3.5. цифровая электроника и цифровая информация

Цифровые
датчики генерируют дискретные выходные
сигналы, например импульсные
последовательности или представленные
в определенном коде цифровые данные,
которые непосредственно могут быть
считаны процессором. В зависимости от
типа датчика выходной сигнал либо сразу
формируется в цифровом виде (например,
от датчика положения вала), либо должен
обрабатываться цепями электронной
логики, которые обычно составляют с ним
одно целое. Измерительная головка
цифрового датчика такая же, как и у
аналогового. Существуют интегрированные
цифровые датчики, которые включают
микропроцессоры для выполнения числовых
преобразований и согласования сигнала
и вырабатывают цифровой или аналоговый
выходной сигнал.

Если
выходной сигнал датчика представляет
собой последовательность импульсов,
то они обычно суммируются счетчиком. В
другом варианте – можно измерять
интервал между импульсами. Затем
результат в виде цифрового слова
передается на дальнейшую обработку.
При измерении энергии информация обычно
кодируется импульсами – каждый импульс
соответствует определенному количеству
энергии.

Информационно-цифровые
датчики (Fieldbus
sensor)
дополнительно обеспечивают передачу
информации через шины локального
управления (Fieldbus),
которые представляют собой специальный
тип двухсторонних цифровых коммуникаций
(глава 9). Датчики данного типа – это
обычные датчики температуры, давления,
расхода и т. д., которые дополнительно
имеют микропроцессор для обработки
данных, преобразования их в цифровой
вид (например, в 12-разрядный код) и
поддержки внешних коммуникаций. По шине
можно передавать не только результаты
измерений, но и идентификационную
информацию датчика. Иногда такие датчики
поддерживают режим удаленного тестирования
и калибровки.

Вопрос 5. Понятие элементарного звена и типовые звенья систем автоматического управления

Элементарными звеньями называются
простейшие составные части (блоки)
системы, поведение которых описывается
алгебраическими уравнениями или
дифференциальными уравнениями (1-2)-го
порядков:

a0
y”(t) + a1
y'(t) + a2
y(t) = b0
u'(t) + b1
u(t). (3.5.1)

Передаточная
функция элементарного
звена имеет
вид:

W(p) = (b0
u'(t) + b1
u(t)) / (a0
y”(t) + a1
y'(t) + a2
y(t)). (3.5.2)

Типовыми
называют динамические звенья, описываемые
дифференциальными уравнениями не выше
второго порядка.

Передаточная
функция звена: W(p)=k;

При
увеличении коэффициента усиления
увеличивается амплитуда, а фаза остаётся
неизменной. Таким образом, усилительное
звено увеличивает амплитуду входного
сигнала. Амплитуда и фаза сигнала не
зависят от частоты.

Передаточная
функция звена: W(p)=1/p;

Передаточная
функция звена: W(p)=p;

Передаточная
функция звена: W(p)=1/τp+1;

Представлены
графики при τ = 0,1; 0,4; 0,7; 1;

Передаточная
функция звена: W(p)=1/τ2p2+ετp+1;

Чем
больше постоянная времени колебательного
звена τ, тем быстрее убывает амплитуда
выходного сигнала при одинаковых
частотах. Чем больше τ, тем медленнее
протекает переходный процесс. Фаза
стремится к –π;

Представлены
графики при τ=0,5 и ε=0,1; 0,4; 0,7; 0,9;

Чем
больше декремент затухания колебательного
звена ε, тем быстрее убывает амплитуда
выходного сигнала при одинаковых
частотах. Чем больше ε, тем быстрее
протекает переходный процесс, и система
устанавливается в необходимое состояние.
Фаза стремится к –π;

6.
Форсирующее звено первого порядка

7.
Форсирующее звено второго порядка

Передаточная
функция звена: W(p)=τ2p2+ετp+1;

Чем
больше постоянная времени звена τ, тем
быстрее возрастает амплитуда выходного
сигнала при одинаковых частотах. Чем
больше τ, тем медленнее протекает
переходный процесс. Фаза стремится к
π.

Цифровые и информационно-цифровые датчики

Цифровые
датчики генерируют дискретные выходные
сигналы, например импульсные
последовательности или представленные
в определенном коде цифровые данные,
которые непосредственно могут быть
считаны процессором. В зависимости от
типа датчика выходной сигнал либо сразу
формируется в цифровом виде (например,
от датчика положения вала), либо должен
обрабатываться цепями электронной
логики, которые обычно составляют с ним
одно целое. Измерительная головка
цифрового
датчика такая же, как и у аналогового.
Существуют интегрированные цифровые
датчики, которые включают микропроцессоры
для выполнения числовых преобразований
и согласования сигнала и вырабатывают
цифровой или аналоговый выходной
сигнал.

Если
выходной сигнал датчика представляет
собой последовательность импульсов,
то они обычно суммируются счетчиком. В
другом варианте — можно измерять
интервал
между импульсами. Затем результат в
виде цифрового слова передается на
дальнейшую
обработку. При измерении энергии
информация обычно кодируется импульсами
— каждый импульс соответствует
определенному количеству энергии.

Аналоговые датчики

Выходной
сигнал датчика подается на вход
обрабатывающего устройства, например
на входной порт компьютера. Поскольку
характеристики выходного сигнала
датчика
и последующего каскада довольно часто
отличаются друг от друга, то для передачи
сигнала между ними должна использоваться
некоторая согласующая цепь. Термин
“согласующая цепь”
является
довольно общим и может
обозначать любой набор электронных
компонентов между измерительной головкой
датчика и обрабатывающим устройством.

Большинство
датчиков с преобразователем, применяемых
в системах управления,
генерируют аналоговый сигнал. Как
правило, при управлении измеряются
следующие
физические величины:

• электрические и
  магнитные характеристики;
• сила, момент и
  давление;
• плотность, вязкость
  и консистенция;
• концентрация
  (газа, жидкости, растворенных и взвешенных
  веществ);
• химическая или
  биохимическая активность.

Ниже
представлен краткий обзор аналоговых
датчиков, обычно используемых в
системах управления. Измерение
электрических величин — тока, напряжения,
сопротивления, магнитного поля, излучения
и мощности — краеугольный камень
измерительных технологий. Для большинства
типов измерений серийно выпускаются
измерительные
головки, датчики, включающие согласующие
цепи и даже интегрированные
устройства со встроенными аналогово-цифровыми
преобразователями и
средствами передачи данных.

Соседние файлы в папке Лекции КТУП

Датчики положения вала

Датчики
положения вала или кодеры поворота
(shaft
encoders)
–
это цифровые датчики для измерения угла
поворота и угловой скорости. Они
применяются во всех системах, где нужна
точная информация о параметрах
вращательного движения, – например,
станки, роботы, сервосистемы и
электропривод. Существуют датчики
относительного (incremental)
и абсолютного (absolute)
типов.

Датчик
относительного типа состоит из
светодетектора или магнитного датчика,
например геркона, который генерирует
последовательность импульсов при
вращении объекта; поворот на 360°
соответствует одному или более импульсам.
Затем последовательность импульсов
обрабатывается и преобразуется в угол
поворота и угловую скорость объекта.

Датчик
абсолютного типа выдает угол поворота
объекта в двоичном коде. Оптический
датчик состоит из диска с прорезями и
светонепроницаемыми участками, причем
каждая прорезь уникальна и соответствует
определенному углу поворота. Источник
света освещает одну сторону диска, а на
другой стороне блок датчиков фиксирует
световой шаблон (т. е. через какие прорези
свет проходит, а через какие – нет),
которому соответствует цифровое значение
угла поворота. Кодирование обычно
осуществляется на основе модифицированного
двоичного алгоритма, чтобы минимизировать
ошибки смещения фотоэлектрических
датчиков относительно прорезей в диске.
Эта простая технология обеспечивает
высокие разрешение (которое определяется
числом прорезей на градус углового
смещения или на оборот диска) и точность,
а также хорошую помехоустойчивость при
передаче сигналов, поскольку не требует
аналого-цифрового преобразования.

Выходной
сигнал датчика подается на вход
обрабатывающего устройства, например
на входной порт компьютера. Поскольку
характеристики выходного сигнала
датчика и последующего каскада довольно
часто отличаются друг от друга, то для
передачи сигнала между ними должна
использоваться некоторая согласующая
цепь. Термин «согласующая цепь»
(conditioning
circuitry)
является довольно общим и может обозначать
любой набор электронных компонентов
между измерительной головкой датчика
и обрабатывающим устройством. Нельзя
точно определить границу между
электроникой измерительного преобразователя
и последующими согласую­щими цепями
– каждый раз она может трактоваться
по-своему.

Большинство
датчиков с преобразователем, применяемых
в системах управления, генерируют
аналоговый сигнал. Как правило, при
управлении измеряются следующие
физические величины:

–
электрические и магнитные характеристики;

–
сила, момент и давление;

–
уровень заполнения емкости;

–
плотность, вязкость и консистенция;

–
концентрация (газа, жидкости, растворенных
и взвешенных веществ);

–
химическая или биохимическая активность.

Ниже
представлен краткий обзор аналоговых
датчиков, обычно используемых в системах
управления. Измерение электрических
величин – тока, напряжения, сопротивления,
магнитного поля, излучения и мощности
– краеугольный камень измерительных
технологий. Для большинства типов
измерений серийно выпускаются
измерительные головки, датчики, включающие
согласующие цепи и даже интегрированные
устройства со встроенными аналогово-цифровыми
преобразователями (раздел 5.3.2) и средствами
передачи данных.

Датчики
движения
(motion
sensors)
измеряют четыре кинематические величины:

–
перемещение (изменение положения,
расстояния, степени приближения,
размера);

–
скорость (включая угловую);

Каждая
из этих величин является производной
по времени от предшествующей. Теоретически
можно измерить только одну из них и
затем получить остальные дифференцированием
или интегрированием. На практике, однако,
такой подход неприемлем из-за природы
сигнала (постоянный, переходный и т.
д.), частотного спектра, шумов и возможностей
средств обработки данных.

Контроль
параметров движения обязателен для
приложений, в которых используется
механическое оборудование – сервосистемы,
роботы, электроприводы или другие
манипуляторы. Измерение перемещений
применяется при управлении положением
клапанов. Толщина пластин в прокатном
стане постоянно контролируется системой
управления калибровкой. Датчики

деформаций – это устройства, которые
измеряют механическое напряжение,
давление и силу, но могут применяться
и для измерения перемещений. В системах
мониторинга состояния и предупреждения
отказов механического оборудования
широко используются акселерометры.

Для
измерения параметров движения применяются
следующие типы устройств:

–
потенциометры для измерения перемещений;
они работают как переменные резисторы;

–
датчики на основе принципа электромагнитной
индукции, например дифференциальные
трансформаторы, резольверы,
синхротрансформаторы (сельсины);

–
емкостные датчики для измерения малых
перемещений, вращении и уровней жидкости;

–
пьезоэлектрические датчики для измерения
давления, напряжения, ускорения, скорости,
силы и момента (пьезоэлектрический
материал деформируется под действием
приложенной разности потенциалов или
вырабатывает разность потенциалов при
механическом воздействии);

–
лазерные датчики для точного измерения
малых перемещений;

–
ультразвуковые датчики для измерения
расстояний в медицинских приборах,
системах автофокусировки фото- и
телекамер, измерения уровня и скорости.

1.
С какой целью используются бинарные
датчики?

2.
Для чего применяются концевые выключатели?

3.
Почему контакты механических выключателей
некоторое время вибрируют (дребезжат),
прежде чем замкнуться?

4.
Как можно бороться с дребезжанием
контактов в переключателях

5.
Опишите конструкцию ртутных выключателей.

Из
предложенных Вам ответов на данный
вопрос выберите правильный.

3.1.
Когда срабатывает индикатор уровня?

а)
В случае, если резервуар заполняется
до заданной высоты.

б)
При заполнении резервуара.

в)
По команде оператора, управляющего
технологическим процессом.

г)
При появлении жидкости в резервуаре.

3.2.
На какое важное свойство датчика
указывает малое время нарастания его
выходного сигнала?

а)
На быструю реакцию датчика.

б)
На большую инерционность датчика.

в)
На низкую точность датчика.

г)
На малое входное электрическое
сопротивление датчика.

3.3.
Какого вида сигналы генерируют цифровые
датчики?

г)
Модулированные по амплитуде.

3.4.
Какие устройства используются в качестве
датчиков положения?

3.5.
Какие проблемы вызывает замыкание
механического выключателя?

а)
Резкое возрастание напряжения.

б)
Резкое возрастание тока.

Соседние файлы в папке учебные пособия

Основные понятия и классификация систем автоматики

Автоматика — отрасль науки и техники об управлении различными процессами и контроле их протекания, осуществляемых без непосредственного участия человека.

Управление различными процессами без вмешательства человека называется автоматическим управлением, а технические средства, с помощью которых оно осуществляется — средствами автоматики.

Параметры производственного технологического процесса, которые необходимо поддерживать постоянно или изменять по определенному закону называется управляемой величиной.

Комплекс технических средств, предназначенных для автоматизации производственных процессов, представляет собой автоматическую систему.

В зависимости от выполняемых функций различают автоматические системы контроля, управления и регулирования.

Системы состоят из объекта управления и автоматического управляющего устройства. Если входными воздействиями для управляющего устройства являются только внешние воздействия, система называется разомкнутой (без обратной связи), если внешние и внутренние — замкнутой (с обратной связью).

В зависимости от способа формирования сигналов управления системы делятся на непрерывные и дискретные (цифровые).

Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой элементов, выполняющих определённые функции и обеспечивающих в комплексе весь процесс управления.

В соответствии с выполняемыми функциями все элементы автоматической системы делятся на три группы:

Измерительную группу составляют различного рода датчики.

Преобразовательную — усилительные устройства, регуляторы, цифровые и микропроцессорные устройства.

Исполнительную — электродвигатели, контакторы, управляющие клапаны и др.

Элементами автоматики называются конструктивно законченные устройства, выполняющие определённые самостоятельные функции преобразования сигналов в системах автоматики.

Каждый элемент преобразует энергию, полученную от предыдущего элемента, и передаёт её последующему. Элементы бывают электрическими и неэлектрическими: гидравлическими, пневматическими, механическими и т.д.

Важнейшим требованием, предъявляемым к устройствам автоматики, является высокая надежность. Ненадежная работа системы автоматического управления (отказ или ошибка) может привести к нарушению производственного процесса и к другим тяжелым последствиям.

Особое значение приобретает использование автоматических систем в тех областях, где возможности человека не в состоянии обеспечивать должный уровень контроля над технологическим процессом. Это может касаться как быстро протекающих процессов (например, изменения напряжения), так вредных факторов (например, ядерные реакции, химическое производство).

Автоматизация различных технологических процессов, управление различными машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Информацию о параметрах контролируемой системы или устройства получают с помощью датчиков или по-другому сенсоров.

Датчик — это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования (чаще всего в электрический сигнал).

Т.о. датчики преобразуют любимую величину в электрический сигнал, который удобно передавать, обрабатывать, выводить на дисплей и т.п.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

1) В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

2) По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические датчики. Большинство датчиков являются электрическими.

3) По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика, поэтому для работы требуют источник питания.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, термометрические, фотоэлектрические, индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

– аналоговые датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

– цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или цифровой код;

– бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: “включено/выключено” (иначе говоря, 0 или 1).

Омические (резистивные) датчики— принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l, площади сечения S или удельного сопротивления p, т.е.

R= pl/S (1.1)

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от температуры, контактного давления и освещённости. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные.

Контактные датчики — это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, положение, температуру, размеры объектов и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели, контактные термометры и так называемые электродные датчики, используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Недостаток контактных датчиков является ограниченный срок службы контактной системы, но благодаря простоте этих датчиков они находят широкое применение.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной — изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения (рис. 1.1). Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Выходной величиной Uвых такого датчика является падение напряжения между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения «х» контакта Uвых = f(х) соответствует закону изменения сопротив­ления вдоль потенциометра.

Рисунок 1.1 — Потенциометрическая схема включения реостатного датчика

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Тензометрические датчики служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибра­ции. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы) — сопротивление зависит от температуры.

Терморези­сторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры.

2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п.

Рисунок 1.2 — Применение самонагревающегося резистора в качестве датчика расхода

Например, для измерения объёма потребляемого воздуха в автомобильных двигателях в воздухопроводе устанавливается самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком воздуха, в результате чего резистор действует как датчик расхода (рис. 1.2).

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов.

Принцип действия датчика основан на изменении электромагнитного поля при попадании в зону действия датчика металлических объектов (на неметаллические материалы датчик не реагирует). В основном индуктивные датчики применяются в качестве бесконтактных выключателей (не требует механического воздействия) для определения положения (конечные и путевые выключатели).

На рисунке 1.3 представлены примеры применения индуктивных датчиков в качестве датчика положения, угла, скорости.

Рисунок 1.3 — Примеры использования индуктивного датчика (ВБИ — выключатель бесконтактный индукционный)

Недостатками индуктивных датчиков является малое расстояние срабатывания и сравнительно небольшая чувствительность.

Емкостные датчики — принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e0eS/h (1.2)

где e0 — диэлектрическая постоянная;

e — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками;

S — активная площадь пластин;

h — расстояние между пластинами конденсатора.

Зависимости емкости от площади пластин и расстоянии между ними используется для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д.

Широко емкостные датчики применяются для контроля уровня жидкостей и сыпучих материалов. При этом возможно располагать датчики вне резервуара или бункера. Материал, попадая в рабочую зону датчика, вызывает изменение диэлектрическая проницаемость e, что изменяет емкость и вызывает срабатывание датчика (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 — Емкостной датчик

а) распределение электрического поля конденсатора,

б) пример контроля минимального и максимального уровня

Кроме того, на измерении значения диэлектрической проницаемости e работают датчики толщины слоя непроводящих материалов (толщино­меры) и контроля влажности и состава вещества.

Достоинства емкостных датчиков — простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки — влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую величину в ЭДС индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы, у которых выходное напряжение пропорционально угловой скорости вращения вала генератора. Используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор (рис. 1.5) представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. Контролируемый объект механически связан с ротором тахогенератора и приводит его во вращение. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС.

Рисунок 1.5 — Тахогенератор

а) конструкция, б) диаграммы входной и выходной ЭДС

Температурные датчики являются наиболее распространенными; широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Основные классы датчиков температуры для промышленного применения: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Биметаллический датчик представляет собой пластину из двух разнородных металлов, имеющих различный температурный коэффициент линейного расширения. При нагревании или охлаждении пластина изгибается, размыкая (замыкая) электрические контакты или перемещая стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40 до +550 0C. Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы — это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления (терморезисторы)основаны на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры.

С ростом температуры сопротивление металлов возрастает. Для изготовления металлических терморезисторов используется медь, никель, платина. Платиновые терморезисторы позволяют измерять температуры в пределах от –260 до 1100 0С.

Полупроводниковые терморезисторы имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления. Кроме того, полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм).

Применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0С.

Термопары представляет собой соединение (спай) двух разнородных металлов. Работа основана на термоэлектрическом эффекте – при наличии разности температур спая Т1 и концов термопары Т0 возникает электродвижущая сила, называемая термо­электродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т1 – Т0.

Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0С. Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары дешевы, простоты в изготовлении и надёжны в эксплуатации. Измерительные мультиметры комплектуются именно термопарами.

Инфрокрасные датчики (пирометры) – используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Пьезоэлектрические датчики основаны на пьезоэлектрическом эффекте (пьезоэффекте), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величина ко­торого пропорциональна действующей силе.

Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики работают либо на основе внутреннего фотоэффекта – изменении сопротивления при изменении освещенности, либо вырабатывают фотоЭДС, пропорциональную освещенности.

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач.

Рисунок 1.6 — Примеры использования фотоэлектрических датчиков

Оптический бесконтактный датчик, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области,связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов.

Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов: приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.

Выделяют два метода обнаружения объекта фотоэлектрическими датчиками:

1) Пересечение луча – в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, вследствие перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

2) Отражение от объекта – в этом методе приемник и передатчик находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами (отражателями). Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

1) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков положения.

2) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков скорости.

3) Назовите какие типы датчиков и объясните, почему могут быть применены в качестве датчиков – расходомеров.

4) На рисунке изображён индуктивный датчик.

Запишите, какие параметры датчика и в какую сторону будут изменяться при движении якоря:

1) вверх; 2) вниз; 3) вправо; 4) влево.

5) Объясните назначение изображённого на рисунке датчика (слева).

6) Объясните назначение изображённых на рисунке датчиков (справа). Почему использовано два датчика?

Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, импульсные последовательности или представленные в определенном коде данные, которые непосредственно могут быть считаны процессором. В зависимости от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом виде (например, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями электронной логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная головка цифрового датчика такая же, как и у аналогового. Существуют интегрированные цифровые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числовых преобразований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или выходной сигнал.

Если выходной сигнал датчика представляет собой последовательность импульсов, то они обычно суммируются счетчиком. В другом варианте — можно измерять интервал между импульсами. Затем результат в виде цифрового слова передается на дальнейшую обработку. При измерении энергии информация обычно кодируется импульсами – каждый импульс соответствует определенному количеству энергии.

Информационно-цифровые датчики (Fieldbus sensor) дополнительно обеспечивают передачу информации через шины локального управления (Field bus) которые представляют собой специальный тип двухсторонних цифровых коммуникаторов. Датчики данного типа – это обычные датчики температуры, давления, расхода и т. д., которые дополнительно имеют микропроцессор для обработки данных и преобразования их в цифровой вид (например, в 12-разрядный код) и поддержки внешних коммуникаций. По шине можно передавать не только результаты измерений, но и идентификационную информацию датчика. Иногда такие датчики поддерживают режим удаленного тестирования и калибровки.

Что такое датчики и зачем они нужны

При изучении робототехники возникает вопрос – что такое датчики? Датчики еще часто называю сенсорами.

Датчики — это детекторы, которые имеют возможность измерять некоторые физические качества, такие как давление или свет.

Датчик после этого будет преобразовывать измерение в сигнал, который может быть передан для анализа. Большинство датчиков, используемых сегодня существует для того, чтобы иметь возможность общаться с электронным устройством, которое будет делать измерения и записи.

датчик что это

Наличие датчиков обязательно для всех систем автоматизации. Именно датчики позволяют создать робота, который может реагировать на изменение различных параметров окружающей среды. Получая информацию от датчиков, робот выполняет различные действия согласно заложенной в него программе.

Можно сказать, что наличие датчиков и обратной связи с ними, отличает робота от автоматизированного устройства. Изучая робототехнику можно быстро узнать, что такое датчик и как использовать различные типы датчиков.

Сегодня вы сможете найти датчики в широком диапазоне различных устройств, которые вы используете регулярно. Сенсорный экран, который у вас есть на телефоне.

Ультразвуковые датчики для открытия дверей в торговых центрах, герконовые датчики для систем сигнализации и множество других. Датчики являются очень распространенной частью повседневной жизни.

Введение в датчики

Мир полон сенсоров. В нашей повседневной жизни мы сталкиваемся с автоматизацией во всех видах деятельности. Автоматизация включает включение света и вентилятора, с использованием мобильных телефонов. Управление телевизором с помощью мобильных приложений.

управление и мониторинг

Регулировки температуры в помещении. Обеспечение пожарной безопасности при помощи детекторов дыма и т.д. Все это делается с помощью датчиков. В наши дни любой встроенный системный продукт имеет встроенные датчики. Есть множество приложений, таких как мобильные управляемые камеры видеонаблюдения.

Приложения мониторинга и прогнозирования погоды и т. д. Датчики играют очень важную роль в профилактике и обнаружении заболеваний в здравоохранении. Поэтому, прежде чем проектировать датчик, использующий приложение, мы должны понять, что такое датчик, что именно делает датчик и сколько типов датчиков доступны.

Что такое датчик?

Датчик определяется как устройство или модуль, который помогает обнаружить любые изменения в физической величине такой как давление, сила или электрическая величина, как ток или любой другой вид энергии. После наблюдать изменениями, датчик посылает обнаруженный входной сигнал к микроконтроллеру или микропроцессору.

Наконец, датчик выдает считываемый выходной сигнал, который может быть либо оптическим, либо электрическим, либо любой формой сигнала, соответствующей изменению входного сигнала. В любой измерительной системе большую роль играют датчики.

Фактически, датчики являются первым элементом в структурной схеме измерительной системы, который вступает в непосредственный контакт с переменными для получения действительного выхода. Теперь вы знаете, что такое датчик и что на самом деле означает датчик.

Классификация датчиков

Что такое активные датчик – это тип датчиков, который производит выходной сигнал с помощью внешнего источника возбуждения.

Собственные физические свойства датчика изменяются в зависимости от применяемого внешнего воздействия. Например, тензометрический датчик.

При нажатии на такой датчик воздействие преобразуется в электрический сигнал и сигнал передается в считывающее устройство.

Пассивный датчик

Пассивные датчики тип датчиков, который производит выходной сигнал без помощи внешнего источника возбуждения.

Им не нужны никакие дополнительные токи или напряжения. Например, термопара, которая генерирует значение напряжения, соответствующее приложенному теплу.

Она не требует никакого внешнего электропитания.

Что такое аналоговый датчик – это сенсор, который производит непрерывный сигнал относительно времени с аналоговым выходом.

Сформированный аналоговый выходной сигнал пропорционален измеряемому им входному сигналу. Как правило, аналоговое напряжение лежит в диапазоне от 0 до 10 В или в качестве выходного сигнала используется ток.

аналоговый датчик Arduino

Примерами физических параметров для непрерывных сигналов могут служить температура, усилие, давление, смещение и др. Например, аналоговый датчик линии Arduino.

Цифровые датчики-это те, которые производят дискретные выходные сигналы.

Дискретные сигналы будут не непрерывными во времени и могут быть представлены в “битах” для последовательной передачи и в “байтах” для параллельной передачи.  Измеряемая величина будет представлена в цифровом формате. Цифровой выход может быть в форме логики 1 или логики 0 (включено-выключено).

Цифровой датчик состоит из датчика, кабеля и передатчика. Измеренный сигнал преобразован в цифровой сигнал внутри датчика самого без любого внешнего компонента. Кабель используется для передачи на большие расстояния. Примером цифрового датчика может служить энкодер.

Он включает в себя цифровой светодиод и фотодиод, используемый для получения цифрового сигнала для измерения скорости вращающегося вала. Диск прикреплен к вращающемуся валу. Вращающийся вал имеет по окружности прозрачные пазы. Когда вал вращается со скоростью, диск также вращается вместе с ним.

принцип работы энкодера

Сигнал от светодиода проходит через паз и фиксируется фотодиодом. Выходным сигналом будет логическая 1 или логический 0. Выходные данные отображаются на ЖК-дисплее после прохождения через счетчик.

В настоящее время есть огромное количество датчиков для различных целей и каждый год датчики становятся все совершеннее. Сейчас все больше становится программируемых датчиков, которые можно калибровать и программировать на различные виды измерений.

Обычно в комплекте с этими датчиками идет достаточно подробная инструкция со схемами подключения, способами настройки и программирования датчиков.

Обзор полезного набора датчиков для Arduino

В данном материале «датчики» и «сенсоры» подразумеваются как синонимы.

«Датчик» — это механизм, который предназначен для измерения какого-либо параметра, с целью обработки результата данного измерения. Данные устройства — неотъемлемая часть множества современного оборудования, они используются в системах контроля качества, телеметрии и так далее. Современные электронные датчики позволяют контролировать и обрабатывать сразу несколько параметров. Важным элементом является их преобразовательная часть, которая отвечает за распознавание и преобразование получаемого сигнала.

Основные характеристики электронного датчика: чувствительность и погрешность.

Наиболее распространенными являются аналоговые и цифровые датчики. Главное отличие заключается в том, какой сигнал в итоге генерируется.

Аналоговые датчики генерируют аналоговый сигнал. Его изменение происходит непрерывно, он принимает какое-нибудь из множественных значений. Запитываются такие датчики постоянным или переменным током (второй вариант предпочтительнее, поскольку сводятся к минимуму ошибки, но постоянное питание дешевле).

Сигнал, который генерируют цифровые датчики, можно на выходе записать в виде последовательности цифровых значений. Для того чтобы передать сигнал по аналоговому каналу прибегают к модуляции. Среди главных достоинств цифрового датчика — простота калибровки и прямая диагностика. В основном данный вид оборудования используют в системах связи.

Преимущества и недостатки цифровых и аналоговых датчиков

• оба обладают одинаковой точностью;
• в цифровом датчике быстрее проходит проверка состояния;
• аналоговые датчики более надежны;
• аналоговые датчики уязвимы к помехам больше, чем цифровые.

Кроме этого, сенсоры различаются по протоколу, который определяет, как принимающая сторона будет интерпретировать сигнал. У каждого датчика свой протокол, который зависит от производителя.

Выбор датчика должен основываться на задачах, которые предстоит выполнять, и условий, в которых его будут использовать.

Широтно-импульсная модуляция

Под этим понятием понимается способ управления передачей полезной мощности в нагрузку. Основными характеристиками ШИМ являются: амплитуда (Вольт), частота следования посылок (Гц), скважность импульсных сигналов. Применение данной модуляции позволяет повысить КПД преобразователей, в частности, импульсных.

Преимущества ШИМ

• Высокая экономичность преобразования;
• Снижение габаритов и веса импульсных блоков питания;
• Повышение надежности устройства;
• Повышение сроков его эксплуатации.

Цифровая широтно-импульсная модуляция позволила сделать устройства более компактными.

К отрицательным сторонам этого способа трансформации мощности относят создаваемые устройством импульсные помехи и сложные схемные решения, приводящие к затруднениям при ремонте.

Широтно-импульсная модуляция применяется в импульсных преобразователях (входит в состав современных блоков питания), электронных модулях для регуляции яркости дисплеев, в импульсных схемах напряжения и так далее.