5.5 Датчики

5.5.1 Общие сведения

При эксплуатации систем автоматики и инфор­мационно-измерительной техники возникает необ­ходимость в измерении и анализе различных физических величин. Зачастую требуется привести их к виду и форме, удобным для дальнейшей обработ­ки, но не поддающимся непосредственному воспри­ятию. Для этих целей служат датчики.

Электрический датчик — устройство, которое, подвергаясь воздействию некоторой, как правило, неэлектрической, физической величины (переме­щение, скорость, ускорение, давление, температу­ра, влажность, освещенность, цвет, состав примесей и их содержание, частота колебаний и т. п.) вызы­вает изменение состояния электрической цепи (пу­тем ее замыкания и размыкания, изменения одного из электрических параметров: R, L, С или генера­ции ЭДС) и выдает эквивалентный электрический сигнал (заряд, ток, напряжение и т.д.), являющий­ся функцией этой контролируемой величины: , где х — входная контроли­руемая величина; у — выходной сигнал датчика.

В общем случае под сигналом понимают матери­альный носитель информации. Электрический сиг­нал — это изменяющийся заряд, ток или напряже­ние, несущие информацию об измеряемой вели­чине.

Различают две основные формы сигналов:

непрерывную в виде физического процесса; ин­формация в нем определяется уровнем какого-либо информатированного параметра: тока, частоты, ам­плитуды, фазы и т.п.;

дискретную, кодированную, при которой инфор­мация заключена в числе элементов кода, их рас­положении во времени или в пространстве.

Датчики как составная часть систем автоматичес­кого регулирования характеризуются статическими и динамическими показателями. Датчики должны иметь: высокую надежность, большой срок безотказ­ной работы; высокую точность (т.е. выраженное в процентах относительное откло­нение выходного сигнала от номинального его зна­чения); стабильность и однозначность характерис­тик (отсутствие остаточного сигнала, зоны нечувст­вительности и гистерезиса) и их независимость от внешних воздействий (старение элементов схемы, нестабильность питающего напряжения и сопротив­ления на выходе измерительного органа, влияние окружающей среды и т.п.); высокую восприимчи­вость (способность реагировать на незначительные отклонения измеряемой величины); высокую чувст­вительность s, которая не должна зависеть от значения и закона изменения контролируемой величины; высокое быстродействие, скорость пре­образования измеряемой величины должна обеспе­чивать надежное слежение за ее изменениями; вы­сокую эффективность (максимум выходного сигна­ла при минимуме входной потребляемой энергии); минимальные статические и динамические погреш­ности; минимальную реакцию (сам датчик не дол­жен искажать процессы, за которыми он призван следить и контролировать); минимальную пульса­цию выходного сигнала (датчик постоянного тока) и минимальные колебания фазы выходного напря­жения (датчик переменного тока); минимальные га­бариты, массу и стоимость; простую конструкцию, предусматривающую свободную компоновку с другими аппаратами и элементами; не оказывать вли­яния на обслуживающий персонал и работу близле­жащих аппаратов и устройств.

Датчики подразделяются на две большие группы:

1. пассивные, или параметрические;

2. активные, или генераторные.

К первой группе относятся датчики, которые не в состоянии самостоятельно создавать на выходе электрический сигнал, для их работы необходим ис­точник питания, а датчик под действием контроли­руемой величины лишь меняет свои внутренние па­раметры, что в конечном итоге и вызывает измене­ние выходного сигнала. Активные датчики не нуж­даются в постороннем источнике питания, они сами под воздействием измеряемой величины генериру­ют электрический сигнал, как правило, в виде ЭДС. Ниже приведена возможная классификация пас­сивных и активных датчиков.

Пассивные датчики: резистивные; индуктивные; емкостные.

Активные датчики: индукционные; термоэлект­рические; пироэлектрические; на фотоэффекте (внешнем или внутреннем); фотоэлектромагнит­ные; пьезоэлектрические; Виганда; Холла; магнитострикционные; на твердых электролитах.

Датчики также могут классифицироваться по:

физическим явлениям, лежащим в основе их ра­боты (закон электромагнитной индукции, эффект Холла, закон Нернста, магнитострикция, измене­ние электрической емкости при изменении влажно­сти и т.п.);

наличию подвижных элементов (электромехани­ческие) или их отсутствию (статические);

принципу действия, т.е. по тому, как именно ис­пользуется физическое явление, прямо или косвен­но (например, в термомагнитных датчиках температура влияет на магнитную проницаемость магнитопровода, это приводит к изменению индуктивно­сти устройства, что в итоге сказывается на токе в цепи или на напряжениях на отдельных ее участ­ках);

устройству, т.е. по тому, как принцип действия реализуется в конструкции (например, оптический датчик содержания солей в растворе, акустический датчик шума);

контролируемой величине: давлению, влажнос­ти, ускорению, углу поворота и т.п.;

назначению, объекту регулирования: температу­ре печи, частоте вращения двигателя, скорости пе­ремещения дуги;

виду передаточной функции: безинерционные, инерционные, с запаздыванием и т.п.

Лекция 22