Какие датчики существуют в природе?

При упоминании прибора под названием «датчик движения», в первую очередь возникают ассоциации с охраной банков, музеев и секретных объектов. Воображение рисует картинку пересекающихся лазерных лучей, через которые виртуозно пробирается шпион или грабитель.

Отчасти, это верно, поскольку некоторые виды датчиков обнаружения движения используются в охранных комплексах. Однако по мере удешевления технологии, эти устройства стали доступными для широких масс. Тем более что принцип работы датчика движения никогда не являлся секретом, и от использования его в домашних условиях удерживала только высокая стоимость.

Датчики — устройства, содержащие чувствительные части, реагирующие на определенные факторы с целью управления, контроля, мониторинга работы электроустановок, электроники, силовых систем, двигателей, бытовых и иных приборов. Изделия регистрируют изменения среды и, посылая команду исполнительным частям, обеспечивают автоматизацию, автономность оснащения или передают данные на устройства слежения. С помощью датчиков обеспечивается также и безопасность, оборудования или окружающей среды (например, пожарные сенсоры). Для каждого типа оборудования характерный определенный вид детекторов с нужными функциями, стойкостью, сенситивностью — рассмотрим их. А также опишем устройство, принцип работы, внешний вид сенсоров. Таким образом, читатель сможет сориентироваться, где какое устройство применяется, что надо ремонтировать или покупать для замены.

Общие сведения

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. В качестве отдельной категории использования датчиков в автоматических системах регистрации параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.

Датчик
(чувствительный элемент)- это
устройство преобразующее входную
величину в электрическую на выходе.
Основной
функцией датчика является преобразование
входной величины любой физической
природы в величину на выходе, более
удобную для контроля, регулирования
или управления. В системах автоматики
и телемеханики используется множество
датчиков различных по устройству и
назначению. Они могут быть классифицированы
по определенным признакам, важным в том
или ином отношении. Наиболее полно
позволяет отразить свойства, особенности
и возможности применения датчиков
классификация их по принципу действия.
На основании этого признака электрические
датчики можно разделить на параметрические
и генераторные. К параметрическим
датчикам относятся резисторные,
индуктивные, трансформаторные и
емкостные. Параметрические датчики
используют главным образом для
преобразования механических перемещений,
усилий, температур в электрическое
напряжение, ток или частоту. К генераторным
относятся термоэлектрические,
индукционные, пьезоэлектрические и
фотоэлектрические датчики. Главной
характеристикой датчика является его
чувствительность, которая во многом
определяет возможность применения
датчика в той или иной системе автоматики.

Классификация
датчиков, основные требования к ним

Автоматизация
различных технологических процессов,
эффективное управление различными
агрегатами, машинами, механизмами
требуют многочисленных измерений
разнообразных физических величин.

Датчики
(в
литературе часто называемые также
измерительными преобразователями), или
по-другому, сенсоры
являются элементами многих систем
автоматики – с их помощью получают
информацию о параметрах контролируемой
системы или устройства.

Датчик
– это
элемент измерительного, сигнального,
регулирующего или управляющего
устройства, преобразующий контролируемую
величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение,
ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения,
передачи, хранения, обработки, регистрации,
а иногда и для воздействия им на
управляемые процессы. Или
проще, датчик
– это устройство, преобразующее входное
воздействие любой физической величины
в сигнал, удобный для дальнейшего
использования.

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

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%.

По
виду выходной величины, в которую
преобразуется входная величина,
различают неэлектрические
и электрические:
датчики постоянного тока (ЭДС или
напряжения), датчики амплитуды переменного
тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты
переменного тока (ЭДС или напряжения),
датчики сопротивления (активного,
индуктивного или емкостного) и др.

Большинство
датчиков являются электрическими. Это
обусловлено следующими достоинствами
электрических измерений:

–
электрические величины удобно передавать
на расстояние, причем передача
осуществляется с высокой скоростью;

–
электрические величины универсальны
в том смысле, что любые другие величины
могут быть преобразованы в электрические
и наоборот;

–
они точно преобразуются в цифровой код
и позволяют достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия
средств измерений.

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.

По
принципу действия
датчики
также можно разделить на омические,
реостатные, фотоэлектрические
(оптико-электронные), индуктивные,
емкостные и д.р.

Датчик –
это элемент измерительного, сигнального,
регулирующего или управляющего
устройства, преобразующий контролируемую
величину (температуру, давление, частоту,
силу света, электрическое напряжение,
ток и т. д.) в сигнал, удобный для измерения,
передачи, хранения, обработки, регистрации,
а иногда и для воздействия им на
управляемые процессы; это устройство,
преобразующее входное воздействие
любой физической величины в сигнал,
удобный для дальнейшего использования.

Датчики (в
литературе часто называемые также
измерительными преобразователями), или
по-другому, сенсоры являются элементами
многих систем автоматики – с их помощью
получают информацию о параметрах
контролируемой системы или устройства.

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

В зависимости
от вида входной (измеряемой) величины
различают:

датчики
механических перемещений (линейных и
угловых);

В настоящее
время существует приблизительно
следующее распределение доли измерений
различных физических величин в
промышленности:

расход
(массовый и объемный) – 20 %;

По виду
выходной величины, в которую преобразуется
входная величина, различают неэлектрические
и электрические:

датчики
постоянного тока (ЭДС или напряжения);

датчики
амплитуды переменного тока (ЭДС или
напряжения);

датчики
частоты переменного тока (ЭДС или
напряжения);

датчики
сопротивления (активного, индуктивного
или емкостного) и др.

электрические
величины удобно передавать на расстояние,
причем передача осуществляется с высокой
скоростью;

электрические
величины универсальны в том смысле, что
любые другие величины могут быть
преобразованы в электрические и наоборот;

они точно
преобразуются в цифровой код и позволяют
достигнуть высокой точности,
чувствительности и быстродействия
средств измерений.

По принципу
действия датчики можно разделить на
два класса:

генераторные,
которые осуществляют непосредственное
преобразование входной величины в
электрический сигнал;

параметрические
(датчики-модуляторы), которые входную
величину преобразуют в изменение
какого-либо электрического параметра
(R, L или С) датчика.

По принципу
действия датчики также можно разделить
на такие категории:

Различают
три класса датчиков по физической
структуре сигнала:

аналоговые
датчики, т. е. датчики, вырабатывающие
аналоговый сигнал, пропорционально
изменению входной величины;

цифровые
датчики, генерирующие последовательность
импульсов или двоичное слово;

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

Последние
получили широкое распространение
благодаря своей простоте.

Основные
требования к датчикам

Рассмотрим
требования, предъявляемые к датчикам:

однозначная
зависимость выходной величины от
входной;

стабильность
характеристик во времени;

малые
размеры и масса;

отсутствие
обратного воздействия на контролируемый
процесс и на контролируемый параметр;

работа при
различных условиях эксплуатации;

Соседние файлы в папке Контрольные

Видео по теме

• Начнем с прерывающих. Как мы уже знаем, прибор состоит из излучателя и приемника. Простейшая реализация — фото пара с линзой, формирующей направленный луч. Однако подобные устройств не применяются уже несколько десятков лет. Какой датчик можно считать современным? Тот, который использует когерентный или поляризованный луч. То есть, лазер.Для справки: Лазерный луч может быть видимым или невидимым. Это расширяет возможности прибора при использовании в охранных системах.Вариантов исполнения два: в одном корпусе или с разделенным приемником и передатчиком. В первом случае необходимо электрическое объединение двух узлов в единую электрическую систему. Второй вариант использует отражающую поверхность, и луч возвращается в приемный сенсор, расположенный рядом с излучателем.Для улицы такое исполнение не подойдет, слишком много потенциальных предметов для срабатывания (птицы, животные). Поэтому необходимо дублировать лучи, расположенные на расстоянии (чтобы не было ложных срабатывания на малые объекты).
• Отражающие также являются излучателями, со своим приемником в корпусе. По использованию волн, делятся на три группы:
  Как работает микроволновый датчик движения? Он излучает СВЧ волны, которые формируют вокруг него некий фон из волн высокой частоты. Они отражаются от предметов, и «мозг» датчика запоминает объемную картинку в виде уровня излучения в разных плоскостях. При появлении внутри этого фона постороннего предмета, уровень отраженного излучения меняется. Это фиксируется приемником, и включается сигнал оповещения. После исчезновения объекта, датчик возвращается в состояние покоя.Еще один похожий вариант — электромагнитный сенсор. Регистрирует изменение магнитного поля при попадании в сектор объемных предметов. Чувствительность ниже, высокая зависимость от помех.Ультразвук. Практическое его применение мы знаем по прибору УЗИ, который применяется в медицине. Бывают и другие варианты использования: датчики движения. Генератор ультразвука постоянно испускает УЗ волны в заданном секторе. Проверить (засечь) работу прибора сложно, поэтому эти виды сенсоров популярны в охранных системах. При возникновении препятствия, звуковые волны возвращаются и регистрируются приемником. Происходит срабатывание датчика.Несмотря на высокое качество и скрытность, эти виды сенсоров применяются и в системах автоматического включения освещения.Информация: Единственное ограничение — нежелательно применение на объектах с домашними животными. Некоторые особи негативно реагируют на ультразвук.Такие датчики отлично работают в помещении и на улице. Выглядят они по-разному, но обязательно с цилиндрическим окошком в корпусе.
• Как работает микроволновый датчик движения? Он излучает СВЧ волны, которые формируют вокруг него некий фон из волн высокой частоты. Они отражаются от предметов, и «мозг» датчика запоминает объемную картинку в виде уровня излучения в разных плоскостях. При появлении внутри этого фона постороннего предмета, уровень отраженного излучения меняется. Это фиксируется приемником, и включается сигнал оповещения. После исчезновения объекта, датчик возвращается в состояние покоя.
• Еще один похожий вариант — электромагнитный сенсор. Регистрирует изменение магнитного поля при попадании в сектор объемных предметов. Чувствительность ниже, высокая зависимость от помех.
• Ультразвук. Практическое его применение мы знаем по прибору УЗИ, который применяется в медицине. Бывают и другие варианты использования: датчики движения. Генератор ультразвука постоянно испускает УЗ волны в заданном секторе. Проверить (засечь) работу прибора сложно, поэтому эти виды сенсоров популярны в охранных системах. При возникновении препятствия, звуковые волны возвращаются и регистрируются приемником. Происходит срабатывание датчика.
• Пассивные инфракрасные системы редко применяются в охранной сигнализации, зато активно работают с источниками освещения. Задайтесь вопросом: как выбрать датчик движения для включения света? Он не должен регистрировать неодушевленные предметы (например, автомобили) и птиц с животными. При этом прибор обязан фиксировать появление в зоне действия человека. Получаем единственно верное решение: приемник инфракрасного излучения. Сенсор настраивается на тепло человеческого организма и соответствующий размер источника излучения. Для этого чувствительный инфракрасный сенсор располагается за специальной линзой Френеля, концентрирующей тепло в одной точке. Далее сигнал поступает в электронный блок управления, оснащенный вспомогательными модулями:07
  реле времени задерживает момент включения от случайных кратковременных срабатываний;сумеречный выключатель отключает прибор в светлое время суток;блок ступеней переключения настраивается под определенный размер «объекта», чтобы кошки и птицы не включали свет.
• реле времени задерживает момент включения от случайных кратковременных срабатываний;
• сумеречный выключатель отключает прибор в светлое время суток;
• блок ступеней переключения настраивается под определенный размер «объекта», чтобы кошки и птицы не включали свет.
• Комбинированные приборы сочетают в себе сенсоры разных типов, и применяются для решения особо ответственных задач, где не допускаются ошибки в срабатывании.

Можно ли изготовить такой прибор самому, и как его отключить

Любой домашний умелец задается вопросом: как сделать датчик движения своими руками? Саму электросхему управления собрать несложно. Проблема в источнике и приемнике излучения. Проще использовать готовый излучатель волн, просто интегрируя его в свой проект. Наиболее удачными являются датчики для систем на базе Arduino.

Еще одна популярная самоделка — лазерная указка с фотоприемником, размещенным на линии пересечения. Но это не более чем развлечение: для серьезных задач такой прибор не подходит.

Еще одна мысль, которая приходит в некоторые беспокойные головы: как отключить датчик движения.

Важное предупреждение: Информация не предназначена для криминального применения!

Если отключение связано с режимом использования — нет проблем. Просто отсоедините сенсор от блока питания, и он перестанет включать свет. Например, когда объект закрыт. В остальных случаях поступайте так (не для злого умысла):

• инфракрасные сенсоры заклеиваются металлическим скотчем;
• микроволновый прибор перестает принимать сигналы, если покрыть окошко прозрачным лаком из аэрозольного баллончика;
• УЗ датчик экранируется только металлом или металлизированным скотчем в 2–3 слоя.

В любом случае, информация о том, что на объекте не работает датчик движения, будет зарегистрирована владельцем. Кроме того, прежде чем вам удастся отключить сенсор, ваше появление будет зафиксировано.

Принцип действия датчика движения

За исключением механических приспособлений, вроде натянутой проволоки или веревки (такие типы датчиков движения существовали до изобретения электричества), сенсоры представляют собой электронное устройство. Для того чтобы обнаружить перемещение объекта, необходимо работа по принципу радара. Собственно, радары и эхолокаторы — это разновидности вышеупомянутых датчиков, только покрупнее масштабом. Принцип работы бытового (гражданского) датчика движения также основан на пересечении любого вида излучения. По принципу работы с сигналом, сенсоры бывают трех видов:

• Прерывающие (линейные): в основе излучатель линейного сигнала (как правило, лазерный луч), и приемник. Пока фотодатчик фиксирует излучение — прибор в состоянии покоя. При пересечении луча движущимся объектом — устройство подает сигнал.Преимущество такой технологии в простоте реализации. Недостаток — одиночный луч легко обойти. Кроме того, такой сенсор состоит из двух частей, что не всегда удобно.
• Отражающие (объемные): в основе лежит принцип работы радара. Излучатель посылает рассеянный или концентрированный сигнал (по выбору заказчика). Если на его пути нет препятствия, датчик в состоянии покоя. Любой попавший в сектор действия предмет, отразит часть излучения.Отраженные волны улавливаются приемником, установленным в том же корпусе, и сенсор переводится в состояние тревоги. Преимущества: широкий сектор обзора, удобно монтировать (электроника в одном корпусе), возможность настройки. Недостаток: нужно отсекать ложные срабатывания, иначе прибор будет функционировать невпопад.
• Пассивные: сами ничего не излучают. Как же работают такие датчики движения? Их чувствительные сенсоры улавливают волны, испускаемые другими предметами. Преимущество — простота и дешевизна, отсутствие ненужного волнового фона. Недостаток: улавливают только одушевленные предметы (люди, животные). Большинство сенсоров этого типа настроены на тепловой фон живых существ.

Какой прибор выбрать? Зависит от задач. Для защиты или фиксации появления объекта в коридоре или некоем портале (дверь, проем, окно), подойдет прерывающий комплект сенсоров. Если необходимо зафиксировать перемещение в замкнутом пространстве или на территории — лучше выбрать отражающий или объемный датчик.

Именно по этому принципу работают популярные датчики движения для включения (выключения) света. Только при попадании объекта в сектор действия, не срабатывает сигнал тревоги, а включается освещение.

Информация: Экономистами подсчитано, сколько электроэнергии сохраняет использование датчиков движения для автоматического включения света. Деньги, затраченные на приобретение этого оборудования, окупаются в течение 1–2 лет.

Правда, есть несколько оговорок:

• использование сенсора для освещения разумно только на территориях (в помещениях), где редко находятся люди;
• при многократном подключении (отключении), люминесцентные и спиральные лампы быстро выходят из строя: лучше использовать LED или галогеновые светильники.

Устройство датчиков, принцип работы

Итак, датчик он же sensor является элементом узлов измерительных, сигнальных, регулирующих, управляющих частей оснащения. Деталь преобразует контролируемую, регулируемую величину (t°, давление, частоту, интенсивность света, электропараметров) в импульс, удобный для измерения, подачи, хранения, обработки, фиксации, а иногда он влияет на управляемые процессы.

Если упростить, то детектор является устройством, трансформирующим входное воздействие любых физических величин в сигнал, подготовленный для дальнейшей работы с ним.

Составные части

Есть чрезвычайно много конструкций сенсоров, чувствительных их частей, а также принципы сработки, взаимодействия, но все они обычно сводятся к такой структуре:

Общую схему датчика (Д) можно отобразить как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующей части (Пр.) Первый в системах автоматики, телемеханики — это орган чувств. Предназначенный, чтобы преобразовывать, подготавливать контролируемую величину (х) придавая ей форму сигнала х1, удобную для восприятия, измерения. Например, в преобразователе часто осуществляется трансформация импульса (х1) в электрический сигнал (у).

На вход детектора могут поступать как электроимпульсы, так и любые другие, иного характера (пневмо, давление, световые, звуковые и прочие), но с выхода наиболее удобно снимать электросигнал — его просто и легко усиливать, оценивать, передавать можно почти на неограниченные расстояния.

Какой датчик выбрать

О производителе мы не говорим, это личное предпочтение каждого. Исходя из информации в данной статье, вы можете выбрать тип сенсора по виду излучения, подходящий для ваших целей.

Совет: Не пытайтесь получить высокие показатели качества от прибора в нижнем ценовом сегменте.

Равно как и нет смысла искать универсальный датчик: тип определяется условиями применения.

Классификация датчиков

• Активные (генераторные)
• Пассивные (параметрические)

Классификация по измеряемому параметру

• Оптические датчики (фотодатчики)
• Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)
• Пьезоэлектрический датчик
• Тензо преобразователь
• Ёмкостной датчик
• Потенциометрический датчик
• Индуктивный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала

• Дискретные
• Аналоговые
• Цифровые
• Импульсные

Классификация по среде передачи сигналов

• Проводные
• Беспроводные

Классификация по количеству входных величин

• Одномерные
• Многомерные

Классификация по технологии изготовления

• Элементные
• Интегральные

В шпионских боевиках он показан, как грозный страж, включающий пулеметы при проникновении на важный объект. Может быть, такая система и существует, проверять не будем. На самом деле, датчики движения регистрируют любые виды перемещения объектов, и сообщают информацию в некую электронную систему.

Что происходит дальше

В зависимости от того, как устроен алгоритм работы, после срабатывания сенсора может произойти следующее:

• включение (отключение) освещения;
• запуск вентиляции;
• начало (прекращение) работы некоего механизма;
• включение отопительной системы;
• срабатывание охранной тревоги;
• старт видеозаписи;
• передача информации на центральный пульт управления объектом либо механизмом.

Список можно продолжить, но из него уже понятно назначение прибора: любые его разновидности предназначены для подключения некоего алгоритма при появлении в секторе обзора предмета или живого организма.

Ссылки

• Capacitive Position/Displacement Sensor Theory/Tutorial
• Capacitive Position/Displacement Overview
• C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
• Sensors — Open access journal of MDPI
• M. Pohanka, O. Pavlis, and P. Skladal. Rapid Characterization of Monoclonal Antibodies using the Piezoelectric Immunosensor. Sensors 2007, 7, 341—353
• SensEdu; how sensors work
• Clifford K. Ho, Alex Robinson, David R. Miller and Mary J. Davis. Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring. Sensors 2005, 5, 4-37
• Wireless hydrogen sensor
• Sensor circuits
• ГОСТ Р 51086-97 Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения . раздел 3 «Термины и определения».

Подбор датчиков, какие параметры учитывают

Сенсор, например, на замену сломанного, подбирают под параметры:

• на которые рассчитано обслуживаемое оборудование;
• характеристики могут быть иными:
  в рамках рекомендаций производителя;если прибор рассчитан на таковые (могут расширять его возможности, опции).
• в рамках рекомендаций производителя;
• если прибор рассчитан на таковые (могут расширять его возможности, опции).

• диапазон характеристик обслуживаемой среды (например, температура, давление). Если, например, датчик NTC или термопара рассчитана на работу в t° до +600, то, конечно же, они не будут эффективными, если рабочими температурами приложения являются значения около +900° C. Если сенсор работает с запитыванием (обычно слаботочным), то чрезмерно высокое значение попросту выведет его из строя, это же касается, если он предназначен для фиксирования электропараметров только определенного диапазона, а также такая некорректная по отношению к нему среда просто не будет правильно отслеживаться;
• инерционность. Это время срабатывания. Важно выдерживать допустимые нормы для конкретного оборудования. Например, если сенсор слишком медленный, то противопожарная система будет срабатывать с опозданием, что может привести к трагическим последствиям, принятые ею меры могут из-за опоздания стать неэффективными.

Остальные важные параметры:

• точность и погрешность;
• разрешение;
• мощность, в том числе сигнала на выходе;
• нужный момент, усилие от входного сигнала;
• выходное сопротивление;
• дифференциальность (способность различать).

При подборе надо проверять допуски — совокупность характеристик, допустимых для конкретного оборудования. Например, диапазон погрешностей, отклонений (±).

Статические качества. Выражают, насколько корректен выход датчика, насколько правильно отражает замеряемые величины спустя определенное время после их изменения, когда вых. импульс установился с новым значением. К таковым относятся:

Динамические характеристики. Редко приводятся в техописаниях. Для бытовых приборов, обычных целей их можно не учитывать.

Их берут во внимание, если требуется детектор для особо чувствительного оборудования (лабораторного, научного, для экспериментов), для предельно возможной точности, исключающей любые сбои, погрешности (сфера энергетики, космическая отрасль). К таковым относятся:

Требования для датчиков

Можно подобрать сенсор с большой погрешностью, если это допускается производителем, затребовано именно под особенности приложения или особо не влияет на качество работы.

Но в общем лучшими изделиями будут таковые со следующими качествами:

• однозначность зависимости вых. величины от входной;
• стабильность качеств во времени;
• чем выше чувствительность, тем лучше;
• малые размеры, вес;
• отсутствие обратного влияния на подконтрольный процесс, параметр;
• чем шире диапазон рабочих параметров, тем лучше, если это не ухудшает иные характеристики;
• расширенные способы монтажа.

Применение датчиков

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации близко к понятиям измерительный инструмент и измерительный прибор, но показания этих приборов в основном читаются человеком, а датчики, как правило, используются в автоматическом режиме.

Различают три класса датчиков

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

–
цифровые датчики, генерирующие
последовательность импульсов или
двоич­ное слово;

–
бинарные (двоичные) датчики, которые
вырабатывают сигнал только двух уровней:
“включено/выключено” (иначе говоря,
0 или 1); получили широкое распространение
благодаря своей простоте.

Требования,
предъявляемые к датчикам:

–
однозначная зависимость выходной
величины от входной;

–
стабильность характеристик во времени;

–
малые размеры и масса;

–
отсутствие обратного воздействия на
контролируемый процесс и на контролируемый
параметр;

–
работа при различных условиях эксплуатации;

Параметрические
датчики
(датчики-модуляторы)
входную величину X
преобразуют
в изменение какого-либо электрического
параметра (R,
L
или
C)
датчика. Передать на расстояние изменение
перечисленных параметров датчика без
энергонесущего сигнала (напряжения или
тока) невозможно. Выявить изменение
соответствующего параметра датчика
только и можно по реакции датчика на
ток или напряжение, поскольку перечисленные
параметры и характеризуют эту реакцию.
Поэтому параметрические датчики требуют
применения специальных измерительных
цепей с питанием постоянным или переменным
током.

Омические
(резистивные) датчики –
принцип
действия основан на изменении их
активного сопротивления при изменении
длины l,
площади сечения S
или
удельного сопротивления p:

Кроме
того, используется зависимость величины
активного сопротивления от контактного
   давления и освещённости
фотоэлементов. 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, температуру, размеры
объектов, контро­лируют их форму 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.

Контактные
датчики могут работать как на постоянном,
так и на переменном токе. В зависимости
от пределов измерения контактные датчики
могут быть одно предельными и
многопредельными. Последние используют
для измерения величин, изменяющихся в
значительных пределах, при этом части
резистора R,
включенного в электрическую цепь,
последовательно закорачиваются.

Недостаток
контактных датчиков — сложность
осуществления непрерывного контроля
и ограниченный срок службы контактной
системы. Но благодаря предельной простоте
этих датчиков их широко применяют в
системах автоматики.

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. Напомним, что
делителем напряжения называют
электротехническое устройство для
деления постоянного или переменного
напряжения на части; делитель напряжения
позволяет снимать (использовать) только
часть имеющегося напряжения посредством
элементов электрической цепи, состоящей
из резисторов, конденсаторов или катушек
индуктивности. Переменный резистор,
включаемый по схеме делителя напряжения,
называют потенциометром.

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.

Датчик
в виде простого реостата почти не
используется вследствие значительной
нелинейности его статической характеристики
Iн
=
f(х),
где Iн
–
ток в нагрузке.

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

Закон
распределения сопротивления по длине
потенциометра, определяемый его
конструкцией, может быть линейным или
нелинейным.

Потенциометрические
датчики, конструктивно представляющие
собой переменные резисторы, выполняют
из различных материлов — обмоточного
провода, металлических пленок,
полупроводников и т. д.

Тензорезисторы
(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 и часто называется
«термометром сопротивления».

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.

В
датчиках такого рода происходит как бы
двухступенчатое преобразование:
измеряемая величина сначала преобразуется
в изменение температуры терморезистора,
которое затем преобразуется в изменение
сопротивления.

Терморезисторы
изготовляют как из чистых металлов, так
и из полупроводников. Материал,
из которого изготавливается такие
датчики, должен обладать высоким
температурным коэффициентом сопротивления,
по возможности линейной зависимостью
сопротивления от температуры, хорошей
воспроизводимостью свойств и инертностью
к воздействиям окружающей среды. В
наибольшей степени всем указанным
свойствам удовлетворяет платина; в чуть
меньшей – медь и никель.

По
сравнению с металлическими терморезисторами
более высокой чувствительностью обладают
полупроводниковые терморезисторы
(термисторы).

Индуктивные
датчики
служат
для бесконтактного получения информации
о перемещениях рабочих органов машин,
механизмов, роботов и т.п. и преобразования
этой информации в электрический сигнал.

Принцип
действия индуктивного датчика основан
на изменении индуктивности обмотки на
магнитопроводе в зависимости от положения
отдельных элементов магнитопровода
(якоря, сердечника и др.). В таких датчиках
линейное или угловое перемещение X
(входная величина) преобразуется в
изменение индуктивности (L)
датчика. Применяются для измерения
угловых и линейных перемещений,
деформаций, контроля размеров и т.д.

В
простейшем случае индуктивный датчик
представляет собой катушку индуктивности
с магнитопроводом, подвижный элемент
которого (якорь) перемещается под
действием измеряемой величины.

Индуктивный
датчик распознает и соответственно
реагирует на все токопроводящие предметы.
Индуктивный датчик является бесконтактным,
не требует механичесого воздействия,
работает бесконтактно за счет изменения
электромагнитного поля.

–  
нет
механического износа, отсутствуют
отказы, связанные с состоянием контактов

–  
отсутствует
дребезг контактов и ложные срабатывания

–  
высокая
частота переключений до 3000 Hz

–  
устойчив
к механическим воздействиям

Недостатки
–
сравнительно малая чувствительность,
зависимость индуктивного сопротивления
от частоты питающего напряжения,
значительное обратное воздействие
датчика на измеряемую величину (за счет
притяжения якоря к сердечнику).

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:

где
e0
–
диэлектрическая постоянная; e
–
относительная диэлектрическая
проницаемость среды между обкладками;
S
– активная площадь обкладок; h
–
расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости
C(S)
и C(h)
используют для преобразования механических
перемещений в изменение емкости.

Емкостные
датчики, также как и индуктивные, питаются
переменным напряжением (обычно повышенной
частоты – до десятков мегагерц). В качестве
измерительных схем обычно применяют
мостовые схемы и схемы с использованием
резонансных контуров. В последнем
случае, как правило, используют зависимость
частоты колебаний генератора от емкости
резонансного контура, т.е. датчик имеет
частотный выход.

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

Емкостные
датчики применяют для измерения угловых
перемещений, очень малых линейных
перемещений, вибраций, скорости движения
и т. д., а также для воспроизведения
заданных функций (гармонических,
пилообраз­ных, прямоугольных и т. п.).

Емкостные
преобразователи, диэлектрическая
проницаемость e
которых
изменяется за счет перемещения, деформации
или изменения состава диэлектрика,
применяют в качестве датчиков уровня
непроводящих жидкостей, сыпучих и
порошкообразных материалов, толщины
слоя непроводящих материалов
(толщино­меры), а также контроля
влажности и состава вещества.

Соседние файлы в папке датчики

Тензодатчик. Назначение, схема, принцип работы

К
датчикам с изменяющимся омическим
сопротивлением
относятся
тензометрические датчики, которые
применяются для измерения упругих
деформаций (измерения растяжения или
сжатия тел), а также для измерения
крутящих и изгибающих моментов,
возникающих на поверхности различных
механических деталей при их механической
нагрузке. Значение измеренной деформации
позволяет с помощью известных формул
теории упругости и упругих констант
(постоянных значений) материала детали
вычислять механические напряжения в
них и судить о целесообразности их
конструкции. Тензодатчики, используемые
в автоматическом контроле дают возможность
следить за деформациями и напряжениями
при статических и динамических нагрузках.

Для
компенсации температурной погрешности
применяют мостовые схемы с двумя
датчиками в смежных плечах моста. Один
из датчиков, например рабочий 1,
наклеивается в направлении действия
усилия, а другой компенсационный 1’
наклеивается так, чтобы расположение
проволоки было перпендикулярно усилию.
Датчик
1’, находясь в одинаковых с рабочим
датчиком тепловых условиях, не должен
реагировать на деформацию. Тогда
температурные изменения сопротивления
уравновешиваются, и баланс схемы не
нарушается. Для увеличения чувствительности
прибор включается через усилитель 2.
Погрешность схемы составляет 1–0,5 %.
Резисторы R1, R2, R3, R4 образуют плечи моста.

Разновидности датчиков

Классификация сенсоров чрезвычайно обширная. Опишем наиболее характерные виды применяемых повсеместно датчиков.

В своей основе почти все детекторы базируются на чувствительной части, реагирующей на определенные параметры обслуживаемой среды, а также на сопровождающие ее процессы.

Например, сенситивным элементом может быть следующее:

• оптический луч, лазеры (датчики скорости вращения);
• резистор из специального сплава, который при определенных температурах меняет сове сопротивление. При этом на него приемник подает небольшой ток, таким образом отслеживает изменения (NTC PTC детекторы);
• спайка из разных сплавов (термопары) реагирующих созданием силы ЭДС и малого тока при конкретных температурах, именно изменения этих явлений регистрирует приемник;
• биметаллические пластины, изгибающиеся при нагреве смыкая/размыкая контакты;
• тензометрические элементы, отслеживающие давление, которые при определенном усилии, прикладываемом к ним, меняют свои электрохарактеристики;
• магниты;
• поплавки;
• с химреактивами.

В зависимости от исследуемой величины, от характера входных значений датчик бывает:

• для механических (линейных, угловых) перемещений;
• пневмо;
• расходомерный;
• отслеживающий скорость, ускорение;
• давления, усилия;
• температурный;
• газовый, загрязненности среды (воды, воздуха);
• химических сред.

Классификация по выходной величине, то есть по созданию удобного для восприятия сигнала, в который преобразуется входной импульс исследуемой среды:

• постоянного/переменного тока, его частоты (ЭДС или напряжения);
• сопротивления (активного, индуктивного, емкостного и других);
• могут быть любые другие формы передачи информации (свет, радиосигнал, звук).

Подавляющее большинство сенсоров электрические, поскольку именно при этом наблюдается наибольшая совокупность достоинств:

• электросигнал удобный для передачи на расстояния, при этом скорость почти моментальная;
• универсальность — любые иные величины можно трансформировать в электричество, отобразить им и наоборот;
• чрезвычайная точность;
• возможность преобразования данных в цифровые коды, что обуславливает лучшую чувствительность, быстродействие

Классы

Датчики имеют виды, которые группируют по трем классам:

• аналоговые — создающие аналоговый сигнал, пропорционально входному потоку данных;
• цифровые (электронные) — генерируют последовательности сигналов;
• бинарные, основанные на двоичных кодах, словах выдачи информации. Создают двухуровневый сигнал «вкл./выкл», 0 или 1, да/нет, можно/запрещено. Широко распространенные из-за простоты, могут быть двух описанных выше типов.

По принципу действия

Виды по методам работы:

• генераторные. Преобразовывают неэлектрический контролируемый или регулируемый сигнал в ЭДС. Нет потребности в постороннем источнике энергии, поскольку сами они источники ЭДС (пример — термопара). Подвиды:
  с термоэлектрическим принципом (электропараметры меняются в зависимости от изменения температуры), что и регистрирует приемник;пьезо;гальванические;тахометрические (разные скорости вращения исследуемого объекта провоцируют изменения в электропараметрах датчика);
• с термоэлектрическим принципом (электропараметры меняются в зависимости от изменения температуры), что и регистрирует приемник;
• пьезо;
• гальванические;
• тахометрические (разные скорости вращения исследуемого объекта провоцируют изменения в электропараметрах датчика);
• параметрические. Трансформируют вх. величину в изменение электрохарактеристик сенсора. Но есть особенность — такой детектор получает электроэнергию от, как правило, маломощного источника энергии. Разновидности:
  активного сопротивления: контактного, реостатного, потенциометрического принципа. А также тензодатчики, термо и фото резисторы;реактивного сопротивления. Индуктивные, емкостные.
• активного сопротивления: контактного, реостатного, потенциометрического принципа. А также тензодатчики, термо и фото резисторы;
• реактивного сопротивления. Индуктивные, емкостные.

У активных детекторов используется зависимость значения активного сопротивления от давления с контактным характером, от температуры, освещенности фотоэлементов.

Контактные

На контактных детекторах остановимся подробнее, так как они ярко отображают принцип работы. Это одни из самых простых разновидностей, элементарные по своей конструкции и методу. Преобразовывают движение первичного элемента в изменение сопротивления электроцепи скачкообразного характера. Это сенсор, где линейное или угловое перемещение трансформируется в замкнутое/разомкнутое состояние контактов, производящих управление электроцепями.

Подвиды: с механическим (ручным) и магнитным управлением. Например, герконы, у которых контакты намагничиваются и смыкаются, если в их колбе создается определенное магнитное поле исследуемым фактором, обычно, связанным с электрическими явлениями.

Контактными детекторами делают замеры и контроль усилий, перемещений, температур, размеров, форм. Такие устройства работают на постоянном и переменном токе. Подвиды: одно- и многопредельные. Последние применяются для величин, изменяющихся в широких рамках, при этом части резистора цепи закорачиваются.

Контактные детекторы широко применяются в автомобилях. Опишем некоторые.

Датчики аварийных состояний. Пример: сенсоры перегрева охлаждающего вещества, включения вентилятора. Используется способность биметаллической пластины изгибаться при воздействии на нее тепла, тем самым замыкаются/размыкаются контакты, подается питание на крыльчатку и пр. элементы системы.

Детектор аварийного давления масла. Используется свойство упругих частей деформироваться под давлением среды.

Датчик уровня жидкости, основывающийся на контакте воды, емкости и исполнительных элементов (указатели, смыкатели и прочее) с поплавком.

Схема действия геркона для контроля исправности лампочек в автомобиле.

Контроль износа тормозных колодок:

Расширенная классификация датчиков

Мы рассмотрели самые популярные варианты сенсоров. Есть также не особо распространенные детекторы. Типы датчиков достаточно полно отображены во многих источниках. Для целостности картины приведем список с уже описанными нами типами:

Наиболее многочисленные разновидности по виду измеряемого параметра:

Определения понятия датчик

Широко встречаются следующие определения:

• чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;
• законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.
• датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.
• датчик – конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.

Эти определения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае — это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др. В третьем и четвертом определении акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию, а следовательно обладающий самодостаточностью для выполнения этой задачи и определенными метрологическими характеристиками.

Потенциометрический датчик. Назначение, схема, принцип работы.

Потенциометрические
датчики представляют собой резистор с
изменяющимся активным сопротивлением.
Конструктивно датчики такого типа
представляют собой каркас прямоугольной
или кольцевой формы на который намотана
в один ряд тонкая проволока. По виткам
проволоки скользит щетка, называемая
движком потенциометра, которая механически
связана с объектом, перемещение которого
нужно измерить. От концов намотки и от
движка сделаны электрические выводы,
с помощью которых датчик включают в
схему. Потенциометрические датчики
выполняют из различных материалов
-обмоточного провода, металлических
пленок, полупроводников и т.д. Входной
величиной датчика является перемещение
контакта (движка), а выходной – изменение
его сопротивления. Достоинства
потенциометрических датчиков:- высокая
точность преобразования;- простота
конструкции;- возможность питания
переменным и постоянным током без
инерционность. К недостаткам относятся:-
наличие подвижного контакта;

а-
линейный, б- угловой, в- схема включения,
1-коркас, 2-провод, 3- токосъемный контакт