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.
Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.
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.
все датчики стараются изготавливать так, чтобы функция преобразования входного сигнала в вЫходной была линейной. Соответственно, зоной чувствительности датчика является тот диапазон значений, где эта функция линейна. Однако этот диапазон ограничен какими-то минимальным и максимальным значениями, потому что невозможно сделать датчик, который бы измерял величину в бесконечном диапазоне. Поэтому у любого датчика есть “мёртвая зона”, или зона нечувствительности:
Основные стандарты
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.
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. У цифровых датчиков дискретность будет зависеть от разрядности АЦП (аналого-цифровой преобразователь). И диапазон входного напряжения будет изменяться не плавно, а, например, так: 0,01, 0,02, 0,03…9,99, 10. 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.
Способы подключения датчиков Ну вообще способы подключения датчика см. в инструкции на датчик. Как подключить пассивный датчик Вообще большинство датчиков имеют для подключения от 2 до 4 проводов. Пассивные датчики обычно имеют 2-3 провода. Например, термосопротивление имеет два или три провода для подключения. Для работы такого датчика достаточно двух проводов, но иногда третий контакт также используется, если кабель очень длинный и третий провод используется для компенсации погрешностей, вносимых длинным кабелем. Как подключить активный датчик Активные датчики требуют питания. Поэтому для подключения у таких датчиков обычно 3-4 контакта (хотя бывают и двухпроводные, например, датчики дыма в шлейфах пожарной сигнализации). При наличии трёх контактов, как правило, один - это плюс питания, второй - это выходной сигнал, и третий - это общий провод. При наличии четырёх контактов, как правило, два провода используются для питания, и два для выходного сигнала. https://asu-app.ru/tsa/sensors/?ysclid=l7xaja5k0749234520
T–тип или THRU-BEAM (разнесенная оптика) или датчики на прерывание оптического луча. Состоят из приемника и излучателя, устанавливаемых друг напротив друга.
R–тип или RETRO (с отражением от световозвращателя /рефлектора). Излучатель и приемник находятся в одном корпусе
D–тип или DIFFUSE (с отражением от объекта). Отражение оптического луча происходит непосредственно от объекта обнаружения
Оптические датчики нашли широкое применение во многих отраслях промышленности благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным исполнениям и относительно невысокой стоимости. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации, так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.
Недо статки оптических датчиков К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести: Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации; Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера; Трудоемкая процедура совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров; Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов; Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика, из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает, и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика; Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.
Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.
Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом: где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно. Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами: переменной диэлектрической проницаемостью среды ε; площадью перекрытия обкладок S; изменяющимся расстоянием между обкладками d.
Области применения емкостных датчиков Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д. В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ. Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности. Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются: сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла; контроль уровня заполнения прозрачных упаковок; сигнализация обрыва обмоточного провода; регулирование натяжения ленты; поштучный счет любого вида и др.
Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся: простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; - малые габариты и вес; - низкое потребление энергии; - высокая чувствительность; отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем); долгий срок эксплуатации; потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика; простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям; Недостатки емкостных датчиков К недостаткам емкостных датчиков следует отнести: сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования); высокие требования к экранировке деталей; необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте;
Индуктивный датчик - это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником, вследствие изменения магнитного сопротивления RМ магнитной цепи датчика, в которую входит сердечник.
По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две. Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей. Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем. Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3- удерживается пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки Rн подается напряжение питания переменного тока.
Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений и покрывают диапазон от 1 мкм до 20 мм. Также можно использовать индуктивный датчик для измерения давлений, сил, уровней расхода газа и жидкости и т. д. В этом случае измеряемый параметр с помощью различных чувствительных элементов преобразуется в изменение перемещения и затем эта величина подводится к индуктивному измерительному преобразователю. В случае измерения давлений, чувствительные элементы могут выполняться в виде упругих мембран, сильфонов, и т. д. Используются они и в качестве датчиков приближения, которые служат для обнаружения различных металлических и неметаллических объектов бесконтактным способом по принципу “да” или “нет”.
Достоинства индуктивных датчиков: простота и прочность конструкции, отсутствие скользящих контактов; возможность подключения к источникам промышленной частоты; относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт); значительная чувствительность. Недостатки индуктивных датчиков: точность работы зависит от стабильности питающего напряжения по частоте; возможна работа только на переменном токе.
Датчики Холла представляют из себя твердотельные радиоэлементы, которые становятся все более популярными в радиолюбительской среде и разработке радиоэлектронных устройств. Они применяются в датчиках измерения положения, скорости или направленного движения. Они все чаще заменяют собой путевые выключатели и герконы. Так как такие датчики являются абсолютно герметичными и представляют из себя простой радиоэлемент, то они не боятся вибрации, пыли и влаги. То есть по сути датчик Холла простыми словами — это радиоэлемент, который реагирует на внешнее магнитное поле.
Интересно, что датчик Холла есть во многих современных смартфонах (пусть и упрощенный его вариант). Он может определять наличие магнитного поля и работает вместе с магнитным сенсором, который отвечает за работу компаса. Также датчик Холла используется в телефонах, для которых которых доступны специальные чехлы с магнитной защелкой — Smart Case. Сенсор определяет, открыта или закрыта крышка чехла, и автоматически включает/отключает дисплей. Чтобы узнать, какие датчики есть в смартфоне, используйте эту инструкцию.
Тензометрический датчик, представляет собой весоизмерительный элемент, который реагирует на изменение величины физического воздействия (усилия) и переводит его в электрический сигнал. Фактически это резистор, меняющий параметр омического сопротивления, по отношению к прилагаемой силе. На практике широко используются для измерения массы и нагрузки в весоизмерительных системах.
Устройство и принцип работы Основу тензодатчика составляет тензорезистор, оснащенный специальными контактами, закрепленными на передней части измерительной панели. В процессе измерения чувствительные контакты панели соприкасаются с объектом. Происходит их деформация, которая измеряется и преобразуется в электрический сигнал, передаваемый на элементы обработки и отображения измеряемой величины тензометрического датчика.
В зависимости от сферы функционального использования датчики различаются как по типам, так и по видам измеряемых величин. Важным фактором является требуемая точность измерения. Например, тензодатчик грузовых весов на выезде с хлебозавода совершенно не подойдет к электронным аптекарским весам, где важна каждая сотая часть грамма. Тактильные Срабатывают в результате механического действия на чувствительную поверхность. Позволяют устанавливать минимальные деформации, но при неточных настойках могут подавать и ложный сигнал. Механические Измерения основаны на фиксации изменения длины объекта под нагрузкой. Работа механического тензометра заключается в определении зависимости удлинения тела от напряжения в поперечном сечении. Резистивные Наиболее распространенный тип датчиков. Требуют подключения к слаботочной управляющей цепи, поскольку включают в себя тензорезисторный контур. Надежны при любом состоянии окружающей среды. Струнные Струнный вариант представляет собой стальную проволоку (струну), её натягивают между опорами, которые закрепляют на поверхности объекта. Суть измерений заключаются в определении отношения частоты колебания струны к степени её натяжения при изменении длины обследуемого тела под воздействием нагрузки.
Индуктивные Устройство прибора основано на применении катушки индуктивности, в которой установлен подвижный сердечник. Он напрямую контактирует с поверхностью объекта. При малейшей деформации поверхности происходит смещение сердечника в катушке. Изменяющиеся параметры катушки индуктивности фиксируются через электросхему прибором. Пьезорезонансные Относятся к устройствам полупроводникового типа, нуждаются в надежном обслуживании и тонкой настройке. Работают по принципу сравнения эталонного сигнала с фактическим. Пьезоэлектрические По своему действию подобны измерителям предыдущего типа, но подают сигнал при изменении значений контактных деформаций, прикладываемых к чувствительному элементу. Магнитные Изготавливаются из сплавов с переменным значением коэрцитивной силы, используются при измерении усилий в узлах оборудования, работающих в сильных электромагнитных полях. Емкостные Предназначены для измерения малых механических напряжений в деталях со сложной конфигурацией, когда изменение длины токопроводящей проволоки изменяет ее электрическую емкость.
Конструктивные особенности Тензодатчики различают по типу конструкций, которые зависят от вида чувствительного элемента. Контроль за деформирующими процессами возможен с применением разных видов контактов: фольговых, пленочных или проволочных. Индикаторы, имеющие фольговый элемент, применяются в качестве наклеиваемых тензодатчиков. Пленочные представляют собой аналоги фольговых. Различие заключается в материале изготовления. Для их производства используются тензочувствительные пленки с напылением, увеличивающим чувствительность системы. Купить тензодатчик проволочного типа нужно в том случае, когда необходимо измерить нагрузку в широком диапазоне: от сотых грамм до нескольких тонн.
в зависимости от формы грузоприемного основания выделяют: Консольные (балочные) – устанавливаются в некоторых типах весов, при взвешивании контейнеров и т.д.; S-образные – применяются для измерения поднимаемых грузов; Мембранные – используются в системах контроля, высокоточных измерителях и т.д.; Колонные – монтируются в оборудовании с большой массой; В зависимости от вида метода измерения все тензодатчики подразделяются на: Резистивные – в основе работы лежит тензорезистор или мост из них, расположенный на гибком основании. Такой тензодатчик крепится к поверхности измерителя и реагирует на механические деформации. Разделяются на проволочные и фольгированные. По количеству и форме разделяются на одиночные, розетки, цепочки, мембранные розетки. Тактильные – состоят из двух проводников, между которыми расположена перфорированная пленка диэлектрика. При нажатии проводники продавливают мягкий диэлектрик и обеспечивают некую проводимость, чем изменяется величина сопротивления. По типу измерения бывают датчики касания, проскальзывания, усилия. Пьезорезонансные – основаны на полупроводниковых элементах, в таких тензодатчиках происходит сравнение реального сигнала с эталонным. Пьезоэлектрические – основаны на собственном напряжении выхода электронов некоторых полупроводниковых кристаллов. При воздействии усилия на кристалл меняется и величина зарядов, что передается на измерительный орган тензодатчика. Магнитные – используют свойство магнитных проводников изменять величину магнитной проницаемости в зависимости от физических параметров. При сжатии или растяжении сердечника, электромагнитный поток, формируемый катушкой, будет изменяться. В результате чего индуктивность тензодатчика также отклонится от образцового состояния. Емкостные – используют эффект переменного конденсатора, в котором с уменьшением расстояния между пластинами будет возрастать емкость. А при увеличении расстояния или уменьшении площади пластин емкость уменьшится.
https://electroinfo.net/informacija/tenzodatchik-princip-raboty-i-podkljuchenie-tenzometricheskogo-datchika.html?ysclid=l7xnv8quzv486795337
Пьезоэлектрический датчик (ПД) — это устройство, используемое для обнаружения или измерения различных типов физических величин в окружающей среде. Входным сигналом может быть свет, тепло, движение, влажность, давление и вибрация.
Этот датчик работает по принципу пьезоэлектричества, когда при механическом давлении на материал, генерируется электрическая энергия. Не все материалы обладают пьезоэлектрическими характеристиками. Существуют несколько типов пьезоэлектрических материалов применяемых в ПД — это, в основном, природный монокристалл кварца и искусственно изготовленная пьезокерамика.
Принцип работы Пьезоэлектрический кристалл помещается между двумя металлическими пластинами, которые находятся в идеальном равновесии, даже если они не расположены симметрично. Пластины прикладывают к материалу механическое напряжение или силу, в результате чего электрические заряды кристалла выходят из равновесия. На его противоположных гранях создается избыточный положительный и отрицательный заряд. Металлическая пластина аккумулирует эти заряды, создавая напряжение и ток, тем самым преобразуется механическая энергия в пьезоэлектричество.
Основные характеристики пьезоэлектрических датчиков: Широкий диапазон измерения, могут определять давление от 0.7 кПа до 70 МПа. Чувствительность (S): характеризует изменения выходного сигнала ∆y к сигналу, вызвавшему изменение ∆x: S = ∆y/∆x. Надежность — способность ПД сохранять характеристики в определенных пределах в заданных условиях эксплуатации. Значение импеданса ≤500 Ом. Диапазон температур от −20 °C до + 60 °C. ПД имеют очень низкую температуру пайки.
Пьезокерамический датчик обладает рядом преимуществ, таких как: Высокой частотной характеристикой, что обеспечивает обнаружение даже слабых сигналов и в короткие промежутки времени. Высокая переходная характеристика — они могут обнаруживать события в микросекундах, а также выдавать линейный выходной сигнал. Высокая мощность, измеряемая электронной схемой. Небольшие размеры и прочная конструкция. К недостаткам таких ПД относится их повышенная чувствительность к колебаниям температуры, что требует применения специальных кабелей и систем усиления.
Применение пьезоэлектрических датчиков Пьезоэлектрический датчик может быть активным и пассивным. Первые используются для измерения давления, ускорения, температуры, уровня жидкости и могут выступать в качестве первичных датчиков для расходомеров и толщиномеров. Пассивные используются в микрофонах, акселерометрах и в музыкальных инструментах. Пьезоэлектрические датчики также используются для ультразвуковой визуализации, оптических и микро движущихся измерений, электроакустики. Их применяют в различных секторах экономики, таких как здравоохранение, энергетика, газоснабжение, аэрокосмическая промышленность, бытовая электроника и ядерное приборостроение. Поскольку пьезоэлектрические преобразователи не способны измерять статическое давление, они широко используются для оценки явлений динамического характера, связанных со взрывами, пульсациями или условиями динамически изменяемой среды в автомобильных и ракетных двигателях, компрессорах и других устройствах, работающих под давлением.
Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения. Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.
По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на ламельные с постоянными сопротивлениями; проволочные с непрерывной намоткой; с резистивным слоем. Потенциометрические датчики Ламельные потенциометрические датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков. В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям. Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок. Ламельный потенциометрический датчик Ламельный потенциометрический датчик Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник. Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм, низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.
Преимущества потенциометрических датчиков: простота конструкции; малые габариты и вес; высокая степень линейности статических характеристик; стабильность характеристик; возможность работы на переменном и постоянном токе. Недостатки потенциометрических датчиков: наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка; погрешность в работе за счет нагрузки; сравнительно небольшой коэффициент преобразования; высокий порог чувствительности; наличие шумов; подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.
