Определение датчика. Виды датчиков.

Человеку требуются специальные материалы и устройства, которые называются сенсорами, датчиками, детекторами, а по ГОСТУ «измерительными приборами». Они дополняют и расширяют возможности чувств и ощущений человека.

Органам чувств человека соответствуют в автоматах или роботах следующие датчики:

ЧувстваДатчики

Получение Обоняние газоанализатор

сигнала

Вкус иономер

Слух микрофон

Осязание д. температуры

д. перемещения

потока

д. усилия

Зрение ФПД излучения

Д положения

Телекамера (образ)

Преобразование Органы Исполнит. устройство

сигнала

Руки механика

Ноги

Речь динамика

Письмо печать

Жестикуляция индикация

Техника конструирования и применения датчиков развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники – сенсорику.

Без современных датчиков невозможен прогресс техники, науки, общества; невозможен контроль технологических процессов, качества продукции, состояния здоровья, окружающей среды.

Датчик – это устройство, которое, подвергаясь воздействию физической величины, преобразует ее в эквивалентный сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения.

Требования к датчикам:

- миниатюрность;

- дешевизна (серийность);

- надежность.

Сигнал, как правило, имеет электрическую природу. Это заряд, ток, падение напряжения, электрическое сопротивление, емкость и т.д.

Датчик устанавливает коррелирующую зависимость между величиной сигнала и изменяющейся физической величиной: S = f (m). Измеряя “S” можно определить “m”.

Зависимость между S и m устанавливается экспериментально в результате градуировки “S” по известным значениям “m”.

Пусть

Стараются найти линейную зависимость между “S” и “m”. По ней определяют значение физического параметра.

Датчик в своем составе может иметь вторичный преобразователь первичной информации, осуществляющего предварительную обработку сигнала или усилитель отклика.

Важной проблемой при использовании датчиков является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от поведения “m”, частоты ее изменения, от времени измерения, от воздействия других физических величин, т.е. датчик должен иметь максимально возможную селективностью

Датчик с точки зрения вида сигнала на его выходе может быть активным (генераторным), т.е. генератором, выдающим заряд, U или I, либо пассивным (параметрическим) с выходными R, C, L (сопротивлением емкостью индуктивностью), изменяющимися соответственно входной величине.

Под сигналом в общем случае подразумевают материальный носитель информации. Различают непрерывную и дискретную форму сигнала. Непрерывная имеет вид какого-то физического процесса (информация в нем определяется размером измеряемого параметра: A, I, f). Дискретную форму называют еще кодированной, информация в ней заключена в числе элементов кода, их расположении во времени и пространстве.

Различие между активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими отличия в природе физических явлений и процессов.

Активные датчики - являются источником выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров пассивных датчиков производится косвенно, в результате его обязательного включения в схему с внешним источником тока. Так измерение “R” осуществляется по изменению “I” или “U” внешнего источника.

Источником электрического сигнала пассивных датчиков является совокупность самого датчика и электрической схемы, формирующей его сигнал.

Активные датчики

Принцип действия активных датчиков основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряемой величины в электрическую форму энергии.

Физические эффекты, использующиеся для построения активных датчиков.

Датчик реализующий термоэлектрический эффект – термопара содержит 2 проводника М₁ и М₂ различной химической природы. Их спаи, находящиеся при Т₁ и Т₂ являются местом возникновения термо э.д.с. пропорциональной Т₁. Температура второго спая Т₂ известна (обычно О°С).

В датчике с пироэлектрическим эффектом, определенные кристаллы пироэлектрики (например, триглицинсульфат), при действии оптического излучения испытывают спонтанную электрическую поляризацию в результате теплового нагрева. На двух противолежащих гранях при этом появляются электрические заряды.

Изменение поглощенного кристаллом оптический потока изменяет его поляризацию, которую измеряют, как падение напряжения U на зажимах конденсатора.

В датчике с пьезоэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле (обычно кварца) приводит к его деформации и появлению на противоположных поверхностях кристалла электрических зарядов противоположного знака. В качестве сигнала измеряется U между гранями кристалла пьезоэлектрика.

В датчике, использующем явление электромагнитной индукции при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле возникает э.д.с., пропорциональная изменению магнитного потока и, следовательно, скорости его перемещения.

Аналогично, когда замкнут контур, подвергающийся воздействию переменного магнитного потока из-за перемещения контура или источника поля (магнита) возникающая э.д.с пропорциональна магнитной напряженности поля (э.д.с. ~ В). Измерение э.д.с. электромагнитной индукции в таком датчике позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом подобного датчика.

В датчиках использующих фотоэлектрические эффекты общим является генерирование носителей электрических зарядов под действием света.

В вакуумном фотоэлементе (внешний фотоэффект) освобожденные фотоэлектроны покидают катод и образуют ток, текущий к аноду под действием приложенного электрического поля, величина которого пропорциональна оптическому потоку (I ~ Ф).

Вполупроводниковом фотодиоде с внутренним фотоэффектом. Электроны и дырки, освобожденные в окрестностях р-n перехода, перемещаясь под действием электрического поля, вызывают изменение падения напряжения на границах полупроводникового кристалла. То же практически происходит в фоторезисторе: генерируемые световым потоком носители под действием приложенного напряжения создают ток. Для определения величины облученности можно измерять его величину, либо падение напряжения на нагрузочном сопротивлении. Максимальное значение падения напряжения имеет место при равенстве темнового сопротивления фоторезистора сопротивлению нагрузки (R_T = R_H).

Датчики на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пленку и кристалл) полупроводника, находящегося в магнитном поле, в направлении перпендикулярном полю возникает э.д.с. пропорциональная току и напряженности магнитного поля.

Датчик Холла используется для определения угла или расстояния перемещения объектов, а также величин преобразуемых в перемещения (давление). Постоянный магнит датчика механически связан с объектом и при смещении магнита пропорционально изменению напряженности магнитного поля изменяется выходное напряжение, снимаемое с датчика ( величина тока при этом должна быть постоянной).

В датчике на основе фотоэлектромагнитного эффекта полупроводник, размещенный между полюсами магнита освещается источником света. Вблизи поверхности кристалла возникает высокая концентрация электронно-дырочных пар, которые диффундируют внутрь. Заряды различного знака отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, устанавливая пропорциональную зависимость между величиной оптического потока и Разностью потенциалов (∆φ ~ Ф).

Пассивные датчики

Изменение сигнала с пассивного датчика происходит за счет воздействия измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов датчика, либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо на то и другое одновременно (в этом случае датчик содержит подвижный или деформирующийся элемент).

Электрические и другие. свойства материала зависят от температуры, давления, влажности, уровня освещения и т.д. Если меняется одна величина, а другие постоянны, то имея градуировочную кривую характеризующую соответствие между свойством материала и измерительной величиной можно определить её значения.

Физические принципы и материалы, используемые в пассивных датчиках

Измерение параметров пассивных датчиков возможно лишь включая его в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала.

Электронные схемы могут быть следующих видов:

- потенциометрические (параллельно соединен источник и датчик - потенциометр);

- мостовая, разбалансировка которой характеризует изменение параметра датчиков;

- колебательный контур, включающий в себя параметры датчика;

- операционный усилитель (здесь параметры датчика являются элементами, определяющими коэффициент усиления).

Выбор схемы формирования сигнала является очень важным этапом в проведении измерений. От этого зависит чувствительность, линейность, селективность, погрешность измерений.

Поиск по сайту: