Лекція 4. Датчики

4.1. Основні поняття

Найбільше часто використовуване визначення датчиків звучить так: «датчик - це пристрій, що сприймає сигнали й зовнішні впливи й реагуюче на них». Це дуже широке визначення. Фактично, воно настільки широке, що охоплює майже все: від людського ока до спускового гачка в револьвері.

Будуть розглядатися датчики, які можуть бути підключені до вимірювальної системи за допомогою електричних проводів, а не через електрохімічні розчини й нервові волокна. Виходячи із цього, перефразуємо визначення датчика: Датчик - це пристрій, що сприймає зовнішні впливи й реагуюче на них зміною електричних сигналів.

Поняття датчик необхідно відрізняти від поняття вимірювальний перетворювач. Перетворювач конвертує один тип енергії в іншій, тоді як датчик перетворить будь-який тип енергії зовнішнього впливу в електричний сигнал.

Рис. 4.1 Датчик може складатись з кількох перетворювачів. Е1, Е2, Е3 – різні види енергії. Останній елемент даної системи є датчиком прямої дії.

Перетворювачі можуть бути частиною складених датчиків (рис. 4.1). Наприклад, до складу хімічного датчика можуть входити два перетворювачі, один з яких конвертує енергію хімічних реакцій у тепло, а іншої, термоелемент, перетворює отримане тепло в електричний сигнал. Комбінація цих двох перетворювачів являє собою хімічний датчик - пристрій, що виробляє електричний сигнал у відповідь на хімічну реакцію. У структуру складених датчиків, як правило, входить хоча б один датчик прямої дії й кілька перетворювачів. Датчиками прямої дії називають датчики, які побудовані на фізичних явищах, що дозволяють проводити безпосереднє перетворення енергії зовнішнього впливу в електричні сигнали.

На практиці датчики не працюють самі по собі. Вони входять до складу вимірювальних систем, що поєднують багато різних детекторів, перетворювачів сигналів, сигнальних процесорів, запам'ятовувальних пристроїв і приводів. Датчики в таких системах можуть бути як зовнішніми, так і вбудованими. Часто їх розташовують на входах вимірювальних приладів для того,

До електричних датчиків незалежно від типу й пристрою пред'являються наступні основні вимоги:

• надійність у роботі;

• достатня чутливість, що дозволяє суттєво спростити схему системи. У цьому випадку відпадає необхідність у посиленні сигналу, точність системи підвищується;

• безперервна залежність його вихідної величини y від вхідний x;

• мінімальні габаритні розміри й вага;

• необхідний діапазон зміни параметрів;

• відсутність зворотного впливу датчика на вимірюваний процес;

• мінімальна інерційність;

• відповідність умовам навколишнього середовища.

На роботу електричних датчиків впливають наступні фактори: періодичність і максимальна частота процесу, змінність знаку кривої зміни процесу й наявність у ній постійної складовій, температурні умови місця виміру, атмосферні умови (вологість, температура повітря і т.д.), наявність вібрації, прискорень або струсів в установці й ін.

Датчики є невід'ємною частиною систем збору даних, які, у свою чергу, можуть входити до складу більших вимірювальних комплексів з безліччю зворотних зв'язків.

Блок-схема автоматизованого вимірювального комплексу (рис.4.2) збору, що полягає із системи, даних і керуючий пристрою добре показує роль датчиків. Суб'єктами вимірів можуть бути будь-які матеріальні об'єкти. Дані про вимірюваний об'єкт збираються за допомогою датчиків, частина з яких, (2, 3 і 4), розташовується на поверхні або усередині об'єкта. Датчик 1 не має безпосередньому зв'язка з об'єктом, тобто є безконтактним.

Рис. 4.2 Автоматизований вимірювальний комплекс, яки зображує роль датчиків у системі збору даних. Давач 1 є безконтактним, давачи 2 та 3 – пасивні пристрої, 4 – активні, а датчик 5 – внутрішній елемент системи збору даних.

Часто датчик 5 служить для контролю над умовами усередині самої системи збору даних. Датчики 1 і 3 не можуть бути прямо приєднані до стандартних електронних схем через невідповідність форматів вихідних сигналів. Їх підключають через спеціальні інтерфейсні пристрої - перетворювачі сигналів. Датчики 1-3 і 5 - пасивні, оскільки для формування вихідних сигналів їм не потрібно додаткова електрична енергія. Датчик 4 - представник активних пристроїв. Для забезпечення його роботи необхідний допоміжний сигнал, одержуваний від схеми порушення. Прикладом активних датчиків є термістор. Такий датчик працює від джерела постійного струму, що є в цьому випадку схемою порушення.

Вхідні сигнали датчиків (зовнішні впливи) можуть мати практично будь-яку фізичну або хімічну природу. Потік світла, температура, тиск, коливання, переміщення, положення, швидкість, концентрація іонів - усе це приклади зовнішніх впливів. Конструкція датчиків міняється залежно від їхнього призначення. Для особливих умов застосування може знадобитися розробка спеціальних корпусів і схем монтажу. Іноді від датчиків потрібно щоб вони реагували тільки на певний діапазон вхідних сигналів. Наприклад, детектор руху в охоронній системі повинен спрацьовувати тільки на переміщення людей і ніяк не реагувати на пересування маленьких тварин, таких як собаки й кішки.