие силы определяются видом соединяемых материалов и зависят от разности температур 0! и 0₂ точек соединения проводников (рис. 21.17, а).

Большую группу первичных измерительных преобразователей температуры составляют различные модификации резистивных элементов электрических цепей: термосонротивлений, термисторов, термодиодов. Так, функционирование металлических термочувствительных преобразователей основано на зависимости от температуры удельного сопротивления металлов со стабильным значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Например, сопротивление меди линейно зависит от температуры (Rq = /?о[1 + а (0 — 0_О)]) с коэффициентом, а ~ 4,27 • 10' 3 1/град при ее изменении от -50 до 180 °C. Широкое распространение получили различные типы полупроводниковых термисторов, характеризуемых нелинейной зависимостью сопротивления от температуры (Rq ~ ге^ ! ), где Т = 273 + 0 К — абсолютная температура; г — константа, имеющая размерность сопротивления и зависящая от конфигурации и размеров полупроводникового элемента; р — константа, зависящая от физических свойств полупроводника.

Общими для всех контактных методов измерения температуры являются погрешности, обусловленные нестабильностью теплового контакта между объектом и датчиком. Для его устранения могут применяться бесконтактные методы измерения температуры, базирующиеся на излучении объектом теплового потока, представляющего собой совокупность монохромных волн в диапазоне длин от 0,3 до 300 мкм или полосе частот от 10 15 до 10 12 Гц. Теория неконтактных методов измерения температуры основана на законах, характеризующих связь излучения нагретого тела с его температурой, условиях распространения в пространстве теплового потока и его взаимодействии с чувствительными элементами датчиков. Датчики, реагирующие на воздействие электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн, называются оптическими приемниками излучения или фотоприемниками. В качестве полупроводниковых фотоприемников широко используются различные виды фоторезисторов, фотодиодов, фототранзисторов.

Рис. 21.17. Термопара (а) и ее динамическая характеристика (б).

Применяются также резистивные датчики с многоступенчатым преобразованием измеряемой величины в электрическое напряжение. Примером устройства, реализующего указанный принцип, служит датчик статического давления. Разность значений измеряемого Р_п и опорного Р₀ (например, атмосферного) давлений вызывает деформацию участков мембраны (рис. 21.18, а).

Рис. 21.18. Структура датчика давления (а), конструкция тензорезистора (б) и электрическая схема измерительной цепи (в).

Для измерения деформаций тел применяют тензорезисторы, принцип действия которых основан на вариации сопротивлений при механической деформации, приводящей к относительному изменению линейного размера. Относительное изменение сопротивления R = p//s можно записать в виде соотношения.

где I, s — длина и сечение тензорезистора; р — коэффициент связи продольных и поперечных деформаций.

В качестве материала тензорезисторов используются проводники с высоким удельным сопротивлением (константан, нихром, манганин, хромель) и полупроводники (кремний, германий). При изготовлении полупроводниковых тензорезисторов методами интегральной технологии в качестве подложки используются кремний или сапфир, обладающие почти идеальной эластичностью. На поверхности диэлектрической сапфировой подложки выращиваются слои легированного кремния, к которым формируются проводящие контакты из поликремния (рис. 21.18, б). На одной подложке обычно формируется несколько тензорезисторов с разными знаками приращения сопротивлений. Две пары тензорезисторов, размещенных на гибкой мембране датчика давления, включаются в мостовую измерительную схему (рис. 21.18, в). Применение симметричной мостовой измерительной схемы увеличивает коэффициент преобразования и повышает помехозащищенность датчика.

Индуктивные и емкостные датчики функционируют на основе явлений магнитной и электрической индукции. Эффект магнитной индукции проявляется в виде ЭДС, которая наводится в помешенной в магнитное поле с индукцией В катушке с N витками (рис. 21.19, а).

Напряжение на разомкнутых зажимах катушки и = nd/dt наводится при изменении магнитного потока Ф, созданного нормальной составляющей В_п индукции в витках площадью 5. Изменение сцепленного с витками магнитного потока можно получить в неподвижной катушке при изменении В", а также посредством перемещения катушки в магнитном поле. Первый способ служит для создания генераторных датчиков магнитной индукции, а второй — при реализации датчиков перемещения пассивного типа.

В большинстве индуктивных датчиков перемещения для концентрации магнитного потока Ф используется ферромагнитный сердечник с обмоткой, содержащей N витков (рис. 21.19, 6). Перемещение подвижной части магнитопровода вдоль оси х изменяет длину зазора, которая приводит к вариации индуктивности L (x). При питании индуктивной катушки от стабильного источника переменного тока i выходное напряжение определяется из выражения u (t) = L (x)di/dt.

Индукционные преобразователи генераторного типа нашли применение для бесконтактного измерения переменного электрического тока i. Конструктивно они представляют собой замкнутый ферромагнитный сердечник с выходной обмоткой, содержащей N витков провода (рис. 21.19, б). Подобную систему можно рассматривать как трансформатор с входной обмоткой, содержащей единственный распределенный в пространстве виток.

В основу принципа действия преобразователей емкостного тина заложено явление электрической индукции, которое состоит в наведении поверхностных электрических зарядов на проводниках, помещенных в электрическое поле. При размещении в области пространства с однородным электрическим полем напряженностью Е пары точечных электродов между ними создается напряжение и = Ejl, где Ei — составляющая напряженности, направлен;

Рис. 21.19. Катушка в магнитном поле («), индуктивные датчики перемещения (б) и тока (в) пая вдоль соединяющей заряды линии; / — расстояние между электродами.

Электроиндукционный датчик составляющей Е/ напряженности электрического поля содержит пару электродов и измеритель напряжения И (рис. 21.20, а).

Рис. 21.20. Электроиндукционный преобразователь (а), плоская система электродов (б) и эквивалентная электрическая схема (в) В однородном электрическом поле между электродами индуцируется напряжение и = ?//_э, причем эквивалентная измерительная база преобразователя 1_Э зависит от расстояния между электродами, их конфигурации и соотношения электрофизических параметров электродов и окружающей среды. Например, для системы из двух близко расположенных в воздухе плоских электродов измерительная база примерно равна расстоянию между электродами d (рис. 21.20, б). Эквивалентную электрическую схему датчика электродов в первом приближении можно представить в виде конденсатора емкостью С и источника наведенного на пластинах напряжения и (рис. 21.20, в). Расчет параметров элементов эквивалентной схемы С и i_y базируется на постановке и решении соответствующих краевых задач электродинамики. При подключении нагрузки сопротивлением Z, выходное напряжение и_вых зависит от соотношения нагрузочного и емкостного сопротивлений.

Двухступенчатые емкостные преобразователи применяются для измерения механических усилий и давления. Например, в качестве чувствительного элемента датчика давления используется мембрана, которая, деформируясь под действием внешнего давления, изменяет конденсаторную емкость между обкладками (рис. 21.21, а).

Рис. 21.21. Емкостный преобразователь давления (я), пьезоэлектрический датчик силы (6) и его эквивалентная электрическая схема (в) Наряду с пассивными преобразователями для измерения давления, силы, ускорения применяются емкостные генераторные сенсоры, использующие пьезоэлектрические свойства кристаллических материалов (кварца, сегнетовой соли, титаната бария). При сжатии кристалла в определенном направлении на его гранях наводятся электрические заряды, которые создают разность потенциалов (напряжение). В зависимости от значения силы сжатия меняется количество зарядов, а следовательно, и напряжение. Структура пьезодатчика силы F содержит мембраны, передающие силовое воздействие на пьезоэлемент (рис. 21.21, б). Приведенный датчик принципиально не предназначен для измерения статического давления, так как реагирует на изменение зарядов на пластинах. Эквивалентную электрическую схему датчика можно представить в виде источника зарядов, образующихся на пластинах, с параллельно подключенным конденсатором (рис. 21.21, в). Для последующего усиления электрических сигналов можно использовать усилитель заряда (интегрирующий усилитель тока).

Оптоэлектронные преобразователи составляют подгруппу элементов и устройств, основанных на использовании разнообразных оптических эффектов. Распространению информационных устройств онтоэлектроники способствуют такие их качества, как весьма большой частотный диапазон преобразуемых сигналов, а также большая информационная емкость и высокое быстродействие оптических каналов связи.

Отдельное направление представляют оптоэлектронные датчики, базирующиеся на регистрации излучения объекта или использующие модуляцию светового потока. В волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин могут изменяться (модулироваться) параметры светового потока: интенсивность, фаза гармонической составляющей, спектральный состав, поляризация волн. Выделяют два типа ВОД: с использованием оптического волокна в качестве чувствительного элемента и с модуляцией светового потока вне оптического кабеля, который служит для передачи оптического сигнала к чувствительному элементу.

Датчик электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован для электрических измерений, в частности, измерения вертикальной и горизонтальных составляющих электрического поля. При изучении атмосферного электрического поля Земли и электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются одновременные измерения вертикальной и горизонтальных составляющих поля вблизи земной поверхности. В предлагаемом датчике электрического поля измерения производятся периодическим экранированием четырех перекрестно расположенных измерительных пластин с помощью экранирующей пластины и параллельной обработкой сигналов с измерительных пластин. Экранирующая пластина и измерительные пластины образованы секториальными вырезами соосных конических поверхностей. При вертикальном размещении осей осуществляется одновременное раздельное измерение вертикальной и двух перпендикулярно ориентированных горизонтальных составляющих электрического поля. Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить универсальность устройства, ускорить и упростить процесс измерения всех составляющих электрического поля.

При изучении атмосферного электрического поля Земли и электрических полей в приземном слое и под земной поверхностью требуются измерения вертикальной и горизонтальных составляющих поля вблизи земной поверхности. Необходимость измерений обусловлена как фундаментальными научными исследованиями, так и практическими потребностями предсказания некоторых аспектов эволюции подповерхностных слоев.

Известны различные устройства, которые измеряют электрическое поле. В поле помещается конденсатор, емкость которого модулируется с помощью изменения диэлектрической проницаемости диэлектрика, находящегося внутри или снаружи измерительного конденсатора. (Метод описан, например, в кн.: Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество / Пер. с англ. под ред. Имянитова И.М. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с.). Недостатком подобных устройств является сильная зависимость свойств сегнетоэлектрических материалов, используемых в качестве диэлектриков, от состояния внешней среды, особенно от ее температуры и влажности, что приводит к нестабильности характеристик измерителя, значительно снижающих точность измерений. Известны также устройства, использующие варикапы в качестве переменной емкости и описанные, например, в кн.: Гер А.А., Левин А.С., Носов Ю.Р. Электрометрический варикап. // Полупроводниковые приборы и их применение. Вып 28. М.: Сов. Радио, 1974. Недостатком данных устройств является то, что варикапы имеют относительно небольшой диапазон изменений емкости варикапа. Это сужает ограничивает области его применения.

Горизонтальная неподвижная измерительная круглая пластина содержит шесть секториальных вырезов, над ней вращается экранирующая пластина с такой же конфигурацией вырезов. Оси обеих пластин совпадают. При вращении экранирующей пластины измерительная пластина периодически экранируется от действия измеряемого электрического поля, в результате чего в цепи, соединяющей измерительную пластину с землей, возникает переменный ток, который обрабатывается электрической схемой устройства.

Частота вращения вала двигателя с остается постоянной. На валу двигателя расположен маркированный маховик, на который нанесены черные и белые полосы одинаковой ширины. Цвет полос чередуется. Вблизи от маховика расположен источник подсветки, излучением которого подсвечиваются полосы на маховике. Также вблизи от маховика расположен фотодиод, на который падает излучение подсветки, отраженное от поверхности маховика. При вращении двигателя цвет полос на поверхности маховика чередуется и в зависимости от этого в фотодиод попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде, который выделяется в мостовой схеме, и в пороговом блоке из него формируется бинарный выходной опорный сигнал, подаваемый на цифровой вход микроконтроллера.

Заряды переменной величины с измерительной пластины, перемещаясь, образуют электрический ток, который усилителе тока усиливается и преобразуется в напряжение. Усиленный сигнал имеет частоту, определяемую скоростью вращения экранирующей пластины и количеством секториальных вырезов на ней. Далее выходной сигнал усилителя тока проходит через полосовой фильтр, очищающий результаты измерения от гармоник промышленной частоты. После этого измерительный сигнал перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результат перемножения усредняется и из него выделяется медленно меняющаяся компонента, несущая информацию о величине измеряемого электрического поля. Результат измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных, который используется для связи с удаленным компьютером и передачи туда результатов измерения.

Основным недостатком устройства-прототипа является то, что он может измерять только вертикальную составляющую электрического поля, т.е. его недостаточная универсальность, замедляющая и усложняющая процесс измерения поля. В то же время при различных исследованиях необходимо одновременное измерение всех трех пространственных координат поля.

Задачей данной полезной модели является повышение универсальности устройства, ускорение и упрощение процесса измерения всех составляющих электрического поля.

На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема и вид сверху конструкции датчика электрического поля; на фиг.2 - вид сбоку конструкции датчика электрического поля в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей; на фиг.3. - чертеж, поясняющий особенности измерения составляющих электрического поля.

На фиг.2 обозначены: корпус-основание 28, экранирующая пластина 29; первая и третья измерительные пластины 30 и 31; изоляторы 32 и 33; двигатель 34; маркированный маховик 35.

Блоки устройства работают следующим образом.

Частота вращения вала двигателя 7 во время работы устройства остается строго постоянной и контролируется блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9. Корпус-основание 6 заземлен и устанавливается горизонтально. Двигатель 7, укрепленный на корпусе-основании 6, вращает вал с укрепленной на нем экранирующей пластиной 1, причем вал и экранирующая пластина электрически заземлены. Экранирующая пластина имеет четыре одинаковых по форме секторальных выреза. Сектора по окружности пластины размещены симметрично, средняя линия каждого сектора имеет угол со средними линиями двух соседних с ним секторов, равный 90°. Средние линии - это образующие конической поверхности экранирующей пластины. Секторальные вырезы образуют четыре одинаковые по форме лопасти между ними, средние линии которых также повернуты относительно средних линий соседних лопастей на угол 90°.

Измерительные пластины 2, 3, 4, 5 неподвижно укреплены на корпусе-основании каждая с помощью изоляторов и электрически изолированы одна от другой. Форма измерительных пластин повторяет форму лопастей экранирующей пластины, они составляют части общей конической поверхности, повторяющей форму конической поверхности экранирующей пластины, но соосно смещенной относительно ее. Средняя линия каждой измерительной пластины повернута относительно средних линий соседних измерительных пластин на угол 90°. Таким образом, средние линии каждой пары противоположных измерительных пластин расположены во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях и определяют взаимно перпендикулярные оси ОХ и OY заявляемого датчика.

Под измерительными пластинами расположена коническая поверхность корпуса-основания 6, повторяющая форму общей конической поверхности измерительных пластин и также смещенная соосно относительно ее. Расположение всех поверхностей иллюстрируется фиг.2, где помещен разрез по оси ОХ. Внешний конус - экранирующая пластина 29, ниже расположен конус, на котором находятся измерительные пластины 30 и 31, ниже расположена коническая поверхность корпуса-основания 28. Измерительные пластины крепятся на корпусе-основании с помощью изоляторов 32 и 33.

На валу двигателя расположен маркированный маховик 8, на который нанесены четыре черные и четыре белые полосы одинаковой ширины. Вблизи от маховика расположен источник подсветки 10, который может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода и излучением которого подсвечиваются черные и белые полосы на маркированном маховике 8. Также вблизи от маховика расположен фотодиод 11, на который падает излучение источника подсветки 10, отраженное от поверхности маховика, покрытой черными и белыми полосами.

При вращении вала двигателя 7 цвет полос на поверхности маркированного маховика 8 чередуется и в зависимости от этого в фотодиод 11 попадает большее или меньшее количество света от источника подсветки 10, отраженного полосами. В результате синхронно с этим меняется уровень сигнала в фотодиоде. Этот сигнал выделяется в мостовой схеме 12, и в пороговом блоке 13 из него формируется бинарный выходной сигнал, соответствующий цвету полосы на маховике в данный момент времени, после чего он в качестве опорного подается на цифровой вход микроконтроллера 25.

Далее сигналы с выходов вычитателей 22 и 23 и сумматора 24 поступают на, соответственно, первый, второй и третий независимых аналоговых входа микроконтроллера 25, где осуществляется их аналого-цифровое преобразование. Далее измерительные сигналы в цифровом виде независимо один от другого перемножается в микроконтроллере на опорный сигнал, поступающий на цифровой вход микроконтроллера. Результаты перемножения усредняются и из них выделяются медленно меняющиеся компоненты, несущие информацию о величинах трех пространственных составляющих измеряемого электрического поля. Результаты измерения в последовательном коде поступает на блок приема-передачи данных 26, а с его выхода - на информационный выход устройства. Блок приема-передачи данных используется для связи с удаленным компьютером 27 и передачи туда результатов измерения.

Удаленный компьютер 27 через управляющий вход устройства соединен с входом блока приема-передачи данных 26, и через него при необходимости с него передаются управляющие команды на микроконтроллер 25.

Принцип работы устройства заключается в следующем. В основу заложен принцип действия электростатического генератора. Он состоит в том, что при внесении проводника в переменное электрическое поле, в нем возникает движение индуцированных зарядов, причем величина тока, создаваемого перемещающимися зарядами, пропорциональна изменению напряженности поля. Конструкция датчика электрического поля преобразовывает измеряемое электрическое поле в быстро меняющееся переменное, которое воздействует на измерительные электроды. Преобразование поля осуществляется механическим способом за счет вращения лопастей, напоминающих согнутые крылья ветряной мельницы.

У каждой измерительной пластины свой тракт усиления сигнала. Усилители тока имеют входное сопротивление много меньше, чем сопротивление источника сигнала, следовательно, требования к качеству изоляторов, на которых крепится каждая измерительная пластина, могут быть снижены. Усилитель тока обязательно балансируется, что позволяет свести к минимуму паразитный сигнал, обусловленный разностью напряжений между входами усилителя. (Усилитель тока может быть выполнен, например, на прецизионном операционном усилителе OP07Z, который преобразует измеренный ток в напряжение. Этот операционный усилитель имеет первоначальную балансировку, обеспечивающую минимально возможное напряжение смещения между его входами). Усилители тока располагаются в непосредственной близости от датчиков - соответствующих измерительных пластин, что убирает помехи, воздействующие на наиболее чувствительные участки тракта передачи измерительной информации.

Цифровой способ измерения амплитуды является существенно более точным, чем аналоговый. В микроконтроллере 25 гармонические сигналы с выходов вычитателей 22, 23 и сумматора 24 дискретизируются с частотой, в несколько раз большей, чем частота дискретизации, требуемая, исходя из теоремы Котельникова. Затем следует процесс квантования отсчетов в соответствии с выбранной разрядной сеткой. Каждый аналогово-цифровой преобразователь на аналоговых входах микроконтроллера 25 находится сразу после полосового фильтра, что исключает возникновение всех погрешностей, характерных для аналогового способа обработки сигнала.

Опорный сигнал при этом не оцифровывается и может быть представлен двумя уровнями: единицы и нуля. Такая схема не требует точного фазирования, т.е. ошибка временного положения опорного сигнала может составлять примерно половину длительности интервала дискретизации. Затем следует операция перемножения дискретизированных сигналов с последующим усреднением. Точность вычислений определяется разрядной сеткой и может быть сколь угодно высокой. Также возможно значительное расширение диапазона изменения измеряемых величин. Для обмена информацией с удаленным компьютером в качестве блока приема-передачи данных 26 может быть выбрана, например, микросхема AMD485.

Основные погрешности при цифровом методе будут определяться погрешностью аналого-цифрового преобразования, причем эти погрешности носят систематический характер и не зависят от температуры, влажности и прочих условий измерения амплитуды сигнала. Плоская конструкция бесщеточного двигателя 7, питаемого от источника постоянного тока, вносит минимум помех. (В качестве двигателя может быть использована, например, модель серии ЕС32 фирмы MAXON с номинальной мощностью на валу 6 ватт). Скорость вращения задается блоком стабилизации скорости вращения двигателя 9, в качестве которого может быть использован, например, контроллер двигателя 1-Q-EC Amplifier DEC 24/1, и поддерживается постоянной при изменении температуры и механической нагрузки.

Расстояние между экранирующей и измерительными пластинами выбирается минимальным, а края экранирующей пластины лежат в плоскости края корпуса. Такая конструкция с учетом конической формы обеспечивает при большой скорости вращения двигателя минимальное попадание осадков внутрь корпуса. Капли дождя и снег отбрасываются лопастями экранирующей пластины от корпуса. Для этого края лопастей слегка повернуты.

В заявляемом устройстве применены технические решения, позволяющие, в отличие от прототипа одновременно измерять сразу три взаимно перпендикулярные составляющие электрического поля (иллюстрируется фиг.3). В общем случае вектор Е электрического поля направлен под углом к горизонту и имеет три взаимно перпендикулярные составляющие - E_x, E_y, E_z. Если датчик установлен горизонтально, то они соответствуют двум горизонтальным и вертикальной составляющим поля. На фиг.3 представлена картина, рассматриваемая в плоскости XOZ. (В плоскости YOZ картина будет аналогичной).

Рассмотрим составляющие поля в противоположно расположенных измерительных пластинах и заземленной поверхности корпуса-основания под ними. Поскольку геометрические размеры датчика невелики, то вектор Е можно считать одинаковым в обоих случаях. На выходах первого 18 и третьего 20 полосовых фильтров будут напряжения U₁ и U₃, соответствующие результатам измерения, и определяющиеся величиной вектора Е и его ориентацией относительно угла образующей конических поверхностей. Каждое из напряжений U₁ и U₃ содержит доли, соответствующие величине составляющих Е_x и E_z. (Если образующая конических поверхностей имеет угол к вертикали, равный 45°, то эти доли будут одинаковые. Если в конкретной конструкции образующая будет наклонена под другим углом, то и соотношение между долями будет другое, но постоянное для данной конструкции. Его нетрудно учесть выбором коэффициентов передачи вычитателей и сумматора).

При этом вертикальные составляющие E_z одинаково направлены для обеих измерительных пластин и имеют равную величину, поэтому и их доли в напряжениях U₁ и U₃ будут одинаковые по величине и знаку. Горизонтальные же составляющие Е_x в обеих пластинах одинаковые по величине, но противоположные по знаку. Поэтому и их доли в напряжениях U₁ и U₃ будут одинаковы по величине, но с разными знаками.

В результате после вычитания в первом вычитателе 22 доли вертикальной составляющей E_z взаимно вычтутся и не будут влиять на результаты измерения. А доли горизонтальной составляющей сложатся и разностный сигнал будет пропорционален только величине Е_x. В сумматоре же 24 взаимно вычтутся доли горизонтальной составляющей, а сложатся доли вертикальной составляющей.

Аналогичные процессы в паре измерительных пластин 3 и 5, измеряющих составляющие E _y и E_z и в соответствующих трактах измерения. Во втором вычитателе 23 образуется напряжение, пропорциональное составляющей E_y, а в сумматоре доли составляющей, соответствующие E_y, взаимно вычтутся. Таким образом, на выходах первого и второго вычитателей и сумматора одновременно образуются напряжения, пропорциональные измеряемым составляющим электрического поля Е_x, E_y и E_z .

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить универсальность устройства, ускорить и упростить процесс измерения всех составляющих электрического поля.

Рассмотрение современных методов измерения различных характеристик электрического поля. Изучение наиболее простых конструкций необходимых для создания метода, а также реализация нового датчика. Анализ структурной схемы измерительной цепи устройства.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	статья
Язык	русский
Дата добавления	02.02.2019
Размер файла	102,1 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

М.А. Королёва

Мы живем в мире, в котором происходит развитие нефтеперерабатывающей, химической, топливно-энергетической промышленности, а также электроэнергетики. Человек, работающей в той или иной промышленности, каждый день подвергает себя различного рода воздействиям. Одним из пагубных влияний являются электрическое и магнитное поля. Степень воздействия этих полей различной частоты во многом зависит от интенсивности облучения. Признаками облучения являются высокое артериальное давление, сонливость, боли в области сердца, усталость. Также в нашем XXI веке люди не представляют свою дальнейшую жизнь без электроники. Телефоны, компьютеры всё это также оказывает воздействие на организм человека. Поэтому возникает вопрос об измерениях параметров полей с целью изучения их воздействия на биологические объекты. В повседневной деятельности человека актуальным средством исследования является измерение электрических полей (ЭП).

Электрическое поле - пространство, где наблюдается действие электрических сил, которое можно охарактеризовать многими параметрами: электрическим зарядом, напряженностью, электрическим потенциалом. Наиболее важной характеристикой действия ЭП является напряженность. Поэтому данная работа посвящена анализу методов и средств измерения напряженности ЭП в диапазоне частот от 30 МГц до 30 ГГц. В работе будут рассмотрены основные эффекты для измерения напряженности ЭП, а также современные конструкции датчиков и средств измерений по данной теме.

В работе в первую очередь будем рассматривать физические эффекты необходимые для дальнейшего исследования и выделим наиболее подходящие из них.

В ходе исследования были изучены следующие эффекты: электроэлектрический; резистивный; емкостной; электромеханический; электропространственный; электрооптический; электротепловой 8.

Проведенный анализ позволил выделить два физических эффекта. Это электрооптический и электроэлектрический, основанный на явлении электрической индукции, эффекты. Для детального рассмотрения возьмем электроэлектрический эффект. Он по сравнению с электрооптическим эффектом удобен для изучения датчиков высоких и сверхвысоких частот, простота и прочность конструкции, стойкость к перегрузкам, а также имеет малую погрешность около 2%. Основными недостатками является низкая чувствительность и влияние внешних факторов.

Электроэлектрический эффект лежит в основе нескольких методов, которыми можно воспользоваться для построения датчика электрического поля. К ним относятся следующие методы: метод изменения магнитного сопротивления цепи; метод электромагнитной индукции (ЭМИ); метод моментов или метод конечных элементов; метод амплитудно-импульсной модуляции.

Исследование начнем с рассмотрения современных патентов на датчики и способы измерения электромагнитных полей 1.

Первая конструкция, которую мы рассмотрим, основана на проведении амплитудно-импульсной модуляции [1]. Структурная схема устройства, реализующего данный способ измерения напряженности, приведена на рисунке 1.

Измерения заключаются в следующем: электромеханический модулятор, состоящий из экранирующего электрода и приемных электродов, при своем вращении обеспечивает частоту модуляции сигнала, которую необходимо поддерживать неизменной. При изменении угловых значений соотношения секторных прорезей экранирующего электрода и приемных электродов, расположенных под ним, производиться регулирование скважности сигнала. По результатам спектрального анализа выходного сигнала модулятора устанавливаются только значения скважности сигнала, при которых коэффициенты разложения гармоник имеют максимальное значение. При помощи избирательного усилителя выделяют именно те гармоники, которые нам необходимы. После этого детектируют и подают на регистрирующее устройство. При равных значениях уровня шумов результаты измерений напряженности ЭП отградуированы изначально и сведены в таблицу. электрический поле датчик цепь

В данной измерительной цепи можно выполнить симметричное и несимметричное включения антенны. Рассмотрим принцип действия данной измерительной цепи. Так как измерительная цепь содержит мостовую схему, то перед проведением измерения необходимо при отключенной антенне с помощью источника смещения варикондов (конденсаторов переменной емкости, выполненных из сегнетоэлектрика) провезти балансировку этой схемы пока на выходной диагонали напряжения не будет установлен нуль. После этого антенну подключают к входной диагонали мостовой схемы. После внесения антенны в измеряемое электрическое поле на входной диагонали появляется напряжение, пропорциональное высоте антенны и величине напряженности измеряемого ЭП. А на выходной диагонали схемы, после её разбалансировки, появляется напряжение, при котором вариконд работает в линейном режиме и которое пропорционально величине напряжения смещения этих конденсаторов и величине напряжения входной диагонали мостовой схемы. Чтобы избежать влияния внешних факторов на результат измерения необходимо периодически замыкать входную диагональ мостовой схемы электронным коммутатором на резистор, имеющий малое сопротивление. Коммутатор вырабатывает последовательность импульсов выходной диагонали мостовой схемы и подает их на синхронный детектор, который синхронно с этими импульсами воспроизводит зависимость напряженности ЭП от времени [2].

Рассмотрим работу еще одного из интересных устройств. На рисунке 3 представлена структурная схема данной конструкции.

В данной измерительной цепи есть первичный измерительный преобразователь (ПИП), выполненный в виде трех металлических дисков, параллельных друг другу и представляющие собой два плоских конденсатора имеющих общую пластину. Устройство работает следующим образом. Перед началом работы следует с помощью блока управления сформировать импульсы управления коммутаторами, для того чтобы знать во сколько раз частота следования импульсов, а также интервал времени ПИП секции ас будет выше частоты следования импульсов и интервала времени секции bc. При появлении электрического поля с ПИП секции ac снимается напряжение, пропорциональное изменению напряженности за определенный интервал времени, а с ПИП секции bc - напряжение, пропорциональное изменению напряженности появившегося поля за интервал времени, который меньше интервала времени секции ас.

Измеритель напряженности состоит из ПИП (только секции ас), коммутатора, разрядного сопротивления, усилителя, пикового детектора, АЦП, сумматора, элемента памяти и регистрирующего блока. На разрядном сопротивлении формируются импульсы, несут информацию об изменении поля за время секции ас, после чего усиливаются и преобразуются в постоянное напряжение. Затем это напряжение с помощью АЦП преобразуется в цифровой код и поступает на сумматор, где суммируется с предыдущими значениями. Фиксация этой суммы производится с помощью регистрирующего блока. Блок управления в свою очередь обеспечивает последовательность работы каждого из элементов устройства. Также этот блок производит запоминание результата, а по окончанию обработки производит сброс напряжения в нуль. Напряжение на выходе интегратора, которое пропорционально напряжению секции ac, каждый раз сравнивается с порогом элемента. А также для работы необходимо знать, что чем меньше интервалы времени срабатывания коммутаторов, тем выше значение изменения напряженности ЭП [3].

Также были рассмотрены патенты на полезную модель других стран 6. Эти конструкции объединяет простота метода, но сложность их структурных схем затрудняет их понимание и дальнейшее изучение, что является большим минусом

В заключении хочу сказать, что данная тема очень обширна для изучения и невозможно изложить всю изученную литературу в одной маленькой статье. Также можно сказать, что на основании этой литературы можно спроектировать конструкцию, по заданным нами критериям, и добиваться поставленной в этом цели.

1. Пат. 2445639 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/12. Способ измерения напряженности электрического поля / Сушко Б.К., Исянчурин И.И., Ямалетдинова К.Ш., Гоц С.С., Гимаев Р.Н., Фахретдинов И.Р., Сушко Г.Б. № 2010150127/28; заявл. 08.12.2008; опубл. 20.03.2012.

2. Пат. 2485528 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/00. Широкополосное устройство для измерения напряженности электрического поля/ Гончаров В.П., Молочков В.Ф., Филатов М.М. № 2011153806/28; заявл. 28.12.2006; опубл. 20.06.2013.

3. Пат. 2071072 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрических полей/ Зажирко В.Н., Крысов С.А., Полянин И.Г. № 4911235/09; заявл. 09.01.1991; опубл. 27.12.1996.

4. Пат. U 9026 Республика Беларусь, МПК G 01 R 29/12. Устройство для измерения напряженности электрического поля/ Ковалевич В.В., Иващенко И.А., Воинов В.В. № U 9026; заявл. 18.07.2012; опубл. 28.02.2013.

5. Пат. EP 1 477 819 А1 Европа, МПК G 01 R 29/08. Method of measuring electromagnetic field intensity and device therefor/ Kazama, Satoshi. № JP 201110344; заявл. 09.04.2002; опубл. 17.11.2004.

6. Пат. US 2011/0227559 А1 США, МПК G 01 R 31/00. Electric field measuring device/ Norikazu Miyazaki, Takeshi Sakai. № JP 2009/070000; заявл. 27.11.2009; опубл. 22.09.2011.

7. Ложников В.Я. Измерительные преобразователи: межвуз. сб. науч. трудов - Омск: ОмПИ, 1975. 177 с.

8. Бирюков С. В. Физические основы измерения параметров электрических полей: моногр. - Омск: СибАДИ, 2008. 112 с.

9. Бирюков С. В. Измерение напряженности электрических полей в диэлектрических средах электроиндукционными датчиками. Методы и средства измерений: моногр. - Омск: ОмГТУ, 2011. 196 с.

В статье ставится задача рассмотреть современные методы измерения различных характеристик электрического поля. Целью исследования является изучение наиболее простых конструкций необходимых для создания метода, а также реализация нового датчика по данной тематике. Одна из главных физических величин полей, рассматривается в статье, - напряженность. Эта характеристика важна для измерения полей, а также трудна для изучения, поэтому и стала объектом исследования в нынешнем мире. В ходе работы описаны разнообразные методы и эффекты, которые могут быть использованы для решения проблемы.

Подобные документы

Электромагнитное поле. Система дифференциальных уравнений Максвелла. Распределение потенциала электрического поля. Распределения потенциала и составляющих напряженности электрического поля и построение графиков для каждого расстояния. Закон Кулона.

курсовая работа [1,1 M], добавлен 12.05.2016

Силовые линии напряженности электрического поля для однородного электрического поля и точечных зарядов. Поток вектора напряженности. Закон Гаусса в интегральной форме, его применение для полей, созданных телами, обладающими геометрической симметрией.

презентация [342,6 K], добавлен 19.03.2013

Изучение электромагнитного взаимодействия, свойств электрического заряда, электростатического поля. Расчет напряженности для системы распределенного и точечных зарядов. Анализ потока напряженности электрического поля. Теорема Гаусса в интегральной форме.

курсовая работа [99,5 K], добавлен 25.04.2010

Работа сил электрического поля при перемещении заряда. Циркуляция вектора напряжённости электрического поля. Потенциал поля точечного заряда и системы зарядов. Связь между напряжённостью и потенциалом электрического поля. Эквипотенциальные поверхности.

реферат [56,7 K], добавлен 15.02.2008

Ознакомление с особенностями физического электрического поля. Расчет силы, с которой электрическое поле действует в данной точке на положительный единичный заряд (напряженности в данной точке), а также потенциала, создаваемого системой точечных зарядов.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 04.01.2015

История открытия электричества. Заряды как основа электрического поля, создание магнитного поля через их движение по проводнику. Характеристика величины электрического поля. Длина электромагнитной волны. Международная классификация электромагнитных волн.

реферат [173,9 K], добавлен 30.08.2012

Основные параметры электромагнитного поля и механизмы его воздействия на человека. Методы измерения параметров электромагнитного поля. Индукция магнитного поля. Разработка технических требований к прибору. Датчик напряженности электромагнитного поля.

удовлетворяется условие f і gm, где g - ускорение силы тяжести.

К емкостным преобразователям близки по своим характеристикам

полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость так

называемой барьерной емкости от обратного напряжения. Такие

преобразователи применяются в качестве элементов с электрически

Другая группа ЭС преобразователей основана на использовании

сегнетоэлектриков, т. е. кристаллических диэлектриков, которые при

определенных температурных условиях (при температуре ниже точки Кюри)

обладают самопроизвольной поляризацией при отсутствии внешних

Состояние кристаллических диэлектриков характеризуется

электрической индукцией D (или зарядом q), деформацией c и энтропией Э.

Эти величины зависят от напряженности электрического поля Е (или

напряжения U), механического напряжения s (или силы F) и температуры Т.

На рис. 4 схематически показаны связи между указанными величинами.

Жирными стрелками показаны связи Е®D, s®c, T®Э, а тонкими

стрелками изображены физические эффекты, свойственные

1 - прямой пьезоэлектрический эффект s®D (или q), проявляющийся в

изменении поляризации кристалла действием механических напряжений;

характеризующийся деформацией кристалла под действием электрического

3 - пироэлектрический эффект T®D (или q), сводящийся к изменению

заряда на поверхности кристалла при изменении температуры;

4 - пьезокалорический эффект s®Э, проявляющийся в изменении

Помимо указанных эффектов при изменении Е, s, Т в кристаллах

возникают побочные явления, например, изменяются диэлектрическая

проницаемость, проводимость, оптические свойства и т.д.

Из указанных эффектов рассмотрим прямой и обратный пьезоэффекты, а

также эффект изменения емкостной проводимости при изменении

напряжения U. Преобразователи, в которых используются прямой или

обратный пьезоэффекты, называются пьезоэлектрическими

Использование эффекта изменения емкостной проводимости в

кристаллических полупроводниках обусловлено нелинейной зависимостью

заряда q от приложенного напряжения U. Если зависимость q(U) линейна, то

в выражении Dq=(q/U) величина C=q/U постоянна и представляет собой

емкость. В случае нелинейной зависимости q(U) величина C=q/U также

является емкостью, но не постоянной, а зависящей от напряжения U, т. е.

C(U). Преобразователи, основанные на использовании нелинейной

зависимости емкости от напряжения в сегнетоэлектриках, называются

Емкостные датчики можно разделить на две основные группы - датчики

параметрические (недифференциальные) и датчики дифференциальные.

В схемах с параметрическими датчиками происходит преобразование

входной неэлектрической величины (угла поворота оси ротора датчика) в

электрическую выходную величину (частоту, ток, напряжение),

В схемах с дифференциальными датчиками, включенными в следящие

системы, с датчика снимается лишь сигнал рассогласования, который

становится равным нулю в установившемся состоянии следящей системы.

Примером параметрического емкостного датчика может служить

переменная емкость, включенная в контур лампового генератора (рис. 5) .

Здесь при изменении угла поворота оси ротора изменяется емкость датчика и

меняется частота генератора, являющаяся выходной величиной.

Рис. 5 Емкостной датчик, включенный в контур с генератором

Рис. 6 Емкостной датчик, включенный в цепь переменного тока

На рис. 6 приведен другой пример использования параметрического

датчика. В этом случае с изменением значения емкости С меняется ток через

нее, а следовательно, и напряжение на выходе системы, падающее на

сопротивлении нагрузки R , которое и является выходной величиной.

Подобные системы являются разомкнутыми системами регулирования.

Основным недостатком этих схем является зависимость значения выходной

величины от параметров источника питания датчика, усилителя и других

элементов схемы, а также от внешних условий. В самом деле, стоит

измениться напряжению или частоте генератора, питающего датчик (рис. 6),

как напряжение, частота и фаза, являющиеся выходными величинами и

Этих недостатков нет у схем с дифференциальными емкостными

датчиками, включенными в замкнутую систему автоматического

регулирования. В этих схемах выходной величиной является угол поворота

оси отрабатывающего двигателя или другой оси, связанной с нею через

редуктор. Одной из основных характеристик такой системы является

чувствительность, показывающая, при каком минимальном отклонении

чувствительного элемента система отработки приходит в действие. Внешние

факторы - напряжение питания, температура окружающей среды и т. п. -

влияют лишь на чувствительность системы; на точность системы они могут

влиять лишь в той мере, в какой она связана с чувствительностью.

Это значит, что схемы с емкостными дифференциальными датчиками,

так же как и любые мостовые нулевые схемы с линейными относительно

частоты и напряжения сопротивлениями в плечах, предъявляют значительно

меньшие требования к стабильности источника питания.

Рис. 7 Мостовая схема с емкостным дифференциальным датчиком

В простейшем случае дифференциальный емкостный датчик

представляет собой две последовательно включенные емкости, построенные

конструктивно таким образом, что при увеличении одной из них другая

уменьшается. Эти две емкости могут быть включены в мостовую схему

(рис. 7), где два других плеча - реостатные. Если при этом напряжение,

снимаемое с диагонали моста, использовать в качестве сигнала для следящей

системы, перемещающей щетку потенциометра R в сторону уменьшения

рассогласования, то всегда в установившемся состоянии следящей системы

это напряжение u=0 в этом случае справедливо соотношение

Отсюда следует, что в схемах с дифференциальными емкостными

датчиками с воздушным диэлектриком показания отрабатывающего органа

(например, положение стрелки указателя) не зависят ни от состава газа, ни от

наличия в нем влаги (не выпадающей в виде капель), так как для обеих

емкостей, составляющих дифференциальный датчик, меняется одинаково.

Для недифференциальных же схем такое влияние может наблюдаться, хотя и

в небольших пределах, так как для воздуха с влажностью 0% = l.0006, а для

воздуха с влажностью 100% при t=+20°С =l.0008. В этих схемах эта

величина составит соответственно погрешность примерно 0,02%, в то время

как от некоторых систем с емкостными дифференциальными датчиками

В емкостных преобразователях емкость С может меняться или за счет

изменения параметров конденсатора Dd, Ds, De. При этом выполняются

функции преобразования неэлектрических величин в изменение емкости или

производится модуляция емкости, что имеет место в емкостных

При работе преобразователя последовательно с его емкостью С

включается сопротивление R (см. рис. 3), специально предусмотренное или

представляющее собой сопротивление подводящих проводов. В зависимости

от соотношения сопротивлений R и 1/jWC преобразователь будет работать в

разных режимах. Если R >> 1/WC или RWC >> 1, то U Ur и заряд

конденсатора q CU = const, т. е. преобразователь работает в режиме

заданного заряда. В этом случае U =q/C=C U/(C + Csin t) U[l-( C/C )sin t] и

Читайте также: