Технические особенности использования современных интеллектуальных датчиков

23

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ 3
• 1. ВИДЫ ДАТЧИКО-ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ 5
• 2. ПРЕИМУЩЕСТВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 6
• 3. ФУНКЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 7
• 4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 8
• 5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКОВ 10
• 6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ 11
• 7. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 14
• 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 15
• 9. НАДЕЖНОСТЬ ДАТЧИКОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ 16
• 10. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 20
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
• СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 23

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация сбора и обработки технологической информации требует применения датчиков, способных на что-то еще помимо выдачи сообщений о включении-выключении. Система штрих-кодов, например, позволяет записывать информацию о произведенном изделии непосредственно на нем самом. Для считывания этой информации с последующей передачей ее контроллеру или серверу данных необходим датчик, обладающий рядом специальных возможностей, а также, возможно, способный работать в неблагоприятных условиях.

Современные фотоэлектрические датчики и бесконтактные переключатели обладают средствами диагностики и способны подключаться к сетям; вскоре к списку возможностей этих устройств добавятся и простейшие контроллерные функции. Благодаря достижениям в области видеодатчиков, системы машинного зрения стали работать быстрее и научились различать цвета.

Применяемые в дискретном производстве интеллектуальные датчики достигли, наконец, своего "совершеннолетия". Непрерывное снижение стоимости контроллерных микросхем и стремительный рост их функциональных возможностей позволяют встраивать эти чипы во все меньшие по размерам изделия. Тем временем, развитие программного обеспечения для систем машинного зрения привело к снижению их сложности, и теперь для их установки уже не требуется иметь докторскую степень.

Во многих реальных приложениях недостаточно лишь обнаружить тот или иной объект. Наличие в бесконтактных переключателях и фотоэлектрических датчиках аналоговых выходов могло бы позволить, например, определять расстояния до объекта. Стоимость и характеристики современных систем технического зрения таковы, что обеспечение полного машинного контроля становится вполне реальной задачей. Достижения в области соответствующих технологий позволяют использовать трехмерное зрение в критических пространственных приложениях. Благодаря различению цветов, высокому быстродействию и возможности подключения к каналам Ethernet недорогие видеодатчики становятся все более привлекательными, расширяя область их применения.

В деле обеспечения интероперабельности компонентов открытых систем важную роль сыграли стандарты; нечто подобное начинает происходить и в технологиях датчиков. "Сенсорные" стандарты IEEE 1451 определяют технические спецификации и интерфейсы датчиков.

Следует помнить, что датчики могут подвергаться воздействию производственной среды. Когда бесконтактные сенсоры эксплуатируются в неблагоприятных условиях (например, в составе систем управления транспортировочными линиями и плиточными конвейерами), производитель датчиков здесь практически бессилен и мало что может сделать для решения возникающих проблем. Однако меры по устранению влияния пыли и масляного тумана на оптические датчики уже разрабатываются.

Интеллектуальный датчик способен самостоятельно подстраиваться под условия эксплуатации и непрерывно регулировать свою чувствительность в целях достижения максимальной эффективности. Своим интеллектом датчики обязаны микропроцессорным технологиям. Микропроцессор -- это мозг датчика, позволяющий устройству "изучать" условия, в которых оно работает. Являясь самообучающейся микропроцессорной системой, такой датчик способен обрабатывать большие объемы информации с высокой скоростью. Именно благодаря микропроцессорам сегодня у пользователя есть весьма удобные в установке, настройке и применении датчики.

Целью данного курсового проекта является рассмотрение технических особенностей использования современных интеллектуальных датчиков

1. ВИДЫ ДАТЧИКО-ПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ

Можно придерживаться следующей общей классификации интеллектуальных датчиков:

1. Датчики, имеющие аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и интерфейс для связи с ПЭВМ типа RS-232, RS-422, RS-485. Устройства данного типа не имеют встроенного микроконтроллера и осуществляют только оцифровку аналогового сигнала с дальнейшей передачей на ПЭВМ.

2. Датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер и интерфейс связи. Такие устройства осуществляют внутреннюю коррекцию получаемого аналогового сигнала, а ряд из них уже используют протоколы связи типа Hart, Modbus и др. Настройка параметров данных датчиков осуществляется в основном локально (вручную с помощью коммуникаторов различных типов).

3. Датчики, имеющие АЦП, микроконтроллер (или специализированный микропроцессор) и дуплексную связь с ПЭВМ. Подобные устройства имеют в основном интерфейс RS-485 и осуществляют связь с ПЭВМ по протоколам более высокого уровня: Profibus, Fieldbus Foundation и др. Данные приборы позволяют оператору непосредственно с пульта управления осуществлять настройку их параметров и режимов работы, проводить диагностику и калибровку. Это дает возможность исключить промежуточные звенья в цепи распределенных систем - программно-логические контроллеры, сократить расходы на проводку, контактные соединения и упростить техническое обслуживание за счет дистанционной диагностики и конфигурирования. Поэтому датчики этой группы можно называть «интеллектуальными».

На рисунке 1 показан внешний вид некоторых видов интеллектуальных датчиков.

Рис. 1 Внешний вид некоторых видов интеллектуальных датчиков

2. ПРЕИМУЩЕСТВА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Особенности и преимущества, получаемые от использования «интеллектуальных» датчиков связаны с привлечением вычислительных ресурсов в сам датчик.

Обработка данных производится в каждом индивидуальном датчике, в отличие от обработки в центральном контроллере системы, как в большинстве традиционных систем. При этом интеллектуальный датчик наряду с получением обычной полезной информации может быть динамически запрограммирован в зависимости от изменений в требованиях пользователя. Это уменьшает необходимость в дорогих, специально ориентированных на данное приложение датчиках, так как дешевые программируемые общецелевые датчики достаточны для большинства приложений.

Применение цифровых методов обработки информации позволяет повысить не только качество измерений, но и значительно расширить функции приборов. Кроме уже известных возможностей (настройка пределов измерения, фильтрация сигнала, корректировка погрешностей) появляются и другие функции (реализация функций регуляторов, задание допустимых значений, самодиагностика, увеличение объема передаваемой информации по полевым шинам и др.).

3. ФУНКЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Интеллект датчиков, как правило, обеспечивает выполнение некоторого подмножества из следующих функций:

- автономный (необслуживаемый) режим работы в течение временных периодов от нескольких часов до нескольких месяцев;

- обработку и хранение больших объемов входных данных

- высокую стабильность метрологических характеристик в течение длительных интервалов времени;

- устойчивость к воздействию внутренних, внешних помех и сбоев;

- повышение точности датчиков и коррекция погрешностей;

- самотестирование;

- самообучение с элементами искусственного интеллекта;

- коммутация (интерфейсы передачи данных).

К числу дополнительных функций относятся:

- обеспечение повышенной надежности при работе в тяжелых

климатических условиях;

- минимизация энергопотребления от автономных гальванических источников питания;

- коррекция погрешности и возможность автокалибровки измерительных каналов;

- аппаратная и программная фильтрация входного сигнала с целью уменьшения помех;

- реализации режима периодической подачи и отключения питания;

- использование сторожевого таймера для предотвращения потери программного управления;

- использование статических оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) с резервированием питания;

- герметизация корпуса;

- многократное измерение параметров.

Особое внимание уделяется обеспечению режима минимизации энергопотребления за счет следующих средств:

- использование элементной базы с малым энергопотреблением;

- введение в общую структуру устройства систем управления режимами энергопотребления (например, менеджеров питания);

- выбор минимальной тактовой частоты контроллера;

- использование режимов приостановки, полной остановки или выключения питания во время работы относительно медленнодействующих периферийных устройств;

- использование экономных преобразователей постоянного напряжения.

4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Приведем краткое техническое сопоставление современных интеллектуальных датчиков с обычными, традиционными датчиками. Современные интеллектуальные датчики обеспечивают:

1) резкое уменьшение искажений измерительной информации на пути от датчика к контроллеру, т. к. вместо низковольтного аналогового сигнала по кабелю, соединяющему датчики с контроллером, идут цифровые сигналы, на которые электрические и магнитные промышленные помехи оказывают несравнимо меньшее влияние;

2) увеличение надежности измерения благодаря самодиагностике датчиков, т. к. каждый датчик сам оперативно сообщает оператору факт и тип возникающего нарушения, тем самым исключая использование для управления некачественных и/или недостоверных измерений;

3) возможность использования принципов измерения, требующих достаточно сложной вычислительной обработки выходных сигналов сенсора, но имеющих ряд преимуществ перед традиционно используемыми принципами измерения по точности, стабильности показаний, простоте установки и обслуживания датчика в процессе его эксплуатации;

4) возможность построения мультисенсорных датчиков, в которых преобразователь получает и перерабатывает сигналы ряда однотипных или разнотипных чувствительных элементов;

5) возможность проведения всей необходимой первичной переработки измерительной информации в датчике и выдачи им искомого текущего значения измеряемой величины в заданных единицах измерения;

6) возможность передачи в систему автоматизации не только текущего значения измеряемой величины, но и добавочных сигналов о выходе его за пределы заданных норм, а также возможность передачи по сети не каждого текущего измеряемого значения, а только изменившегося по сравнению с предыдущим значения, или вышедшего за пределы заданных норм значения, или значения, требующего управляющего воздействия;

7) наличие в датчике базы данных для хранения значений измеряемой величины за заданный длительный интервал времени;

8) возможность дистанционно с пульта оператора в оперативном режиме выбирать диапазон измерения датчика, устанавливать ноль прибора;

9) возможность, путем программирования работы датчика на достаточно простом технологическом языке, реализовывать в нем простые алгоритмы регулирования, программного управления, блокировок механизмов;

10) возможность строить достаточно простые цепи регулирования, программного управления, блокировок на самом нижнем уровне управления из трех компонентов: интеллектуальных датчиков, полевой сети и интеллектуальных исполнительных механизмов, не загружая этими вычислительными операциями контроллеры, что позволяет использовать мощность контроллеров для реализации в них достаточно сложных и совершенных алгоритмов управления.

5. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И ОБУЧЕНИЕ ДАТЧИКОВ

Значительная доля связанных с фотоэлектрическими датчиками проблем обусловлена оседанием на объективах этих устройств пыли и грязи, что приводит к уменьшению освещенности чувствительных элементов. Микропроцессор способен непрерывно контролировать освещенность, сравнивая ее с эталонным значением. По достижении освещенностью некоторой пороговой величины микропроцессор сигнализирует обслуживающему персоналу о необходимости чистки объективов.

Проблемой другого рода является выявление объектов неправильной формы или объектов на блестящем фоне. Для повышения надежности работы датчиков в таких условиях разработаны два новых метода: "Метод APR (automatic power reinforcement) заключается в автоматической регулировке мощности излучаемого света в зависимости от цвета поверхности и углового профиля объекта. Отраженный свет фокусируется на фотодатчик положения, формируя световое пятно. Перемещения этого пятна по поверхности детектора определяются расстоянием между датчиком и обрабатываемой деталью; изменение ее цвета (например, с белого на черный) влияет на яркость пятна, но не на его положение.

Ранее некоторые интеллектуальные датчики требовали проведения так называемого "обучения", состоявшего в том, чтобы направить объектив на обычный фон, нажать кнопку, после чего нацелить датчик на объект и повторно нажать кнопку. По сравнению с методом потенциометрической настройки такое обучение является огромным шагом вперед. Применение микропроцессорной техники, стандартных сетевых средств и персональных компьютеров обещает еще большие возможности.

Некоторые сенсоры позволяют устанавливать свои параметры как посредством рабочей станции с использованием образа процесса, так и при помощи имеющейся у датчика кнопки обучения. Параметры могут копироваться сразу в несколько устройств, что делает ненужным трудоемкий процесс индивидуального программирования каждого отдельного сенсора. Отпадает необходимость в использовании трех-, четырех- и пятипроводных датчиков, индивидуальная настройка которых является весьма дорогостоящим делом. Дополнительными преимуществами являются встроенные средства диагностики системы, а также возможность "горячей" замены неисправных датчиков. Пользователи получают возможность автоматического обнаружения обрывов провода, коротких замыканий, неверных настроек, отказов датчиков и модулей и могут посылать сигналы по каждому каналу.

6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ

Измерения, проводившиеся с использованием ручных инструментов и заключавшиеся, как правило, в сравнении фактических размеров с шаблонными, в настоящее время практически полностью упразднены контактными средствами измерений (такими как координатно-измерительные машины). Теоретически контактные методы в состоянии обеспечить высокую точность в самых различных приложениях. Вместе с тем такие измерения славятся крайне низкой производительностью, поскольку требуют физического перемещения детали из одного замерного пункта в другой. Результирующий набор данных получается крайне ограниченным, многие критические параметры остаются неопределенными. Кроме того, координатно-измерительные машины для крупногабаритных объектов и сами отличаются немалыми размерами. К тому же такие машины необходимо устанавливать в специально оборудованных помещениях, где обеспечена стабильность температуры и защита от вибраций.

Традиционные оптические способы бесконтактных измерений основаны, как правило, на использовании муаровых картин, лазерных сканеров, лазерных следящих устройств и фотограмметрических методов. В целом оптические измерения характеризуются более высокой эффективностью (по сравнению с контактными), отличаясь при этом меньшей точностью и свойственными каждому конкретному методу специфическими недостатками, ограничивающими сферу его применения.

Для некоторых типов поверхностей управляемые оператором лазерные устройства с перемещающимися вокруг объекта отражающими полусферами позволяют добиться более высокой точности, однако оператор играет здесь существенную роль. Такие устройства требуют тщательной настройки, зависящей от типа измеряемого объекта, обеспечивают недостаточно полный объем данных и являются по сути контактными.

Лазерные сканеры, лазерные радары и технологии с использованием структурированного освещения (методы на основе муаровых картин и т.п.) требуют проведения нескольких последовательных съемок объекта, что ограничивает доступную таким методам область некритичными ко времени задачами. Это означает, что в местах с повышенным уровнем вибрации (в цехах или на производственных линиях) подобные технологии просто неприменимы.

Фотограмметрические способы, предполагающие установку специальных меток на различных частях объекта, позволяют достичь весьма высокой точности измерений, однако могут использоваться лишь для определения отдельных параметров. Для общего сканирования поверхности такие методы непригодны и обычно требуют деятельного участия оператора.

Традиционно для выполнения монотонных, грязных и опасных работ применялись промышленные роботы, что обеспечивало повышение эффективности производства, улучшение качества продукции, снижение издержек и повышение безопасности труда. При этом наибольшей информативностью из всех применяющихся в робототехнике сенсорных систем обладают системы машинного зрения. Совместно роботы и системы машинного зрения могут использоваться в таких прикладных областях, как транспортировка материалов, точечная сварка, станочная обработка, нанесение клеевых и герметизирующих материалов, покраска распылением, автоматизированная сборка, а также контроль и идентификация деталей. Типовыми элементами систем машинного зрения являются камеры, фрэйм-грабберы (блоки оцифровки изображений), компьютерные программы (обеспечивающее получение, обработку, анализ и передачу изображений), а также аппаратные средства связи. Некоторые недорогие пакеты в состоянии выполнять лишь простейшие задачи по идентификации, не будучи способными либо масштабироваться для выполнения более сложных задач, либо поддерживать открытые архитектуры.

В наши дни разработка систем получения и обработки трехмерных изображений имеет, судя по всему, наивысший приоритет среди всех перспективных направлений. Быстрое и бесконтактное оптическое определение размеров имеет огромное значение для промышленного контроля продукции, систем технического зрения сборочных роботов и инженерного анализа. Такого рода возможности нужны всюду, где информация о геометрической форме и положении объектов в трехмерном пространстве имеет особое значение. Трехмерное зрение в равной степени требуется и средствам наблюдения за охраняемыми территориями, и системам распознавания трехмерных объектов, и навигационными системам, и системам виртуальной реальности.

Большинство пространственных датчиков опирается на следующие три подхода: триангуляцию, измерение времени прохождения сигнала (для чего может использоваться широкополосная интерферометрия) и классическую интерферометрию, иногда называемую также стереоскопическим зрением. Нынешнему поколению методов трехмерного зрения свойственны такие недостатки, как нестандартность оборудования, дороговизна датчиков и средств интеграции, сложность и продолжительность процедур калибровки датчиков, а также требование значительных вычислительных ресурсов. Кроме того, метод триангуляции отличается такими отрицательными свойствами, как ошибки локализации, деформация точечного изображения и неравномерность пространственного разрешения.

Появление более качественных современных компонентов, разработка более точных и быстрых алгоритмов, достижения в области процессорных технологий и применение методов измерения глубины -- все это способствует ускорению разработок систем пространственного зрения.

В настоящее время системы трехмерного зрения используются в основном в таких приложениях, как измерение истинной копланарности компонентов интегральных схем (полупроводниковая промышленность), волюметрический анализ паяльного состава (электронная промышленность), измерение зазоров, управление действиями сварочных, сборочных и герметизирующих роботов (автомобильная промышленность), а также контроль формы и сортировка (пищевая промышленность).

7. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

В последнее время в области разработки эффективных, недорогих и безошибочных многоканальных динамических испытательных систем были достигнуты значительные успехи. Благодаря появлению современных контрольно-измерительных приборов, передающих в базу данных точные сведения о своих характеристиках, чувствительности, местоположении и т.д., внесение оператором ошибок в документацию было практически устранено. В значительной мере эти успехи обязаны применению так называемых "смешанных" интеллектуальных датчиков -- обычных аналоговых устройств со встроенными микросхемами, содержащими специфическую для данного датчика информацию. В обычном режиме работы выходной сигнал такого датчика является аналоговым. При поступлении от пользователя специальной команды датчик начинает передавать цифровую информацию, содержащую его идентификационный номер. Передача цифровых данных осуществляется по той же паре проводников, при помощи которой подается напряжение питания и которая используется для передачи выходного высокочастотного аналогового сигнала. По окончании цифровой передачи линия связи вновь подключается к аналоговым выходным цепям датчика.

Назначение стандарта единого интерфейса -- формулирование рекомендаций по разработке протоколов и интерфейсов "смешанных" интеллектуальных датчиков, а также согласование с форматом данных TEDS (Transducer Electronic Data Sheet -- Электронная спецификация данных преобразователя). Реализация этого стандарта позволит отказаться от традиционной практики учета использования датчиков, а также существенно снизить приходящиеся на один канал удельные затраты, связанные со сбором данных, их проверкой и анализом в многоканальных испытательных системах, применяющихся в промышленных и лабораторных условиях.

8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Стоимость современных интеллектуальных датчиков превышает стоимость обычных датчиков, поэтому первоначальные затраты заказчиков на них возрастают. Однако, общие затраты на систему автоматизации за все этапы ее жизненного цикла могут быть уменьшены по следующим обстоятельствам:

- уменьшается стоимость установки и обслуживания интеллектуальных датчиков за время эксплуатации (см. п. 3 предыдущего раздела);

- увеличивается стабильность их работы, что приводит к экономии за счет более редких поверочных испытаний;

- возникает экономия в стоимости кабельных линий, соединяющих измерительные средства с контроллерами, т. к. к одной шине можно подсоединить от восьми до порядка 100 датчиков, а также в стоимости контроллеров, т. к. не требуется включать в них блоки ввода;

- при применении на взрывоопасных производствах полевых сетей Profibus PA или Founda tion Fieldbus HI возникает экономия из-за уменьшения (или исключения) барьеров искробезопасности.

Кроме того, при применении интеллектуаль ных датчиков снижаются потери на производстве, вызванные использованием для управления не точных и неверных показаний датчиков.

9. НАДЕЖНОСТЬ ДАТЧИКОВ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

В современных системах управления датчик должен быть самым массовым, универсальным, точным и надежным измерительным средством.

Датчик предназначен для использования как внутри какого-либо объекта, так и вне его. Датчик, или совокупность датчиков формирует измерительную информацию, пригодную для ее последующего использования по назначению. Эта особенность датчика определяет стратегию его проектирования. Он должен нормально работать во всех средах функционирования основного объекта. Будучи элементом конструкции основного изделия, он должен обладать его несущей способностью и иметь небольшие размеры.

Датчик должен характеризоваться надежностью и как измерительное средство, и как элемент конструкции. Это требование вытекает из естественных требований к надежности основных агрегатов и устройств.

Массовость использования датчиков при ограниченной стоимости объектов также приводит к необходимости решения альтернативной задачи малой стоимости, высокой надежности и высокой точности.

Необходимо отметить, что современные технические системы также должны оснащаться аппаратурой внешнего анализа и аппаратурой контроля внутренней среды. Назначение информации внутреннего и внешнего состояний разное. Внешние данные связаны с анализом исполнения основной функции изделия, а внутренние являются диагностической информацией, которая определяет необходимость регламентных работ, профилактических ремонтов, сигнализирует об опасности разрушения и т.д. Все эти решения вырабатываются на основе массовых измерений, а не локальных.

Таким образом, единственным путем решения проблемы является реализация при их изготовлении массовых видов технологий, а именно всех видов микроэлектронной технологии, включая технологию микроформообразования. Необходим пересмотр традиционных решений в изготовлении датчиков на их перевод на массовые технологии.

Исходя из возможностей современной микроэлектронной технологии возможно создать датчик для измерения нескольких параметров. Таким датчикам следует отдать предпочтение в том случае, когда совмещаемые параметры хорошо физически разнесены, а используемые физические принципы преобразования характеризуются специфичным проявлением. При этом следует учитывать, что многокомпонентные датчики оказываются менее универсальны.

Конструкция современного датчика должна быть такой, чтобы его можно было встраивать в любую систему. Пути решения этой проблемы - модульное конструирование по всем правилам агрегатирования и системного подхода, т.е. конструирование с условием конструктивной, технологической, метрологической, информационной, алгоритмической совместимости. Важным также является вид выходного сигнала с датчика. В качестве стандартного сигнала должен быть сигнал максимально экономичный и устойчивый к помехам. Таким сигналом, за исключением кодовых видов модуляции, является частотно-модулируемый сигнал. Преобразование амплитудно-модулированного сигнала в частотно-модулируемый, как правило, целесообразно реализовывать в датчике, т.е. непосредственно в конструктивной совокупности, вынесенной на объект.

Очень часто, при проектировании датчиков, используют параметрические измерительные преобразователи, обладающие более высокими метрологическими свойствами. Однако такие преобразователи требуют дополнительного источника питания, что усложняет всю систему в целом. При этом возможен путь использования генераторного преобразователя, энергия которого питает параметрическую измерительную цепь. Такие комбинированные структуры, которые сравнительно просто реализуются на современном технологическом уровне, позволят не только упростить питание датчиков, но и оптимально повлиять на погрешность, т.к. в них отсутствует начальный выходной сигнал при нулевом измеряемом воздействии.

При конструировании датчиков необходимо уделять внимание вопросам обеспечения их надежности. Критерий заданного уровня надежности является основным, т.к. решение этой проблемы позволит методическими приемами решить задачи метрологического обеспечения. В общем виде надежность датчика, приближенно, складывается из четырех компонент: попадание датчика в заданный диапазон измеряемого воздействия (Pв), чисто механическая конструктивная прочность (Pм), сохранение параметров преобразования в заданном поле допусков (Pм.т) и функционирование измерительной схемы. При независимости названных компонентов надежность можно характеризовать как их произведение.

P = Pв x Pм x Pм.т

Каждый компонент надежности имеет вполне определенное физическое воплощение, которое можно каким-то образом оптимизировать и альтернативно решать задачу. Попадание датчика в заданный диапазон - процесс сложный, т.к. в спокойном состоянии характеризуется каким-то средним значением параметра, а в переходном режиме - это далеко не средние значения. Задача решается путем выбора измерительного средства с определенным запасом. Однако при этом возникают потери по точности, а очень часто и по порогу чувствительности. Современная микротехнология позволяет создать достаточно дешевый элемент, воспринимающий информацию, например, составной упругий элемент, упругий элемент с переменной площадью механического контакта и т.д. Это дает возможность целенаправленно управлять диапазоном измерения за счет его нелинейного расширения при сохранении минимального порога чувствительности.

Если говорить о надежности как о сохранении параметров в заданном поле допусков, то в этом направлении сделано больше всего. Однако работы, связанные с реализацией тестовых методов, с возможностью формирования тестовой посылки физических параметров оказываются не совсем корректными. Исследования, проведенные в этом направлении, подменяются рассуждениями о внедрении микропроцессоров в датчики для корректировки погрешности от нелинейности, различных влияющих факторов и сомнительной корректировки диапазона измерения. При неразумном подходе к этому вопросу конструктивное совмещение узлов обработки информации с узлами ее преобразования в самом датчике может существенно снизить надежность его работы.

Надежность функционирования электрической схемы датчика может быть повышена за счет использования конструктивной избыточности, которая имеет место при изготовлении датчиков по микроэлектронной технологии из полупроводниковых структур. Эту избыточность целесообразно использовать для повышения схемной надежности. В этом случае необходимо создание многоэлементных схемных структур с организацией, обеспечивающих их максимальное выживание (многоплечие многоэлементные мосты с холодным и горячим резервом, схемой управления, обеспечивающей функционирование цепи при неблагоприятных условиях - обрыв, нарушение (постепенное) контакта, нарушение (постепенное) сопротивления преобразователя, нарушение симметричности изменения измеряемой величины и т.д.). В этом случае речь идет о получении на выходе некоторого сигнала, достоверно и адекватно отражающего суть измеряемой величины. При этом весь запас микроэлектроники внутри датчика реализуется для повышения схемной надежности, а вся мощь внешнего устройства обработки (микропроцессора) используется на введение поправок и расшифровку тестовых сигналов, т.е. на метрологическое обеспечение выходного сигнала с реализацией обязательной информационной избыточности.

10. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Тенденции развития рассматриваемого класса датчиков можно проследить по направлениям разработок ведущих приборостроительных фирм, а также по новым типам приборов, внедрение которых начинается на предприятиях.

Развитие многофункциональных свойств датчика. Перспективные разработки ведутся по реализации в датчике функции прогнозирования значения измеряемой величины, по углублению те кущей самодиагностики датчика и на ее базе по прогнозированию в самом датчике возможной не корректной его работы и по составлению рекомендаций по его обслуживанию, а также по адаптации шкалы датчика к диапазону изменения из меряемой величины. Кроме того, все больший объем задач по расчету показателей, по обнаружению заданных событий, по реализации задач управления перекладывается с контроллера на датчик. Ввиду этого сам термин "датчик" становится все более неполным и условным.

Миниатюризация датчика. Создание миниатюрных датчиков на базе ряда известных и частично новых методов измерения с использованием миниатюрных по размерам микропроцессоров позволяет выпускать промышленное оборудование с встроенными в него датчиками и создавать системы автоматического мониторинга работы машин и механизмов, которые определяют текущий износ отдельных узлов оборудования и, следовательно, повышают надежность его работы и совершенствуют имеющуюся на предприятиях систему обслуживания и ремонта оборудования.

Расширение видов связи датчика с контроллером. В настоящее время датчик связывается с контроллером либо через самостоятельный провод ной канал аналоговых сигналов, либо через общую для ряда датчиков цифровую проводную сеть. В случае значительного удаления датчиков от основных средств системы автоматизации дат чик с помощью отдельных специальных средств телемеханики может общаться с контроллером по радиоканалу. В ряде фирм сейчас ведутся работы по созданию беспроводных датчиков, в которые встраиваются блоки коротковолновой радиосвязи (аналогичными блоками оснащаются и контроллеры). Предпосылками развития указанных типов датчиков служат с одной стороны наблюдающееся снижение стоимости средств коротковолновой радиосвязи и повышение надежности работы этих средств, а с другой стороны возникающая экономия затрат на проводную связь, упрощение монтажа системы и расширение возможных мест установки датчиков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Автоматика -- это передний край научно-технического прогресса. В области автоматики изменения происходят очень быстро. Элементы автоматики непрерывно совершенствуются. Необходимо уметь правильно выбрать тип элемента для конкретного применения. Нет четких постоянных правил и установок: когда следует применять элементы одного типа, а когда -- другого, поскольку появляются новые элементы. Можно сказать, что элементы разных типов конкурируют между собой.

От коммутационных электромеханических элементов и магнитных усилителей едва ли можно ожидать существенного расширения применения, поскольку у них есть «конкуренты» -- бурно развивающиеся полупроводниковые приборы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. / Под ред. У. Томкинса, Дж. Уэбстера. М. : №ip, 1992. - 592 с.

2. Интерфейс для программируемых приборов в системах автоматизации эксперимента/ Н. И. Гореликов, А. Н. Домарацкий Л. С. Ситников и др. М. : Наука, 1981. - 262 с.

3. Раннев Г.Г. Измерительные информационные системы: для студентов специальности ИИТ.МГОУ.М.. 1994 .124 с.

4. Раннев Г.Г., В. А. Сурогина, В. И. Калашников, С. В. Нефедов, А. П. Тарасенко/ Информационно-измерительная техника и электроника, М.:Аcadema, 2004.

5. М.Ю. Гук. Аппаратные средства ПК.- СПб.:Питер, 2001

6. Уайдер С. Справочник по технологиям и средствам связи. -М.: Мир, 2000

7. Л. Зурех. Датчики. СПб.: Логос-пресс, 2001

8. Информационно-измерительная техника и технологии. Учебник для вузов / В.И. Калашников, С.В. Нефёдов, А.Б. Путилин и др.; под редакцией Г.Г. Раннева. - М.: В.Ш., 2003; 362 с.: ил.

9. Интеллектуальные средства измерения под редакцией Г.Г.Раннева, МГОУ, 2003.

10. Ю.М. Келим Типовые элементы систем автоматического управления-М.: Инфра-М, 2004.