Описание датчика

Классификация датчиков

На рынке можно найти много видов сенсоров. Практически все они базируются на воспринимающих элементах, улавливающих определенные параметры объекта. Например, чувствительной частью выступает:

• лазер либо оптический луч, установленный в детекторах скорости вращения;
• резистор, изготовленный из специального сплава, меняющий сопротивление под воздействием смены температур: ставится в терморезистивные датчики;
• спайка из различных сплавов, при некоторых температурах, реагирующая образованием электродвижущей силы;
• биметаллические пластины, управляющие электрическими контактами;
• тензометрические элементы, преобразующие величину деформации и меняющие характеристики.

Также это могут быть магниты, поплавки, химические реактивы.

Классификация датчиков по выходным параметрам (образованию наиболее удобного для восприятия импульса, в который преобразуется входной сигнал исследуемой среды), следующая:

• электродвижущей силы и напряжения;
• сопротивления;
• света, радиосигнала, звука.

Большинство датчиков являются электрическими приборами, так как именно они имеют множество преимуществ:

• электрический сигнал удобен для передачи на разные расстояния без задержки скорости;
• любые параметры легко преобразуются в электричество.
• электросенсоры очень точные, чувствительные, быстродействующие.

Детекторы разделяют на три класса:

• Аналоговые, образующие аналоговый сигнал потоку входных данных.
• Цифровые или электронные, генерирующие последовательности импульсов.
• Бинарные, создающие двухуровневый сигнал.

По принципу действия сенсоры бывают генераторными, гальваническими, тахометрическими, параметрическими, индуктивными, емкостными. Также существуют не особенно распространенные виды классификаций сенсоров:

• дискретные и непрерывные – по динамическому характеру трансформации;
• аналоговые и цифровые – по виду измерительных импульсов;
• проводные и беспроводные – по среде подачи импульсов;
• одномерные и многомерные – по количеству входящих параметров.

По виду измеряемых величин наиболее популярны следующие разновидности детекторов:

• давления: абсолютного, избыточного, разрежения, разности давления, давления-разрежения;
• расхода: механические, ультразвуковые, вихревые, электромагнитные, кориолисовые;
• уровня: радарные, емкостные, поплавковые, кондуктометрические;
• температуры: термопара, сопротивления, пирометры, теплового потока;
• перемещения: абсолютные, относительные;
• радиоактивности: ионизационные, прямого заряда;
• фотодатчики: фотодиоидные, фотосопротивления, фотоматричные.

Также бывают датчики влажности, положения, вибрации, механических величин, дуговой защиты.

Назначение датчиков положения и перемещения

Датчики могут решать очень разные задачи:

• Измерение положения и перемещения (углового, линейного) рабочих органов машин или механизмов, а также иных объектов + передача данных о состоянии далее в систему
• Реализация в качестве звена обратной связи в разного рода АСУ, робототехнике, следящих системах: Информирование о степени открытия/закрытия регулирующих элементов (клапана, заслонки, задвижки, муфты, насосные системы и т.п.)Регулирование направляющих шкивовЭлектропривод (шаговые двигатели, системы для ворот и т.д.)
• Информирование о степени открытия/закрытия регулирующих элементов (клапана, заслонки, задвижки, муфты, насосные системы и т.п.)
• Регулирование направляющих шкивов
• Электропривод (шаговые двигатели, системы для ворот и т.д.)
• Получение точных данных о расстоянии до объектов без жесткой привязки к ним (модели с возвратной пружиной и измерительными наконечниками)
• Диагностика и проверка работоспособности механизмов в лабораториях, проведение испытаний
• Мониторинг положения цилиндров в пневматических и гидравлических системах
• Измерения в контрольно-измерительной технике (тригонометрические данные)

Использование датчиков

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

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

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

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

Пассивный датчик

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

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

Она не требует никакого внешнего электропитания.

Области применения датчиков положения и перемещения

Сфера применения таких устройств очень обширна:

• Строительство, машиностроение (машины сборки/тестирования, упаковка/сварка/заклепка)
• Контрольно-измерительная аппаратура
• Автомобильная техника и транспортная промышленность, подвижная техника (рулевое управление, клапана, педали, подкапотные системы, системы управления зеркалами, креслами, откидными крышами и т.п.)
• Робототехника, сфера науки и образования
• Медицинская техника
• Сельское хозяйство и спецтехника
• Дерево- и металлообработка (металлорежущее оборудование, проволочное производство, прокатные станы, станки с ПУ, машины для литья под давлением)
• Системы слежения и позиционирования (различного рода приводы, антенны, панели и т.п.)
• Охранные системы
• Гидравлические/пневматические системы
• Весовое оборудование

Обзор полезного набора датчиков для Arduino

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

Что почитать про датчики

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

Датчики в электронных схемах

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

Аналоговые, цифровые и дискретные датчики

Все датчики можно разделить на три большие группы:

• Аналоговые
• Дискретные
• Цифровые

Далее вкратце рассмотрим эти виды.

Что такое аналоговый датчик

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

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

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

Что такое дискретный датчик

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

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

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

Что такое цифровой датчик

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

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

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

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

Критерии выбора

При выборе оборудования в первую очередь учитывают, для каких целей оно приобретается и что нужно оценивать. Если сенсор сломан, ищут новый прибор, совпадающий по прежним параметрам.

Обязательно обращают внимание на следующие критерии:

• диапазон параметров обслуживаемых факторов (например, температура, давление);
• время, за которое срабатывает датчик;
• точность и максимальная погрешность;
• мощность, включая трансформируемый сигнал;
• усилие от принимаемого сигнала;
• выходной импеданс;
• способность различать импульсы.

Выбирая подходящий датчик, необходимо учитывать совокупность характеристик, соответствующих конкретному оборудованию.

Статические качества

Показывают, насколько корректно работает сенсор на выходе. Данный критерий отображает правильность замеряемых величин через некоторый отрезок времени после их изменения. Сюда входит чувствительность сенсора, его разрешение и линейность, а также коэффициент усиления. Дополнительно изучается отклонение показателей детектора, его рабочий диапазон, отклонение между повторяющимися измерениями и воспроизводимость.

Динамические характеристики

Учитывается время прохождения зоны нечувствительности, период запаздывания подаваемого сигнала, время нарастания и достижения первого максимума. Также необходимо обращать внимание на допустимые статические ошибки и разницу между максимально установленными параметрами от истинной величины. Данные характеристики особенно важны для сверхчувствительных приборов, где минимальные отклонения работы прибора сильно влияют на результат.

Типичные требования для датчиков

Если производитель допускает большую погрешность, и она не оказывает отрицательного воздействия на работу датчика, такое устройство можно приобретать. Однако все виды сенсоров должны соответствовать оптимальным параметрам:

• однозначность взаимозависимости выходной и входной величины;
• стабильность качественных показателей во временном пространстве;
• чувствительность – чем она выше, тем надежней считается прибор;
• небольшие габариты и маленький вес;
• широкий диапазон рабочих величин (если это не ухудшает основные его характеристики).

Также необходимо учитывать возможность монтировать устройство на любых плоскостях и поверхностях.

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.

Области использования миниатюрных устройств обширны:

• Используют в машиностроении для сборки, тестирования, упаковки, сварки, заклепки.
• В лабораториях применяют для контроля, измерения.
• Автомобильной технике, в транспортной промышленности, подвижной технике. Наиболее популярен датчик нейтральной передачи для МКПП. Во многих системах управления автомобилей присутствуют датчики. Они есть в механизме рулевого управления, клапана, педали, в подкапотных системах, в системах управления зеркалами, креслами, откидными крышами.
• Применяют их в конструкциях роботов, в научной сфере и сфере образования.
• Медицинской технике.
• Сельском хозяйстве и спецтехнике.
• Деревообрабатывающей промышленности.
• Металлообрабатывающей области, в станках металлорежущих.
• Проволочном производстве.
• Конструкциях прокатных станов, в станках с программным управлением.
• Системы слежения.
• В охранных системах.
• Гидравлических и пневматических системах.

Задачи и функции

Основная задача датчиков заключается в передаче исследуемых параметров на специальный приемник и последующую обработку сигнала. Также они контролируют исследуемый объект и замеряют его характеристики в определенных диапазонах. Существуют многофункциональные модели, фильтрующие, предварительно обрабатывающие необходимые параметры.

Датчики представляют собой часть технических систем, благодаря которым можно выполнять измерение, регулировку, настройку объектов.

Приборы преобразуют полученные данные, например, о контролируемой среде (давление, температура, частота, скорость) в электро-, пневмо-, оптические импульсы. При этом формируется подходящая для передачи и приятия приемником форма для дальнейшей обработки, хранения, регистрации информации.

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.

Виды приборов

Датчики положения и перемещения можно поделить на такие группы исходя из принципов работы:

• Датчики линейного перемещения. Измеряют перемещение объекта в определенных пределах по прямой (от пары см до нескольких метров). Бывают: Потенциометрические. Имеют простую конструкцию, устойчивы к магнитным помехамБесконтактные. Отличаются высокой износостойкостью, скоростью, повторяемостью. Применяются в сложных эксплуатационных условиях
• Потенциометрические. Имеют простую конструкцию, устойчивы к магнитным помехам
• Бесконтактные. Отличаются высокой износостойкостью, скоростью, повторяемостью. Применяются в сложных эксплуатационных условиях
• Датчики углового перемещения (поворотные). Измеряют угловое положение объекта. Могут быть одно- (360°) и многооборотными. Разделяются на: Потенциометрические. Отличаются простой конструкцией, устойчивостью к электрическим помехам, а также точностью измерений. Монтаж более удобный, возможна гибкая установка и склениваниеБесконтактные. Применяются там, где в приоритете высокая надежность и долговечность, а также стандартизированные выходные сигналыБез прикосновения. Выполнены в раздельном корпусе. Маркер и чувствительный элемент не имеют прямого контакта. Лучше подходят для применений в условиях вибрации и нестабильном позиционировании валов
• Потенциометрические. Отличаются простой конструкцией, устойчивостью к электрическим помехам, а также точностью измерений. Монтаж более удобный, возможна гибкая установка и скленивание
• Бесконтактные. Применяются там, где в приоритете высокая надежность и долговечность, а также стандартизированные выходные сигналы
• Без прикосновения. Выполнены в раздельном корпусе. Маркер и чувствительный элемент не имеют прямого контакта. Лучше подходят для применений в условиях вибрации и нестабильном позиционировании валов

Отдельно стоит отметить аксессуары, в частности линейные и ротационные маркеры положения.

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

Базовое устройство и принцип работы

По характеру регистрируемых воздействий данные устройства бывают:

• Контактные, подразумевающие механическое воздействие. Ярким представителем этого вида считаются концевые выключатели – датчики, ограничивающие ход рабочего механизма.
• Бесконтактные. Работают на нескольких принципах обнаружения сигнала: магнитном, оптическом, микроволновом и пр.

У каждого прибора имеются свои особенности, которые определяют сферу применения. Например, бесконтактные оптико-электронные детекторы работают на удаленном расстоянии от объекта. Остальные используются исключительно на ограниченных расстояниях.

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.

Активные и пассивные

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

Что такое пассивный датчик

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

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

Зависимость сопротивления проводника от температуры достаточно проста:

R = p (l / S)

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

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

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

Что такое активный датчик

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

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

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

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

Сфера применения

Применение датчиков в быту

Различные виды датчиков давно и активно применяются в самых разных сферах:

• автоматических и телеметрических системах;
• системах безопасности (пожарной, охранной);
• робототехнике;
• здравоохранении;
• промышленности и производстве;
• измерительных системах.

В быту их используют в выключателях, барометрах, бытовой технике (тостерах, утюгах, кухонных плитах) и пр.

Датчики нужны там, где для слаженной работы объекта требуется мониторинг определенных факторов. Например, контроль температуры, когда пожарный детектор мгновенно фиксирует превышение порогового значения и передает к узлам сигнализации информацию об этом, а узел активирует звук, свет, автоматическое пожаротушение.

Виды и устройство датчиков положения, где можно применить в домашних условиях

Датчик — это миниатюрное, сложное устройство, которое преобразует физические параметры в сигнал. Подает он сигнал в удобной форме. Основной характеристикой датчика является его чувствительность. Датчики положения осуществляют связь между механической и электронной частью оборудования. Пользуются им для автоматизации процессов. Используются эти устройства во многих отраслях производства.

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.

Вращающиеся измерительные датчики (оптические кодеры)

Очередной тип датчиков положения, которые напоминают потенциометры, упомянутые ранее, но являются бесконтактными оптическими устройствами. Такие датчики положения используются для преобразования углового положения вращающегося вала в аналоговый или цифровой код данных. Другими словами, имеет место преобразование механического движения в электрический сигнал (предпочтительно цифровой).

Все оптические кодеры работают по одному основному принципу. Излучение светодиодного или инфракрасного источника света пропускается через вращающийся диск с высоким разрешением, который содержит требуемые шаблоны кода:

Фотодетектор сканирует диск при вращении, электронная схема обрабатывает информацию в цифровой форме как поток двоичных выходных импульсов, подаваемых на счетчики или контроллеры, которыми определяется фактическое угловое положение вала.

Типы ротационных оптических кодеров

Существует два основных типа ротационных оптических кодеров:

• Инкрементные энкодеры.
• Абсолютные кодеры положения.

Инкрементные энкодеры (квадратурные кодеры или относительный поворотный датчик), являются простейшими из двух датчиков положения. На выходе выдают серию прямоугольных импульсов, генерируемых устройством фотоэлемента в виде кодированного диска с равномерно распределенными прозрачными и темными линиями.

Эти линии называются сегментами поверхности, которые двигаются или вращаются мимо источника света. Кодер создает поток прямоугольных волновых импульсов, подсчётом которых определяется угловое положение вращающегося вала.

Инкрементные энкодеры обладают двумя отдельными выходами — «квадратурными выходами». Эти два выхода смещены на 90º по фазе относительно один другого с определением направления вращения вала по выходной последовательности.

Количеством прозрачных и темных сегментов (слотов) диска определяется дискретность устройства. Увеличением количества строк в шаблоне увеличивается дискретность на степень вращения. Типичные кодированные диски имеют дискретность до 256 импульсов или 8 бит на оборот.

Самый простой инкрементный кодер называется тахометром. Устройство тахометр имеет один выход прямоугольной формы и часто используется в однонаправленных приложениях, где требуется только базовая информация о местоположении или скорости.

Кодер «квадратурный» («синусоидальная волна») является распространенным устройством. Даёт две выходные прямоугольные волны, обычно называемые каналом «А» и каналом «В». Это устройство использует два фотодетектора, смещенных относительно друг друга на 90°. Тем самым создаётся два отдельных синусоидальных и косинусных сигнала выхода.

Инкрементный кодер: 1 – кодированные светлые и тёмные сектора диска; 2 – вращение диска; 3 – фото детектор перемещаемый на 90º; 4 – канал «А»; 5 – канал «В»

Вычисление угла вращения вала

Используя математическую функцию, можно вычислить угол вала в радианах. Как правило, оптический диск, используемый во вращающихся координатах положения, является круговым. Тогда дискретность выходного сигнала будет иметь вид:

где n — число сегментов на кодированном диске.

Например, количество сегментов, необходимых для создания инкрементного кодера, имеющего дискретность 1º.

Если 1º = 360 / n,

тогда n = 360 сегментов и т. д.

Также направление вращения определяется путём указания, какой канал производит выход первым — канал A, либо канал B, дающие два направления вращения. Канал «A» ведёт «B» или канал «B» ведёт «A».

Одним из основных недостатков инкрементных датчиков при использовании в качестве датчика положения является то, что этот вид приборов требует внешних счетчиков для определения абсолютного угла вала в пределах заданного вращения.

Если питание моментально отключено или датчик пропускает импульс по причине шума или грязного диска, тогда полученная угловая информация приведёт к ошибке. Одним из способов преодоления этого недостатка является использование кодеров абсолютного положения.

Кодеры абсолютного положения

Кодеры абсолютного положения более сложные устройства, чем квадратурные энкодеры. Кодеры абсолютного положения обеспечивают уникальный код выхода для каждой отдельной позиции вращения, указывающей как положение, так и направление.

В этом варианте кодированный диск состоит из нескольких концентрических «дорожек» светлых и темных сегментов. Каждый трек, независим от своего собственного фотодетектора, одновременно считывает уникальное кодированное положение для каждого угла движения.

Количество дорожек на диске соответствует бинарному «бит» — дискретному положению кодировщика. Поэтому 12-битный абсолютный кодер будет иметь 12 дорожек, а одно и то же кодированное значение появляется только один раз за оборот.

Четырёхбитный бинарный кодированный диск: 1 – кодированные сектора диска; 2 – вращение диска; 3 – четыре фото детектора, по одному на сектор; 4 – четырёхбитный кодированный выходной сигнал

Одним из основных преимуществ абсолютного энкодера является его энергонезависимая память, которая сохраняет точное положение кодировщика без необходимости возврата в «домашнее» положение в момент сбоя питания.

Большинство поворотных кодеров определяются как «однооборотные» устройства, но также доступны абсолютные многооборотные устройства, которые получают обратную связь в течение нескольких оборотов путём добавления дополнительных кодов.

Типичное применение кодеров абсолютного положения:

• конструкции жестких дисков компьютеров,
• головки чтения записи CD / DVD-приводов,
• печатающие головки принтеров или плоттеров.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Сила — публикации материалов интересных полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мульти-тематическая информация — СМИ .

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:

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.

Терминология

Пределы измерения – это максимальная нагрузка, которую способен измерить датчик, оставаясь в пределах своих технических характеристик.

Номинальный выход (RO) – это выход при номинальной нагрузке за вычетом выхода в условиях отсутствия нагрузки. Номинальный выход выражается в мВ на один вольт, подаваемый на датчик (мВ/В).

Нелинейность – это максимальное отклонение показания выходного сигнала датчика от линии, соединяющей исходную точку калибровочной кривой с точкой номинальной нагрузки при ее увеличении. Нелинейность выражается в процентах от номинального выхода (%RO).

Гистерезис – это максимальная разность выходного сигнала датчика при увеличении и уменьшении нагрузки. Гистерезис выражается в процентах от номинального выхода (%RO).

Сходимость (повторяемость) – это максимальная разность выходных сигналов при многократном измерении одной и той же номинальной нагрузки в одинаковых условиях нагружения и окружающей среды. Сходимость выражается в процентах от номинального выхода (%RO).

Влияние температуры на ноль – это значение выходного сигнала датчика, вызванного изменением температуры окружающей среды. Выражается в изменении выходного сигнала датчика в %% от номинального выхода при изменении температуры на 1°C (%RO/°C).

Влияние температуры на диапазон измерения – это величина изменения номинального выхода, вызванного изменением температуры окружающей среды. Влияние температуры на диапазон измерения выражается в процент ах при изменении температуры на 1°C (%/°C).

Диапазон термокомпенсации – это диапазон температур, в котором компенсируется эффект влияния температуры на ноль и на диапазон измерения.

Допустимый диапазон температуры – это диапазон температуры, в котором датчик может работать непрерывно без необратимых деструктивных изменений (°C).

Перегрузка – это значение непрерывной нагрузки на датчик, которая не вызывает  необратимых деструктивных изменений, выходящих за пределы его технических/метрологических характеристик (%).

Предельная перегрузка – это максимальная непрерывная нагрузка, механически не вызывающая необратимых деструктивных изменений (%).

Рекомендуемое напряжение питания – это напряжение, подаваемое на датчик, при котором он остается в пределах своих технических/метрологических характеристик (В).

Допустимое напряжение питания – это максимальное напряжение, непрерывно подаваемое на датчик, не вызывающее его необратимого повреждения (В).

Баланс нуля – это выходная деформация при отсутствии нагрузки (%RO).

Частотная характеристика – это максимальная частота выходного сигнала датчика в заданном диапазоне при использовании синусоидальной нагрузки (Гц).

Собственная частота – это приблизительное значение частоты в ненагруженном состоянии, при котором датчик совершает свободные колебания (Гц).

Допустимый изгибающий момент – это максимальный изгибающий момент, непрерывно воздействующий на датчик и не вызывающий его необратимого повреждения (кН·м).

Чувствительность – это Выходной сигнал датчика при фиксированной нагрузке. Чувствительность выражается в значении величины выходного сигнала тензометра на 1 мм (*10-6strain/мм), когда калибровочный коэффициент для датчика перемещения на тензометре установлен равным 1.000 (коэффициент тензочувствительности 2.00).

База датчика – это расстояние между двумя точками, относительно которых происходит измерение перемещения или деформации.

Жесткость пружины – это приблизительное значение усилия, которое необходимо приложить на подпружиненный шток датчика перемещения для измерения величины перемещения (Н).

Входное/выходное сопротивление – это сопротивление между входными и выходными клеммами, измеренное в условиях отсутствия нагрузки при отключенных входных и выходных клеммах (Ом).

Кабель ввода-вывода – кабель, который невозможно отсоединить от датчика.

Поставляемый кабель – стандартный кабель, который поставляется в комплекте с датчиком и его можно присоединить/отсоединить от датчика.

Вес – приблизительный вес датчика без учета кабеля и разъемов.

Классификация, устройство и принцип действия

Датчики положения бывают бесконтактные и контактные.

• Бесконтактные, это приборы являются индуктивными, магнитными, емкостными, ультразвуковыми и оптическими. Они при помощи магнитного, электромагнитного или электростатического поля образуют связь с объектом.
• Контактные. Самым распространенным из этой категории, является энкодер.

Бесконтактный

Бесконтактные датчики положения или сенсорный выключатель, срабатывают без контакта с подвижным объектом. Они способны быстро реагировать и часто включаться.

По прицепу действия бесконтактные бывают:

• емкостными,
• индуктивными,
• оптическими,
• лазерные,
• ультразвуковые,
• микроволновые,
• магниточувствительные.

Бесконтактные могут применяться для перехода на частоту вращения ниже, или остановки.

Индуктивный датчик бесконтактный работает за счет изменений в электромагнитном поле.

Основные узлы индуктивного датчика изготовлены из латуни либо полиамида. Узлы связанны между собой. Конструкция надежна, способна выдерживать большие нагрузки.

• Генератор создает электромагнитное поле.
• Триггер Шмидта перерабатывает информацию, и передает другим узлам.
• Усилитель способен передавать сигнал на большие расстояния.
• Светодиодный индикатор помогает контролировать его работу и отслеживать изменение настроек.
• Компаунд — фильтр.

Работа индуктивного прибора начинается с момента включения генератора, создается электромагнитное поле. Поле влияет на вихревые токи, которые меняют амплитуду колебаний генератора. Но генератор первый реагирует на изменения. Когда в поле попадает двигающийся металлический предмет, сигнал подается на блок управления.

После поступления сигнала, происходит его обработка. Величина сигнала зависит от объема предмета, и от расстояния, разделяющего предмет и прибор. Затем происходит преобразование сигнала.

Емкостные

Емкостной датчик внешне может иметь обычный плоский или цилиндрический корпус, внутри которого штыревые электроды, и диэлектрическая прокладка. Одна из пластин стабильно отслеживает перемещение предмета в пространстве, в результате изменяется емкость. С помощью этих приборов измеряют угловое и линейное перемещение предметов, их размеры.

Емкостные изделия простоты, обладают высокой чувствительностью и малой инерционностью. Внешнее влияние электрических полей влияет на чувствительность прибора.

Оптические датчики называют глазами авторизованного производства. В основном это фотодатчики, работающие в инфракрасной области. Они способны:

• Измерять положение, перемещение предметов, после концевых выключателей.
• Выполнять бесконтактное измерение.
• Выявить положение предметов двигающихся на большой скорости.

Барьерный

Барьерный оптический датчик обозначают латинской буквой «Т». Этот оптический прибор двухблочный. Используется для обнаружения предметов попавших в зону обзора между передатчиком и приемником. Зона действия до 100м.

Рефлекторный

Буквой «R» обозначается рефлекторный оптический датчик. Изделие рефлекторное вмещает в одном корпусе передатчик и приемник. Рефлектор служит отражением луча. Чтобы обнаружить предмет с зеркальной поверхностью в датчике устанавливают поляризационный фильтр. Дальность действия до 8м.

Диффузионный

Датчик диффузионный обозначается буквой «D». Корпус прибора моноблочный. Этим приборам не требуется точная фокусировка. Конструкция рассчитана на работу с предметами, находящиеся на близком расстоянии. Дальность действия 2 м.

Лазерные

Лазерные датчики обладают высокой точностью. Они могут определить место, где происходит движение и дать точные размеры объекта. Приборы эти небольших габаритов. Потреблении энергии приборами минимальное. Изделие моментально способно выявить чужого и сразу включить сигнализацию.

Основа работы лазерного прибора — измерить расстояние до предмета с помощью треугольника. Излучается лазерный луч из приемника с высокой параллельностью, попадая на поверхность предмета, отражается. Отражение происходит под определенным углом. Величина угла зависит от расстояния, на котором находится предмет. Отраженный луч возвращается в приемник. Считывает информацию интегрированный микроконтроллер – он определяет параметры объекта и его расположение.

Ультразвуковые

Ультразвуковые датчики – это сенсорные приборы, которые используются для преобразования электрического тока в волны ультразвука. Их работа основана на взаимодействии колебаний ультразвука с контролируемым пространством.

Работают приборы по принципу радара — улавливают объект по отраженному сигналу. Звуковая скорость постоянная величина. Прибор способен вычислить расстояние до объекта в соответствии с диапазоном времени, когда вышел сигнал и вернулся.

Микроволновые

Микроволновые датчики движения излучают высокочастотные электромагнитные волны. Изделие чувствительно к изменению отражаемых волн, которые создаются объектами в контролируемой зоне. Объект же может быть теплокровным, живым, или просто предметом. Важно чтобы объект отражал радиоволны.

Используемый принцип радиолокации, позволяет обнаружить объект и вычислить скорость его перемещения. При движении срабатывает прибор. Это эффект Допплера.

Магниточувствительные

Этот вид приборов изготавливают двух видов:

• на основе механических контактов;
• на основе эффекта Холла.

Первый может работать при переменном и постоянном токе до 300V или при напряжении близком к 0.

Изделие на основе эффекта Холла чувствительным элементом отслеживает изменение характеристик при действии внешнего магнитного поля.

Контактные датчики — это изделия параметрического типа. Если наблюдаются трансформации механической величины, у них изменяется электрическое сопротивление. В конструкции изделия два электрода, которые обеспечивают контакт входа приемника с грунтом. Емкостной преобразователь состоит из двух металлических пластин, держат они два оператора, установленных на удалении друг от друга. Одной пластиной может быть корпус приемника.

Контактный угловой датчик называют энкодер, используется для определения угла поворота вращающегося предмета. Нейтральный отвечает за режимом работы двигателя.

Ртутный

Ртутные датчики положения имеют стеклянный корпус и по размерам схожи с неоновой лампой. Имеется два вывода-контакта с капелькой ртутного шарика внутри стеклянной вакуумной, запаянной колбы.

Используется автомобилистами для контроля угла наклона подвески, открытия капота, багажника. Используют его и радиолюбители.