Раб.прог Датчики - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
МИЭМ
Факультет «Электроника и телекоммуникации»
Кафедра «Микросистемная техника, материаловедение и технологии»
Программа дисциплины
“Датчики и устройства связи с объектом в технических системах”
для подготовки инженеров
Направление подготовки 550200 Автоматизация и управление
Специальность 220201.65 - Управление и информатика в
технических системах
Автор программы
Доцент, к.т.н. С.Ю.Потомский
Рекомендована секцией УМС
по УиИТС каф МТМиТ
Председатель профессор, д.т.н. А.Ф.Каперко
________________________________
«_____» __________________ 2012 г.
Одобрена на заседании кафедры
Микросистемная техника, материаловедение и технологии
Зав. кафедрой профессор, д.т.н. В.П. Кулагин
___________________________ _____
«____»_____________________ 2012 г.
Утверждаю
Декан факультета Электроника и телекоммуникации
профессор,д.т.н. Б.Г. Львов
________________________________
«____»_____________________ 2012 г.
Москва, 2012 год
1. Цели и задачи дисциплины.
Цель преподавания дисциплины: изучение основ теории, принципа работы,
параметров и характеристик, схем и особенностей применения датчиков и
устройств связи с объектами управления в устройствах и системах автоматики
и
телемеханики,
электронной,
радиоэлектронной,
авиационной
промышленности…; изучение методов функциональной, структурной
и
схемотехнической организации, агрегатирования и проектирования типовых
аппаратных средств автоматизации и управления.
Задачи изучения дисциплины: овладение принципами построения датчиков
и устройств связи с объектами управления в технических системах, основами
теории преобразования физических величин, методами их конструирования и
проектирования. надежности.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
Изучение курса «Датчики и устройства связи с объектами управления в
технических системах» должно способствовать выработке представлений о
возможности применения датчиков и устройств связи в народном хозяйстве.
Ознакомление с примерами применения изучаемых устройств в системах
автоматического управления.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
Всего часов
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
И (или) другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
120
102
68
Семестр
6
60
51
34
Семестр
7
60
51
34
17
17
17
17
18
9
9
зачет
экзамен
4. Содержание дисциплины.
4.1 Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1
2
Раздел дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции ПЗ (или С) ЛР
Введение.
Основные принципы построения датчиков
*
*
3
4
5
6
Структурные схемы датчиков
Измерительные преобразователи датчиков
Генераторные преобразователи
Неэлектрические измерительные
преобразователи неэлектрических величин.
Датчики с электрическими выходными
сигналами.
Амплитудные датчики
Фазовые датчики
Частотные датчики
Время-импульсные датчики
Датчики контроля основных параметров
технических процессов
Основы проектирования датчиков
Применение датчиков в системах
автоматики и телемеханики
Основные типы устройств связи с объектом
управления
Аналогово-цифровые преобразователи.
Общие сведения
АЦП пространственного кодирования
АЦПК
Число-импульсные преобразователи
Аналогово-цифровые преобразователи
уравновешивания
Цифро-аналоговые преобразователи ЦАП.
Общие сведения
Устройства ввода и вывода дискретных и
число-импульсных сигналов.
*
*
*
*
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
4.2 Содержание разделов дисциплины
Семестр №6
1. ТЕМА 1. Введение (2 часа).
Роль датчиков в современных технических устройствах и системах.
Стандартизация датчиков.
Основные характеристики и параметры датчиков. Статические
характеристики датчиков. Динамические характеристики датчиков.
Основные параметры. Погрешности датчиков.
2. ТЕМА 2. Основные принципы построения датчиков ( 2 часа).
Физические явления, положенные в основу построения датчиков.
Параметры механических процессов, воздействующие на датчики.
Классификация датчиков.
3. ТЕМА 3. Структурные схемы датчиков ( 3 часа).
Дифференциальные датчики. Сравнительный анализ структурных схем.
4. ТЕМА 4. Измерительные преобразователи датчиков (12 часов).
Параметрические
измерительные
преобразователи.
Резистивные
измерительные
преобразователи.
Реостатные,
тензометрические,
терморезисторные преобразователи.
Индуктивные
преобразователи.
Индуктивные
измерительные
преобразователи с изменением активной составляющей магнитного
сопротивления. Индуктивные измерительные преобразователи с
изменением реактивной составляющей магнитного сопротивления.
Индуктивные измерительные преобразователи с изменением магнитной
проницаемости.
Трансформаторные преобразователи. Трансформаторные измерительные
преобразователи
с
изменением
параметров
магнитопровода.
Трансформаторные измерительные преобразователи с изменением
ориентации обмоток.
Емкостные преобразователи. Емкостные измерительные преобразователи
с изменением
диэлектрической
проницаемости. Емкостные
измерительные преобразователи с изменением ориентации электродов.
5. ТЕМА 5. Генераторные преобразователи (4 часа).
Термоэлектрические измерительные преобразователи. Индукционные
измерительные преобразователи. Фотоэлектрические измерительные
преобразователи. Пьезопреобразователи.
6. ТЕМА
6.
Неэлектрические
измерительные
преобразователи
неэлектрических величин (4 часа).
Преобразователи неэлектрических величин в параметры механических
сигналов. Преобразователи неэлектрических величин в оптические
сигналы.
7. ТЕМА 7. Датчики с электрическими выходными сигналами – 2 часа.
Классификация датчиков по форме выходного сигнала. Основные
принципы построения датчиков с различными характеристиками
выходных сигналов.
8. ТЕМА 8. Амплитудные датчики (4 часа).
Реостатно-потенциометрические, мостовые м дифференциальные схемы
амплитудных датчиков постоянного и переменного токов. Амплитудноимпульсные датчики.
9. ТЕМА 9. Фазовые датчики (6 часов).
Фазовые датчики с многофазными и однофазными источниками питания.
Фазовые датчики однофазного питания с фазорасщепителем на входе и
выходе. Устройство трансформаторных, емкостных фотоэлектрических
фазовых датчиков односчетного и многосчетного типов.
10.ТЕМА 10. Частотные датчики (4 часа).
Частотные
датчики
на
основе
колебательных
контуров.
Автоколебательные частотные датчики. Частотные датчики со следящей
подстройкой.
11.ТЕМА 11. Время-импульсные датчики (2 часа).
Время-импульсные датчики с разверткой. Время-импульсные датчики с
интегратором.
12.ТЕМА 12. Датчики контроля основных параметров технических
процессов (4 часа).
Датчики угловых и линейных перемещений. Датчики угловых и
линейных скоростей. Датчики ускорений. Датчики параметров и
вибраций. Датчики моментов вращения. Датчики усилий. Датчики
давлений. Датчики размеров и толщины материалов. Датчики уровня
жидкостей и сыпучих материалов. Датчики уровня и расхода жидкостей и
газов. Датчики температуры.
13.ТЕМА 13. Основы проектирования датчиков (2 часа).
Цели и задачи проектирования. Производственно-экономические
предпосылки. Этапы проектирования. Системы автоматизации
проектирования. Проверка проектных решений.
14.ТЕМА 14. Применение датчиков в системах автоматики и телемеханики
( 2 часа).
Датчики в системах автоматического контроля. Датчики в системах
автоматического управления. Использование датчиков в автоматических
манипуляторах. Датчики в оборудовании гибких автоматических
производств.
15.ТЕМА 15. Основные типы устройств связи с объектом управления (2
часа).
16.ТЕМА 16. Аналого-цифровые преобразователи. Общие сведения.
Функции
аналого-цифровых
преобразователей
в
современных
автоматических устройствах и системах.
Классификация АЦП по способу измерения параметров преобразуемых
величин.
Классификация
АЦП
по
структурным
признакам.
Классификация
АЦП
по
физическому
принципу
действия.
Классификация АЦП по конструктивным признакам. Классификация
АЦП по функциональному назначению.
Основные параметры и методы оценки качества АЦП. Метрологические
характеристики АЦП. Методы оценки точности АЦП. Методы
уменьшения погрешностей АЦП. Оценка надежности АЦП и методы ее
повышения (4 часа).
17.ТЕМА 17.АЦП пространственного кодирования АЦПК.
Комбинированные коды. Циклические коды. Корректирующие коды.
Погрешности
воспроизведения
уровней
квантования
АЦПК.
Классификация
АЦПК.
Кодирующий
АЦПК.
Квантующий
развертывающий АЦПК. Погрешности считывания информации. Метод
двойной щетки, V-код. Построение
АЦПК. Генераторные АЦПК.
Параметрические АЦПК. Контактные АЦПК. АЦПК индуктивного,
взаимноиндуктивного и емкостного типов. Основные параметры и
характеристики. Достоинства и недостатки (2 часа).
18.ТЕМА 18. АЦП временного типа.
Принципы построения. АЦП последовательного считывания. АЦП
параллельного считывания.
Аналого-цифровые преобразователи перемещений временного типа
АЦППВ, АЦППВ с промежуточным преобразованием в фазовый сдвиг.
Погрешности АЦП. Компенсация погрешностей АЦП. Коррекция
погрешностей АЦП.
АЦППВ с промежуточным преобразованием в частоту. Погрешности
АЦП. Компенсация погрешностей АЦП. Коррекция погрешностей АЦП.
Аналого-цифровые преобразователи напряжений временного типа.
АЦППВ с линейной и нелинейной разверткой. Погрешности АЦП.
Компенсация погрешностей АЦП. Коррекция погрешностей АЦП.
АЦППВ с двойным интегрированием. Погрешности АЦП. Основные
характеристики аналого-цифровых преобразователей временного типа.
Достоинства и недостатки (12 часов).
19.ТЕМА 19. Аналого-цифровые преобразователи уравновешивания.
Аналого-цифровые преобразователи поединичного уравновешивания.
Погрешности АЦПП. Параметры и характеристики.
Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания.
Погрешности АЦПП. Параметры и характеристики.
Аналого-цифровые преобразователи непрерывного уравновешивания.
Погрешности АЦПП. Параметры и характеристики (6 часов).
20.ТЕМА 20. Цифро-аналоговые преобразователи ЦАП. Общие сведения.
Классификация ЦАП. Параметры и характеристики ЦАП. Использование
ЦАП в современных системах автоматики. Преобразователи цифровых
величин в напряжение:
ЦАП с “весовыми” резисторами. ЦАП на основе резисторной матрицы
“R-2R”. ЦАП с источниками тока.
Преобразователи цифровых величин во временные интервалы. ЦАП
сравнивающего типа. ЦАП с элементами задержки.
Преобразователи цифровых величин в перемещение. ЦАП прямого
преобразования. ЦАП с отрицательной обратной связью (8 часов).
21.ТЕМА 21. Устройства ввода и вывода дискретных и число-импульсных
сигналов (2 часа).
4.3 Понедельный план проведения занятий лекционных и практических.
Семестр №6
Номер
недели
1
1
2
2
Номер
темы
1
2
3
4
3
4
3
4
4
4
4
4
5
5
4
5
6
5
6
6
7
7
8
6
7
8
9
8
10
9
11
9
Наименование вопросов, изучаемых на лекции
Введение.
Основные принципы построения датчиков.
Структурные схемы датчиков.
Измерительные преобразователи датчиков.
Резистивные измерительные преобразователи.
Индуктивные преобразователи с изменением активной и
реактивной составляющих магнитного сопротивления
Магнитоупругие преобразователи.
Трансформаторные преобразователи с изменением
параметров магнитопровода.
Трансформаторные преобразователи с изменением
ориентации обмоток.
Емкостные преобразователи.
Термоэлектрические измерительные преобразователи.
Индукционные измерительные преобразователи.
Фотоэлектрические измерительные
преобразователи. Пьезопреобразователь.
Преобразователи неэлектрических величин в
параметры механических сигналов.
Оптические и ионизационные преобразователи.
Датчики с электрическими выходными сигналами.
Амплитудные датчики. Реостатно-потенциометрические
и мостовые схемы датчиков.
Дифференциальные схемы амплитудных датчиков.
Амплитудно- импульсные датчики.
Фазовые датчики с много- и однофазными источниками
питания.
Фазовые датчики однофазного питания с фазорасщепителями на входе и выходе.
12
9
13
10
14
10
15
16
11
12
16
16
12
12
17
17
13
14
Устройство трансформаторных, емкостных, фотоэлектрических датчиков односчетного и многосчетного типов.
Частотные датчики на основе колебательных контуров,
позиционные частотные датчики.
Автоколебательные частотные датчики. Частотные датчики
со следящей подстройкой.
Время-импульсные датчики.
Датчики угловых и линейных перемещений, скоростей,
ускорений.
. Датчики параметров вибрации
Датчики моментов вращения, усилий, давлений,
размеров и толщины материалов. Датчики уровня
жидкостей и сыпучих материалов, расхода жидкостей и
газов. Датчики температуры.
Основы проектирования датчиков.
Применение
датчиков
в
системах
автоматики
телемеханики.
и
Семестр №7
Номер Номер
недели темы
1
1
2
3
2
3
4
5
3
4
6
4
7
4
8
9
10
4
4
4
11
5
12
13
14
15
5
5
5
6
16
6
17
18
6
7
Наименование вопросов, изучаемых на лекции
Основные типы устройств связи с объектом
управления
Классификация АЦП, общие сведения
АЦП пространственного кодирования (АЦППК), коды,
применяемые в АЦППК
Генераторные и параметрические АЦППК
Аналого-цифровые преобразователи временного типа
(АЦППВ). Принципы построения АЦППВ
АЦППВ последовательного и параллельного
считывания
АЦППВ с промежуточным преобразованием в
фазовый сдвиг.
Погрешности АЦППВ фазового типа
АЦППВ с промежуточным преобразованием в частоту.
АЦП напряжений временного типа.
Основные характеристики АЦППВ.
Аналого-цифровые преобразователи уравновешивания
(АЦПУ).
АЦП поединичного уравновешивания.
АЦП поразрядного уравновешивания.
АЦП непрерывного уравновешивания.
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Преобразователи цифровых величин в напряжение
Преобразователи цифровых величин во временной
интервал
Преобразователи цифровых величин в перемещение
Устройства
ввода
и
вывода
дискретных
число-импульсных сигналов
и
5.Лабораторный практикум.
№ п/п
1.
№ раздела
Наименование и краткое содержание
дисциплины
4
Исследование индуктивных преобразователей
2.
4
Исследование
емкостных преобразователей
3.
4
Исследование
резисторных преобразователей
4.
9
Исследование
перемещения
фазовых преобразователей
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1 Рекомендуемая литература
а) Основная литература
1. «Электрические измерения неэлектрических величин». Под ред.
Новицкого П.В., Л., Энергия, 1975г.
2. Бабиков М.А., Косинский А.В. «Элементы и устройства автоматики». М.,
Высшая школа, 1975г.
3. «Справочник по средствам автоматики». Под ред. Низэ В.Э., Антика
И.В., М., Энергоатомиздат, 1983г.
4. «Измерения в промышленности». Под ред. Агейкина Д.И., М.,
Металлургия, 1980г.
5. Левшина Е.С., Новицкий П.В. «Измерительные преобразователи». Л.,
Энергоатомиздат, 1983г.
6. «Проектирование датчиков для измерения механических величин». Под
ред. Осадчего Б.П., М., Машиностроение, 1979г.
7. Аш Ж. И др. «Датчики измерительных систем». М., Мир, 1992г.
8. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. «Аналого-цифровые преобразователи». М.,
Энергоиздат, 1981г.
9. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. «Аналого-цифровые
преобразователи». М., Советское радио, 1980г.
10.Домрачев В.Г., Мейко Б.С. «Цифровые преобразователи угла». М.,
Энергоиздат, 1984г.
11.Бабиков М.А., Косинский А.В. «Элементы и устройства автоматики». М.,
Высшая школа, 1975.
12.Домрачев В. Г., Матвеевский В. Р., Смирнов Ю.С. «Схемотехника
цифровых преобразователей перемещений». М., Энергоатомиздат, 1987г.
13.Косинский А.В., Матвеевский В.Р., Холомонов А.А. Аналого-цифровые
преобразователи перемещений. М., Машиностроение, 1991.
б) Дополнительная литература.
1. Лабораторная работа “Исследование
индуктивных преобразователей”,
М., МИЭМ, 1985.
2. Лабораторная работа “Исследование емкостных преобразователей”, М.,
МИЭМ, 1985.
3. Лабораторная работа “Исследование
резистивных преобразователей”,
М., МИЭМ, 1985.
4. Лабораторная работа “Исследование
фазовых преобразователей
перемещения”, М., МИЭМ, 1985.
6.2 Средства обеспечения дисциплины
Учебный кинофильм “Датчики неэлектрических величин”, 2 части, 1976.