Что такое аналоговые датчики и зачем они нужны

Некоторые электронные схемы взаимодействуют с внешним миром через различные типы датчиков (сенсоров). Без них невозможно было бы измерить температуру, силу света или другие значения.

В наших практических упражнениях мы будем использовать простые аналоговые датчики. также будем использовать.

В рамках этой статьи мы обсудим три различных датчика: фоторезистор, фототранзистор и термистор. Первые два служат для измерения силы света (отличаются принципом действия), а третий датчик будет измерять температуру. Элементы этого типа чрезвычайно полезны и могут быть применены во многих проектах, в том числе основанных, например, на Arduino или других, более сложных платформах.

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.

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 Холла

Для того чтобы понять, что такое датчик Холла нужно сначала разобраться какие физические свойства он использует. Этот датчик использует внешние магнитные поля и их воздействием на проводники или полупроводники.

В них используется принцип Холла, который заключается в том, что если по проводнику или полупроводнику протекает ток в одном направлении и он проходит перпендикулярно магнитному полю, то можно измерить напряжение, проходящее под прямым углом к движению тока.

В 19 веке американский физик Эдвин Холл проводил эксперименты с пластиной золота через которую он пропускал электрический ток. Когда он поднес к пластине постоянный магнит, то обнаружил на гранях перпендикулярных протеканию тока разность потенциалов т.е. напряжение. В честь этого ученого и назвали этот эффект.

Датчик Холла является магнитным датчиком т.е. устройством, генерирующим электрические сигналы пропорциональные магнитному полю, которое к нему приложено. Далее сигнал может усиливаться и преобразовываться для дальнейшей обработки.

клещи для измерения тока

Самым простым примером применения эффекта Холла могут служить токоизмерительные клещи, которые применяются для бесконтактного определения силы тока, протекающего по проводнику.

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.

Почему рассматриваем аналоговые датчики?

Самая главная причина — низкая цена, которая в случае аналоговых датчиков колеблется в районе 50 рублей. Если мы построим схему с большим количеством датчиков (например, световых), для нас будет важна стоимость этих датчиков. Вторая причина — небольшие размеры. Готовый модуль с цифровым датчиком обычно стоит намного дороже аналогового датчика.

Кстати, сами цифровые датчики иногда могут быть настолько маленькими, что использовать их в домашних условиях будет очень сложно или даже невозможно.

Третья причина — это широкий диапазон напряжений, которые мы можем подавать в такую ​​схему. Для аналоговых датчиков достаточно 1 В (в случае фоторезистора и термистора напряжение может быть еще ниже). Верхний предел питающего напряжения обычно составляет несколько десятков вольт. Так что, разброс огромный!

Цифровые датчики должны питаться напряжением, строго указанным производителем (например, 5 В). Это вызывает некоторые проблемы, особенно, если мы видим, что датчик не работает при напряжении, совместимом с остальными схемами. В этом случае, необходимо использовать так называемый преобразователь логических уровней.

Приведенные выше аргументы не следует воспринимать как «атаку» на цифровые датчики. Просто при использовании какого-либо компонента, делайте выбор осознанно.

Общим недостатком аналоговых датчиков является необходимость калибровки всей схемы. Поэтому любительские применения таких датчиков следует ограничить ролью детекторов. В идеале, их следует использовать только для проверки того, достиг ли данный параметр соответствующего значения или нет.

Общие сведения о датчиках

Английское название датчика – “sensor” произошло от латинского слова “sensus” – ощущение, чувство, способность воспринимать “раздражение”. Эта способность является одним из наиболее универсальных свойств систем живой и неживой природы, которое позволяет реагировать на внешнее воздействие.

В настоящее время сенсорика – наука о датчиках – это целое системное направление, которое включает в себя явления, эффекты, процессы и алгоритмы из таких областей знаний, как физика, химия, биология, информатика, электротехника, теплотехника, электроника, оптика и других дисциплин.

Общее определение звучит примерно так:

Датчик – это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них.

Однако это очень широкое определение, под которое попадает практически любой чувствительный элемент – от человеческого уха до ручки дверного замка.

Если же говорить о системах, созданных человеком, а тем более не обо всех системах, а о системах автоматизации, то определение придётся немного сузить:

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.

Здесь внешним воздействием обычно является какая-то измеряемая характеристика объекта, его свойство или качество, которые необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал.

В некоторых случаях вместо выражения “внешнее воздействие” применяется термин “измеряемая величина”.

Датчик (sensor) состоит из двух частей – чувствительного элемента (detector) и преобразователя (transducer), как показано на рисунке. Чувствительный элемент иногда называют измерительной головкой (sensor head).

Результат работы датчика – это реакция чувствительного элемента на внешнее воздействие, которая на выходе преобразователя представляет собой электрический сигнал, пригодный для распознавания и обработки системой.

Зачем нужны датчики

Назначение датчиков – отслеживание и реагирование на внешнее воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. По сути датчик – это преобразователь физической величины в электрический сигнал.

Или, переходя в мир людей, можно сказать, что датчики – это глаза, нос и уши АСУ. Но, кроме этого, и в отличие от человека, АСУ требуется намного больше данных для работы, и эти данные должны быть намного точнее.

Например, человеку не так важно знать точное значение температуры. Он обходится значениями “тепло” и “холодно”. А для выполнения технологических процессов, конечно, такой точности недостаточно. Поэтому системе нужны датчики, которые измеряют температуру с точностью до градуса, а иногда и до десятой или даже сотой доли градуса.

Датчики электрических величин

Все датчики можно разделить на две большие группы:

• Датчики электрических величин
• Датчики неэлектрических величин

Датчики электрических величин измеряют и преобразуют, как ясно из названия, электрические величины. Такие как ток, напряжение, сопротивление, частота. Такие датчики достаточно широко используются в системах автоматизации.

Датчики неэлектрических величин

Все остальные датчики, то есть те, которые измеряют характеристики, не связанные с электричеством, можно причислить к этой группе.

Их иногда называют датчиками физических величин. Хотя это не совсем правильно, потому что электрические характеристики – это тоже физические величины.

Неэлектрические величины – это огромное разнообразие всех возможных свойств различных объектов. Например, вес, температура, давление, плотность, скорость, частота (но уже не частота переменного тока, а, например, частота вращения), яркость (освещённость), влажность, загазованность и т.п.

Что такое измерительные преобразователи

Можно сказать, что “измерительный преобразователь” – это другое название датчиков. Хотя это и не совсем так.

Как видно из рисунка выше, любой датчик выполняет ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. Но не любой датчик выполняет ИЗМЕРЕНИЕ. Поэтому любой датчик является преобразователем, но не каждый преобразователь является измерительным.

Таким образом, измерительные преобразователи – это датчики, которые что-то измеряют. Например, напряжение, вес, температуру.

Остальные же датчики, которые ничего не измеряют, не являются измерительными. Например, датчик открытия двери ничего не измеряет. Он просто фиксирует положение двери – открыта или закрыта.

Применение датчиков Холла

Разберем более подробно области применения датчиков Холла.

умный чехол для смартфона

• В ноутбуках также датчик используется для определения открыта крышка или нет. Сам датчик Холла установлен на материнской плате. На крышке ноутбука установлен магнит. Закрываем крышку – экран гаснет.
• В стиральных машинах стоит таходачик для подсчета количества оборотов мотора. Электронная система стиральной машинки на основе показаний датчика принимает решение нарастить или уменьшить скорость оборотов и какое количество оборотов нужно для выбранного режима.
• В автомобилях часто используется эффект Холла в системах зажигания. Находится датчик в трамблере и заменяет собой контактор. Он определяет в какой момент появляется искра и передает данные в блок электроники. Могут применяться униполярные или биполярные данные. Момент создания искры и количество импульсов определяется бесконтактно и теоретически датчики могут работать неограниченное время.
• В системах сигнализации в бесконтактных выключателях.
• В системах контроля и управления доступом (СКУД) для чтения магнитных кодов
• В системах определения уровня жидкости.
• Для проверки наличия скрытой проводки.
• Для измерения силы тока.

Arduino с датчиком Холла

То есть датчики Холла применяются в технических областях там, где требуется бесконтактный способ считывания информации. Недостатком датчиков Холла является их зависимость от электрических помех в электроцепях и как следствие снижение надежности. Но при создании электронных устройств такие факторы учитываются и позволяют снизить эти негативные воздействия.

Способы подключения датчиков

Ну вообще способы подключения датчика см. в инструкции на датчик ))) Но всё же я решил включить в статью и этот раздел – для общего развития и для тех, кто никогда раньше с этим не сталкивался.

Как подключить пассивный датчик

Вообще большинство датчиков имеют для подключения от 2 до 4 проводов. Пассивные датчики обычно имеют 2-3 провода.

Например, термосопротивление имеет два или три провода для подключения. Для работы такого датчика достаточно двух проводов, но иногда третий контакт также используется, если кабель очень длинный и третий провод используется для компенсации погрешностей, вносимых длинным кабелем.

Как подключить активный датчик

Активные датчики, как вы помните, требуют питания. Поэтому для подключения у таких датчиков обычно 3-4 контакта (хотя бывают и двухпроводные, например, датчики дыма в шлейфах пожарной сигнализации).

При наличии трёх контактов, как правило, один – это плюс питания, второй – это выходной сигнал, и третий – это общий провод.

При наличии четырёх контактов, как правило, два провода используются для питания, и два для выходного сигнала.

Ну а пока советую ознакомиться с книгами по датчикам.

Принципы работы датчиков

Выше я уже кратко рассказал о принципах работы датчиков (принципах действия). Здесь об этом чуть подробнее. Итак, по принципу действия датчики можно разделить на следующие группы:

• Датчики (преобразователи) сопротивления. Принцип действия – изменение сопротивления в зависимости от значения измеряемой величины.
• Потенциометры (переменные резисторы). Такие датчики наиболее часто используются для определения положения (например, положения рабочего стола фрезерного станка).
• Тензорезисторы (тензодатчики). Обычно используются в весоизмерительном оборудовании.
• Терморезисторы, термосопротивления. Используются для измерения температуры.
• Фоторезисторы. Используются для измерения освещённости.
• Ёмкостные датчики. Принцип действия – изменение ёмкости при появлении предмета в зоне чувствительности датчика. Назначение то же, что и у индуктивных. Но, в отличие от индуктивных, реагируют не только на металлические предметы.
• Магнитно индукционные. Наиболее часто используются для измерения частоты вращения.
• Магнитные датчики. Принцип действия – изменение состояния в магнитном поле. Самый простой пример – геркон, который замыкает или размыкает контакт, когда рядом с ним расположен магнит. Многие датчики уровня работают по этому принципу.
• Мембранные. Принцип действия – “прогибание” мембраны под воздействие давления (усилия). Обычно используются для определения уровня в бункере с сыпучими продуктами, иногда в реле давления.
• Оптические. Принцип действия – изменение состояния при освещении. Обычно это также дискретные датчики, которые наиболее часто используются в барьерах защиты.
• Кондуктометрические. Обычно используются для измерения уровней жидкостей. Принцип действия основан на токопроводности жидкостей.

Аналоговые, цифровые и дискретные датчики

Все датчики можно разделить на три большие группы:

• Аналоговые
• Дискретные
• Цифровые

Далее вкратце рассмотрим эти виды.

Что такое аналоговый датчик

Аналоговый датчик – это датчик, который измеряет какую-то величину и преобразует её в какой-либо (обычно в стандартный) сигнал по линейному закону.

То есть на выходе такого датчика будет непрерывный сигнал, соответствующий какому-либо стандарту. Например, напряжение или ток.

Несмотря на то, что у датчика имеется какая-то ограниченная разрешающая способность, для аналоговых датчиков считаем, что выходной сигнал изменяется плавно, без рывков (см. рисунок выше).

Что такое дискретный датчик

Дискретный датчик ничего не измеряет. Точнее, он может выполнять измерения, но его выход может принимать только несколько фиксированных состояний. Обычно таких состояний всего два: ВКЛЮЧЕНО или ВЫКЛЮЧЕНО.

Например, это может быть обычный “сухой контакт”, который либо замкнут либо разомкнут в зависимости от входного сигнала.

Например, тепловой пожарный извещатель (тепловой датчик). Его контакт замкнут, пока температура находится в допустимом диапазоне. Как только температура превышает допустимое значение – контакт размыкается.

Что такое цифровой датчик

Цифровой датчик содержит микроконтроллер, который выполняет предварительную обработку входного сигнала. На выходе такого датчика также будет какой-либо стандартный сигнал либо уже готовое измеренное значение в числовом виде.

В первом случае выходной сигнал также изменяется по линейному закону, как и у аналоговых датчиков. Однако он уже не будет таким “плавным”, а будет иметь какую-то дискретность.

Например, если это напряжение, то у аналогового датчика оно будет изменяться максимально плавно. То есть дискретности практически не будет. Точность будет до почти бесконечного количества знаков после запятой, и ограничена она будет только точностью принимающих приборов.

В случае, когда цифровой датчик на выходе имеет уже готовое значение, то это значение уже нельзя передать с помощью одного сигнала. Такие значения уже передаются по каналам связи и это уже совершенно отдельный вопрос.

Фототранзисторы — другие датчики света?

Фототранзистор — это известный нам биполярный транзистор, у которого буквально есть открытая база. Он устроен таким образом, что падающие фотоны генерируют носители электричества — как будто они исходят от внешнего источника. В результате, когда подается соответствующее напряжение на коллектор-эмиттер, ток начинает течь между эмиттером и коллектором фототранзистора. Этот элемент производители закрывают в корпус с линзой, который по внешнему виду напоминает

Рассматриваемый нами фототранзистор выглядит как светодиод с прозрачным корпусом. Однако, некоторые фототранзисторы имеют дополнительно выведенную базу. Вы можете оставить его отключенным или управлять им электрически и оптически (независимо друг от друга).

Фототранзисторы, как и фоторезисторы, определяются в условиях освещения и затемнения. Темновой коллекторный ток фототранзистора, составляет около 100 нА (при напряжении коллектор-эмиттер 10 В). С другой стороны, световой ток коллектора находится в диапазоне 0,7–3 мА (при 5 В).

Как и в случае обычных биполярных транзисторов, здесь мы имеем дело с коэффициентом усиления по току (β) . Носители, сгенерированные в базе, вызывают в β раз больший ток коллектора.

Символическое описание работы фототранзистора

Проще говоря, такой фототранзистор можно рассматривать даже как фоторезистор со встроенным усилителем. Фоторезистор вряд ли зарегистрирует изменение, а фототранзистор дополнительно его усилит, что позволит наблюдать больший отклик на выходе датчика.

Коллектор фототранзистора выведен на более короткий вывод (ножку), а эмиттер, на более длинный. Этот элемент не имеет внешней связи с основанием. Важно отметить, что элемент оптимизирован для приема в инфракрасном (ИК) диапазоне, но он также реагирует на видимый свет, но с меньшей чувствительностью. Проверка его работы ограничивается заменой фоторезистора в предыдущей тестовой схеме.

Схема автоматической лампы на фототранзисторе

Вот так выглядит схема на макетной плате:

Потенциометр необходимо установить на предел переключения. Затеняя и освещая фототранзистор, мы наблюдаем реакцию диода. Схема с фототранзистором лучше всего работает при солнечном свете. Если возникнут проблемы с его настройкой, можно также поэкспериментировать с резистором R3.

В этой схеме фототранзистор был включен так же, как и предыдущие датчики, несмотря на разницу в работе — вместо сопротивления изменяется ток, протекающий через него. Однако схема будет работать так же: чем больше тока течет через коллектор транзистора, тем больше падение напряжения на R3. Это означает более низкий потенциал для неинвертирующего входа.

Использование датчиков

Хотя я уже об этом говорил, здесь, так сказать, подведу промежуточный итог сказанного и расскажу о том, для чего используются датчики. И картина будет примерно такая:

Что почитать про датчики

Несмотря на то, что статья получилась достаточно длинной, я рассказал лишь очень малую часть даже из того, что знаю я. Продолжение будет в новых статьях. Но если не хотите ждать, то могу посоветовать несколько хороших книг о датчиках.

Датчики в электронных схемах

Ну вот и всё. Аж устал – несколько дней работал над этой статьёй. Надеюсь, не зря – кому-нибудь она будет точно полезна.

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.

Термистор — аналоговый датчик температуры

Термисторы преобразуют температуру в сопротивление (между выводами). Это связано с соответствующим материалом, из которого они сделаны. Этот элемент может выглядеть как маленький черный конденсатор на длинных ножках, но это только внешний вид!

Термистор, как и обычный резистор, не имеет полярности. Ток может течь через него в любом направлении. Основные параметры термистора, которые следует учитывать в первую очередь, — это номинальное сопротивление (при определенной температуре, обычно 25 ° C) и его тип / вид .

Тип термистора определяет направление изменения сопротивления:

• PTC ( положительный температурный коэффициент ) — температура и сопротивление ведут себя одинаково, т.е. при повышении температуры увеличивается и сопротивление.
• NTC ( отрицательный температурный коэффициент ) — сопротивление и температура имеют противоположные направления увеличения, т.е. повышение температуры означает уменьшение сопротивления.

Термисторы для измерительных целей обычно относятся к типу NTC.

Термистор, который мы рассматриваем, представляет собой датчик NTC с номинальным сопротивлением 47 кОм. Таким образом, при температуре выше 25 ° C его сопротивление будет пропорционально ниже 47 кОм, а при охлаждении — выше 47 кОм.

Классификация датчиков

Датчики можно классифицировать (группировать) по некоторым их свойствам. И делать это можно по разному с разной степенью подробностей. Классификация может быть, например, такой:

• По природе вЫходной величины все датчики можно подразделить на электрические, гидравлические, пневматические. Наиболее широко распространены электрические.
• По природе измеряемой (преобразуемой) входной величины выделяют: датчики перемещения, температуры, уровня, расхода, положения, скорости, ускорения, давления (или усилия), частоты, светового потока, деформации, химического состава.
• По виду выходной величины электрические датчики подразделяют на:
• По принципу действия выделяют:
• датчики сопротивления: потенциометры, тензорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы;
• датчики индуктивности и взаимной индуктивности: индуктивные, сельсины, микросины, вращающиеся трансформаторы;
• магнитно индукционные: тахогенераторы постоянного и переменного тока, ёмкостные датчики.
• По структуре:
• с промежуточным преобразованием энергии;
• с непосредственным преобразованием энергии.

Как проверить схему?

После сборки схемы включите питание и установите ручку потенциометра так, чтобы диод загорелся. Затем осторожно поверните потенциометр так, чтобы светодиод погас. Таким образом, мы устанавливаем так называемый порог переключения. Теперь мы можем нагреть термистор (например, сжимая его пальцами). Когда его корпус нагреется, светодиод загорится, а после остывания погаснет.

При температуре около 25 ° C на неинвертирующем входе компаратора появится напряжение близкое к 2,7 В (при условии питания 6 В). Это напряжение падает при нагревании термистора, а при превышении порога переключения компаратор переключает свое выходное состояние с высокого на низкое.

Без резистора R5, схема будет вести себя хаотично около порога переключения.

Чувствительность, точность и диапазоны значений

Не буду вдаваться в теоретические подробности, иначе эта статья вырастет до неприличных размеров. Но вкратце хочу упомянуть про некоторые важные свойства датчиков.

Чувствительность датчиков

Простыми словами – это соотношение изменения выходного значения к изменению входного значения:

S = dO / dI

где S – чувствительность датчика; dO – изменение вЫходного значения; dI – изменение входного значения.

Допустим, что при изменении температуры, которую измеряет датчик, на 1 градус (входное значение), сопротивление датчика температуры изменяется на 2 Ом (вЫходное значение). Тогда чувствительность будет:

S = 2 / 1 = 2, то есть 2 Ом на 1 градус

Соответственно, изменение сопротивления датчика на 0,1 Ом будет означать, что температура изменилась:

dI = dO / S = 0,1 / 2 = 0,05 градуса

Разумеется, это при условии, что функция преобразования входного сигнала в вЫходной является линейной. Но надо сказать, что практически у всех датчиков она таковой и является – для удобства считывания выходных сигналов.

Есть ещё такое понятие, как “порог чувствительности” – это минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение вЫходного сигнала.

Например, при изменении входного тока на 1 ампер датчик тока изменит выходной сигнал на 1 мА. При изменении тока на 0,5 А, датчик изменит выходной сигнал на 0,5 мА. При изменении входного тока на 0,25 А датчик вроде бы должен изменить выходной сигнал на 0,25 мА. Но если порог чувствительности такого датчика, например, 0,3 А, то он уже не сможет отреагировать на изменение входного сигнала на 0,25 А, и выходной сигнал не изменится.

Что такое мёртвая зона датчика (зона нечувствительности датчика)

Как я уже сказал, все датчики стараются изготавливать так, чтобы функция преобразования входного сигнала в вЫходной была линейной.

Соответственно, зоной чувствительности датчика является тот диапазон значений, где эта функция линейна. Однако этот диапазон ограничен какими-то минимальным и максимальным значениями, потому что невозможно сделать датчик, который бы измерял величину в бесконечном диапазоне.

Поэтому у любого датчика есть “мёртвая зона”, или зона нечувствительности:

Из названия понятно, что зона нечувствительности – это зона, где нарушается линейность преобразования. Это необязательно означает, что датчик не может измерять значения в “мёртвой зоне”. Но это означает, что в этой зоне измеренное значение будет преобразовано в выходное значение по нелинейному закону. То есть за точность показаний уже никто не поручится.

Например, производитель гарантирует, что датчик температуры будет правильно работать при измерении значений от 0 до 100 градусов Цельсия. При этом тот же датчик сможет измерить и температуру ниже нуля. например, -10. Однако это значение уже будет в “мёртвой зоне”. Поэтому на выходе может быть, например, 50 Ом, как при температуре 0 градусов, так и при температуре -10.

Точность датчиков

Любые средства измерения имеют погрешности. Метрология – это целая наука. И я даже пытаться не буду сейчас рассказать о всех премудростях этой дисциплины.

Скажу лишь, что погрешности могут появляться на разных этапах измерения-преобразования и накладываться друг на друга.

Это связано, в том числе, и с рассмотренными выше свойствами: чувствительностью и мёртвой зоной.

Нелинейность датчиков

В который уже раз повторяю, что в большинстве случаев датчики изготавливаются таким образом, чтобы зависимость выходой величины от входной была линейной. Если вы не помните, что такое линейная функция, то обратитесь к учебнику математики.

Простыми словами – это функция, график которой представляет собой прямую линию.

Однако сделать датчик с идеальным линейным выходом невозможно. Даже в зоне чувствительности эта функция будет “условно” линейной. Потому что какие-то отклонения от этого графика будут. Но эти отклонения должны быть в пределах указанной для конкретного датчика допустимой погрешности.

Разрешающая способность датчика

Про порог чувствительности я уже говорил. Из-за этого свойства датчиков выходной сигнал не может быть безупречно ровным. Поэтому у датчиков есть ещё такое свойство, как разрешающая способность. Иногда это называют дискретностью. Особенно это относится к цифровым датчикам.

Аналоговые датчики вроде бы должны изменять выходной сигнал плавно. Но из-за необходимости преобразований эта плавность условная.

Всё равно уменьшая изменение входного сигнала, мы рано или поздно придём к тому, что выходной сигнал не отреагирует на изменение входного (из-за потерь в процессе преобразования).

Так что любые датчики имеют эту “дискретность”. Например, у цифровых датчиков температуры она может быть 0,1, или 0,5 или даже 1 градус. И вряд ли существуют датчики, которые могут измерить температуру, например, с точностью до 0,000001 градуса.

Диапазон измеряемых и выходных значений

Это, можно сказать, является продолжением разговора о мёртвой зоне.

Диапазон измеряемых значений – это прямая линия на графике (см. рис. выше). То есть тот диапазон значений, где измерение и преобразование выполняется по линейному закону. Эта величина показывает наибольшее возможное значение входного сигнала, которое датчик может преобразовать, не выходя за пределы допустимых погрешностей.

Диапазон выходных значений – это разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внешнем воздействии.

Например, у нас есть датчик температуры, который измеряет температуру от 0 до 50 градусов и преобразует её в напряжение от 0 до 10 В.

Диапазоны входных значений могут быть практически любыми. А диапазоны выходных значений стандартизированы. Поэтому системы и приборы, к которым подключаются датчики, также должны соответствовать этим стандартам.

Наиболее часто на выходе активного датчика имеются токовые сигналы или напряжение. Основные стандарты:

• Токовые:
• Напряжения:

Аналоговые и цифровые датчики

Если немного упростить, то можно сказать, что существует два типа датчиков (любого типа): аналоговые и цифровые. Таким образом, мы можем применить аналоговый или цифровой датчик температуры. Оба элемента смогут измерять температуру, но сама их работа будет сильно отличаться.

Аналоговые датчики преобразуют измеряемую величину (например, температуру) в электрическую величину, пропорциональную измеренному значению. Например, по мере увеличения температуры, на выходе датчика, напряжение будет расти и сопротивление будет увеличиваться.

В свою очередь, цифровые датчики отправляют информацию в виде последовательности битов (нулей и единиц). Чтобы прочитать его, вам потребуются цифровые схемы, чаще всего микроконтроллеры, поэтому мы не можем рассматривать их в этом курсе. Вы столкнетесь с этими типами датчиков, когда мы начнем изучать Arduino.

Аналоговый датчик и цифровой датчик — различные методы чтения данных

Цифровые датчики становятся все популярнее, потому что они могут выполнять более сложные измерения, а считывание и правильная интерпретация результатов, таких датчиков, может быть очень простой задачей.

Датчик Холла или геркон?

<noscript><iframe loading=”lazy” src=”https://www.youtube.com/embed/6US6vmcOvtk” allow=”accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture” width=”560″ height=”315″ frameborder=”0″></noscript>

Какие бывают типы датчиков Холла

Датчики Холла подразделяются на два типа:

• Аналоговые датчики Холла В этом типе датчиков использовано преобразование магнитной индукции напрямую в напряжение. Свое применение аналоговые датчики нашли в измерительных технических устройствах. Это, например, датчики тока, датчики вибрации, датчики угла поворота.
• Цифровые датчики ХоллаЦифровой датчик Холла имеет всего два положения, которые показывают наличие или отсутствие магнитного поля. Практически это аналог геркона, но если в герконе присутствует механический контакт, то цифровой датчик Холла бесконтактный.

датчик с эффектом Холла

Подразделяются такие датчики на три вида:

• Униполярный – когда сила магнитного поля достигает определенной величины датчик срабатывает. Такие датчики откликаются только на один полюс. Если к датчику поднести магнит другим полюсом, то датчик на него не реагирует. Когда сила магнитного поля снижается датчик возвращается в исходное положение.
• Биполярный – в этом случае имеет значение полярность магнитного поля. Один полюс включает датчик, другой полюс выключает.
• Омниполярный датчик Холла – реагирует на любой магнитный полюс. Т.е. любой полюс может включать и выключать датчик. Это может быть, как южный, так и северный полюс.

Как правило цифровой датчик Холла имеет три вывода и внешне похож на транзистор.

сенсор Холла с выводами

На два вывода датчика подается питание, которое может быть, как однополярным, так и двуполярным. Третий вывод сигнальный. Такой тип датчиков часто применяется в бесконтактных системах зажигания, как датчик скорости в автомобилях и т.д.

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.

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.

Датчики для систем автоматизации

Когда я рассказывал про ТСА, то я сравнивал датчики с муравьями, которые непрерывно тащат в свой муравейник какие-то очень нужные им вещи. Сегодня будем говорить об этих “муравьях” более подробно. Я расскажу о том, с помощью каких устройств АСУ познаёт окружающий мир.

Сбор данных – это очень важная функция АСУ. Без этого никакая автоматизация невозможна в принципе. И поэтому сегодня существует просто огромное количество всевозможных датчиков, которые можно разделить на несколько групп.

Активные и пассивные

Датчики ещё бывают активные и пассивные. Активные требуют подключения к источнику питания, пассивные – нет.

Что такое пассивный датчик

Пассивные датчик не требует подключения к источнику питания. Такие датчики изготавливаются из материалов, которые изменяют свои свойства под воздействием измеряемой среды, и могут эти изменения сразу преобразовать в пригодные для обработки системой сигналы.

Например, это термосопротивления. Обычно это просто медный проводник, который изменяет своё сопротивление в зависимости от температуры.

Зависимость сопротивления проводника от температуры достаточно проста:

R = p (l / S)

где R – сопротивление; р – удельное сопротивление материала; l – длина проводника; S – площадь поперечного сечения проводника.

График такой функции будет линейным, поэтому не потребуется каких-то дополнительных устройств преобразования сигнала. Соответственно, не потребуется и дополнительного питания. Вы такой датчик можете сделать даже сами из куска проволоки.

Другой пример – пример дискретного датчика – это геркон. Контакт геркона размыкается (или замыкается), если к нему поднести магнит. Никакого питания для такого датчика тоже не надо.

Что такое активный датчик

Активный датчик потребляет ток, и не будет работать без подключения к источнику питания.

Активные датчики нужны, например, когда входное значение слишком слабое и его надо усиливать. А усилитель, соответственно, требует питания.

Все микроконтроллеры требуют питания, поэтому все цифровые датчики являются активными.

Опять же стандартные токовые сигналы и сигналы напряжения как правило (хотя и не всегда) для их формирования требуют подключения к источнику питания.

Использование термистора на практике

Конечно, работу такого датчика можно проверить с помощью мультиметра. Для этого достаточно измерить сопротивление между его выводами. Если хотите, проделайте такой эксперимент самостоятельно — прикоснитесь щупами мультиметра к ножкам термистора и измерьте его сопротивление. Затем согрейте кончик термистора в руках и снова измерьте его.

Однако мы сделаем еще один шаг и рассмотрим более сложную схему. Используя ранее полученные знания, мы соберем датчик, который будет сигнализировать о превышении заданной температуры.

Для выполнения этого упражнения вам потребуются:

• 1 × компаратор LM311,
• 1 × термистор,
• Конденсатор 1 × 100 нФ,
• 1 × 220 мкФ конденсатор,
• Резистор 1 × 330 Ом,
• Резистор 2 × 1 кОм,
• Резистор 1 × 56 кОм,
• 1 × резистор 1 МОм,
• Потенциометр 1 × 5 кОм,
• 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
• Батарея 4 × AA,
• 1 × корзина для 4 батареек АА,
• 1 × макетная плата,
• комплект соединительных проводов.

Нам нужно соединить все эти элементы согласно схеме ниже, которая должна быть вам знакомой. Это практически та же схема, которую мы собрали в одной из предыдущих статей, посвященной аналоговым компараторам. Основное отличие — внешний вид термистора.

Схема простого термостата, состоящего из компаратора и термистора

Конечно, такая схема сравнивает два напряжения (как компаратор), но самое главное — какие напряжения будут сравниваться. К инвертирующему входу подключаем потенциометр, благодаря которому мы легко сможем регулировать напряжение, достигающее этого входа. В свою очередь, к неинвертирующему входу подключаем делитель напряжения из термистора и резистора R3.

В результате изменение температуры, которое переводится в изменение сопротивления аналогового датчика, вызовет подачу другого напряжения на неинвертирующий вход.

Здесь вступает в игру компаратор, который сравнивает два напряжения, благодаря этому, диод, который находится на выходе компаратора, будет светиться при повышении температуры окружающей среды. Изменяя настройку потенциометра P1, мы сможем регулировать «температуру», превышение которой приведет к переключению светодиода. Порог переключения выставим с помощью потенциометра.

В свою очередь, на практике все это может выглядеть так, как на фото ниже. Стоит немного согнуть термистор, чтобы он слегка выступал за контур макетной платы.

Готовый термостат на базе компаратора и термистора

Фоторезисторы — аналоговые датчики света

Фоторезисторы — это аналоговые датчики света, сопротивление которых изменяется с изменением интенсивности видимого света. На световую подложку наносится светочувствительный слой, который снижает его сопротивление под воздействием падающего света. Для соединения этого слоя с выводами, используются серые металлические покрытия, и все это герметично покрыто лаком. Как и в случае с термистором (и обычным резистором), ток может течь через этот элемент в обоих направлениях.

В случае фоторезисторов, основными параметрами являются два сопротивления: в темное время суток и светлое. Каждый из них определяется соответствующей освещенностью в люксах — в домашних условиях эта информация не очень практична. Для нас наиболее важны сами значения этих сопротивлений, потому что они говорят о диапазоне изменчивости. Например, в случае фоторезистора GL5616, в светлое время суток сопротивление составляет 5-10 кОм, а в темное около 800 кОм.

Каждый фоторезистор снижает свое сопротивление при освещении.

Проверить этот датчик очень просто. Нам нужно внести две незначительные модификации в предыдущую схему (даже разбирать ее не стоит). Достаточно:

• заменить резистор R3 на резистор сопротивлением 10 кОм,
• заменить термистор на фоторезистор.

Вот как выглядит схема данного варианта на макетной плате:

Схема светоприемника на основе компаратора напряжения и фоторезистора

Готовый макет может выглядеть так:

В рамках теста мы освещаем фоторезистор (например, лампой в комнате) и включаем питание. Затем, с помощью потенциометра, выставляем порог переключения: сначала ползунок поворачиваем, чтобы светодиод погас, а потом аккуратно поворачиваем, чтобы он загорелся. После закрытия фоторезистора диод должен погаснуть. Однако в этом случае (с фоторезистором) работу этой схемы можно легко изменить. Просто поменяйте местами 2 элемента, а какие, подумайте сами.

Как и в предыдущей схеме, здесь также необходим небольшой гистерезис (резистор R5). Без него шум, создаваемый в соединениях, в сочетании с усилением компаратора, заставил бы схему вести себя хаотично.

Как подключить аналоговый датчик?

Фоторезистор и термистор характеризуются изменением своего сопротивления в ответ на внешний раздражитель (свет или температуру соответственно). А вот в фототранзисторе изменяется протекающий через него ток. Оба эти значения можно легко измерить с помощью мультиметра. Однако никто не будет стоять и вручную измерять сопротивление термистора, чтобы увидеть, изменилась ли температура окружающей среды.

Для удобной и «автоматической» обработки информации от датчиков, было бы полезно, если бы изменение их показаний приводило к изменению напряжения (а не сопротивления), потому что электронные схемы могут обрабатывать это самостоятельно. Так как же использовать, например, изменение сопротивления резистора и термистора? Здесь пригодится очень простая схема — делитель напряжения, который мы обсуждали в предыдущих статьях по электронике, особенно в статье, посвященной закону Ома и Кирхгофа

В простейшем варианте конфигурация датчика выглядит как на схеме ниже. Если датчик подключен таким образом, изменение его сопротивления повлияет на значение, считываемое мультиметром. Принцип этой схемы очень прост: по мере увеличения сопротивления датчика, напряжение, приложенное к нему, увеличивается, а также увеличивается и выходное напряжение. Если же сопротивление уменьшается, напряжение на выходе также уменьшается.

То же самое будет применимо и для изменений протекающего тока: чем больше ток, тем ниже выходное напряжение.

Пример схемы подключения аналогового датчика

На схеме в качестве примера показан мультиметр для измерения напряжения. Очень часто такую ​​схему подключают, например, через аналоговый вход в Arduino. Однако мы имеем дело с основами электроники, поэтому нам приходится измерять напряжение другим методом. Здесь отлично подойдет компаратор напряжения, описанный в предыдущей статье.

Обзор полезного набора датчиков для Arduino

<noscript><iframe loading=”lazy” src=”https://www.youtube.com/embed/xZ6a6bOoYu4″ allow=”accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture” width=”560″ height=”315″ frameborder=”0″></noscript>

Резистор для аналогового датчика

Резистор следует подбирать под конкретный датчик. Резистор ограничивает ток, протекающий через датчик, что особенно важно в случае термисторов — протекание тока приводит к повышению температуры внутренней структуры датчика. Такой внутренний нагрев искажает показания датчика. Поэтому желательно, чтобы номинал этого резистора был как можно большим.

С другой стороны, чем больше сопротивление, тем меньше становится диапазон обработки, потому что изменения сопротивления датчика относительно этого резистора настолько малы, что они не будут распознаваться схемой.

Как и во многих других случаях, нужен инженерный компромисс.

Кроме того, резисторная схема имеет еще один недостаток. Помните формулу выходного напряжения делителя напряжения? Где в нем находится резистор R1, символизирующий наш датчик? К сожалению, он есть и в числителе, и в знаменателе. Это означает, что выходное напряжение не будет линейно зависеть от сопротивления — чего нам хотелось бы больше всего.

Области применения датчиков

Не могу хотя бы вкратце не рассказать об этом. Потому что датчики сегодня применяются практически везде. Даже там, где вы, быть может, и не подозреваете.

Если сказать, что датчики применяются в системах автоматизации, то это значит не сказать ничего. Потому что сегодня практически любое устройство – от производственной линии до утюга, является системой автоматизации.

Поэтому я расскажу про области применения, имея ввиду отрасли промышленности или услуг. Итак, вы наверняка найдёте хоть какой-нибудь датчик:

• В промышленном оборудовании
• В бытовой технике и почти в любой технике для дома
• В робототехнике
• В автомобилестроении
• В медицинской технике
• В компьютерах
• В разных любительских поделках

Вывод

В рамках этой статьи, мы проверили, как на практике можно использовать простые аналоговые датчики. Что немаловажно, нам также удалось найти разумное применение аналоговому компаратору — как видите, это очень полезная схема. И да, сообщите нам в комментариях, удалось ли вам выполнить все упражнения — фотографии собранных схем приветствуются!