Темы рефератов. Наиболее часто датчик определяется как устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них

КЛАССИФИКАЦИЯ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Наиболее часто датчик определяется как устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них. Датчик в зарубежной литературе называют сенсором-элементом многих систем автоматики, с помощью которого получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства. Более точное определение понятия «датчик» такое. Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, напряжение и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. А проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Датчики входят в состав систем управления, они являются их неотъемлемой частью. В системах управления датчик является динамическим звеном.

Датчики (сенсоры) – это элементы многих систем автоматики и средств измерений. С их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства. Их можно классифицировать по выходным значениям (измеряемым параметрам), которых достаточно много: температура, давление, расход, уровень, радиоактивность, угловые и линейные перемещения и т.д. По виду выходной величины датчики делят на неэлектрические (например, пневматические) и электрические. Абсолютное большинство датчиков – это электрические. Основной же признак классификации датчиков – это принцип их действия.

Понятие «датчик» надо отличать от понятия «преобразователь» [4,6]. Преобразователь преобразует один вид энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Преобразователи могут быть частью составных датчиков. Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал. В этом примере химический датчик является составным датчиком, состоящим из преобразователя и датчика температуры. В структуру составных датчиков входят, как правило, хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, которые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. Примерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека (появление термоэдс при нагреве соединения двух проводников из разных материалов).

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия, необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

В [3] приведена более подробная классификация датчиков. Электрические датчики различаются: по типу схемных элементов (феррит-транзисторные, пьезоэлектрические, емкостные, резисторные, полупроводниковые, газоразрядные, лазерные, прочие); по виду выходного сигнала (потенциальные, токовые, частотные, время-импульсные, кодовые); по конструкции (одноэлементные, многоэлементные); по погрешности (прецизионные, рабочие, индикаторные); по питанию (с внешним, с автономным); по условиям эксплуатации (подвижные, стационарные, бортовые, наземные); по назначению (измерительные, преобразователи, допускового контроля, генераторы сигналов); по управлению (управляемые, не управляемые); по типу преобразования [генераторные(термоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические, прочие), аналоговые(усилитель, нормализатор), дискретные(двух, трёх, многозначные)]. Такая классификация сложна и плохо воспринимается, к тому же, в ней есть ряд неоднозначностей, а также в ней есть устаревшие, не используемые в настоящее время датчики (феррит-транзисторные, газоразрядные). Генераторы сигналов и генераторные датчики стоят отдельно (и в классификации по назначению, и в классификации по типу преобразования). Пьезоэлектрические датчики классифицируются по типу схемных элементов, в тоже время они являются генераторными датчиками. Благодаря многообразию датчиков, постоянному появлению их новых типов до сих пор нет их чёткой классификаций. Один из вариантов классификации, которому следует придерживаться – это деление датчиков на параметрические, генераторные, комбинированные, частотные и интеллектуальные. Наиболее простым, наиболее приемлемым вариантом классификации является их деление на параметрические и генераторные.

Параметрическими являются датчики на основе параметров электрической цепи: датчики активного сопротивления, емкостные и индуктивные. Это пассивные датчики, так как их выходной сигнал меньше входного. Сигнал на параметрический датчик подаётся от отдельного источника сигнала. Генераторные датчики сами являются источниками сигнала [2]. К ним относятся термоэлектрические (термопары), пьезоэлектрические и тахометрические датчики. К генераторным датчикам можно отнести и химические, так как в процессе химических реакций генерируется (создаётся) новое вещество, с другой стороны, химические датчики прямого действия при химических реакциях могут менять параметры электрической цепи (сопротивление, емкость), в то же время полупроводниковые химические датчики в качестве выходного сигнала имеют термо э.д.с, поэтому вопрос их классификации спорный. Возможно, их следует выделить в отдельную группу. Современные технологии позволяют делать одновременно генераторные и параметрические, то есть, комбинированные датчики, например, пьезорезистивные или магниторезистивные.

Диапазон частот сигналов достаточно широк: от нулевой частоты (постоянный ток) до частот γ-излучения. Причём нет чётких границ между поддиапазонами, они чисто условны. Есть инфранизкие, низкие, средние, промежуточные, высокие частоты, есть частоты СВЧ диапазона: метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые, субмиллиметровые волны, сигналы инфракрасного, светового диапазонов, сигналы α, β, γ, рентгеновского излучения. Поэтому термин «частотные» датчики весьма правомерен, так как имеются ультразвуковые датчики, датчики поверхностно-акустических волн (ПАВ), радиоволновые, инфракрасные, волоконно-оптические датчики.

Ионизирующие свойства радиоактивных излучений (α, β, γ-лучи) в соединении с явлениями поглощения или отражения этих излучений могут быть использованы для построения разнообразных воспринимающих элементов, преобразующих различные неэлекрические параметры в электрическое напряжение.

В авиационной автоматике весьма удобно применение радиоизотопов для преобразования в напряжение линейных и угловых перемещений, а также плотностей газов. Радиоизотопные датчики сходны со схемами, использующими искусственные источники света и фотоэлементы, где вместо источника света ставят ампулу с радиоизотопом (радиоактивное вещество – аналог источника света) и вместо фотоэлемента ионизационную камеру. Несмотря на кажущуюся простоту устройства, применение радиоактивных воспринимающих элементов затруднено малой величиной тока и большим выходным сопротивлением схем с ионизационными камерами. Ионизационные токи, возникающие в камере, имеют величину порядка А.

Частотные датчики нашли широкое применение в системах охранной сигнализации. Для обнаружения перемещения во внутреннем объёме охраняемого помещения применяют датчики-детекторы движения в объёме: инфракрасные, радиоволновые, комбинированные, ультразвуковые.

Инфракрасные датчики (пирометры) – это генераторные датчики. Они используют энергию излучения нагретых тел, что позволит измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные используются для измерения температуры от 20°C и выше, причём прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно, в красной или синей части спектра. Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Инфракрасные пассивные извещатели с помощью специального пироэлемента, преобразующего тепловое излучение в электрический сигнал, реагируют на изменение теплового объёма внутри защищаемого пространства. В извещателе используется двух или четырёхплощадные пироэлементы (т.е. в едином модуле объединяется от двух до четырёх независимых пироэлементов).

Это позволяет использовать более интеллектуальные способы обработки сигналов, существенно снижая вероятность ложных тревог. Формирование зон обнаружения происходит с помощью зеркал (на отражение) или линз (на прохождение), например, линз Френеля. Принцип их действия похож на голографический: линза представляет из себя пластиковую поверхность с нанесённой на неё рельефно-дифракционной картинкой, соответствующей необходимому пространственному расположению зон обнаружения. Источниками ложного срабатывания этих извещателей являются: солнечный свет, различные источники тепла, быстрые потоки воздуха и т.д. Радиоволновые извещатели работают на основе анализа отражения излучаемых ими СВЧ волн от различных сред: источников тепла, быстрых потоков воздуха и т.д.

Датчики органов обоняния, осязания (нос, язык) выполняются на ПАВ (поверхностно акустических волнах) [1, 5], чувствительным элементом которых являются нанотрубки, цепочки ДНК в виде линейной двойной спирали, или их сочетания. Датчики ПАВ на базе пьезоэлементов чувствительны к изменению массы. Они используются для измерения давления, температуры, крутящего момента, для дистанционного контроля изделий, они так же используются в средствах транспорта.

Принцип работы ПАВ-датчиков основан на двух физических явлениях, открытых независимо, но почти одновременно, в 80-х годах XIX века: поверхностных акустических волнах (ПАВ) и пьезоэлектричестве.

Напомним, что ПАВ представляет собой акустическую волну, распространяющуюся в тонком приповерхностном слое среды. Частицы среды в ПАВ совершают колебания в плоскости, проходящей через линию распространения волны и перпендикулярной к поверхности среды (рис 1.1). Скорость распространения ПАВ примерно на пять порядков меньше, чем у электромагнитных волн ­– характерная скорость ПАВ составляет около 3000 м/с. При этом частота ПАВ находится в радиочастотном диапазоне электромагнитных волн – обычно от 30 МГц до 3 ГГц. Соответственно, длина ПАВ может составлять от одного до нескольких десятков микрон. Амплитуда ПАВ лежит в нанометровом диапазоне. Энергия ПАВ уменьшается экспоненциально с увеличением глубины – большая ее часть сосредоточена в приповерхностном слое толщиной примерно в одну длину волны.

Рис. 1.1 Поверхностная акустическая волна: a – форма, б – распределение энергии по глубине среды.

Если средой распространения ПАВ является пьезоэлектрический материал, то ПАВ могут возбуждать электромагнитные волны, и, наоборот, для генерации ПАВ могут использоваться электромагнитные колебания. Для возбуждения и детектирования ПАВ в пьезоэлектрике применяют так называемые встречноштырьевые преобразователи (ВШП).

Из приведённых рассуждений видно, что частотные датчики (микроволновые, пирометры и т.д.) являются разновидностью параметрических датчиков, так как на них подаются сигналы соответствующего диапазона. Отличительными особенностями микроволновых датчиков являются: отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой); малое энергопотребление; высокие помехоустойчивость и направленность действия; разовая настройка на весь срок службы; высокая надёжность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.

Учитывая различия аналоговой и цифровой техники датчики можно разделить на три класса: аналоговые датчики – вырабатывающие аналоговый сигнал, цифровые – генерирующие последовательность импульсов или «двоичное слово» и бинарные (двоичные) датчики, которые выдают сигналы двух уровней 0 или 1 («включено» / «выключено»).

В зависимости от входной (измеряемой) величины различают: датчики механических (линейных и угловых) перемещений, деформаций, электрические расходомеры, датчики скорости, ускорения, температуры и др.

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 или реактивного) и др.

Требования, предъявляемые к датчикам: высокая линейность (однозначная зависимость выходной величины от входной); стабильность характеристик во времени; высокая чувствительность; малые размеры и масса; малая чувствительность к внешним факторам (температуре, давлению, влажности); отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр; работа при различных условиях эксплуатации, высокая надёжность, малая погрешность.

Для общей методологии проектирования датчиков, представляется принципиальной необходимость их обоснованной классификации по существенным независимым классификационным признакам. Эта классификация не может, и не должна, претендовать на полное и подробное описание датчика, но должна определять его принципиальную принадлежность к конкретному типу. Таких классификаций признаков должно быть четыре: параметр, исследуемый датчиком; агрегатное состояние объекта исследования; принцип преобразования в чувствительном элементе датчика; число компонентов параметра (если параметр – векторная величина) или число исследуемых параметров.

Описание, в общем виде, процессов взаимодействия датчика с исследуемым объектом и преобразования в нем регистрируемой величины позволяет формализовать обобщенную структурную схему любого датчика в виде четырех последовательно соединенных звеньев. Звено 1 – отвечает за восприятие входного воздействия и одновременную защиту датчика; звено 2 – осуществляет передачу входного воздействия чувствительному элементу и одновременную защиту чувствительного элемента; звено 3 – чувствительный элемент, преобразующий исследуемую величину (часто уже преобразованную предыдущим звеном в электрическую, магнитную и др.); звено 4 – согласующее устройство (входит в состав датчика по необходимости). В конкретных реализациях датчиков, те или иные звенья могут отсутствовать, или их функции могут быть выражены неявно, или может быть несколько звеньев одного и того же назначения, например звено 2. Последовательность преобразований в каждом конкретном датчике своя, но укладывается в предложенную структурную схему. При этом каждое звено осуществляет функции преобразования и вносит свой вклад в точность и динамические свойства датчика. Этот вклад может быть решающим в формировании погрешности результата измерения всей системы, в состав которой входит датчик.

В зависимости от структуры физической модели датчика и модели его взаимодействия со средой, существуют датчики с сосредоточенными (вход представлен в виде точки) и распределенными (вход распределен по некоторой поверхности) параметрами.

Первый датчик описывается обыкновенными дифференциальными уравнениями, а второй – уравнениями в частных производных или с помощью более сложных представлений.

Если рассматривать вопрос шире, не классификацию датчиков, а классификацию технических средств измерений, где найдется место датчикам в составе измерительных преобразователей, то эта классификация будет выглядеть так. В состав технических средств измерений входят: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы. С датчиками из этой классификации можно связать меры и измерительные преобразователи. Мерой электрического сопротивления может быть измерительный резистор, мера электрической емкости – измерительный конденсатор.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному влиянию наблюдателя. Измерительные преобразователи могут, как входить в состав измерительных приборов, так и применяться самостоятельно. Имеется несколько типов измерительных преобразователей.

Первичный преобразователь – измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т.е. является первым в измерительной цепи. Например, термопара в цепи термоэлектрического термометра.

Передающий преобразователь – измерительный преобразователь, служащий для дистанционной передачи сигнала измерительной информации другим устройствам.

Масштабный преобразователь – измерительный преобразователь, предназначенный для изменения измеряемой величины в заданное число раз. Например: измерительный трансформатор тока, делитель напряжения, измерительный усилитель.

Чаще других, из преобразователей в технической литературе, встречаются термины «первичный преобразователь» и «первичный измерительный преобразователь».

Первичные измерительные преобразователи можно разделить на четыре группы: преобразователи, преобразующие неэлектрические величины в неэлектрические (Н -> Н); преобразователи, преобразующие электрические величины в электрические (Э -> Э); преобразователи, преобразующие электрические величины в неэлектрические (Э -> Н); преобразователи, преобразующие неэлектрические величины в электрические (Н -> Э). Примерами преобразователей неэлектрических величин в неэлектрические, могут служить, например: пружина, преобразующая приложенную к ней силу в перемещение точки приложения силы; рычаг, преобразующий силу или перемещение в пропорциональную силу или перемещение, при этом может изменяться направление силы или перемещения. Примеров преобразователей этого типа можно привести много. Они, и их расчет, изучаются в курсе технической механики и в других соответствующих курсах. В курсе «Теория автоматического управления» пружина является колебательным звеном, а рычаг – пропорциональным.

Преобразователи электрических величин в электрические могут иметь на своем входе и выходе, как однородные, так и разнородные величины. Например, в одном случае входное напряжение одного значения преобразуется в выходное, пропорциональное входному; в другом случае, изменение активного сопротивления преобразуется в изменение тока на выходе преобразователя. К электрическим величинам относят ток, электрический заряд, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, напряжение, частоту, фазовые сдвиги.

Такие преобразователи можно разделить на масштабные, функциональные, выпрямительные, модуляционные, и преобразователи параметров электрических цепей. Входной величиной первых трех типов является ток или напряжение. Масштабные преобразователи – это такие, которые преобразуют входной ток или напряжение в пропорциональный ток или напряжение, без преобразования рода тока в соответствующем масштабе. Функциональные преобразователи электрических величин – это такие, в которых выходная величина не является пропорциональной функцией входной. Она может быть функцией нескольких входных величин (сумма, разность и пр.) Функциональными преобразователями являются так же операционные усилители, у которых входная величина связана с выходной интегральной или дифференциальной зависимостью. Выпрямительные преобразователи – это такие, в которых происходит преобразование переменного тока или напряжения в постоянный ток или напряжение.

Модуляционными преобразователями называются такие, которые преобразуют величину, не изменяющуюся во времени, в переменную величину. Входная величина может изменяться по простому гармоническому закону, а выходная информация может заключаться в амплитуде, частоте или фазе сигнала. Входной величиной может быть и последовательность импульсов, а выходная информация, в этом случае, может заключаться в амплитуде, частоте, фазе импульсов, в их ширине, скважности и т.д. Преобразователи параметров электрических цепей представляют собой электрические цепи постоянного или переменного тока, в которых активное или реактивное сопротивление (R, C, L), или коэффициент взаимоиндуктивности M преобразуются в изменение тока или напряжения.

Преобразователи электрических величин в неэлектрические, в большинстве случаев, преобразуют подаваемый на них ток, или напряжение, в механическую величину. Этими преобразователями являются измерительные механизмы и обратные преобразователи магнитоэлектрической, электромагнитной, и других систем. Характерный их пример – стрелочные электроизмерительные приборы.

Большую группу преобразователей представляют преобразователи неэлектрических величин в электрические. Эти преобразователи достаточно подробно рассматриваются в данном пособии.

К преобразователям также относятся аналого-цифровые преобразователи (АЦП), которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой, и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые преобразуют цифровой сигнал в аналоговый. АЦП являются по сути измерительными устройствами, так как их работа заключается в постоянном сравнении входной измеряемой величины с эталонами. Наиболее точными являются низкочастотные АЦП интегрирующего типа. АЦП и ЦАП выпускаются в интегральном исполнении и их характеристики достаточно стабильны.

Контрольные вопросы

1. В чём отличие понятий «датчик» и «преобразователь».

2. В чём отличие датчика прямого действия от составного датчика.

3. Что препятствует созданию чёткой, установившейся, классификации датчиков.

4. В чём основное отличие параметрических датчиков от генераторных.

5. Расшифруйте понятие «диапазон частот сигналов».

6. Есть ли чёткие границы между диапазонами частот, например, высокими и сверхвысокими.

7. Разновидностью какого типа датчиков являются частотные датчики.

8. Где могут быть использованы инфракрасные датчики.

9. Дайте расшифровку сокращению ПАВ.

10. Как в классификации датчиков учитываются аналоговые и дискретные сигналы.

11. Как классифицируются датчики по таким признакам, как вид входной и выходной величины.

12. Какие требования предъявляются к характеристикам датчиков.

13. Какую классификацию датчиков можно считать оптимальной.

14. Как классифицируются измерительные преобразователи.

15. Как классифицируются технические средства измерений.

16. Чем отличаются датчики с сосредоточенными и датчики с распределенными параметрами.

17. Дайте расшифровку сокращений: АЦП и ЦАП.

Рекомендуемая литература

1. Анцев, Г.В. Бесконтактные помехоустойчивые датчики на ПАВ / Г.В. Анцев, С.В. Богословский, Г.А. Сапожников – «Нано и микросистемная техника» №8, с. 38 – 43.

2. Благовещенский, В.С. Управление и измерение в больших и малых системах: монография / В.С. Благовещенский – Чита, Изд-во ЧитГУ, 2007 г.

3. Благовещенский, В.С. Средства преобразования и передачи информации: монография / В.С. Благовещенский, Ю.Н. Давыдов – Томск, Изд-во ТГУ, 1986г.

4. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон – М.: Техносфера, 2007.

5. Колешко В.М. Проектирование электронного носа на основе нано-трубок и ДНК / В.М. Колешко, Д.А. Дейнок, А.С. Чашинский, Н.В. Хмурович – «Нано и микросистемная техника» №9, 2009, с. 2-6.

6. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. Под. Ред. В. Н. Нефедова, М.: Высшая школа, 2001.

7. Скугоров В. Н. Первичные измерительные преобразователи / В. Н. Скугоров – М.: Энергоатомиздат, 1990.

8. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден – М.: Техносфера, 2005.

1. Роль датчиков в системах управления.

2. Измерение параметров неэлектрических величин.

3. Предложения по классификации датчиков.

4. Датчики, используемые для дистанционных измерений.

5. Датчики в космических аппаратах.

6. Датчики для горной промышленности.

7. Датчики для электроэнергетики.

8. Датчики на транспорте.

9. Датчики в строительстве.

10.Датчики для экологических исследований.

11.Измерительные преобразователи.

12.Многоканальные датчики для определения состава газов.

13.Датчики, используемые в медицине.

14.Перспективы создания и совершенствования датчиков для систем управления.

15.Ультразвуковые датчики и датчики на ПАВ.

16.Пирометры, сферы использования, перспективы совершенствования.

17.Датчики охранной сигнализации.

18.Датчики для определения радиоактивных излучений.

19. Основные физические эффекты, используемые в генераторных датчиках.

20. Последние достижения отечественной и зарубежной техники в области параметрических датчиков.

21.Последние достижения отечественной и зарубежной техники в области генераторных датчиков.

Дата добавления: 2014-12-27