Датчики и их разновидности

Датчики — устройства, содержащие чувствительные части, реагирующие на определенные факторы с целью управления, контроля, мониторинга работы электроустановок, электроники, силовых систем, двигателей, бытовых и иных приборов. Изделия регистрируют изменения среды и, посылая команду исполнительным частям, обеспечивают автоматизацию, автономность оснащения или передают данные на устройства слежения. С помощью датчиков обеспечивается также и безопасность, оборудования или окружающей среды (например, пожарные сенсоры). Для каждого типа оборудования характерный определенный вид детекторов с нужными функциями, стойкостью, сенситивностью — рассмотрим их. А также опишем устройство, принцип работы, внешний вид сенсоров. Таким образом, читатель сможет сориентироваться, где какое устройство применяется, что надо ремонтировать или покупать для замены.

Что такое датчик

Под датчиком, сенсором, детектором подразумевают прибор, узел обособленного типа (интегрированный или в большей мере отдельный, но различимый), имеющий в своем составе один или больше первичных преобразователей измерительных типов. Назначение — выработка данных замеров в виде, подходящем для передачи, исследования, оценки, обработки, дальнейшей трансформации, хранения. Такая пересылка не поддается непосредственному восприятию наблюдателями. Пример простейшего устройства – микрофон, это звуковой детектор (громкость воспринимается, но ее силу в дБ человеку сложно оценить)

Детекторы могу иметь промежуточные узлы — вспомогательные или прямо необходимые для работы измерительные преобразователи, а также меру.

Устройство может быть вынесено на любые расстояния от обслуживающей системы, объекта, приемника. Длина определяется возможностью инструментов и методов связи (кабели, радиосигнал).

Задачи и роль датчиков

Задача сенсоров — передать параметры исследуемых факторов на приемник для последующей обработки им. А также, как уже мы отметили выше, детекторы могут делать своими дополнительными преобразователями некоторую подготовительную обработку импульсов, приводя их в удобную для передачи форму.

Но может быть еще важная задача. Если соотношение показателя величины сенсора на выходе с соответствующим значением таковой входной нормированное, то такие изделия являются измерительными средствами. То есть выполняют не только пассивную роль мониторинга, но и замеряют характеристики исследуемых факторов в диапазонах, допускающихся их техническими возможностями.

Есть многофункциональные модификации датчиков, воспринимающие и преобразовывающие, работающие с несколькими входными величинами. Помимо главной опции — восприятия значений, создание измерительного импульса — выполняют дополнительные опции, такие как фильтрация, предварительная обработка и так далее.

Датчик (сенсор, детектор) — это составляющие технических систем, их опции такие для обслуживаемых приложений:

• измерение;
• сигнализация;
• регулировка, настройка.

Изделия преобразуют данные о контролируемой среде — давлении, t°, расходе, концентрации, частоте, скорости, перемещении, электропараметрах — в сигналы (электро, пневмо, оптические). Создается наиболее подходящая для передачи и восприятия приемником форма для дальнейших измерений, обработки, подачи, трансформации, хранения, регистрации данных.

Сфера применения

Датчики используются везде там, где для работы прибора, техники, конструкций, систем, узлов требуется мониторинг определенных факторов (мы их перечислили выше). Ярким примером является температура: пожарный сенсор фиксирует превышение порогового значения и подает на узлы сигнализации данные об этом, а тот включает звуковую, световую индикацию, автоматическое пожаротушение.

Термодатчик в бойлере фиксирует достижение водой определенного уровня нагрева, дает импульс на реле термостата и тот отключает прибор. Множество датчиков есть в автомобилях, например, один из них — детектор вращения коленвала — подает информацию на ЭБУ, а тот регулирует работу системы впрыска топлива.

Вот лишь небольшая часть оборудования, где используются датчики:

• бытовые приборы (бойлеры, стиралки, отопительные котлы, плиты, чайники, тестеры, утюги, микроволновки);
• изделия с термостатами и реле, автоматическими выключателями имеют сенсоры;
• почти вся электроника имеет детекторы. Например, обычная компьютерная мышь имеет ИК сенсор, отслеживающий ее движение;
• робототехника не просто использует датчики, а основывается на них — это рецепторы, органы чувств таких конструкций;
• вся сфера безопасности пронизана различными сенсорами, детекторами (пожарные, движения, дымовые и прочие);
• все устройства с дистанционным управлением;
• здравоохранение, например, сенсоры, выявляющие опасные вещества в крови и сигнализирующие об этом;
• смартфоны;
• транспортные средства (в машине есть с десяток или больше таких изделий);
• любое оборудование с автоматизацией, автономностью;
• научные исследования, эксперименты;
• связь;
• отслеживание местоположения объектов (GPRS и прочее);
• энергетика — для исследования электропараметров;
• обнаружение опасных факторов, например, дозиметр, газовые сенсоры;
• в промышленности и производстве сенсоры не просто незаменимые, а жизненно необходимые, особенно для контроля электрохарактеристик, обнаружения перегрева, положения деталей.

Сложно назвать такую область, в которой бы отсутствовали датчики. Часто сенсоры связаны с чисто измерительными приборами — барометрами, термометрами, высотомерами. Последние делают замеры, датчик улавливает эти значения и передает на оборудование, автоматику.

Если обобщить, то термин «датчик» появился с развитием автоматизации управления, контроля, работы. Традиционной является следующая цепочка:

Датчик (улавливает и передает данные об исследуемых факторах, состоянии) — узел (прибор, система) управления (дает команду) — исполнительное устройство (принимает указания и настраивает обслуживаемый объект).

Датчик отличается от измерителя тем, что он в охватывающем им диапазоне только фиксирует выход сигнала исследуемого фактора. Поэтому часто для полноценной работы оснащения есть еще и узел, осуществляющий замеры, и они тесно связанные, могут быть интегрированными друг с другом, настолько, что отдельная работа их была бы невозможной.

Названия

Применяемые нами синонимы для описываемых устройств будем понимать как равнозначные — они обозначают измерительный преобразователь с функциями восприятия входных величин и формирования измерительных сигналов. Если говорить строго, то слово «сенсор» имеет акцент на восприятии, «датчик», — на создание и выдачу измерительных импульсов, «детектор» — на обнаружение определенных факторов. Но все эти свойства будем считать присущими каждому используемому нами синониму.

Все чаще используются модели изделий со сложной обработкой сигналов, с опциями регулировки, настройки параметров, интерфейсом управляющей системы. Надо сказать, что датчиками можно назвать и биологические маркеры. То есть термин допустимо трактовать расширенно.

При использовании измерителей, показания оборудования воспринимаются, обычно, напрямую — на дисплеях, табло, панелях, посредством световых, звуковых сигналов и проч. Показания же датчиков требуют трансформации в форму, которая может быть воспринята приемником и/или человеком.

Автоматизированное оснащение управления может иметь детекторы в роли инициаторов для сработки оборудования, арматуры, программ. Показания при этом, как правило, поступают на запоминающие элементы для контрольно-аналитических процессов, вывода на табло, на печать.

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.

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).

Что оценивается:

• 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:

Требования для датчиков

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.

Разновидности датчиков

Классификация сенсоров чрезвычайно обширная. Опишем наиболее характерные виды применяемых повсеместно датчиков.

В своей основе почти все детекторы базируются на чувствительной части, реагирующей на определенные параметры обслуживаемой среды, а также на сопровождающие ее процессы.

Например, сенситивным элементом может быть следующее:

• оптический луч, лазеры (датчики скорости вращения);
• резистор из специального сплава, который при определенных температурах меняет сове сопротивление. При этом на него приемник подает небольшой ток, таким образом отслеживает изменения (NTC PTC детекторы);
• спайка из разных сплавов (термопары) реагирующих созданием силы ЭДС и малого тока при конкретных температурах, именно изменения этих явлений регистрирует приемник;
• биметаллические пластины, изгибающиеся при нагреве смыкая/размыкая контакты;
• тензометрические элементы, отслеживающие давление, которые при определенном усилии, прикладываемом к ним, меняют свои электрохарактеристики;
• магниты;
• поплавки;
• с химреактивами.

В зависимости от исследуемой величины, от характера входных значений датчик бывает:

• для механических (линейных, угловых) перемещений;
• пневмо;
• расходомерный;
• отслеживающий скорость, ускорение;
• давления, усилия;
• температурный;
• газовый, загрязненности среды (воды, воздуха);
• химических сред.

Классификация по выходной величине, то есть по созданию удобного для восприятия сигнала, в который преобразуется входной импульс исследуемой среды:

• постоянного/переменного тока, его частоты (ЭДС или напряжения);
• сопротивления (активного, индуктивного, емкостного и других);
• могут быть любые другие формы передачи информации (свет, радиосигнал, звук).

Подавляющее большинство сенсоров электрические, поскольку именно при этом наблюдается наибольшая совокупность достоинств:

• электросигнал удобный для передачи на расстояния, при этом скорость почти моментальная;
• универсальность — любые иные величины можно трансформировать в электричество, отобразить им и наоборот;
• чрезвычайная точность;
• возможность преобразования данных в цифровые коды, что обуславливает лучшую чувствительность, быстродействие

Классы

Датчики имеют виды, которые группируют по трем классам:

• аналоговые — создающие аналоговый сигнал, пропорционально входному потоку данных;
• цифровые (электронные) — генерируют последовательности сигналов;
• бинарные, основанные на двоичных кодах, словах выдачи информации. Создают двухуровневый сигнал «вкл./выкл», 0 или 1, да/нет, можно/запрещено. Широко распространенные из-за простоты, могут быть двух описанных выше типов.

По принципу действия

Виды по методам работы:

• генераторные. Преобразовывают неэлектрический контролируемый или регулируемый сигнал в ЭДС. Нет потребности в постороннем источнике энергии, поскольку сами они источники ЭДС (пример — термопара). Подвиды:
  • с термоэлектрическим принципом (электропараметры меняются в зависимости от изменения температуры), что и регистрирует приемник;
  • пьезо;
  • гальванические;
  • тахометрические (разные скорости вращения исследуемого объекта провоцируют изменения в электропараметрах датчика);
• параметрические. Трансформируют вх. величину в изменение электрохарактеристик сенсора. Но есть особенность — такой детектор получает электроэнергию от, как правило, маломощного источника энергии. Разновидности:
  • активного сопротивления: контактного, реостатного, потенциометрического принципа. А также тензодатчики, термо и фото резисторы;
  • реактивного сопротивления. Индуктивные, емкостные.

У активных детекторов используется зависимость значения активного сопротивления от давления с контактным характером, от температуры, освещенности фотоэлементов.

Контактные

На контактных детекторах остановимся подробнее, так как они ярко отображают принцип работы. Это одни из самых простых разновидностей, элементарные по своей конструкции и методу. Преобразовывают движение первичного элемента в изменение сопротивления электроцепи скачкообразного характера. Это сенсор, где линейное или угловое перемещение трансформируется в замкнутое/разомкнутое состояние контактов, производящих управление электроцепями.

Подвиды: с механическим (ручным) и магнитным управлением. Например, герконы, у которых контакты намагничиваются и смыкаются, если в их колбе создается определенное магнитное поле исследуемым фактором, обычно, связанным с электрическими явлениями.

Контактными детекторами делают замеры и контроль усилий, перемещений, температур, размеров, форм. Такие устройства работают на постоянном и переменном токе. Подвиды: одно- и многопредельные. Последние применяются для величин, изменяющихся в широких рамках, при этом части резистора цепи закорачиваются.

Контактные детекторы широко применяются в автомобилях. Опишем некоторые.

Датчики аварийных состояний. Пример: сенсоры перегрева охлаждающего вещества, включения вентилятора. Используется способность биметаллической пластины изгибаться при воздействии на нее тепла, тем самым замыкаются/размыкаются контакты, подается питание на крыльчатку и пр. элементы системы.

Детектор аварийного давления масла. Используется свойство упругих частей деформироваться под давлением среды.

Датчик уровня жидкости, основывающийся на контакте воды, емкости и исполнительных элементов (указатели, смыкатели и прочее) с поплавком.

Схема действия геркона для контроля исправности лампочек в автомобиле.

Контроль износа тормозных колодок:

Расширенная классификация датчиков

Мы рассмотрели самые популярные варианты сенсоров. Есть также не особо распространенные детекторы. Типы датчиков достаточно полно отображены во многих источниках. Для целостности картины приведем список с уже описанными нами типами:

Наиболее многочисленные разновидности по виду измеряемого параметра:

Видео по теме