Датчики

В начале главы 2 мы определили (измерительный) сигнал как энергетичес­кое физическое явление, несущее информацию. Предполагается, что такой сигнал относится к соответствующей области физики или к ее определен­ному разделу. Например, механический, тепловой, электрический и маг­нитный сигналы принадлежат каждый к своей собственной соответствен­ной физической области. Чтобы обеспечить перенос из одной физической области в другую (см. главу 1), должна существовать возможность отобра­жать сигналы из одной физической области на сигналы из другой области. Такое отображение осуществляют «преобразователи», которые способны энергетическое физическое явление одного рода (из одной области) преоб­разовывать в явление другого рода (в другой области). При преобразовании должна сохраняться информация, содержащаяся в исходном энергетичес­ком явлении. Такие сохраняющие информацию энергетические преобразо­ватели называют измерительными датчиками.

Кроме отображения сигналов, принадлежащих различным областям, друг на друга, необходимо также иметь возможность отображать друг на друга сигналы из одной и той же области. В этом случае энергетическое явление преобразуется в подобное ему энергетическое явление с сохранением соот­ветствующей информации, содержащейся в исходном явлении. Может по­надобиться увеличить мощность явления (усиление мощности), или опус­тить какую-то ненужную информацию (фильтрация). Такие преобразовате­ли мы подробно рассмотрим в параграфе 3.3, где речь пойдет об электрон­ной обработке сигналов.

Происходящие в веществе физические эффекты, используемые для ото­бражения сигналов из различных областей называют эффектами переноса, тогда как для отображения сигналов в пределах одной области используют­ся происходящие в веществе эффекты, называемые прямыми. Вот примеры эффектов переноса: из электрической области в тепловую — эффект Пельтье; из тепловой области в электрическую — эффект Зеебека; из магнитной области в электрическую — эффект Холла. Примеры прямых эффектов, про­исходящих в веществе: в электрической области — электрическое сопротив­ление; в механической области — упругость.

В отношении свойства датчиков преобразовывать энергию различают два типа датчиков: пассивные и активные.

Пассивными являются такие датчики, которые функционируют без по­требления энергии от вспомогательного источника (см. рис. 2.68(а)). Средняя

мощность сигнала на выходе Р_о является частью средней мощности Р_р отда­ваемой измеряемым объектом Однако физически реализуемое преобразова­ние энергии всегда сопровождается потерями (мощности Р), поэтому:

Р_i=Р₀+Р_l.

Возможно, в принципе, накопление энергии в датчике на короткое вре­мя. Следовательно, приведенное выше соотношение справедливо только для значений, являющихся результатом усреднения на протяженном интервале времени. Когда измеряемый объект нельзя сильно нагружать, то есть он мо­жет отдавать лишь очень малую входную мощность, существенным стано­вится коэффициент полезного действия (кпд) η пассивного датчика:

Конечно, кпд процесса преобразования не так важен в случае, когда на входе имеется большая мощность Все механические вольтметры, ампермет­ры и ваттметры являются примерами этого класса пассивных датчиков В них электрическая энергия преобразуется в механическую энергию в форме по­тенциальной энергии сжатой пружины подвижной системы измерительного прибора.

Активными являются такие датчики, которым требуется вспомогатель­ный источник питания (см рис. 2.28(b)). Выходная мощность датчика Р₀ почти полностью берется из этого вспомогательного источника питания, отдающего мощность Р_ps. Мощность, которую отдает измеряемый объект, практически равна нулю. Требуется лишь совсем малая мощность Р_c, чтобы управлять выходной мощностью датчика (на рис. 2.68(b) этот процесс пре­образования схематически изображен в виде заслонки). Подавая мощность от вспомогательного источника можно реализовать датчики с усилением, обладающие очень высокой чувствительностью.

Рис. 2.68. Пассивный и активный датчики Р_i — мощность на входе, Р₀ — мощ­ность на выходе, Р_l — мощность, которая теряется в процессе преобразова­ния, Р_c — мощность управляющего воздействия, Р_pc — мощность вспомога­тельного источника (а) Пассивный датчик. (b) Активный датчик.

Как уже говорилось, во многих измерительных системах используются датчики, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические, по­скольку обработка и передача сигналов в электрической области сравни­тельно просты. Поэтому мы ограничим наше рассмотрение датчиками, ко­торые отображают сигналы из различных физических областей на сигналы в электрической области, а также обратными преобразователями, которые переводят электрический сигнал в неэлектрическую величину. Датчики пер­вой категории нужны на входе измерительной системы. Поэтому они назы­ваются входными или измерительными датчиками. Обратные преобразователи нужны на выходе измерительной системы для целей индикации и регистра­ции данных или для управления другими процессами. Поэтому их называют выходными датчиками или исполнительными механизмами.

К сожалению, не существует единой терминологии в мире датчиков. Их называют по разному: сенсор, чувствительный элемент, измерительный преобразователь (transducer, sensor, pick-up, gauge). Классификацию датчи­ков часто производят по той величине, которая измеряется с их помощью (датчик смещения, акселерометр, тензодатчик и т. д.), или по принципу действия (емкостной датчик смещения, пьезоэлектрический акселерометр, резистивный тензодатчик и т. д.). В параграфе 3.2 рассматривается ряд про­стых, но широко применяемых датчиков.