2 Датчики

2.1 Общие сведения

Датчиком (измерительным преобразователем) называется элемент автоматики, преобразующий измеряемую физическую величину (перемещение, скорость, ускорение, давление, температуру, деформацию, напряжение и т.п.) в сигнал, обычно электрический, для последующей его передачи, обработки или регистрации в системе автоматизации. Сигнал на выходе измерительного преобразователя (датчика) непосредственно потребителем не воспринимается (в отличие от измерительного прибора). Вследствие того, что наибольшее распространение в настоящее время получили электронные системы автоматизации, большинство измерительных преобразователей преобразовывает неэлектрические физические величины в электрический сигнал.

По отношению к потокам энергии, управляемой датчиком, датчики разделяют на пассивные (генераторные) и активные (параметрические).

Пассивный преобразователь воспринимает физическое воздействие, связанное с передачей энергии какой-либо системы, преобразует это физическое воздействие и передает результат преобразования другой системе. При этом преобразование происходит полностью за счет энергии самого воздействия. Примеры: термопара, солнечная батарея, пьезокерамическая пластина.

В активном преобразователе преобразование физического воздействия в выходную величину производится за счет подвода дополнительной энергии от питающей системы. Фактически, в активном преобразователе физическое воздействие управляет потоком энергии источника питания. Таких датчиков большинство, они обладают, как правило, лучшими характеристиками.

На датчик могут воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, электрические и магнитные поля и т.п.), но воспринимать он должен только одну величину х, называемую естественной измеряемой величиной.

Нормальные условия эксплуатации некоторых типов датчиков совпадают с нормальными условиями эксплуатации элементов автоматики, однако ряд датчиков предназначены для эксплуатации в условиях, когда один или несколько параметров выходят за их пределы (например, у датчика температуры, датчика давления, датчика влажности и т.п.). Изменения условий эксплуатации датчиков от нормальных условий фиксируются в технических паспортах изделий.

При отклонениях условий эксплуатации датчиков от паспортных условий эксплуатации возникают дополнительные погрешности датчика. Они выражаются в процентах, отнесенных к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность 1 % на 5 °С).

Требования к датчикам зависят от измеряемой физической величины и условий эксплуатации.

Существует следующая совокупность основных, наиболее общих требований:

1. Отсутствие вредных воздействий на организм человека.

2. Необходимая чувствительность и точность.

3. Высокая перегрузочная способность.

4. Устойчивость к химическим и физическим воздействиям измеряемой и окружающей сред.

5. Направленность действия (отсутствие воздействия датчика на параметры измеряемой среды).

6. Малая чувствительность к неизмеряемым воздействиям.

7. Унифицированность, взаимозаменяемость.

8. Малая масса и габариты.

9. Экономичность энергопотребления.

10. Технологичность производства.

В любом датчике можно выделить воспринимающий (чувствительный) элемент, преобразующий элемент, выходной элемент. Иногда функции элементов совмещаются.

Наиболее целесообразно классифицировать датчики по измеряемому физическому параметру:

1) механические (перемещение, скорость, ускорение, сила, момент, ориентация в пространстве);

2) электрические (электрическое поле, напряжение, ток, сопротивление, проводимость, частота, фаза);

3) магнитные (напряженность магнитного поля);

4) электромагнитные (интенсивность радиоволн, частота, фаза);

5) гидравлические (давление, расход жидкости);

6) пневматические (давление, расход газа или пара):

7) термические (температура);

8) оптические (интенсивность оптического излучения, длина волны);

9) акустические (величина звукового давлений, частота, фаза);

10) ядерные (ионизирующие свойства излучения).