Датчик (сенсор, от англ. sensor) — понятие в системах управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.
Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.
Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. В качестве отдельной категории использования датчиков в автоматических системах регистрации параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.
Широко встречаются следующие определения:
чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;
законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.
датчиком называется часть измерительной или управляющей системы, представляющая собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала, размещенную в зоне действия влияющих факторов объекта и воспринимающий естественно закодированную информацию от этого объекта.
датчик — конструктивно обособленная часть измерительной системы, содержащая один или несколько первичных преобразователей, а также один или несколько промежуточных преобразователей.
Эти определения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае — это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др. В третьем и четвёртом определении акцент делается на том, что датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы, воспринимающей информацию, а следовательно обладающий самодостаточностью для выполнения этой задачи и определенными метрологическими характеристиками.
Сенсор
Сенсор (от англ. Sensor - датчик, от лат. sentire - "чувствовать" или "ощущать") - термин обозначающий устройство (прибор, орган, узел) производящие наблюдение за материальным объектом, процессом, средой их физическим (физико-химическим) состоянием, получающие информацию, преобразующие в удобную для хранения, обработки, управления сигнал (форму) и передающий его на внешние устройства. Первые датчики появились в конце 40-х гг. XX в, а первые цифровые сенсоры стали разрабатываться в 60-70-х гг. XX в. В России использутся термины сенсор и датчик, характеризующие по своей сути одно устройство. В состав сенсора входят воспринимающий (чувствительный) орган и один или несколько промежуточных преобразователей. Часто сенсор состоит только из одного воспринимающего органа (например, термопара, термометр сопротивления, тензодатчик и прочее). Выходные сигналы различаются по роду энергии - электрические, механические, пневматические (реже гидравлические), и по характеру модуляции потока энергии - амплитудные, время-импульсные, частотные, фазовые, дискретные (кодовые). Наиболее распространены сенсор, действие которых основано на изменении электрического сопротивления, ёмкости, индуктивности или взаимной индуктивности электрической цепи (реостатный сенсор, ёмкостный сенсор, индуктивный сенсор и др.), а также на возникновении эдс при воздействии контролируемых механических, акустических, тепловых, электрических, магнитных, оптических или радиационных величин (тензосенсор, перемещения сенсор, пьезоэлектрический сенсор, давления сенсор, фотоэлемент). Сенсор характеризуются: законом изменения выходной величины (у) в зависимости от входного воздействия (входной величины х), пределами изменений входных (xmin - xmax) и выходных величин (ymin - ymax); чувствительностью S= D/Dx , порогом чувствительности (значением минимального воздействия, на которое реагирует сенсор) и временными параметрами (постоянными времени). Сенсоры (датчики) бывают разные: датчики давления, датчики расхода, датчики уровня, датчики температуры, фотодатчики, датчики углового и линейного положения, датчики силы, датчики ускорения и угла наклона, датчики приближения, газовые сенсоры, потенциометрические биосенсоры, оптические сенсоры и мн. др. На сегодняшний день сенсоры пристствуют в каждом атрибуте нашего быта и работы. Сенсоры различаются по типу внешнего воздействия, на которое приспособлены реагировать. Сенсоры могут реагировать практически на все существующие в природе явления и события: электромагнитное излучение - радиоволны, микроволны, рентгеновское излучение, инфракрасный (ИК) сенсор, различные цвета видимого спектра, ультрафиолет (УФ), вибрации, сейсмические волны, звуки человеческой речи, крики животных, музыка, шум, удары, взрывы, выстрелы, щелчки, хлопки, свист, ультразвук и инфразвук даже пролет элементарной частицы - электрона, позитрона, нейтрона, нейтрино и еще многие другие воздействия. Сенсоры различаются по способу преобразования внешнего воздействия, на которое они рассчитаны либо прямое преобразование входного сигнала в электрический (нажатие кнопки, попадание света в фоточувствительный элемент), либо с промежуточным преобразованием (например, пролет элементарной частицы фиксируется через регистрацию фотоэлементом вспышки света в веществе, через которое пролетела частица). По типу исполнения сенсоры различаются на внешние и встроенные в микросхемы. Внешнему датчику требуются дополнительные элементы для включения их в схемы управляющих устройств. Интегрированные в микросхемы датчики компактнее, но более дорогие и специализированные. Внешние датчики легче приспособить под оригинальное применение, не предусмотренное производителем и дешевле менять в случае выхода их из строя. Примеры развития и применения сенсоров в бытовой сфере в 2010-2011 гг.
Ёмкостный экран Ёмкостной сенсорный экран, применяемый в современных устройствах телефонах, планшетных компьютерах и других, наиболее внимание 2010-2011 гг. привлек iPhone, в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток, и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка. Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший контроллер на основе данных с электродов по углам панели. На экране нет никаких гибких мембран, что обеспечивает высокую надёжность и позволяет снизить яркость подсветки. К сожалению, с ними нельзя работать стилусом или ногтем, поскольку команда просто не будет распознана. Только пальцем. Отрицательных температур такой экран тоже не любит: в лучшем случае падает точность определения координат, в худшем он просто перестаёт реагировать. такие экраны способны реагировать даже на приближение руки (а значит, и на руку в перчатках) - всё зависит от настроек чувствительности. Microsoft Kinect Объединяет в себе комплекс сенсоров разного типа. Контроллер использует программное обеспечение PrimeSense, созданное одноименной израильской компанией. Суть технологии, предложенной PrimeSense, заключается в отслеживании движений пользователя системой специальных датчиков и использовании этих жестов для управления персонажами видеоигр, а также для контроля над различными функциями устройств. К примеру, пользователь сможет перекладывать документы на экране телевизора, просто двигая в воздухе руками. Система работает с 25 контрольными точками, расположенными на человеке, чтобы сделать движения на экране максимально приближенными к реальным. Экзоскелет Устройство, предназначенное для увеличения мускульной силы человека за счёт внешнего каркаса, экзоскелет повторяет биомеханику человека для пропорционального увеличения усилий при движениях. Сенсоры, установленные в различных частях экзоскелета, регистрируют мышечные сокращения и прочие реакции организма и окружающей среды, а актуаторы, которые реагируют на поступающие сигналы от сенсоров и имитируют движение мышц экзоскелетом. Естественно, происходит улучшенная имитация: двигатели совершают большую работу, чем мышцы, тем самым увеличивают физические возможности человека.
Беспроводная сенсорная сеть — распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.
|
|
История и сфера использования
Одним из первых прообразов сенсорной сети можно считать систему СОСУС, предназначенную для обнаружения и идентификации подводных лодок. В середине 1990-х годов технологии беспроводных сенсорных сетей стали активно развиваться, в начале 2000-х годов развитие микроэлектроники позволило производить для таких устройств достаточно дешёвую элементную базу. Беспроводные сети начала 2010-х годов в основном базируются на стандарте ZigBee.
Многие отрасли и сферы деятельности (промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, охрана) заинтересованы во внедрении сенсорных сетей, и число потребителей непрерывно увеличивается[1]. Тенденция обусловлена усложнением технологических процессов, развитием производства, расширяющимися потребностями частных лиц в сегментах безопасности, контроля ресурсов и использования товаро-материальных ценностей. С развитием микроэлектронных технологий появляются новые практические задачи и теоретические проблемы, связанные с применениями сенсорных сетей в промышленности, жилищно-коммунальном комплексе, домашних хозяйствах. Использование недорогих беспроводных сенсорных устройств контроля параметров открывает новые области для применения систем телеметрии и контроля[2], такие как:
Своевременное выявление возможных отказов исполнительных механизмов, по контролю таких параметров, как вибрация, температура, давление и т. п.;
Контроль доступа к удалённым системам объекта мониторинга в режиме реального времени;
обеспечение охраны музейных ценностей;
обеспечение учёта экспонатов;
автоматическая ревизия экспонатов;
Автоматизация инспекции и технического обслуживания промышленных активов;
Управление коммерческими активами;
Применение как компоненты в энерго- и ресурсосберегающих технологий;
Контроль экологических параметров окружающей среды
Следует отметить, что несмотря на длительную историю сенсорных сетей[1], концепция построения сенсорной сети окончательно не оформилась и не выразилась в определенные программно-аппаратные (платформенные) решения. Реализация сенсорных сетей на текущем этапе во многом зависит от конкретных требований индустриальной задачи. Архитектура, программно-аппаратная реализация находится на этапе интенсивного формирования технологии, что обращает внимание разработчиков с целью поиска технологической ниши будущих производителей[1].
Технологии
Беспроводные сенсорные сети (англ. WSN — Wireless Sensor Network) состоят из миниатюрных вычислительных устройств — мотов, снабжённых сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения и т. п.) и трансиверами, работающими в заданном радиодиапазоне. Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети интеллектуальных датчиков среди других беспроводных и проводных интерфейсов передачи данных, особенно когда речь идет о большом количестве соединенных между собой устройств, сенсорная сеть позволяет подключать до 65 000 устройств. Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных параметров позволяют постепенно переориентироваться с проводных решений в системах сбора телеметрических данных, средств дистанционной диагностики, обмена информации. «Сенсорная сеть» является сегодня устоявшимся термином (англ. Sensor Networks), обозначающим распределенную, самоорганизующуюся, устойчивую к отказу отдельных элементов сеть из необслуживаемых и не требующих специальной установки устройств[3]. Каждый узел сенсорной сети может содержать различные датчики для контроля внешней среды, микрокомпьютер и радиоприемопередатчик. Это позволяет устройству проводить измерения, самостоятельно проводить начальную обработку данных и поддерживать связь с внешней информационной системой.
Технология ретранслируемой ближней радиосвязи 802.15.4/ZigBee, известная как «Сенсорные сети», является одним из современных направлений развития самоорганизующихся отказоустойчивых распределенных систем наблюдения и управления ресурсами и процессами. Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей, является единственной беспроводной технологией, с помощью которой можно решить задачи мониторинга и контроля, которые критичны к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов[4].
Принятый стандарт IEEE 802.15.4 описывает контроль доступа к беспроводному каналу и физический уровень для низкоскоростных беспроводных персональных сетей, то есть два нижних уровня согласно сетевой модели OSI. «Классическая» архитектура сенсорной сети основана на типовом узле, который включает в себя[5], пример типового узла RC2200AT-SPPIO[6]:
радиотракт;
процессорный модуль;
элемент питания;
различные датчики.
Использование в типовом узле сенсорной сети в качестве датчика второго трансивера, соответствующего стандарту ISO 24730-5, позволяет использовать сенсорную сеть не только для мониторинга параметров сред и объектов, но и для определения местонахождения и мониторинга передвижений объектов, снабженных специальными радиочастотными метками. Построенная из таких узлов сенсорная сеть образует беспроводную инфраструктуру RTLS.