Какие типы датчиков существуют? Есть три класса

Области применения датчиков

• промышленная
  техника для измерения и регулирования
  температуры, концентрации, массы,
  положения;
• робототехника
  (зрение и осязание роботов);
• машиностроение
  (автомобильное производства, авиастроение
  и т.д.);
• медицина (ранняя
  диагностика – томография, биохимический
  контроль и т.д);
• системы безопасности
  (контроль проникновения человека);
• астрономия (ИК,
  УФ – диапазоны);
• космонавтика
  (состояние земной поверхности – лесов,
  посевов, снежного покрова);
• – прогноз аварий
  в металлургии, энергетике, трубо – и
  газопроводном транспорте);
• криминалистика
  (выявление поддельных документов,
  денег, картин);
• экология (контроль
  вредных выбросов, концентраций
  токсических газов);
• военная техника
  (обнаружение пусковых баллистических
  ракет, тепловые головки наведения,
  ночное видение, обнаружение минных
  полей, самолетов, кораблей, подлодок);
• бытовая техника
  (холодильники, стиральные машины,
  электропечи, автомобили).

по “сопротивлению”– пористые
оксиды.

по
“частоте” – керамический вибратор.

Материалы твердотельных сенсоров

Кремний – наиболее
распространенный полупроводниковый
материал для изготовления:

–
датчиков температуры;

Карбид кремния
SiC
используется как электролюминесцентный
материал в видимой области.

Германий
используется для изготовления:

– датчиков
Холла;

Металлы и их сплавы
применяют для изготовления:

– AII
– BIV
– CdS
– фотоприемники для видимой областей.

– AIV
– BVI
PbS,
PbSe,
PbTe,
CdxHg1-xTe,
SnxPb1-xTe
– ИК- датчики

– AIII
– BV
– фотоприемники, солнечные батареи,
люминофоры.

(GaAs,
InSb, InP, InAs)

Твердые
растворы замещения GaxIn1-xAs,

InPyAs1-y
– сверхрешетки

Оксиды металлов
и их смеси:

ZnO,
SnO2,
ZrO2,
TiO2
– материалы для химических сенсоров,

Fe2O3,
UO3
– материалы для датчиков влажности,

Сверхпроводящие
материалы – Nb3Ge,
Nb3Ga,
Nb3Sn,
Lu
– Sr
– Cu
– O,
Y
– Ba
– Cu
– O
(сверхчувствительные ИК – датчики).

1 Датчики систем автоматики

Общие сведения.
Датчиком в
системе автоматического контроля и
регулирования называют специальное
устройство, служащее для преобразования
контролируемой или регулируемой величины
в выходной сигнал.

Датчик состоит из
одного или нескольких элементов
(преобразователей). Главным элементом
датчика является первичный преобразователь,
воспринимающий контролируемую величину
и называемый чувствительным элементом.
Чувствительные элементы по физическому
принципу могут быть электрические,
механические, акустические, оптические,
тепловые, гидравлические, радиоактивные,
электромагнитные и т. п.

Наибольшее
распространение в системах автоматики,
применяемых в транспортном строительстве,
получили датчики, преобразующие
неэлектрические величины в электрические,
так как выходной сигнал (ток, напряжение)
может записываться, передаваться на
расстояние и тем самым дистанционно
управлять производственным процессом.

Основными
характеристиками датчика являются
статическая характеристика и
чувствительность.

Статическая
характеристика датчика отображает
функциональную зависимость выходной
величины y
от входной величины х,
т. е.

где y
– величина, полученная после преобразования
(выходная); х
– контролируемая (входная) величина,
действующая на датчик.

При плавном
изменении выходной величины статическая
характеристика датчика представляет
собой плавную кривую. При скачкообразном
изменении выходной величины статическая
характеристика имеет разрывной характер.
Такие датчики называют датчиками с
релейной характеристикой. По статической
характеристике датчика определяют его
чувствительность.

Чувствительность
датчика показывает степень изменения
выходной величины в зависимости от
изменения входной:

Так, например,
чувствительность термопары показывает
степень изменения развиваемой ею
термоэлектродвижущей силы при изменении
температуры. Наименьшее изменение
входной величины, вызывающее заметное
изменение выходного сигнала, называют
порогом
чувствительности датчика.

По выходной величине
все электрические датчики разделяются
на параметрические и генераторные.

Параметрическим
датчиком называют датчик, которых для
совей работы требует дополнительного
источника питания. Примером такого
датчика может служить термометр
сопротивления, у которого контролируемая
величина – температура – преобразуется
в изменение электрического активного
сопротивления, а значит, и тока за счет
источника питания, включенного в
диагональ моста, т. е. к зажимам термометра.

Генераторным
датчиком называют датчик, который для
своей работы не требует дополнительного
источника питания. Примером генераторных
датчиков являются: термопара, в которой
за счет энергии входной величины
(температуры) возникает электродвижущая
сила (выходная величина); тахогенератор;
пьезодатчики и др.

Датчики выполняют
контактными и бесконтактными.
Чувствительный элемент в контактных
датчиках непосредственно соприкасается
с контролируемым объектом, а в бесконтактных
не соприкасается. К бесконтактным
относятся радиоактивные, ультразвуковые
фотоэлектрические и электромагнитные
датчики.

При автоматизации
существующих и разрабатываемых вновь
производственных и строительных
процессов в транспортном строительстве,
а также при автоматизации строительных
и дорожных машин приходится измерять,
контролировать и регулировать
разнообразные параметры технологических
операций, как например, скорости, углы
наклона, перемещения, крутящие моменты,
уровни, механические напряжения,
температуры и т. д., для чего применяют
различные датчики.

Датчики перемещения.
Потенциометрические
(реостатные) датчики
применяются для преобразования угловых
и линейных перемещений в электрический
сигнал. Датчики такого типа (рис. 8.1)
представляют собой переменное
электрическое сопротивление RП,
к концам которого прикладывается
напряжение питания U0
.

Рис. 8.1. Схема
включения потенциометрического датчика

Выходное напряжение
U1
снимается при помощи подвижного контакта
(движка) с переменного сопротивления
(потенциометра) RП.
При линейном или угловом перемещении
детали, положение которой контролируется
датчиком, контакт (движок) скользит по
намотке. Потенциометры работают в схемах
с источниками постоянного и переменного
тока и широко используются в следящих
системах в качестве измерительных
элементов. Реостатные датчики выпускаются
с проволокой, намотанной на корпус, или
реохордного типа. В устройствах автоматики
чаще применяется включение их по схеме
делителя напряжения.

Тензометрические
(проволочные) датчики
применяют для преобразования механических
напряжений, усилий и деформаций в
различных механизмах и конструкциях в
электрический сигнал. Наиболее
распространены тензодатчики, у которых
при внешнем воздействии изменяется
активное сопротивление чувствительного
элемента. Такие датчики называют
тензорезисторами. Наиболее распространенный
проволочный датчик (рис. 8.2) состоит из
проволоки диаметром от 15 до 60 мк, уложенной
зигзагообразно и обклеенной с двух
сторон тонкой бумагой. К концам проволоки
присоединены выводные проводники для
включения датчика в измерительную сеть.

Рис. 8.2. Проволочный
тензодатчик:

а – вид при снятом
покрытии; б – поперечное сечение; в –
конструкция; 1 – выводные провода; 2 –
проволока; 3 – подкладка из бумаги или
лаковой пленки; 4 – покрытие из бумаги,
фетра или лака; 5 – бумажный каркас

Датчики приклеивают
к испытуемой детали так, чтобы проволоки
воспринимали ее деформации (сжатие или
растяжение). В результате изменяется
сопротивление проволоки. Тензометрический
датчик преобразует весьма малые
перемещения (деформации) в электрическое
сопротивление. Сопротивление проволоки
R
зависит от ее длины l,
м, и сечения S,
м2,
т. е.

где ρ
– удельное сопротивление проводника,
Ом·м.

Изменение длины
проволоки Δl
, вызванное усилием деформации F
, можно определить по формуле:

где Е
– модуль упругости металла проволоки.

Тензорезисторы
используются и как датчики усилия и
веса (в дозаторах и весовых устройствах).

Индуктивные
датчики
применяются для преобразования в
электрический сигнал небольших линейных
и угловых перемещений. Принцип действия
их основан на изменении индуктивности
катушки с магнитопроводом при перемещении
якоря. Индуктивные датчики имеют
различную конструкцию. На рис. 8.3, а
показан индуктивный датчик с воздушным
зазором δ,
который изменяется при воздействии на
якорь измеряемой механической величины
P
(силы). С изменением зазора изменяется
магнитное сопротивление сердечника, а
следовательно, и индуктивность катушек.
Катушки расположены на сердечнике и
включены в цепь переменного тока.
Изменение индуктивности катушки вызывает
соответствующее изменение тока.

Рис. 8.3. Схема
индуктивных датчиков

У индуктивного
датчика дифференциального типа (рис.
8.3, б)
сердечник расположен между двумя
симметричными индукционными катушками.
При одинаковых воздушных зазорах δ1
и δ2
индуктивные сопротивления обмоток L1
и L2
равны, и в измерительном приборе ток не
возникает. При перемещении сердечника
индуктивные сопротивления катушек
становятся различными, что вызывает
отклонение стрелки прибора.

Подвижной сердечник
индуктивного датчика плунжерного типа
(рис. 8.3, в)
воспринимает перемещение от контролируемого
объекта, для чего он помещен внутрь
симметрично расположенных катушек,
включенных в мостовую схему. При
перемещении сердечника равновесие
измерительного моста нарушается, а в
его диагонали появляется ток, зависящий
от величины перемещения сердечника
относительно нейтрального положения.

Индуктивный
поворотный трансформаторный датчик
(рис. 8.3, г)
имеет две обмотки. Первичная обмотка
W1
питается от источника переменного тока.
Вторичная обмотка W2
поворачивается на некоторый угол α
при угловом перемещении контролируемой
детали. При повороте обмотки W2
изменяется взаимоиндукция обмоток и,
следовательно, величина вторичной э.
д. с. (Uвых).

Преимуществом
индуктивных датчиков являются простота
и надежность устройства, отсутствие
подвижных контактов, возможность
использования переменного тока
промышленной частоты и возможность
непосредственного включения измерительного
прибора. Данные обстоятельства
способствуют широкому их распространению
в промышленности.

Емкостные датчики
преобразуют механические перемещения
в измерения электрической емкости, т.
е. изменяют емкостное сопротивление:

где f
– частота источника питания; С
– емкость.

Емкостные датчики,
как и индуктивные, работают на переменном
токе, только в отличие от индуктивных
в большинстве случаев они работают на
частоте выше 1 кГц.

Рис. 8.4. Схемы
емкостных датчиков

Последняя конструкция
представляет собой дифференциальный
емкостный датчик. При перемещении
средней пластины емкость конденсатора
изменяется. Емкостные датчики обладают
высокой чувствительностью, а отсутствие
электрических контактов обеспечивает
их надежную работу. Однако эти датчики
в автоматике получили небольшое
распространение, так как имеют серьезные
недостатки. В частности, они непригодны
для работы на низких частотах и требуют
специального высокочастотного генератора.
Схемы с емкостными датчиками сложны в
регулировке и неудобны в эксплуатации,
так как они чувствительны к посторонним
электрическим полям и паразитным
емкостям.

Электроконтактные
(электромеханические) датчики
предназначены для управления
электроприводами механизмов и машин,
а также для ограничения перемещения (в
частности, аварийного) различных частей
механизмов. К датчикам такого рода
относятся путевые (конечные) выключатели,
которые приводятся в действие движущимися
элементами машин и механизмов.

Путевые выключатели
оснащены различными наборами групп
подвижных контактов. По характеру
действия механизма на подвижные контакты
различают выключатели простого и
мгновенного действия, а по виду возвратной
характеристики – выключатели с
самовозвратом и без самовозврата.
Наибольшее распространение в системах
автоматики строительных машин и
механизмов получили путевые выключатели
серии ВК и микропереключатели.

К электроконтактным
датчикам можно отнести различные
модификации ртутных переключателей
поворотного типа. Они представляют
собой частично заполненный ртутью
стеклянный сосуд с впаянными электрическими
контактами. В определенных положениях
контакты соединяются через ртуть и
замыкают электрическую цепь. При повороте
стеклянного сосуда в другое положение
ртуть переливается и контакты размыкаются.
Получаемые при этом электрические
сигналы могут быть использованы для
управления исполнительными механизмами.

Следует отметить,
что в настоящее время ртутные выключатели
находят все меньшее применение, так как
в условиях вибрации дают ложные
срабатывания.

Бесконтактные
датчики и концевые выключатели
получили большое распространение в
системах автоматизации строительных
машин и механизмов. Эти приборы состоят
из следующих функциональных элементов:
металлической пластины (или детали
механизма) – воздействующего
(контролирующего) элемента, преобразователя
(генератора) перемещений контролируемого
элемента в электрический сигнал и
электрической схемы релейного действия
для получения выходного сигнала
дискретной формы.

Рассмотрим работу
указанных элементов на примере схемы
датчика типа БК-А-5-0 (рис. 8.5). Преобразователь
представляет собой схему генератора,
выполненного на транзисторе VT1.
Катушки обратной связи его L1
и L2
образуют чувствительный элемент,
взаимодействующий с перемещаемой
металлической деталью контролируемого
механизма или с закрепленной на ней
металлической пластиной – экраном.
Если экран отсутствует, то генератор
возбуждается, его колебания с обмотки
L3
выпрямляются диодом VD1
и сглаживаются конденсатором С4.
Образованный сигнал постоянного тока
усиливается двухкаскадным усилителем
с релейной характеристикой на транзисторах
VT2
и VT3,
причем транзистор VT2
открыт, а транзистор VT3
закрыт. Нагрузкой, включаемой между
шиной на 12 или 24 В и коллектором транзистора
VT3,
может быть обмотка реле, логический
элемент и т. д. В случае нахождения между
катушками металлического экрана
колебания генератора прекращаются,
транзистор VT2
закрывается, а VT3
открывается, обеспечивая появление
напряжения на нагрузке.

Рис. 8.5. Принципиальная
схема бесконтактных датчиков и
выключателей

Все разновидности
выпускаемых бесконтактных датчиков и
выключателей могут быть сведены к двум
типам. Датчик со щелевым чувствительным
элементом (рис. 8.6) отличается большой
точностью и быстродействием, однако
сравнительно сложен. Датчик с плокостным
чувствительным элементом (рис. 4.12) более
прост по конструкции и удобен в
эксплуатации, но имеет несколько худшие
показатели по точности и быстродействию.

Рис. 8.6. Габаритные
размеры и схема внешних соединений
датчиков типов БК и БК-А

Рис. 8.7. Путевой
выключатель КВП-8 с плоским чувствительным
элементом

В датчиках первого
типа металлический экран проходит в
щели между катушками чувствительного
элемента, в датчиках второго типа экран
установлен около катушек с определенным
зазором.

По назначению
датчики и выключатели по классификации
НПО «ВНИИстройдормаш» можно разделить
на три основные группы:

датчики, встраиваемые
в измерительные приборы, например
весовые головки (датчики БК, БК-А, БК-5-0),
указатели уровня сыпучих материалов,
сигнализаторы наличия материалов на
ленте транспортера, щуповые датчики
систем, автоматика автогрейдеров и
асфальтоукладчиков (типа БК-А),
бесконтактные манометры (датчики типа
БК-0) и др.;

выключатели,
устанавливаемые на исполнительных
механизмах машин и оборудования, например
затворах дозаторов бетоносмесителей
(выключатели типов КВД-3 и КВД-6), для
контроля положения камерных насосов
пневмотранспорта цемента и положения
передней заслонки и задней стенки ковша
скрепера (выключатели типов КВП-8 и
КВП-16) и др.;

выключатели для
контроля положения транспортных средств,
например, на передвижных складах цемента,
на мачтовых подъемниках (выключатели
типа КВД-100) и др.

Бесконтактные
датчики и конечные выключатели
обеспечивают высокую надежность и
долговечность автоматизированных
систем управления строительно-дорожными
машинами и оборудованием на предприятиях
строительной индустрии.

Датчики скорости.
Одним из наиболее распространенных
датчиков скорости является тахогенератор,
который представляет собой
электромеханическое устройство,
преобразующее механическое вращение
в электрический сигнал. Тахогенераторы
используются как электрические датчики
угловой скорости и работают как обычные
маломощные электрические машины в
режиме генератора для выработки
напряжения, пропорционального частоте
вращения. В зависимости от конструкции
и соответственно выходного напряжения
тахогенераторы подразделяются
тахогенераторы постоянного и переменного
тока с независимым возбуждением. Вал
тахогенератора соединяется с валом,
частоту вращения которого необходимо
замерить или контролировать. Выходное
напряжение, снимаемое с его щелок,
пропорционально частоте вращения вала.
При изменении направления вращения
меняется полярность напряжения.

Тахогенераторы
широко применяют в схемах автоматического
управления электроприводами конвейеров,
дозаторов непрерывного действия и при
выполнении различных измерений.

Датчики усилий.
Преобразование измеряемых усилий в
электрическое напряжение производится
датчиками усилий, которые подразделяются
на магнитоупругие, пьезоэлектрические,
емкостные, индуктивные, тензометрические
и др.

Температурные
датчики.
Способность тел изменять физические
свойства при воздействии на них
температуры положена в основу конструкции
температурных преобразователей. При
изготовлении температурных датчиков
используют такие физические явления,
как тепловое расширение тел (биметаллы),
появление термоэлектродвижущей силы
(термопары), изменение электропроводимости
проводников и давление газов при нагреве.

В электрических
термометрах сопротивления использовано
свойство чистых металлов и полупроводниковых
материалов изменять омическое
сопротивление в зависимости от
температуры.

Термопара
представляет собой спай двух разнородных
проводников. Принцип действия термопары
основан на свойстве некоторых металлов
и сплавов создавать э.д.с. при нагревании
места их соединения (спая); по величине
э.д.с. можно судить о температуре нагрева
спая.

В манометрических
термометрах использовано свойство
заключенных в закрытый сосуд газов,
которые при изменении температуры
изменяют давление на его стенки.

Фотоэлектрические
датчики.
Датчики этого вида преобразуют световую
энергию в электрическую. Они выпускаются
трех типов: с внутренним, внешним и
вентильным фотоэффектом. Если под
действием света освободившиеся электроны
остаются в веществе (металле,
полупроводнике), повышая его
электропроводность, то фотоэффект
называют внутренним. К датчикам с
внутренним фотоэффектом относятся
фотосопротивления.

Датчики с внешним
фотоэффектом, называемые фотоэлементами,
используют способность металлов
испускать поток электронов (фототок)
под действием света.

Датчики с вентильным
фотоэффектом, у которых фотоэлементы
выполняют вакуумными и газонаполненными,
не требуют источника электрического
тока: при освещении светочувствительный
слой создает электродвижущую силу,
величина которой пропорциональна
степени освещения, т.е. электроны из
слоя освещенного вещества переходят в
слой другого неосвещенного вещества.

Радиоактивные
датчики. В
устройстве радиоактивных датчиков
использована способность радиоактивных
лучей в определенной степени проникать
в исследуемый материал или контролируемый
объект. Радиоактивный датчик состоит
из источника излучения и приемника –
индуктора.

Акустические
датчики. В
устройстве акустических датчиков
использован принцип измерения величины
затухания упругих колебаний или времени
прохождения ими определенного участка
пути в измеряемой среде.

Вращающиеся
трансформаторы.
Вращающимся трансформатором называют
индукционную электрическую машину,
служащую для получения выходного
напряжения в виде вполне определенной
функции от угла поворота ротора.

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.

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

В промышленной электронике индуктивные, оптические и другие датчики применяются очень широко. Долго и постоянно имею с ними дело, так как работаю инженером-электронщиком на крупном предприятии. Статья будет обзорной, но есть и реальные примеры.

Типы датчиков

Итак, что вообще такое датчик. Датчик — это устройство, которое выдает определенный сигнал при наступлении какого-либо определенного события. Иначе говоря, датчик при определенном условии активируется, и на его выходе появляется аналоговый (пропорциональный входному воздействию) или дискретный (бинарный, цифровой, т.е. два возможных уровня) сигнал. Датчики могут называться также сенсорами или инициаторами.

Оптический датчик отслеживает перемещение деталей по конвейеру

Датчиков великое множество. Перечислю лишь те разновидности, с которыми приходится сталкиваться электрику и электронщику.

Индуктивные. Активируется наличием металла в зоне срабатывания. Другие названия — датчик приближения, датчик положения, индукционный, датчик присутствия, индуктивный выключатель, бесконтактный датчик или выключатель. Смысл один, и не надо путать. По-английски пишут «proximity sensor». Фактически это — датчик металла.

Оптические. Другие названия — фотодатчик, фотоэлектрический датчик, оптический выключатель. Такие применяются и в быту, называются «датчик освещенности». Разновидность оптических датчиков — инфракрасные датчики движения, которые срабатывают на изменение температуры в зоне действия.

Емкостные. Срабатывает на наличие практически любого предмета или вещества в поле активности.

Давления. Если этот датчик дискретный, то принцип работы очень прост. Давления воздуха или масла нет — датчик выдает сигнал на контроллер или рвет аварийную цепь. Может быть датчик для измерения давления с токовым выходом, ток которого пропорционален абсолютному давлению либо дифференциальному.

Пример работы концевых выключателей — нижний датчик активирован

Концевые выключатели (электрический датчик). Это обычный пассивный выключатель, который срабатывает, когда на него надавливает объект (активатор).

Итак, мы выяснили, что воздействие (активация) может быть любым, а реакции может быть две — дискретный либо аналоговый сигнал. Поэтому, все датчики можно считать одинаковыми, различия могут быть только в способе активации (принципе действия) и схеме включения.

Для примера рассмотрим индуктивный датчик, поскольку он наиболее распространен.

Применение индуктивного датчика

Индуктивные датчики приближения применяются широко в промышленной автоматике, чтобы определить положение той или иной части механизма.

Сигнал с выхода датчика может поступать на вход контроллера, преобразователя частоты, реле, контактора или другого исполнительного устройства. Единственное условие — соответствие по току и напряжению.

Принцип работы индуктивного датчика

Индуктивный датчик является дискретным. Сигнал на его выходе появляется, когда в заданной зоне присутствует металл.

В основе работы датчика приближения лежит генератор с катушкой индуктивности. Отсюда и название. Когда в электромагнитном поле катушки появляется металл, это поле резко меняется, что влияет на работу схемы.

Металлический активатор меняет резонансную частоту колебательного контура и схема, содержащая компаратор, выдает сигнал на ключевой транзистор или реле. Нет металла — нет сигнала.

Чем отличаются индуктивные датчики

Почти все, что сказано ниже, относится не только к индуктивным, но и к оптическим, емкостным и другим датчикам.

• Конструкция, вид корпуса.Тут два основных варианта — цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса — металл (различные сплавы) или пластик.
• Диаметр цилиндрического датчика.Основные размеры — 12 и 18 мм. Другие диаметры (4, 8, 22, 30 мм) применяются редко.
• Расстояние переключения (рабочий зазор).
• Количество проводов для подключения.2-х проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки. Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением — не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность. Главное — обеспечить рабочий ток.3-х проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один — для нагрузки. Подробнее расскажу ниже.4-х и 5-ти проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод — выбор режима работы или состояния выхода.
• Виды выходов датчиков по полярности.У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента.

Релейный. Реле коммутирует в простейшем случае один из проводов питания, как это делается в бытовых датчиках движения или освещенности. Универсальный вариант с «сухим» контактом, когда выходные контакты реле не связаны с питанием датчика. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением.

Транзисторный PNP. На выходе — транзистор PNP, то есть коммутируется «плюсовой» провод. К «минусу» нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе — транзистор NPN, то есть коммутируется «минусовой», или нулевой провод. К «плюсу» нагрузка подключена постоянно.

Пример оптического датчика с релейным выходом

Можно четко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод питания и коммутируется. Другой полюс подключен к нагрузке постоянно. Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

• Виды датчиков по состоянию выхода.Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров — электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание), либо выключен. Соответственно, говорят — нормально открытый (НО) контакт или нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт. В иностранном обозначении — NO и NC.То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков — то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода: PNP NO, PNP NC, NPN NO, NPN NC.
• Положительная и отрицательная логика работы.Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле). Отрицательная или положительная логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

Отрицательная логика: вход контроллера активизируется (логическая «1») при подключении к НУЛЮ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

Положительная логика: вход активизируется при подключении к +24 В. Клемму контроллера S/S необходимо соединить с нулем. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

В следующей статье мы рассмотрим реальные индуктивные датчики и их схемы включения.

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.

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.

Что такое датчик

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.

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.

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.

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