Датчик

Мультифункциональный датчик медицинской диагностики Sonoblate

Датчик (англ. Sensor от лат. sensus — ощущение) — устройство, воспринимающее внешние воздействия и преобразующее их в изменение электрического сигнала или других выходных данных, которые оцениваются визуально или передаются в управляющее или измерительное устройство. В качестве внешних воздействий могут быть механические перемещения, интенсивность света, температура, расстояние, давление, влажность и так далее.

По типу выходной величины датчики можно разделить на неэлектрические и электрические. Классическими примерами неэлектрических датчиков являются лабораторные термометры, механические барометры, пружинные весы и тому подобные устройства.

Большинство датчиков являются электрическими и в дальнейшем рассматривается именно этот тип датчиков, опуская слово «электрический».

В зависимости от типа датчика его выходными данными могут быть напряжение, ток, сопротивление или другие электрические величины.

Датчики широко используются в самых разных областях человеческой деятельности — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях, являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.

В промышленных автоматизированных системах управления датчики играют роль инициирующих устройств, информирующих систему о состоянии параметров объекта и необходимости производить те или иные действия в соответствии с заданным алгоритмом. В случае использования человеко-машинного интерфейса, являющегося частью SCADA-системы, показания датчиков в том или ином виде выводятся на экраны диспетчерских компьютеров, информируя операторов о состоянии технологического процесса.

Классификация датчиков

Датчики могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

• принцип действия;
• характер выходного сигнала;
• тип чувствительного элемента;
• число выполняемых функций;
• количество входных величин и пр.

Классификация по принципу действия

По принципу действия датчики можно разделить на два класса:

• Активные (генераторные), осуществляющие непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Таковыми являются, например, термопары, содержащие два проводника различной химической природы. При нагревании спай термопары является местом возникновения термо-ЭДС. В датчике с пьезоэлектрическим эффектом механическое воздействие на кристалл (обычно кварца) приводит к его деформации и появлению на противоположных поверхностях кристалла электрических зарядов противоположного знака. В датчиках, использующих фотоэлектрические эффекты, общим является генерирование носителей электрических зарядов под действием света. Поскольку сигнал на выходе датчиков такого типа мал, применяют специальные усилительные устройства, приводящие его к стандартному уровню напряжения или тока. Обычно это (0—10) В или (4—20) мА.
• Пассивные (параметрические) датчики преобразуют входную величину в изменение какого-либо электрического параметра, измерение которого возможно лишь при включении датчика в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала; к таковым относятся потенциометрические, ёмкостные и индуктивные датчики.

Классификация по характеру выходного сигнала

По характеру выходного сигнала можно привести следующую классификацию датчиков:

• Дискретные (бинарные) датчики. Это в основном нажимные контактные датчики с двумя состояниями выхода — «включено/выключено», а также пороговые датчики — компараторы (от лат. comparare — сравнивать);
• Аналоговые датчики. Это устройства, регистрирующие мгновенное значение изменяющегося во времени внешнего воздействия. Таковыми являются, например, датчики давления или температуры;
• Импульсные датчики. К таковым относятся устройства, на выходе которых формируется последовательность импульсов. Это, в основном, оптические датчики угла поворота (энкодеры) или линейного перемещения, а также разнообразные датчики расхода и измерения скорости потока с импульсным выходным сигналом;
• Цифровые датчики — это составные устройства с аналоговым входом и встроенным аналого-цифровым преобразователем. Эти датчики генерируют дискретные выходные сигналы, представленные в числовом формате. Полученные данные могут быть прочитаны цифровой системой регистрации или управления и обработаны соответствующим образом.

Классификация по типу чувствительного элемента

• Датчики, основанные на использовании термоэлектрического эффекта (эффекта Зеебека). Самым распространённым датчиком такого типа является термопара — устройство в виде пары проводников из разнородных электрических проводников, соединённых на одном конце в виде спая и образующих электрический переход. Предназначены для измерения температуры;
• Полупроводниковые термометры. Основаны на зависимости от температуры падения напряжения на p-n переходе, смещённом в прямом направлении. Технология изготовления полупроводниковых термометров позволяет размещать их на кристаллах интегральных микросхем. Температурные датчики такого типа встраиваются в микропроцессоры и микроконтроллеры;
• Ёмкостные датчики. Конструктивно датчики этого типа выполнены так, что внешнее воздействие приводит к изменению ёмкости конденсатора. Конденсатор может представлять собой разделенные диэлектриком пластины, между которыми меняются расстояние, площадь взаимного перекрытия либо изменяется свойство диэлектрика. Другая разновидность ёмкостного датчика — одна из пластин конденсатора является конструктивом датчика, а вторая внешним объектом (пальцем, касающимся сенсорного экрана или деталью на движущемся конвейере). В этом случае конденсатор формируется динамически;
• Потенциометрические датчики. В общем случае потенциометрический датчик представляет собой обмотку или полосу из материала с высоким электрическим сопротивлением (как правило, выполненную в виде неподвижного элемента конструкции), на которую подается питающее напряжение, и подвижного контакта, с которого снимается выходной сигнал;
• Индуктивные датчики. Эти датчики представляют собой встроенную катушку индуктивности с пропускаемым по ней переменным ток от внутреннего генератора, создающей вокруг себя магнитное поле. При внесении в активную зону датчика металлического, магнитного или ферромагнитного материала происходит изменение индуктивности катушки и, как следствие, изменение её индуктивного сопротивления;
• Оптические датчики (фотодатчики) представляют собой оптическое электронное устройство, в котором используются различные типы фотодетекторов — фотодиодов, фоторезисторов;
• Магнитоэлектрические датчики, принцип работы которых основан на эффекте Холла — возникновении напряжения на гранях помещённой в магнитное поле пластины с протекающим по ней постоянным током. Возникающее при этом напряжение прямо пропорционально напряжённости магнитного поля. Этот метод используется в тех случаях, когда надо производить измерения бесконтактным способом (например, больших токов в подводящих силовых шинах или жилах кабелей, или измерение скорости вращающихся механизмов в труднодоступных местах);
• Пьезоэлектрические датчики используют пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах, когда на стороне, противоположной приложенному механическому усилию, возникает электрический заряд, пропорциональный величине усилия. Устройства этого типа относятся к активным датчикам;
• Тензометрические датчики также преобразуют величину деформации в электрический сигнал, и представляют собой резистивные элементы, электрическое сопротивление которых изменяется при растяжении или сжатии, то есть это датчики параметрического типа. Используются тензометрические датчики в основном в устройствах для измерения приложенной силы или определения веса;
• Волоконно-оптические датчики. Общий принцип таких устройств заключается в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передаётся через оптическое волокно, испытывая слабое изменение параметров света в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках под воздействием температуры или механического напряжения. В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:
  • датчики состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют подводки электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким электрическим напряжением;
  • датчики можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, поскольку отсутствует риск возникновения электрической искры, даже в случае поломки датчика;
  • датчики не подвержены влиянию электромагнитных помех (даже вблизи разряда молнии) и сами по себе не электризуют другие устройства;
  • датчики могут быть изготовлены из химически инертных материалов, что исключает загрязнение окружающей среды и коррозию датчиков;
  • у датчиков очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больший, чем у электронных устройств).
• Дифференциальные трансформаторы для измерения линейных перемещений (LVDT-датчики, от англ. Linear Variable Differential Transformer). Датчик состоит из одной первичной обмотки, соединенной с двумя вторичными обмотками через подвижный ферромагнитный сердечник на оси трансформатора. Две вторичные обмотки соединены последовательно, но намотаны в противоположных направлениях. Сердечник выполняется короче, чем трансформатор, поэтому при его осевом перемещении меняется коэффициент магнитной связи обмоток. Идеально центрированный сердечник в идеале дает нулевой выходной сигнал. Смещение сердечника оценивается по амплитуде и фазе выходного сигнала.
• Ультразвуковые датчики. Это активные датчики, который могут одновременно передавать эталонный ультразвуковой сигнал и принимать отраженный от объекта сигнал. Для возбуждения ультразвуковых волн чаще всего применяются пьезоэлектрические преобразователи, работающие в так называемом моторном режиме, с прямым преобразованием электрической энергии в механическую. Применяются для определения расстояния до объекта.

Кроме вышеперечисленных типов датчиков существуют датчики температуры, работающие в диапазоне инфракрасного излучения, детекторы ионизирующих излучений, газоанализаторы, радиоволновые и электрохимические датчики.

• Схематичное изображение принципа действия датчиков разного типа
• 

  Принцип действия дифференциального трансформатора (LVDT-датчик)

• 

  Принцип действия ёмкостного датчика

• 

  Принцип действия индуктивного датчика

• 

  Принцип действия датчика Холла

• 

  Принцип действия датчика температуры типа «термопара»

• 

  Схематичное изображение тензодатчика

• 

  Резистивный датчик

• 

  Волоконно-оптический датчик

Классификация по числу выполняемых функций

По числу выполняемых функций датчики можно разделить на однофункциональные и многофункциональные, которые помимо восприятия внешних воздействий и преобразования их в изменение выходного сигнала могут выполнять ряд дополнительных функций. К таким датчикам можно отнести цифровые датчики с суммированием сигналов, датчики с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, датчики с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

К дополнительным функциям многофункциональных датчиков можно отнести следующие:

• операции обработки данных и фильтрацию;
• коррекцию погрешностей;
• хранение сигналов;
• преобразование «поля» сигналов в изображение (графическая обработка сигнала);
• защиту от влияния помех.

Строго говоря, многофункциональные датчики — это составные устройства, осуществляющие помимо первичной регистрации входной величины также её преобразование и обработку.

Классификация по количеству входных величин

• Одномерные, воспринимающие одну входную величину. Широкое распространение получили одномерные двухступенчатые датчики, служащие для регистрации изменяющихся механических величин. Давление, например, можно воспринять мембраной (первая ступень преобразования), деформация которой преобразуется в электрическую величину тензопреобразователем, наклеенным на мембрану (вторая ступень преобразования).
• Многомерные. Под многомерными понимаются датчики, воспринимающие и преобразующие несколько входных величин. Например, двухмерный селективный датчик для одновременного измерения усилия и температуры, основанный на использовании пассивных элементов и метода приведения (заключающегося в организации селективных каналов восприятия величин). Датчик изготовлен на базе продольных нитевидных кристаллов кремния диаметром 30 — 70 мкм с параллельной ориентацией осей роста. Центральная часть такого датчика имеет электронную проводимость n-тиnа, а окружающий её внешний слой дырочную проводимость p-типа. К кристаллу с проводимостью n-типа (выполняющего функцию термоэлемента) приварены контакты платиновой микропроволоки, легированной сурьмой, а к слою с проводимостью p-типа (тензоэлемента) — микропроволоки из чистой платины.

Классификация по другим признакам

По среде передачи сигналов:

• проводные;
• беспроводные.

По взаимодействию с источниками информации:

• контактные;
• бесконтактные (дистанционного действия).

По технологии изготовления:

• элементные;
• интегральные.

По наличию компенсационной обратной связи:

• компенсационные;
• некомпенсационные.

Интеллектуальные датчики

В настоящее время практически все аналоговые датчики имеют встроенный интегральный микропроцессорный преобразователь, который обеспечивает коррекцию температурного дрейфа параметров первичного преобразователя, что позволяет питать датчик внешним напряжением, изменяющимся в довольно широком диапазоне, осуществляет защиту от помех и многое другое. Всё это стало возможным при развитии интегральной технологии производства датчиков, в которых встроенные микропроцессоры позволили поднять уровень устройств на следующую ступень.

Если требуется пороговое срабатывание выходного сигнала при достижении определённой величины входного воздействия, например, при превышении уровня жидкости в сосуде или давления в магистрали, используют пороговые датчики.

Информационно-цифровые датчики (англ. Fieldbus sensor) дополнительно обеспечивают передачу информации к управляющим или измерительным устройствам через шины промышленных сетей, таких как Profibus, Industrial Ethernet, EtherCAT, AS-Interface.

Основные характеристики датчиков

Характеристики датчиков, как и других средств измерений, делятся на две группы — технические и метрологические.

Технические характеристики

Технические (преобразовательные) характеристики — это характеристики, устанавливающие связь между входной и выходной величинами. К ним относятся:

• чувствительность датчика — отношение приращения выходной величины к входной;
• разрешение — минимальное изменение входной величины, которое можно обнаружить на выходе;
• скорость реакции, определяющая способность датчика отслеживать изменения входной величины во времени;
• диапазон измерения — это область значений входной величины, в пределах которой не превышаются допустимые пределы погрешности измерительного устройства, имеющего нижний и верхний пределы измерения;
• гистерезис (от греч. ὑστέρησις — отставание, запаздывание) — несовпадения кривых зависимостей выхода от входа прямого и обратного процессов, разница между порогами срабатывания при изменении знака входной величины;
• повторяемость — ожидаемая ошибка при многократном повторении одного и того же измерения, оценивается воспроизводимостью максимально одинаковых значений выходного сигнала и достигается в результате точного соблюдения технологии производства, выбора материала и его свойств, качества сборки, проведения качественного выходного контроля при выпуске датчиков.

Метрологические характеристики

Метрологические характеристики — характеристики датчиков, нормирующие точностные параметры (погрешности) средств измерения:

• погрешность измерений — отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины;

• точность — максимальная ожидаемая ошибка измерения, обратная характеристика погрешности;
• отклонение от нуля — значение выходной переменной, когда входная переменная равна нулю;
• линейность характеристики — независимость чувствительности от значения измеряемой величины. При нелинейности датчика применяют устройства коррекции характеристики, этот процесс называют линеаризацией;
• неопределённость результата измерения — мера разброса возможных значений измеряемой величины при одном и том же значении выходного сигнала.

Области применения датчиков

Датчики широко используются в самых разных областях человеческой деятельности, в частности:

• в промышленной технике для измерения и регулирования температуры, давления, концентрации, массы, положения;
• в робототехнике (зрение и осязание роботов);
• в машиностроении (автомобильное производства, авиастроение и так далее);
• в медицине (ранняя диагностика — томография, биохимический контроль и так далее);
• в системах безопасности (контроль несанкционированного проникновения);
• в астрономии (ИК, УФ-диапазоны);
• в космонавтике (состояние земной поверхности — лесов, посевов, снежного покрова);
• в технике пожарной безопасности;
• в прогнозе аварий в металлургии, энергетике, трубо- и газопроводном транспорте;
• в криминалистике (выявление поддельных документов, денег, произведений искусства);
• в экологии (контроль вредных выбросов, концентраций токсических газов);
• в области военной техники (обнаружение пусков баллистических ракет, тепловые головки наведения, ночное видение, обнаружение минных полей, самолетов, кораблей, подводных лодок);
• в бытовой технике (холодильники, стиральные машины, электропечи, автомобили).

Литература

• Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Датчики (перспективные направления развития) (рус.) / Под ред. проф. Цапенко М. П. — Новосибирск: НГТУ, 2001. — 176 с. — ISBN 5-7782-0300-4.
• Шарапов В. М., Полищук Е. С., Кошевой Н. Д., Ишанин Г. Г., Минаев И. Г., Совлуков А. С. Датчики: Справочное пособие (рус.) / Под ред. Шарапова В. М. — М.: Техносфера, 2012. — 624 с. — ISBN 978-5-94836-316-5.