2. Датчики

2.1. Определение и общие характеристики датчиков

Датчик – это преобразователь контролируемой физической величины в сигнал, удобный для последующего использования в системе. В общем случае датчик содержит чувствительный элемент ЧЭ и преобразующий элемент ПЭ (рис. 2.1). В большинстве современных систем автоматики выходной сигнал датчика является электрическим и представляется током или напряжением.

Рис. 2.1. Структура датчика с электрическим выходным сигналом: х – физическая величина (контролируемый параметр объекта); – выходное напряжение с датчика; – напряжение питания

Выходной сигнал датчика может быть аналоговым или дискретным (цифровым, импульсным, позиционным). Возможные формы выходного напряжения датчиков представлены на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Формы выходного сигнала датчиков: а – аналоговый; б – цифровой; в – импульсный; г – позиционный

В задачах автоматизации датчики должны соответствовать (отвечать) ряду специальных требований, в частности следующих:

1. Погрешность: максимальная разность между измеренной и действительной физической величиной (это абсолютная погрешность). Часто погрешность выражают в процентах от полной шкалы и называют ее приведенной погрешностью (относительной).

2. Разрешающая способность – это разность между соседними отсчетами измерения, например разрешающая способность линейки с делениями через 1 мм = 1 мм. Разрешающая способность показывает наибольшую точность, с которой измеряется контролируемая величина.

3. Чувствительность – это отношение , где k – коэффициент преобразования (чувствительности) датчика.

4. Линейность статической характеристики: статические характеристики датчика по форме могут быть (рис. 2.3):

Рис. 2.3. Статические характеристики датчиков: а – линейная; б – нелинейная; в – линеаризованная

5. Гистерезис статической характеристики: выходной сигнал датчика зависит от того, увеличивается или уменьшается входная величина, т.е. выход датчика не является однозначным. Так при разность значений выходного сигнала (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Гистерезис датчика

6. Время отклика (рис. 2.5) – это время переходного процесса датчика. Обычно это экспоненциальный переходный процесс. Его продолжительность . Характеризует быстродействие датчика (его инерционность).

7. Полоса преобразования (рис. 2.6) – представляет собой полосу частот входного сигнала, которую пропускает датчик. Чем шире полоса преобразования , тем меньше время отклика . Полоса преобразования позволяет оценить фильтрующие свойства датчика.

8. Наличие механического контакта датчика с объектом (у контактных датчиков ЧЭ механически взаимодействует с объектом, у бесконтактных механического контакта ЧЭ с объектом нет).

   Рис. 2.5. Переходная характеристика датчика: Т – постоянная времени датчика		Рис. 2.6. Полоса преобразования датчика: – частота входного сигнала

9. Принцип отсчета может быть абсолютным или относительным. В первом случае каждому значению х соответствует свое значение U_вых, во втором – отсчет ведут от некоторого значения физической величины х₀, считая его нулевым (U_вых = 0). В качестве примера можно назвать абсолютные и относительные шифраторы перемещений (датчики перемещений). Первые определяют цифровой код абсолютного перемещения, вторые считают число импульсов, пропорциональное перемещению, отсчитываемому всякий раз с нуля (счетчик обнуляется в исходном состоянии – сбрасывает накопленную информацию при включении).