Индуктивные датчики. Виды

Если 1-Wire требовала один провод данных, то эта шина, исходя из названия Two-Wire Bus - два.
Один из проводов - SCL будет тактирующим, по второму - SDA, полудуплексом будут передаваться данные.
Шина с открытым коллектором, следовательно обе линии необходимо подтянуть к питанию. Датчик будет подключаться следующим образом:

Рисунок 17. Подключение датчиков по I2C

Общее количество устройств, которые можно подключить к шине I2C - 112 устройств при 7-разрядной адресации. Каждому устройству на деле выделяется два последовательных адреса, младшим битом выставляется режим - на чтение или запись. Есть строгое требование по емкости шины - не более 400пФ.

Общеупотребительные значения скоростей - 100 кбит/сек и 10 кбит/сек, хотя последние стандарты допускают и скоростные режимы в 400 кбит/сек и 3.4мбит/сек.

Шина может работать как с несменяемым мастером, там и с передачей флага.
Огромное количество информации по протоколу можно найти по этой ссылке: http://www.esacademy.com/en/library/technical-articles-and-documents/miscellaneous/i2c-bus.html

Подключение цифровых датчиков по стандарту SPI

Требует как минимум три провода, работает в режиме полного дуплекса - т.е. организует одновременную передачу данных в обе стороны.
Линии связи:

• CLK - линия тактового сигнала.
• MOSI - выход мастера, вход слейва
• MISO - вход мастера, выход слейва
• CS - выбор чипа (опционально).

Одно из устройств выбирается мастером. Оно будет отвечать за тактирование шины. Подключение осуществляется перекрестным образом:

Рисунок 18. подключение по SPI и суть передачи

Каждое устройство в цепи содержит свой сдвиговый регистр данных. С помощью сигналов тактирования, спустя 8 тактов содержимое регистров меняется местами, тем самым, осуществляя обмен данными.

SPI - Самый скоростной из представленных интерфейс передачи данных. В зависимости от максимально-возможных частот тактирования скорость передачи данных может составлять 20, 40, 75 мбит/сек и выше.

Шина SPI позволяет подключать устройства параллельно, но здесь возникает проблема - каждому устройству требуется своя линия CS до процессора. Это ограничивает общее количество устройств на одном интерфейсе.
Главная сложность в настройке SPI - это установить полярность сигнала тактирования. Серьезно. Настроить SPI не просто, а очень просто.

Коротко и ясно об SPI с описанием периферийных модулей SPI для AVR и MSP430 можно прочитать здесь http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/interface/spi/index.htm

4 Снятие показаний с датчиков

Пора бы уже прочесть с наших датчиков хоть какую-то информацию.

В зависимости от способа подключения датчика и его типа возможны различные способы снятия показаний. Следует отметить, что некоторые датчики, например цифровые датчики, или датчики состава газа, требуют предварительного запуска режима измерения, который может длиться некоторое время.

Таким образом, процесс измерения состоит из двух тактов - такт измерения данных и такт снятия данных. При организации программы можно пойти по одному из следующих вариантов:


Рисунок 19. Процесс считывания показаний с датчика

Рассмотрим каждый вариант по отдельности и набросаем скелеты:
Вариант 1. запустили режим измерений, подождали, считали.
Вариант притягателен своей простотой, однако за ней кроется проблема - во время ожидания выполнения измерений микроконтроллер нагло простаивает, не выполняя задач. В большинстве систем автоматики такой режим - непозволительная роскошь.

В коде это будет выглядеть следующим образом:
Sensor.Start();//запустить процесс измерений delay(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//ожидаем завершения процесса int var = Sensor.Read();//считываем данные
Вариант 2 . запустили режим измерений, вернулись к другим задачам, по прошествии времени сработало прерывание, считали данные.
Один из лучших вариантов. Но наиболее сложный:
void Setup(){ TimerIsr.Setup(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//настраиваем прерывание по таймеру с необходимой периодичностью int mode = START;//переменная состояния Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз } TimerIsr.Vector(){//обработчик прерывания по таймеру if (mode == START{ mode = READ; var = Sensor.Read();//если датчик был в режиме измерения, считываем данные } else { mode = START; Sensor.Start();///если датчик был в режиме считывания данных, запускаем новый цикл измерений } }
Выглядит неплохо. позволяет варьировать время между циклами измерений и циклами считывания. например, датчик состава газов должен успеть остыть после предыдущих измерений, либо успеть нагреться во время измерений. Это разные периоды времени.

Вариант 3: Считали данные, запустили новый виток.
Если датчик позволяет после считывания данных запускать новый цикл измерений, то почему бы и нет - сделаем все наоборот.
void Setup(){ TimerIsr.Setup(MINIMAL_SENSOR_DELAY_TIME);//настраиваем прерывание по таймеру с необходимой периодичностью Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз } TimerIsr.Vector(){//обработчик прерывания по таймеру var = Sensor.Read();//считываем данные Sensor.Start();///запускаем новый цикл измерений

Отличный способ сэкономить время. и знаете что - такой метод отлично работает и без прерываний. Цифровые датчики хранят вычисленное значение вплоть до отключения питания.А с учетом того, что считывать сигналы с датчика влажности ввиду его инерционности в 15 секунд часто и не требуется, можно и вовсе сделать так:
void Setup(){ Sensor.Start();//запускаем процесс измерений в первый раз while(1){ //много всякой остальной рутины var = Sensor.Read();//считываем данные Sensor.Start();///запускаем новый цикл измерений } }
Может быть и такой вариант, что наш датчик самостоятельно запускает новый цикл измерений и потом с помощью внешнего прерывания он сообщает о завершении измерений. Например, АЦП можно настроить на автоматический режим считывания данных с частотой N Гц. С одной стороны, в обработчике прерывания будет достаточно реализовать только процесс считывания новых данных. С другой стороны, можно воспользоваться прерыванием АЦП с режимом Прямого Доступа к Памяти - ПДП(DMA). В этом случае по сигналу прерывания периферийный модуль АЦП на аппаратном уровне самостоятельно скопирует данные в определенную ячейку памяти в ОЗУ, тем самым обеспечивая максимальную скорость обработки данных и минимальное воздействие на рабочую программу (не надо уходить в прерывание, вызывать обработчик и проч.).

Но использование DMA сильно выходит за рамки данного цикла.

К сожалению, первый метод поголовно используется в библиотеках и примерах для Arduino, не позволяет этой платформе правильно использовать ресурсы микроконтроллера. Зато он проще в написании и отладке.

4.1 Работа с АЦП

Имея дело с аналоговыми датчиками имеем дело с АЦП. В данном случае рассматривается АЦП встроенный в микроконтроллер. Так как АЦП является по сути тем же датчиком - преобразует электрический сигнал в информационный - для него справедливо все что описано выше в разделе 2. Главными характеристиками АЦП для нас являются его эффективная разрядность, чувствительность, опорное напряжение и быстродействие. При этом, выходным значением АЦП преобразования будет некоторое число в выходном регистре, которое необходимо перевести в абсолютное значение в единицах измеряемой величины. В дальнейшем, для отдельных датчиков будут рассмотрены примеры таких расчетов.

4.1.1 Опорное напряжение
Опорное напряжение АЦП - это напряжение, которому будет соответствовать максимальное выходное значение АЦП. Опорное напряжение подается от источника напряжения, как встроенного в микроконтроллер, так и внешнего. От точности этого источника зависит точность показаний АЦП. Типовое опорное напряжение встроенного источника равняется напряжению питания или половине напряжения питания микроконтроллера. Могут быть и другие значения.

Например, таблица возможных значений опорного напряжения для микроконтроллера Atmega1280:


Рисунок 20. Выбор опорного напряжения для АЦП микроконтроллера Atmega1280

4.1.2 Разрядность АЦП и чувствительность
Разрядность АЦП определяет максимальные и минимальные значения в выходном регистре при минимальном и максимальном входном воздействии электрического сигнала.

Следует отметить, что максимальная разрядность АЦП может не соответствовать его эффективной разрядности.
Часть младших разрядов может быть отдана на шум. Обратимся к датащиту на микроконтроллер ADuCM360, имеющему 24-разрядный АЦП с эффективной разрядностью 14 бит:

Рисунок 21. Назначение битов регистра данных АЦП

Как видно из рисунка, в 32-разрядном регистре, часть выделяется на знак, часть на нули и часть на шум. И лишь 14 разрядов содержат данные, имеющие указанную точность. В любом случае, эти данные всегда указываются в документации.

От эффективной разрядности АЦП зависит его чувствительность. Чем больше промежуточных ступеней выходного напряжения, тем выше будет чувствительность.

Допустим, опорное напряжение АЦП Uоп . Тогда, N-разрядный АЦП, имея 2N возможных значений, имеет чувствительность
(11)

Таким образом, для 12-разрядного АЦП и опорного напряжения в 3,3В его чувствительность составит 3,3/4096 = 0,8мВ

Так как наш датчик также обладает определенной чувствительностью и точностью, будет неплохо, если АЦП будет обладать лучшими показателями

4.1.3 Быстродействие АЦП
Быстродействие АЦП определяет, насколько быстро считываются показания. Для АЦП последовательного приближения требуется определенное количество тактов, чтобы оцифровать уровень входного напряжения. Чем больше разрядность, тем требуется больше времени, соответственно, если к концу измерения уровень сигнала успевает измениться, это отразится на точности измерения.

Быстродействие АЦП измеряется в количестве семплов данных в секунду. Оно определяется как частота сигнала тактирования АЦП, деленная на требуемое для измерения число таков. Например, имея частоту тактирования АЦП в 1МГц и 13 тактов для снятия показаний, быстродействие АЦП будет равно 77 килосемплов в секунду. Для каждого варианта разрядности возможно рассчитать свое быстродействие. В технической документации обычно указывается максимально-возможная частота тактирования АЦП и его максимальное быстродействие при той или иной разрядности.

4.2 Цифровые датчики

Главное преимущество цифровых датчиков перед аналоговыми - они предоставляют информацию об измеряемой величие в готовом виде. Цифровой датчик влажности вернет абсолютное значение влажности в процентах, цифровой датчик температуры - значение температуры в градусах.

Управление датчиком осуществляется с помощью имеющихся в нем регистром в форме вопрос-ответ. Вопросы следующие:

• Запиши в регистр A значение B
• Верни значение, хранящееся в регистре C

В ответ датчик, соответственно, либо записывает необходимые данные в регистр, производя настройку параметров или запуск какого-то режима, либо передает контроллеру измеренные данные в готовом виде.

На этом я закончу общий материал. В следующей части мы рассмотрим датчики HVAC с примерами.
После датчиков пойдет рассмотрение исполнительных устройств - там довольно много интересного с точки значения теории автоматического управления, а потом доберемся и до синтеза и оптимизации регулятора всего этого безобразия.

UPD: Выражаю благодарность

Датчик – конструктивно законченный элемент, состоящий из чувствительного элемента и измерительных преобразователей (ИП). С введением унифицированных сигналов в практику приборостроения вошло производство датчиков с унифицированным выходным сигналом. В данном случае датчиком называют объединенные в одном блоке первичный измерительный преобразователь и нормализующий преобразователь. ИП служат для преобразования естественного сигнала чувствительного элемента (первичный преобразователь) в форму, удобную для передачи или обработки. Современные датчики содержат узлы, выполняющие линеаризацию, корректировку и другую обработку сигнала. Пример структурной схемы датчика приведен на рис.10.

Рис.10. Структурная схема датчика

Основные характеристики датчика: входной параметр, выходной сигнал, статическая характеристика, динамическая характеристика и погрешности, конструктивные характеристики.

3.2.1. Статическая характеристика датчика

Статическая характеристика датчика (вход-выход) отражает функциональную зависимость выходного сигнала от входного параметра в установившемся режиме. Статическая характеристика задается: аналитически, графически, таблично. Рис. 11.

Рис.11. Статические характеристики датчиков:

а) линейные нереверсивные, б) реальные нелинейные, в) реверсивная, г) гистерезисная.

По этой характеристике определяются такие параметры датчика, как чувствительность (коэффициент преобразования), порог чувствительности/разрешения, линейность, величина дрейфа; рабочий/,динамический диапазон, параметры гистерезиса и т. д. Для некоторых типов датчиков (термопары ГСП) установлены номинальные статические характеристики (НСХ) и установлены классы точности в соответствии с процентом отклонений от НСХ.

1) Коэффициент преобразования или коэффициент передачи - это отношение выходной величины элемента Y к к входной величине Xк или отношение приращения выходной величины (=Y 2 -Y1, dy) к приращению входной величины (=X 2 -X1, dx):

Cтатический коэффициент преобразования (k, k’).

Значение динамического коэффициента преобразования К д зависит от выбора рабочей точки.(Рис. 10 б) точка А).

2) Порогом чувствительности называется минимальная величина на входе элемента, которая вызывает изменение выходной величины. При изменении входной величины X от 0 до порога выходная величина Y не изменяется и равна 0. Рис. 10 а), б).

3) Линейность . Статические характеристики датчика на рабочем участке (в окрестностях точки А) должны быть линейными, отклонение измеряется в %.

4) Дрейф это смещение характеристики при изменении внешних условий по отношению к стандартным. Рис. 10 а).

5) Диапазон измерений – область значений измеряемого сигнала, для которого нормированы измеряемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений наибольшими и наименьшими значениями диапазона измерений. D= Xкз.. Xп , где Xкз - конечное значение шкалы приборов, Xп - порог чувствительности приборов. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов. Динамический диапазон используют, если диапазон очень велик.

Dd=20*Log(X 2 /X 1)

6) Характеристики многих датчиков имеют гистерезис : сигнал датчика при прямом и обратном ходе отличаются, основной показатель гистерезиса ширина петли. Рис. 10 г).

7) Реле называется элемент автоматики, в котором при достижении входной величины X определенного значения, выходная величина изменяется скачком. Зависимость Y= f(X) является вариантом гистерезиса и имеет форму петли. Рис.11.

Скачкообразное изменение Y в момент X=X 2 называется величиной срабатывания . Скачкообразное изменение Y в момент X=X 1 называется величиной отпускания . Отношение величины отпускания X 21 к величине срабатывания X 2 называется коэффициентом возврата ОбычноX 2 > X 1 , поэтому К в.= Х 1 /Х 2 < 1.

3.2.2. Динамическая характеристика датчика

Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика в переходных режимах. Динамические характеристики определяют зависимость выходного сигнала датчика от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних факторов, нагрузки. В зависимости от полноты описания динамических свойств СИ различают полные и частные динамические характеристики. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств датчика. Примерами таких характеристик являются время реакции датчика, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, запаздывание, время нарастания, время установления, время первого максимума, статическая ошибка, полоса пропускания, постоянная времени.

Для датчиков и измерительных преобразователей время реакции – время установления выходного сигнала, определяемое при скачкообразном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала. Динамические свойства СИ определяют динамическую погрешность.

Рис. 13. Динамические характеристики датчика

На рисунке обозначены характеристики:

запаздывание - t;

время нарастания - t 2 - t 1 ;

время первого максимума – Т;

время переходного процесса - Т 1;

полоса пропускания – П.

3.2.3. Погрешности

При работе датчика выходная величина у отклоняется от необходимого значения за счет внутренних или внешних факторов (износ, старение, колебания напряжения питания, температура и т.д.). Отклонение характеристики называется погрешностью. Погрешности: делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность – максимальная разность между выходным сигналом датчика и его номинальным значением при нормальных условиях эксплуатации.

Дополнительные погрешности – вызываются изменением внешних условий по отношению к норме, нормированные по основному фактору. Выражаются в процентах к изменению вызвавшего фактора. Например: 1% на 5°С.

Основная погрешность может быть абсолютной, относительной и приведенной.

а) Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между действительным значением выходной величины и его номинальным значением– Y:

б) Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к номинальному (желаемому) значению выходной величины Y (обычно выражается в %):

.

в) Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению: для преобразователей это наибольшее значение выходной величины, для приборов максимальное значение шкалы. Величина этой погрешности определяет класс точности прибора 0,1; 0,5; 1.0 и т.д.

.

Погрешности СИ могут иметь систематические и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят к неоднозначности состояний. Поэтому случайные составляющие погрешности СИ стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими.

Систематические погрешности измерения - это составляющие погрешности, которые остаются постоянными и закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. К постоянным систематическим погрешностям относят погрешность градуировки шкалы, температурная погрешность и т.д. К переменным систематическим погрешностям относят погрешность, обусловленную нестабильностью источника питания. Систематические погрешности исключают путем калибровки или введения поправок (смещения).

Случайные погрешности измерений – это составляющие погрешности измерения, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Значение и знак случайной погрешности определить невозможно, т. к. случайные погрешности обязаны своим происхождением причинам, действия которых не одинаково в каждом эксперименте и не может быть учтено.

Обнаруживаются случайные погрешности при многократных измерениях одной и той же величины, следовательно, их влияние на результат измерений учитывается методами математической статистики и теории вероятности. Рис. 14.

Рис. 14. Систематическая и случайная составляющие погрешности

Лабораторная работа

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДАТЧИКОВ

Приборы и принадлежности :

четыре транзистора, металлическая балка, набор грузов для нагружения балки, микроамперметр, потенциометр, источник питания, термопара, милливольтметр.

Цель работы :

1.Изучение тензорезистивного проволочного датчика и получение его характеристик.

Изучение датчика температуры - термопары.

ТЕОРИЯ

1. УСТРОЙСТВО И КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ

Датчик - устройство, преобразующее внешнее воздействие в электрический сигнал. В медицине и биологии датчики используются в качестве устройств съема информации о медико-биологической системе, если исследуемый параметр имеет неэлектрическую природу. Простейшая схема датчика дана на рис.1

Исследуемый параметр медико-биологической системы X воздействует на преобразователь 1, превращающий Х в электрический сигнал Y.(Рис.1а) Величину X называют естественной входной величиной, величину Y - выходной величиной. При использовании нескольких преобразователей применяют каскадное включение (Рис.1б): входная величина X поочередно превращается в величины X 1 , X 2 , X 3 , ..., Y.

Преобразующие свойства датчиков определяются их характеристикой, чувствительностью, порогом чувствительности, пределом преобразования, номинальной погрешностью.

Характеристикой датчика называют функциональную зависимость выходной величины y от входной величины x , то есть выражение . Обычно стремятся использовать линейную зависимость между выходным сигналом и выходной величиной. Если это не удается, то используют другие виды зависимости - квадратичную, логарифмическую, экспоненциальную и т.д. На рис.2 дана линейная характеристика датчика. x -изменение входной величины,  y - изменение выходной величины.

Чувствительностью датчика называют отношение Чувствительность показывает, какое изменение выходной величины соответствует изменению входной величины

Порогом чувствительности датчика называют минимальное значение изменения входной величины ( x min ), которое может зарегистрировать данный датчик.

Предел преобразования датчика - это максимальное значение входной величины (x max ), которое датчик может преобразовать без искажений.

Информация о входной величине может быть искажена вследствие погрешностей, возникающих при работе датчика. Из-за погрешностей характеристика датчика из линии размывается в полосу определенной ширины.

Среднюю линию полосы называют номинальной характеристикой. Величину b/2, равную половине ширины полосы, называют номинальной погрешностью датчика. Номинальную характеристику и номинальную погрешность указывают в паспорте датчика.

Погрешности датчиков обусловлены следующими причинами:

непостоянством функции преобразователя во времени из-за старения и коррозии материалов, из-за износа подвижных частей датчика;

несовершенством технологии изготовления датчиков (не строго выдержанные геометрические размеры, разброс параметров исходных материалов, неточность настройки и регулировки и т.п.);

инерционными свойствами датчика (изменения выходных величин запаздывают по отношению к соответствующим изменениям входной величины);

обратным воздействием датчика на медико-биологическую систему, что приводит к искажению информации об исследуемом параметре x .

В зависимости от носителя информации о входной величине , датчики подразделяются на электромеханические, электростатические, электромагнитные, электронные, термоэлектрические и т.д.

Различают два типа датчиков: генераторные и параметрические .

Генераторными называют датчики, в которых под воздействием входной величины генерируется разность потенциалов, ЭДС, ток.

К параметрическим относятся датчики , в которых под воздействием входной величины изменяется какой-либо параметр (сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).

Генераторные датчики .

В качестве генераторных датчиков рассмотрим термопару, пьезоэлектрический датчик и индукционный датчик.

Термопары относятся к термоэлектрическим преобразователям.

Термопара представляет замкнутую цепь из двух разнородных металлических проводников (Рис.3).

Контакты металлов A и К (спаи) поддерживают при разных температурах. Один спай называют контрольным (К). Его температура Т К поддерживается постоянной при помощи термостата. Второй спай (А) - рабочий. Он помещается в среду, температуру которой Т А надо измерить. В цепь термопары включается измерительный прибор. Если температура рабочего спая Т А отличается от температуры контрольного спая Т К, то в цепи термопары возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), величина которой прямо пропорциональна разности температур рабочего и контрольного спаев и определяется соотношением

ТЭДС =  (Т А - Т К ),

где  - удельная ТЭДС, показывающая, какая ТЭДС возникает в данной цепи при разности температур контактов в один градус.

Измеряя ТЭДС, можно определить разность температур, а, следовательно, и температуру рабочего контакта. Таким образом, термопара является датчиком температуры. Входной величиной такого датчика является разность температур, выходной - возникающая в термопаре электродвижущая сила.

Пьезоэлектрические датчики . Их работа основана на явлении прямого пьезоэффекта, который заключается в том, что на противоположных концах кристаллической пластинки возникают заряды различных знаков, если пластинку деформировать. Механическое напряжение преобразуется в разность потенциалов между ее концами. Пьезодатчик используют для измерения различных физических величин: механических напряжений, переменных сил, скоростей, ускорений, давления и т.д.

Индукционные датчики . Принцип их действия основан на явлении электромагнитной индукции. Примером такого датчика может быть система из постоянного магнита (или электромагнита) и подвижного замкнутого проводящего контура (подвижной катушки). При поступательном или вращательном движении катушки в магнитном поле в ней наводится ЭДС индукции, возникает индукционный ток, величина которого зависит от скорости движения катушки. Входной величиной такого датчика является скорость или ускорение поступательного или вращательного движения рамки, выходной - возникающая в рамке ЭДС индукции

Параметрические датчики .

Примерами могут служить емкостные, индуктивные, резистивные датчики.

Емкостной датчик . В качестве примера может быть использован, например, плоский конденсатор. Емкость C плоского конденсатора определяется соотношением гдеS - площадь обкладки конденсатора, d - расстояние между обкладками,  - диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками. Если сместить относительно друг друга обкладки заряженного конденсатора, то изменится его электроемкость и соответственно изменится разность потенциалов между его обкладками. С помощью таких датчиков можно измерять механические перемещения, толщину и однородность диэлектрика и т.п.

Индуктивный датчик в простейшем варианте представлен на рис.4 . Катушка 1 намотана на замкнутый сердечник 2. Якорь 3 может перемещаться относительно сердечника и замыкать последний. При перемещении якоря изменяется индуктивность катушки. А это приводит к изменению индуктивного сопротивления цепи и, в конечном итоге, к изменению тока в цепи катушки. Входной величиной такого датчика является механическое перемещение якоря, выходной - ток в цепи катушки.

Разновидностью индуктивных датчиков являются магнитоупругие датчики. Их работа основана на изменении магнитной проницаемости сердечника катушки, если сердечник деформировать - сжать, растянуть и т.п. Изменение магнитной проницаемости сердечника приводит к изменению индуктивности катушки. Входной величиной такого датчика является механическая деформация, механическое напряжение, выходной - сила тока в цепи катушки.

Резистивные датчики . В качестве таковых рассмотрим тензорезисторы (тензосопротивления). Тензорезисторы иначе называют тензодатчиками.

Принцип действия тензодатчиков основан на тензоэффекте. Тензоэффект проявляется в том, что активное сопротивление проводника зависит от механической деформации: от сжатия, растяжения, изгиба, кручения.

Различают тензодатчики с линейным и объемным тензоэффектом.

Датчики с линейным тензоэффектом изготовляют из тонкой проволоки (см. практическую часть). Сопротивление проволоки рассчитывают по формуле где - удельное сопротивление проволоки, l - ее длина, S - площадь поперечного сечения. При деформации датчика одновременно изменяются длина l и поперечное сечение S , что приводит к изменению сопротивления и силы тока в цепи датчика. Датчики с линейным тензоэффектом используют для измерения механических перемещений, деформаций, механических напряжений и давления.

Датчики с объемным тензоэффектом представляют собой столбики из вещества, сопротивление которого сильно изменяется в зависимости от давления окружающей среды. Применяют такие датчики в качестве манометров для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

В завершение этого раздела необходимо несколько слов сказать об электронных датчиках , которые в настоящее время получили широкое распространение. В них преобразование неэлектрической величины в электрическую основано на электронных процессах. К электронным датчикам относятся вакуумные фотоэлементы, в основе работы которых лежит внешний фотоэффект и полупроводниковые фотоэлементы, работающие на внутреннем фотоэффекте. Фотоэлектронные датчики используют для измерения светового потока, силы света, освещенности, для исследования прозрачности и мутности растворов в колориметрах и нефелометрах. С помощью фотоэлементов можно вести счет предметов, измерять механические перемещения, скорости, ускорения и т.д.

2.ДАТЧИКИ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Датчики медико-биологической информации преобразуют биофизические и биохимические величины в электрические сигналы, «переводят» информацию с «физиологического языка» организма на язык, понятный электронным устройствам.

Датчики медико-биологической информации подразделяются на две группы: биоуправляемые и энергетические.

Биоуправляемые датчики реагируют непосредственно на медико-биологическую информацию, поступающую от объекта исследования. Они могут быть как генераторными (активными), так и параметрическими (пассивными).

Энергетические датчики создают в исследуемом объекте энергетический поток со строго определенными, постоянными во времени параметрами. Исследуемая величина воздействует на этот поток, модулирует его изменения, пропорциональные изменениям самой величины. К датчикам такого типа относятся фотоэлектрические и ультразвуковые.

Медико-биологические датчики подразделяются на датчики температуры, датчики системы дыхания, датчики сердечно-сосудистой системы, датчики опорно-двигательной системы и т.д.

Датчики температуры . В качестве таких датчиков используются металлические и полупроводниковые термопары, а также металлические и полупроводниковые терморезисторы.

Датчики системы дыхания используют для определения частоты дыхания, объема вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, эффективности дыхания. С этой целью используют терморезисторные и тензорезисторные датчики. (Терморезисторный датчик иначе называют термистором .)

Например, датчик контроля частоты дыхания представляет собой термистор, вмонтированный в специальную клипсу. Клипса прикрепляется на крыло носа и обдувается потоком воздуха. При этом сопротивление термистора изменяется с частотой дыхания вследствие изменения температуры вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. На выходе датчика снимается последовательность импульсов тока с частотой, соответствующей частоте дыхания.

Контроль эффективности дыхания можно осуществить путем фотометрического измерения процентного содержания гемоглобина в периферической артериальной крови. Содержание гемоглобина определяется оксигемометром - фотоэлектрическим датчиком, который в виде клипсы надевается на мочку уха. Чувствительным элементом такого датчика является фотосопротивление, располагаемое по одну сторону мочки и освещаемое лампочкой осветителя, находящегося по другую сторону мочки. Плотность светового потока через мочку зависит от количества гемоглобина в крови.

Датчики сердечно-сосудистой системы позволяют определять пульс, систолическое и диастолическое давление, тоны и шумы сердца, циркуляцию крови, импеданс тканей и органов и т.д.

Для записи пульса используют пьезоэлектрические датчики . Основной частью такого датчика является кристаллическая пластинка из сегнетоэлектрика, укрепленная одним концом в держателе. Держатель находится на манжете, надеваемой на запястье. Свободный конец пластинки посредством пуговки соприкасается со стенкой лучевой артерии. Колебания стенки артерии передаются кристаллической пластинке, вызывают в ней деформацию изгиба, что приводит к возникновению на противоположных поверхностях пластинки переменной разности потенциалов, повторяющей по форме колебания стенки артерии. Эта разность потенциалов подается на усилитель, а затем на регистрирующее устройство. Кривая, записанная при этом, называется сфигмограммой.

При исследовании тонов и шумов сердца и записи фонокардиограмм применяются пьезоэлектродинамические микрофоны, реагирующие на акустические сигналы.

Для измерения артериального давления используются индуктивные и емкостные датчики.

Для измерения давления крови непосредственно внутри сосуда используются тензорезистивные датчики. Широкому применению тензорезисторов в медицине способствуют их очень малые размеры и масса, благодаря чему возможно создание миниатюрных датчиков. Которые располагают на конце тонкого гибкого катетера, с помощью которого датчики вводятся в сосуды, а по сосудам - в полости сердца.

Различают проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. Проволочный тензодатчик для измерения внутрисосудистого давления представляет собой тонкую кремнийорганическую диафрагму, закрепленную в металлическом кольце на конце катетера. На поверхности диафрагмы расположены тензосопротивления, соединенные по мостиковой схеме, подводящие провода которой проходят внутри катетера. В цепь датчика включен измерительный прибор, проградуированный в единицах давления, и источник постоянного тока. Кровь давит на диафрагму, деформирует тензорезисторы. Что приводит к соответствующим изменениям сопротивления цепи и силы тока в ней.

Изучение кровотока осуществляется с помощью электромагнитных и ультразвуковых датчиков. Электромагнитные датчики измерения скорости кровотока основаны на эффекте Холла. Ультразвуковые датчики скорости кровотока работают на эффекте Доплера. Конструктивно такой датчик состоит из двух пьезоэлектрических пластинок. Одна из пластин служит приемником, а другая - источником ультразвуковой волны.

Ультразвуковая волна с частотой  0 , испущенная источником, отражается движущимся объектом (эритроцитом) в сторону приемника. Приемник воспринимает волну с частотой . Расчеты показывают, что разность частот  0 , называемая доплеровским сдвигом частоты, определяет соотношением

где v- скорость движущегося объекта (скорость кровотока),

U - скорость ультразвуковой волны. Так как скорость распространения ультразвука в крови значительно больше скорости движущегося объектов (U»v), то последнюю формулу можно записать в виде откуда для скорости кровотока получаем выражениеДоплеровские датчики используют также для определения скорости движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Изучение тензорезистора .

Проволочный тензорезистор (Рис 5.) изготавливается из тонкой константановой проволоки (1) диаметром 20-30 мкм, сложенной в виде плоской спирали и наклеенной на тонкую пленочную основу (2).

Сверху спираль закрыта такой же пленкой. С помощью электродов (3) датчик включается в электрическую цепь, содержащую источник питания и измерительный прибор. Деформация основы датчика ведет к изменению длины и поперечного сечения проволоки, что вызывает соответствующие изменения сопротивления тензорезистора и силы тока в цепи. Установка для изучения тензодатчика представлена на Рис.6.

Металлическая балка Б, закрепленная с одного конца, нагружена грузом Р. Тензорезисторы R 1 , R 2 , R 3 и R 4 наклеены в месте наибольшего изгиба балки вблизи ее заделки в опору. Датчики R 1 и R 2 , расположенные на верхней плоскости балки, работают в режиме растяжения. Датчики R 3 и R 4 , наклеенные снизу балки, испытывают деформацию растяжения. Тензосопротивления соединены по схеме моста Уитстона (Рис.7). Мост считают сбалансированным, если ток через микроамперметр не протекает, то есть потенциалы в точках В и Д равны. Это условие выполняется, если имеет место соотношение

R 1  R 2 = R 3  R 4

При нагружении балки это равенство переходит в неравенство

R 1  R 2  R 3  R 4 ,

которое выражено тем сильнее, чем больше нагрузка на балку.

Таким образом, чем сильнее нагружена балка, тем больше ток через микроамперметр.

Входной величиной такой системы (преобразователя механической деформации в изменение электрического тока) является груз Р, изгибающий балку, выходной величиной является ток через микроамперметр. Схема преобразования входной величины в выходную может быть представлена следующим образом:  P   l   R   , где  P - изменение нагрузки на балку,  l - изменение длины датчиков вследствие деформации,  R - изменение сопротивления датчиков,  - изменение тока через микроамперметр.

Порядок выполнения работы

Собрать электрическую цепь по схеме рис. 7

При ненагруженной балке с помощью потенциометра Д сбалансировать мостиковую схему (добиться отсутствия тока в микроамперметре).

Постепенно нагружать балку гирями 1, 2, 3, 4, 5 кг и через каждый килограмм нагрузки снимать показания микроамперметра. Данные занести в таблицу.

		n- число делений микроамперметра
		при нагружении	при разгружении

Последовательно снимать гири по килограмму, записывая показания микроамперметра при разгружении балки.

Вычислить средние значения показаний микроамперметра при данной нагрузке. По полученным данным построить характеристику датчика n=f(P), где n - число делений микроамперметра при данной нагрузке P.

Определить цену деления прибора

k =  P /  n (кГ/дел)

Изучение датчиков температуры

В данной работе в качестве датчика температуры используется термопара, изготовленная из меди и константана. Термопара проградуирована. Градуировочный график прилагается. Определение температурной зависимости сопротивления полупроводника проводится для термистора - одного из самых простых полупроводниковых приборов.

В полупроводниках электрическое сопротивление в значительной степени зависит от температуры. Зависимость сопротивления полупроводника от температуры в определенных температурных интервалах может быть описана выражением R=R 0 ·exp(-W/2kT), где Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана,  W - энергия активации полупроводника (термистора), exp - то же самое, что e - основание натурального логарифма. Таким образом, сопротивление полупроводника уменьшается по экспоненциальному закону. Зависимость сопротивления полупроводника (термистора) от температуры используется для измерения температуры по силе тока в цепи с полупроводником.

Существуют термисторы для измерения как очень высоких (Т  1300 0 К), так и очень низких (Т  4-80 0 К) температур.

В медицине широко применяются электротермометры, датчиком температуры в которых является термистор. К достоинствам электротермометров следует отнести их малую инерционность, высокую чувствительность, возможность изготовления малогабаритных датчиков, возможность измерения температур на расстоянии. К недостаткам относятся нелинейная шкала и старение. Термопары обладают меньшей чувствительностью, однако лишены указанных недостатков.

Для определения температурной зависимости сопротивления термистора последний вместе с активным термоспаем А термопары фиксируют в дюралевом бруске. Для чего в бруске проделывается отверстие, заполняемое непроводящей жидкостью (масло, глицерин и т.д.). Термо-эдс термопары измеряют милливольтметром. Сопротивление исследуемого термистора определяют мультиметром. Контрольный термоспай К термопары опускают в сосуд Дьюара.

Порядок выполнения работы.

Термопару подключить к клеммам милливольтметра.

Включить милливольтметр в сеть.

С помощью переключателя, расположенного на правой боковой панели, установить нуль милливольтметра в режиме «арретир».

Перевести переключатель пределов измерений в положение «5 mV». Рассчитать цену деления милливольтметра.

Опустить контрольный и рабочий спаи термопары в стакан с водой и установить нуль шкалы милливольтметра.

Записать в тетрадь температуру контрольного спая t 0 k .

Измерить температуру ладони в нескольких точках. Для этого приложить активный термоспай к ладони и определить соответствующую ТЭДС по милливольтметру. Используя градуировочный график и соотношение t 0 л = t 0 k +  t 0 , определить температуру ладони.

Аналогично измерить температуру шеи, мочки уха, щеки, подбородка и т.д.

Выключить милливольтметр. Установить милливольтметр в положение «Арретир».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Какие устройства называются датчиками. Роль датчиков в медико-биологических измерениях.

Что называют характеристикой датчика, чувствительностью, порогом чувствительности, номинальной погрешностью датчика?

Дать понятие о генераторных и параметрических датчиках. Примести примеры тех и других датчиков.

Дать понятие о биоуправляемых и энергетических датчиках. Привести примеры.

Объяснить устройство и принцип действия тензодатчиков, их применение в медицине.

Объяснить устройство и принцип действия датчиков температуру (термопары и термистора) .

Электротехническая энциклопедия #16.

Датчики

Классификация датчиков, основные требования к ним

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

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

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

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, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

Электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

Электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

Они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра ( R , L или C ) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

Цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич­ное слово;

Бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам :

Однозначная зависимость выходной величины от входной;

Стабильность характеристик во времени;

Высокая чувствительность;

Малые размеры и масса;

Отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

Работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа .

Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра ( R , L или C ) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l , площади сечения S или удельного сопротивления p :

R = p l / S

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные .

Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контро­лируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели , контактные термометры и так называемые электродные датчики , используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R , включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.

Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I н = f (х), где I н - ток в нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U вых = f (х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов - обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Тензорезисторы (тензометрические датчики ) служат для изме­рения механических напряжений, небольших деформаций, вибра­ции. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы ) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».

2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L ) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.

В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества

- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

- высокая частота переключений до 3000 Hz

- устойчив к механическим воздействиям

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e 0 e S / h

где e 0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C (S ) и C (h ) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообраз­ных, прямоугольных и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщино­меры), а также контроля влажности и состава вещества.

Датчики – генераторы

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).

Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0 C . Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0 C . Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до 1100 0 С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0 C . По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0 C составляет (2…8)*10 –2 (0 C ) –1 , т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0 С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) - п ринцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соедине­ний (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термо­электродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интер­вале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропор­циональна разности температур ΔT = Т 1 – Т 0 между спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е т будет зависеть только от температуры T 1 рабочего конца.

U вых = E т = С(Т 1 – Т 0) ,

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0 С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0 С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества : простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необхо­димость в применении специальных соединительных проводов.

Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0 С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0 С. Они 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; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0 С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Для измерения температур от – 80 до 250 0 С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Пьезоэлектрические датчики

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величина ко­торого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое на­пряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колеба­ний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.

, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.

Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.

По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы:

1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.

2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями.

Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

Микроволновые датчики

На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.

Например, для слежения за скоростью движения промышленных механизмов широко применяются бесконтактные (емкостные и индуктивные), а также тахогенераторные устройства контроля скорости (УКС). Тахогенераторные УКС имеют механическую связь с движущимся объектом, а зона чувствительности бесконтактных приборов не превышает нескольких сантиметров.

Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и существенно затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая налипает на рабочие поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечисленные типы датчиков не способны напрямую контролировать объект (например, ленту конвейера) - они настраиваются на движение роликов, крыльчаток, натяжных барабанов и т. д. Выходные сигналы некоторых приборов настолько слабы, что лежат ниже уровня промышленных помех от работы мощных электрических машин.

Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сигнализаторов уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства необходимы для своевременного отключения подачи сырья в производственные емкости. К ложным срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер. В неотапливаемых помещениях на работу датчиков влияет окружающая температура. Ложные срабатывания сигнализаторов вызывают частые остановки и запуски нагруженного технологического оборудования - основную причину его аварий, приводят к завалам, обрыву конвейеров, возникновению пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 10 10 Гц.

Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов.

Отличительными особенностями этих устройств являются:

Отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько метров;

Непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;

Малое энергопотребление;

Нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;

Высокая помехоустойчивость и направленность действия;

Разовая настройка на весь срок службы;

Высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.

Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала, отраженного от движущегося объекта. Это явление ("эффект Допплера" ) широко используется в радиолокационных системах для дистанционного измерения скорости. Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемо-передающего модуля.

Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве цепи (ленты), наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. Лента имеет гладкую поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда мимо датчика, установленного над рабочей веткой транспортера, начинает двигаться продукт, увеличивая коэффициент отражения, прибор сигнализирует о движении, то есть, фактически о том, что лента не пуста. По длительности выходного импульса можно на значительном расстоянии судить о размере перемещаемых предметов, производить селекцию и т.д.

При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно определить момент окончания засыпки - опущенный на определенную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан.

Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и повысить информативность автоматизированных систем управления.

Список использованных источников

1) Е.М. Гордин, Ю.Ш. Митник, В.А. Тарлинский

Основы автоматики и вычислительной техники

Москва «Машиностроение», 1978

2) Густав Олссон, Джангуидо Пиани

Цифровые системы автоматизации и управления

СПб.: Невский Диалект, 2001

3) В.В.Сазонов Методические указания к выполнению лабораторной работы

«Исследование реостатного датчика линейных перемещений»

4) Чугайнов Н.Г. Реферат «Температурные датчик», Красноярск 2003

5) Федосов А. В. Реферат «Датчики скорости» - Москва 2003

6) Д. Н. Шестаков, генеральный директор ООО "ПромРадар"

Микроволновые датчики промышленного применения

7) Журнал «Современная электроника» 6, 2006

8) Каталог предприятия «Сенсор»

9) Компоненты OMRON / Фотоэлектрические датчики

Автор статьи : Сергей Никулин, преподаватель УО "Гомельский государственный политехнический колледж " .

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изме­нения входной (контролируемой) неэлектрической величи­ны в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления - линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность S = D Y/ D X, где D Y, D X – приращения выходной и входной величин. Часто пользуются понятием относительной чувствитель­ности , где Y , Х — полные изменения выходной и входной величин.

Датчики могут быть линейными (S = const) и нелиней­ными (S = var). У последних чувствительность зависит от входной величины. Важным параметром датчика является порог чувствительности, представляющий собой наименьшее значение входной величины, вызывающее изменение вы­ходной величины, которое может быть измерено.

Номинальной характеристикой датчика называется за­висимость выходной величины от входной величины. Эта характери­стика дается в паспорте датчика и используется как расчет­ная при измерениях. Экспериментально снятая зависимость вход-выход отличается от номинальной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика по входу. Абсолютная погрешность относительная погрешность , где Х вх.ном — значение входной величины датчика, опреде­ляемое по выходной величине и номинальной характеристи­ке; Х д — действительное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены погрешности дат­чика по выходу.

На погрешность оказывают влияние внешние условия эксплуатации: температура, магнитные и электрические по­ля, влажность окружающей среды, напряжение и частота источника питания, механические и радиационные воздейст­вия и др.

Погрешности датчика при нормальных значениях внеш­них параметров (нормальной температуре, нормальном ат­мосферном давлении, номинальных значениях напряжения и частоты питания и т. п.) называются основными.

Если параметры внешних условий выходят за границы нормируемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения дополнительных погрешностей либо сни­жают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Наряду с высокой чувствительностью и малой погреш­ностью, датчики должны обладать необходимым диапазоном изменения входной величины, возможностью согласования с из­мерительной схемой и минималь­ным обратным воздействием дат­чика на входную величину. При быстрых изменениях входной ве­личины датчик должен быть ма­лоинерционным.

Существующие датчики весь­ма разнообразны по принципу действия, конструктивному вы­полнению и схеме.

Датчики можно разбить на две большие группы - параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

К пер­вым относятся резистивные, индуктивные, емкостные и контактные датчики.

Ко вторым относятся датчики, ис­пользующие эффект наведенной ЭДС (электромагнитной индукции), пьезоэффект, эффект Холла, термо-ЭДС, появ­ление ЭДС при воздействии радиоактивных излучений и т. п. Ниже будут рассмотрены датчики, которые по прин­ципу действия и конструкции близки к электрическим ап­паратам.