Какие бывают датчики и как они работают. Датчики автомобильные: типы, варианты установки, особенности эксплуатации. Датчик дроссельной заслонки — признаки неисправности

Что такое датчик?

Наверняка вам не раз приходилось слышать такое слово, как «датчик». Очевидно, что под данным словом подразумевается какое-то техническое устройство. Что же представляет собой датчик и как он работает? Какие виды датчиков бывают? Рассмотрим все эти вопросы подробнее.

Понятие датчика

В настоящее время датчиком принято называть элемент, который преобразует получаемую от среды информацию в электрический сигнал с целью дальнейшей передачи информации на какое-то другое устройство. Обычно датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы.

Датчики применяются повсеместно: в автомобилях, системах отопления, водоснабжения, на производстве, в медицине, даже в заведениях общепита для измерения температуры с целью определения степени готовности блюда.

Классификация датчиков

Существует несколько типов классификации датчиков. Мы приведем наиболее основные.

По типу измерения:

• Датчики давления;
• Датчики расхода;
• Датчики измерения уровня;
• Датчики измерения температуры;
• Датчики концентрации;
• Датчики радиоактивности;
• Датчики перемещения;
• Датчики углового положения;
• Датчики измерения механических величин;
• Датчики вибрации.

Классификация по технологии изготовления:

• Датчики элементные;
• Датчики интегральные.

Классификация по принципу действия:

Сюда входят:

• Оптические датчики, которые используют электромагнитное излучение и реагируют на водяной пар, дым и различные виды аэрозолей. Относятся к бесконтактным датчикам. В основе принципа их работы лежит улавливание чувствительным сенсором воздействия какого-либо раздражителя, например, водяного пара. Данные датчики широко применяются в автоматизированных системах управления.
• Индуктивные датчики. Относятся к бесконтактным датчикам, предназначены для осуществления вычисления положения объекта. Индуктивные датчики отлично улавливают колебания электромагнитного поля. В основе их конструкции лежит генератор, который и создает электромагнитное поле, воздействие которого на металлический объект порождает амплитуды колебаний, на которые и реагирует датчик. Такие датчики широко используются в металлоискателях, а также в различного рода электронных замках.
• Емкостные датчики. Именно такие датчики используют в автомобилях в качестве датчиков дождя, сенсорных кнопках бытовой техники, датчиках измерения жидкости. Принцип их действия состоит в том, чтобы реагировать на воздействие жидкости. Изолятор таких датчиков имеет диэлектрическую проницаемость. Жидкость, воздействуя на изолятор, вызывает появление электрического сигнала, который преобразуется в информацию. Такие датчики получили широкое распространение в бытовой технике.
• Тензодатчики. Тензодатчики представляют собой устройство для измерения силы, давления, крутящего момента, ускорения или перемещения. Механизм их действия основан на принципе силы упругости. Такие датчики получили широкое распространение в различных типах весов. Они преобразуют величину деформации в электрический сигнал, другими словами, датчик улавливает воздействие какой-либо силы на него, после чего упругий элемент деформируется и происходит изменение сопротивления тензорезистора, который встроен в такой датчик. Далее происходит преобразование информации в электрический сигнал и передача ее на другое устройство, например, дисплей.
• Пьезоэлектрические датчики. Такие датчики широко используются в микрофонах и сонарах. Их принцип действия основан на поляризации диэлектрика под воздействием механических напряжений. Другими словами, пьезоэлектрические датчики улавливают изменение электрического поля, на которое было оказано механическое воздействие. Например, в микрофоне это воздействие голосом. Результатом деформации станет преобразование полученного сигнала в электрический и передача его на другое устройство. Данные датчики получили свое рождение благодаря Жаку и Пьеру Кюри в 1880 году.
• Магнитно-электрические датчики. Это датчики, принцип действия которых основан на так называемом эффекте Холла. Данные датчики используются в смартфонах в качестве основы работы электронного компаса, в электродвигателях, в измерителях силы тока.
• Нано-датчики. Находятся в стадии разработки. Наиболее востребованной сферой для них должна стать медицина и робототехника. Предполагается, что данные датчики станут новым классом и найдут в будущем повсеместное использование. Их принцип работы будет схож со многими другими датчиками (отсюда названия нано-пьезодатчики, нано-тензодатчики и т.д.), но размеры их будут во много раз меньше

Для того чтобы узнать о датчиках больше, прочитайте эти статьи.

Совсем недавно в автомобиле можно было найти только три датчика, показывающих уровень давления и топлива, а также температуру охлаждающей жидкости. При этом они никак не влияли на работу двигателя и автомобильных систем в целом, а всего лишь сообщали водителю указанные параметры при помощи световых или других сигналов. После появления электронных блоков управления количество сенсоров, использующихся в машине, сильно увеличилось, как и выросла их значимость, поскольку именно на их показаниях основывается взаимодействие блока с силовым агрегатом. Для обеспечения безопасности и лучшей управляемости транспортного средства постоянно разрабатываются новые приборы, призванные сделать использование автомобиля еще комфортнее. В этой статье мы расскажем, какие автомобильные датчики существуют сегодня, а также поговорим об особенностях их эксплуатации.

Классификации устройств

Все существующие виды автомобильных датчиков, реле и переключателей принято разделять на несколько классов:

• Первый – приборы, контролирующие работу тормозной системы и рулевого управления. К этому же классу относятся датчики, отвечающие за безопасность пассажиров.
• Второй – устройство, контролирующее работу трансмиссии, а также датчики для отслеживания работы двигателя, колес и подвески.
• Третий – приборы, отвечающие за защиту автомобиля от аварий и других внештатных ситуаций.

Также отдельно выделяется класс вспомогательного оборудования, к которому относятся, например, датчики парковки.

Достижения современной электроники позволяют сделать устройство более интеллектуальным и снять часть нагрузки с блока управления. Другими словами, прибор может сам определять, подать сигнал о каком-то аномальном поведении или нет. Кроме того, устройство может быть активным или пассивным. В активном датчике электрические импульсы возникают в процессе работы, а пассивный просто переводит другую внешнюю энергию в электрическую.

Датчики управления двигателем

К таковым относятся:

• Устройство для контроля за уровнем кислорода и азота в топливе. К этому же классу относятся датчики, влияющие на соотношение в топливно-воздушной смеси.
• Приборы, определяющие скорость вращения и положения различных валов и элементов в двигателе.
• Датчики давления (масла, а также других жидкостей или газов). К этой же группе относятся устройство, измеряющее уровень вышеуказанных веществ.
• Температурные датчики.
• Прибор, отвечающий за работу топливной системы и следящий за возможными детонациями.

Сенсоры, анализирующие состояние газов

Автомобильный датчик кислорода (лямбда-зонд) находится в выпускном коллекторе и позволяет оптимально расходовать бензин или дизельное топливо. Аппарат определяет количество кислорода, оставшееся после сгорания, и регулирует количество воздуха в камере. Троение двигателя и повышенный расход топлива могут свидетельствовать о том, что устройство вышло из строя и воздух в камере сгорания разрежен (эффект вакуума), что нарушает работу силового агрегата. Датчик устанавливается в выпускном коллекторе возле рулевой рейки.

Аппарат, определяющий концентрацию оксида азота в нейтрализаторе. При его поломке наблюдается постоянное повторение регенерационных циклов. Устанавливается на поверхности дроссельного узла.

Сенсор, контролирующий уровень воздуха, всасывающегося силовым агрегатом (ДТВВ). Располагается рядом с воздушным фильтром и представляет собой две платиновые нити, нагревающиеся при помощи электротока. Одна из них находится в воздушном канале, поэтому, когда напор воздуха увеличивается, из-за охлаждения нити ее сопротивление изменяется. Блок управления (ЭБУ), анализируя разницу напряжений на обеих нитях, корректирует количество воздуха в соответствии с нормой. Со временем устройство загрязняется, из-за чего датчик начинает работать нестабильно.

Датчик температуры всасываемого воздуха (ДТВВ)

Важно! Для очистки нити нельзя использовать какие-либо растворители, а также зубочистки, ватки и т.п. В этом случае следует обратиться в автосервис.

В турбомоторах может быть установлен сенсор абсолютного давления, представляющий собой два цилиндра, в одном из которых воздух откачан. Разница давлений между ними и является показаниями.

Датчик, измеряющий величину открытия клапана EGR. Позволяет снизить уровень токсичности выхлопных газов во время чрезмерного прогрева двигателя.

Альтиметр. Сообщает электронному блоку управления об атмосферном давлении. Это позволяет регулировать наддув и более грамотно производить рециркуляцию отработанных газов.

Сенсоры скорости

Это приборы, анализирующие скорость вращения коленчатого вала. Частично отвечают за подачу топлива и время появления искры в двигателе. Аппараты очень выносливы, поскольку представляет собой обычный магнит с намотанной на них проволокой. При выходе их из строя запустить силовой агрегат возможным не представляется, поскольку электронный блок управления не может вычислить скорость и положение коленчатого вала.

Если же завести мотор все-таки удалось, то он будет постоянно глохнуть и вести себя непредсказуемо на высоких оборотах. Устройство находится в нижнем блоке с цилиндрами.

Сенсор, контролирующий положение дроссельной заслонки. Его работа основывается на показаниях, считываемых с педали газа. Состоит из двух элементов – шаговый двигатель и датчик температуры охлаждающей жидкости. Чем сильнее давление на педаль газа и чем выше температура ОЖ, тем быстрее вращается коленчатый вал. Как и в предыдущем случае, проблемы с этим аппаратом приводят к перебоям в работе двигателя.

Автомобильный датчик Холла. Определяет угол поворота распредвала и отвечает за изменение положения поршней в цилиндрах. При нарушениях в его работе блок управления не может точно вычислить время подачи топлива и искры.

Датчик скорости автомобиля (ДСА). Устанавливается рядом с коробкой передач и сообщает любые изменения в скорости машины. Аппарат не отличается особой надежностью.

Датчик фаз распредвала. Аппарат монтируется только на двигателе с шестнадцатью цилиндрами и определяет очередность работы каждого из них. Нарушения в работе прибора приводит к включению попарно-параллельного режима подачи топлива, что автоматически сказывается на его расходе. Установка его производится в верхней части блока с цилиндрами.

Регулятор холостого хода. Датчик необходим для стабилизации подачи топливно-воздушной смеси в двигатель, а также для выравнивания оборотов последнего при работе на холостом ходу. При закрытой дроссельной заслонке аппарат увеличивает или уменьшает поток воздуха, поступающий через дополнительный канал. РХХ позволяет поддерживать оптимальные обороты двигателя для его нормального прогрева. Неисправность прибора выражается в нестабильной работе силового агрегата на холостом ходу. Регулятор устанавливается на корпусе дроссельной заслонки и закрепляется четырьмя винтами. К сожалению, на некоторых автомобилях демонтаж этого датчика затруднен тем, что головки крепежных винтов рассверлены и посажены на лак. Необходимо отметить, что такие приборы редко подсоединяются к системе диагностики автомобиля, поэтому лампа «Check engine» не загорается. Проверка работоспособности устройства основывается только на проявляющихся симптомах. Однако вы можете проверить двигатель при помощи вакуумметра, чтобы обнаружить виновника торжества.

Сенсоры, показывающие уровень и давление жидкостей

Датчик уровня топлива (ДУТ) в общем случае представляет собой обычный поплавок, подсоединенный к реостату. При снижении уровня топлива до определенного значения происходит замыкание контактов, сопровождающееся световым сигналом на приборной панели. По такому же принципу работает датчик уровня тормозной жидкости, устанавливающийся рядом с антиблокировочной системой.

Датчик давления масла. Представляет собой камеру, разделенную на две части небольшой мембраной. При движении масла эта мембрана прогибается, передвигая потенциометр, что приводит к изменению сопротивления реостата, вмонтированного в устройство. Эти изменения и отслеживаются ЭБУ. Так же работает и датчик давления топлива, монтирующийся в бензонасосе.

Устройство, определяющее расход топлива. Обычно устанавливается на служебных автомобилях для того, чтобы исключить слив бензина недобросовестными водителями.

Термо-сенсоры

К таковым относятся:

• Датчик температуры воздуха в автомобиле. Устанавливается на торпеде и показывает температуру в салоне.
• Сенсор, сообщающий температуру окружающей среды. Устанавливается рядом с решеткой радиатора.
• Датчик температуры охлаждающей жидкости (антифриза), отвечающий за включение и отключение вентиляторов, а также выводящий показания на соответствующий дисплей. Находится между термостатом и головкой блока с цилиндрами. Основные неисправности – обрыв питающего провода или нарушение контактного соединения внутри устройства.
• Датчик температуры двигателя, сообщающий ЭБУ о критическом ее превышении. Является дополнительной мерой безопасности.
• Термо-сенсор, установленный в цоколе масляного фильтра. Следит за состоянием масла для повышения эксплуатационных характеристик двигателя.

Любой тип термодатчика работает по одному принципу – при изменениях температуры меняется и сопротивление между клеммами, что и отражается в показаниях прибора. Некоторые из этих сенсоров никак не влияют на двигатель, тогда как другие, например, датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), очень важны. Без их работы характеристики мотора сильно снижаются, а в некоторых случаях силовой агрегат может даже выйти из строя.

Такие устройства используются и в других системах автомобиля, например, для термоконтроля за уровнем масла в коробке, или в кондиционере для поддержания оптимальной температуры.

Детонационный сенсор

Это устройство отслеживает все детонационные процессы, происходящие в двигателе. Оно необходимо для равномерной отработки топлива. Система похожа на звукосниматель в виниловом проигрывателе и отслеживает все звуки определенной частоты. В результате ЭБУ «слышит», что происходит с мотором. Как только сенсор определяет небольшую детонацию, вызванную неравномерностью между циклами зажигания и впрыска топлива, электронный блок управления тут же корректирует время между ними. При выходе датчика из строя – повышается расход топлива, двигатель начинает вести себя непредсказуемо (глохнуть, резко изменять обороты, троить).

Дополнительные сенсоры для обеспечения безопасности

Разновидности этого оборудования:

• Устройство, замеряющее давление в шинах. Как правило, такими сенсорами комплектуются одни из самых дорогих покрышек. Датчик позволяет повысить безопасность движения, поскольку отслеживает изменения давления в шинах автомобиля и сообщает о них водителю при помощи световых или звуковых сигналов.
• АБС (). Отслеживает скорость вращения колес и не дает их полностью блокировать во время торможения, чтобы не допустить занос транспортного средства. Система может быть активной или пассивной. Первый вариант предпочтительнее, поскольку такое устройство может контролироваться бортовым компьютером, что повышает его эффективность. Однако следует отметить, что работа активных автомобильных датчиков требует питания от АКБ или от генератора.
• Сенсоры, определяющие количество пассажиров в салоне. Анализироваться может либо давление на сидение, либо количество пристегнутых ремней безопасности. Как правило, эта информация используется при вызове экстренных служб специальными системами, например, Эра Глонасс.
• Датчик удара автомобиля. Устройства реагируют на переворот машины, а также на различные столкновения. Как и сенсоры для определения количество пассажиров, такие устройства используются для вызова экстренных служб.
• Датчик света. Состоит из фотосенсора, реагирующего на изменение освещенности. При наступлении сумерек датчик света автоматически включит габаритные огни. При помощи выключателей, устройство можно отключить для сохранения заряда аккумулятора. Кроме того, имеется возможность включить фары напрямую без использования сенсора, поскольку последний реагирует только ночью, а ПДД подразумевают использование фар и в дневное время суток. Тем не менее, при всех своих достоинствах, датчик света обладает одним существенным минусом – он может сработать тогда, когда вам это совсем не нужно.
• Датчик дождя в автомобиле (ДДА). Состоит из двух устройств – фотоэлемент и сенсор влажности. При соблюдении определенных условий (когда фотоэлемент зафиксирует наличие капель дождя, а сенсор влажности это подтвердит) – дворники включатся автоматически. Причем интенсивность их работы будет определяться все тем же датчиком. Когда погода вновь станет ясной и необходимость в использовании дворников отпадет, они автоматически отключатся.
• Датчики парковки. Представляют собой радар, показывающий расстояние до объектов, когда водитель начинает парковаться. Конструкция парковочного сенсора может включать не только сам радар, но и камеру заднего обзора.

Сенсоры автосигнализации

В случае установки автосигнализации на машину, система обогатится еще несколькими автомобильными датчиками, реле и переключателями.

• Датчик наклона автомобиля. Контролирует положение кузова и включает сигнал тревоги, если машину начинают наклонять. Также сенсор реагирует на любое перемещение машины, например, производимое с помощью эвакуатора.
• Датчик движения. Размещается в салоне и реагирует на все, что происходит внутри. Иногда может комплектоваться микрофоном для более точного слежения.
• Контактные сенсоры. Устанавливаются на двери, а также на багажнике и капоте. Реагируют на любую попытку взлома.
• Устройство, измеряющее уровень напряжения в сети. Подает сигнал тревоги в случаях, когда сила тока или напряжения падает. Позволяет отследить любые попытки подключения или отключения компонентов от аккумулятора.
• Сенсор объема. Реагирует на открытие двери (если по каким-то причинам остальные датчики не сработали или были отключены), а также на любое изменение объема воздуха, возникающего, например, при разбивании стекла.

Заключение

Таким образом, становится понятно, насколько важны различные сенсоры для автомобилей. Без них работа двигателя и машины в целом была бы намного сложнее, а расход топлива, как и токсичность отработанных газов, сильно бы увеличился. Что касается автомобильной сигнализации и системы экстренного вызова, то их значимость вообще трудно недооценить. Эти устройства помогают и жизни спасти, и машину сохранить.

Типы датчиков и их названия определяются использованием в них раз­личных ультразвуковых преобразователей и способов сканирования. В за-висимости от вида преобразователей можно выделить:

● секторные механические датчики (sector mechanical probe) - с одно-элементными или многоэлементны­ми кольцевыми решетками;

● линейные датчики с многоэлементными линейными решетками ;

● конвексные и микроконвексные датчики (convex или microconvex probe) - с конвексными и микроконвексными решетками соответ­ственно;

● фазированные секторные датчики (phased array probe) - с многоэле-ментными линейными решетками;

● датчики с двухмерной решет­ко й, линейные, конвексные и секторные.

Здесь мы назвали основные типы датчиков, не оговаривая их медицин­ское назначение, рабочую частоту и конструктивные особенности.

В секторных механических датчиках (рис.2.11 а, 2.11 б) рабочая поверхность (защитный колпачок) закрывает объем, в котором находится перемещающийся по углу одноэлементный или кольцевой УЗ - преобразователь. Объем под колпачком заполнен акустически прозрачной жидкостью для уменьшения потерь при прохождении УЗ - сигналов. Основной характеристикой секторных механических датчиков помимо рабочей частоты является угловой размер сектора сканирования, который указывается в маркировке датчика (иногда дополнительно дается длина соответствующей дуги Н рабочей поверхности). Пример маркировки: 3,5 МГц/90°.

В линейных, конвексных, микроконвексных и фазированных (секторных) датчиках электронного сканирования рабочая поверхность совпадает с излучающей поверхностью преобразователя, которая называется апертурой , и равна ей по размерам. Характерные размеры апертур используются в маркировке датчиков и помогают определиться при выборе датчика.

В линейных датчиках характерно является длина апертуры L (рис.2.11 в), так как именно она определяет ширину прямоугольной зоны обзора. Пример маркировки линейного датчика 7,5 МГц/42 мм.

Следует иметь в виду, что ширина зоны обзора в линейном датчике всегда меньше на 20-40% длины апертуры. Таким образом, если указан размер апертуры 42 мм, ширина зоны обзора - не более 34 мм.

В конвексных датчиках зона обзора определяется двумя характерные размерами - длиной дуги Н (иногда её хорды), соответствующей выпуклой рабочей части, и угловым размером сектора сканирования α в градусе рис.2.11 г. Пример маркировки конвексного датчика: 3,5 МГц/60°/60 мм. Реже для маркировки используете радиус R кривизны рабочей поверхности, например:

3,5 МГц/60R (радиус - 60 мм).

Рис. 2.11. Основные типы датчиков для наружного обследования: а, б-

секторные механические (а – кардиологический, б – с водной

насадкой); в – линейный электронный; г – конвексный;

д – микроконвексный; е – фазированный секторный

В микроконвексных датчиках ха­рактерным является R - радиус кривизны рабочей поверхности (апертуры), иногда дополнительно дается угол дуги α, определяющий угловой размер сектора обзора (рис. 2.11,д). Пример маркировки: 3,5 МГц/20R (радиус - 20 мм).

Для фазированного секторного датчика дается угловой размер сектора электронного сканирования в градусах. Пример маркировки: 3,5 МГц/90° .

Изображенные на рис. 2.11 датчики используются для наружного обсле­дования. Помимо них существует большое количество внутриполостных и узкоспециализированных дат­чиков.

Целесообразно ввести классификацию датчиков по областям медицинского применения.

1. Универсальные датчики для наружного обследования (abdomi­nal probe). Универсальные датчики применяются для обследования абдоминальной области и органов ма­лого таза у взрослых и детей.

2. Датчики для поверхностно расположенных органов (small parts probe). Применяются для исследова­ния неглубоко расположенных малых органов и структур (например, щито­видной железы, периферических со­судов, суставов)

3. Кардиологические датчики (car­diac probe). Для исследования сердца используются датчики секторного типа, что связано с особенностью наблюде­ния через межреберную щель. Приме­няются датчики механического сканиро­вания (одноэлементные или с кольцевой решеткой) и фазированные электрон­ные.

4. Датчики для педиатрии (podiatric probes). Для педиатрии используются те же датчики, что и для взрослых, но только с большей частотой (5 или 7,5 МГц), что позволяет получить более высокое качество изображе­ния. Это возможно благодаря малым размерам пациентов.

5. Внутриполостные датчики (intracavitary probes). Существует большое разнообразие внутриполостных датчиков, которые отличаются между собой по областям медицинского применения.

● Трансвагинальные (интравагинальные) датчики (transvaginal or edovaginal probe).

● Трансректальные датчики (transrectal or endorectal probe).

● Интраоперационные датчики (intraoperative probe).

● Трансуретральные датчики (transurethral probes).

● Чреспищеводные датчики (transesophageal probes).

● Внутрисосудистые датчики (intravascular probes).

6. Биопсийные или пункционные датчики (biopsy or puncture probes). Используются для точного наведения биопсийных или пункционных игл. С этой целью специально сконструированы датчики, в которых игла может проходить через отвер­стие (или щель) в рабочей поверхно­сти (апертуре).

7. Узкоспециализированные датчики . Большинство датчиков, о которых говорилось выше, имеют до­статочно широкий спектр примене­ния. В то же время можно выделить группу датчиков узкого применения, и о них следует сказать особо.

● Офтальмологические датчики (ophtatmology probes).

● Датчики для транскраниальных ис­следований (transcranial probes).

● Датчики для диагностики синуситов, фронтитов и гайморитов.

● Датчики для ветеринарии (veteri­nary probes).

8. Широкополосные и многочас­тотные датчики . В современных сложных приборах все большее приме­нение находят широкополосные датчики. Эти датчики конструктивно оформ­лены аналогично обычным датчикам, рассмотренным выше и отличаются от них тем, что используют широкополос­ный УЗ -преобразователь, т.е. датчик с широкой полосой рабочих частот.

9. Доплеровские датчики . Дат­чики применяются только для получе­ния информации о скорости или спек­тре скоростей кровотока в сосудах. Об этих датчиках рассказывается в разделах, посвященных доплеровским УЗ -приборам.

10. Датчики для получения трех­мерных изображений . Специальные датчики для получения 3D (трехмер­ных) изображений используются ред­ко. Чаще применяются обычные датчи­ки двухмерного изображения вместе со специальными приспособлениями, обеспечивающими сканирование по третьей координате.

Качество получаемой информации зависит от технического уровня прибора – чем сложнее и совершеннее прибор, тем выше качество диагностической информации. Как правило, по техническому уровню приборы делятся на четыре группы: простые приборы; приборы среднего класса; приборы повышенного класса; приборы высокого класса (иногда называемого high-end).

Среди изготовителей и пользо­вателей ультразвуковой диагнос­тической техники отсутствуют согла­сованные критерии оценки класса приборов, так как имеется очень большое количество характеристик и параметров, по которым можно сравнивать приборы между собой. Тем не менее, можно оценить уро­вень сложности аппаратуры, от кото­рой в значительной мере зависит качество получаемой информации. Одним из основных технических па­раметров, определяющих уровень сложности ультразвукового сканера, является максимальное число при­емных и передающих каналов в элек­тронном блоке прибора, так как чем больше число каналов, тем лучше чувствительность и разрешающая способность - основные характеристики качества ультразвукового изображения.

В простых (как правило, перенос­ных) ультразвуковых сканерах число каналов передачи-приема не более 16, в приборах среднего и повышен­ного класса 32, 48 и 64. В приборах высокого класса число каналов может, быть более 64, например 128, 256, 512 и даже более. Как правило, ульт­развуковые сканеры высокого и по­вышенного класса являются прибора­ми с цветовым допплеровским карти­рованием.

Приборы высокого класса обычно используют в максимальной мере со­временные возможности цифровой обработки сигналов, начиная практи­чески с выхода датчиков. По этой при­чине такие приборы называют цифро­выми системами или платформами (digital system).

Контрольные вопросы

1. Что такое акустическое сопротивление и его влияние на отражение

ультразвука?

2. Как зависит затухание ультразвука в биологических тканях от частоты?

3. Как изменяется спектр импульсного УЗ – сигнала от глубины?

4. Какие режимы работы предусмотрены в УЗ – сканерах?

5. В чем заключается режим работы В ?

6. В чем заключается режим работы А ?

7. В чем заключается режим работы М ?

8. В чем заключается режим работы Д ?

9.Объясните работу УЗ – преобразователя.

10. Какие конфигурации пьезоэлементов встречаются в различных типов

датчиков?

11. Какие типы датчиков существуют в УЗ – сканерах?

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1. Понятие датчика

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Зрение Глаза

Слух Уши

Вкус Язык

Обоняние Нос

Осязание Кожа

Однако для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п..

2. Принцип действия и классификация

Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах.

3. Основные виды:

3.1. Температурные датчики

С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы сопротивления, которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.

Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

3.2. Оптические датчики.

Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических. Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект,0 - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна1hc/л0 (где1h0 - постоянная Планка,1с0 - скорость света,1л0 - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,0 - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,- ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект 0 заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p-n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Пироэлектрические эффекты 0 - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики. Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне.

Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра. Основные преимущества перед датчиками других типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения.

2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д. Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры(при полупроводниковой основе).

3.3. Датчики давления.

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение.

Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полкпроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с 1 n 0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие 1p 0-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается.

Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которою входят эти резисторы. Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.

3.4. Датчики влажности и газовые анализаторы.

Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности, или устройства, работающие по принципу каталитического горения. При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.

3.5. Магнитные датчики.

Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.

Список использованной литературы

1. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. Л: Энерго атом издат, 1986г.

2. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М: Мир, 1982г.

3. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники т.2, М: Мир, 1984г.

4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. М: Радио и связь, 1990г.

Электротехническая энциклопедия #16.

Датчики

Классификация датчиков, основные требования к ним

Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.

Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам:

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.

В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина , различают неэлектрические и электрические : датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:

Электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;

Электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

Они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.

По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.

Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R , L или C ) датчика.

По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.

Различают три класса датчиков:

Аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

Цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич­ное слово;

Бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

Требования, предъявляемые к датчикам :

Однозначная зависимость выходной величины от входной;

Стабильность характеристик во времени;

Высокая чувствительность;

Малые размеры и масса;

Отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр;

Работа при различных условиях эксплуатации;

- различные варианты монтажа .

Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R , L или C ) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l , площади сечения S или удельного сопротивления p :

R = p l / S

Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные .

Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контро­лируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели , контактные термометры и так называемые электродные датчики , используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.

Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R , включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.

Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.

Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.

Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I н = f (х), где I н - ток в нагрузке.

Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U вых = f (х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.

Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов - обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.

Тензорезисторы (тензометрические датчики ) служат для изме­рения механических напряжений, небольших деформаций, вибра­ции. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.

Термометрические датчики (терморезисторы ) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:

1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».

2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.

Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.

По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).

Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L ) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.

В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.

Преимущества

- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов

- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания

- высокая частота переключений до 3000 Hz

- устойчив к механическим воздействиям

Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).

Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e 0 e S / h

где e 0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C (S ) и C (h ) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.

Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.

Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообраз­ных, прямоугольных и т. п.).

Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщино­меры), а также контроля влажности и состава вещества.

Датчики – генераторы

Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков - они генерируют электрический сигнал).

Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции. К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме. При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).

Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.

Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.

Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0 C . Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.

Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0 C . Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.

Термопреобразователи сопротивления

Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).

Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до 1100 0 С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.

Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0 C . По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.

Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0 C составляет (2…8)*10 –2 (0 C ) –1 , т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.

Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0 С.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) - п ринцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соедине­ний (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термо­электродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интер­вале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропор­циональна разности температур ΔT = Т 1 – Т 0 между спаем и концами термопары.

Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е т будет зависеть только от температуры T 1 рабочего конца.

U вых = E т = С(Т 1 – Т 0) ,

где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.

Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0 С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0 С.

Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.

Термопары имеют следующие преимущества : простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.

Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необхо­димость в применении специальных соединительных проводов.

Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0 С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.

Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0 С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0 С.

Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.

Для измерения температур от – 80 до 250 0 С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.

Пьезоэлектрические датчики

Действие пьезоэлектрических датчиков основано на исполь­зовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключаю­щегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристал­лов на их гранях появляется электрический заряд, величина ко­торого пропорциональна действующей силе.

Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое на­пряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колеба­ний звуковой и ультразвуковой частоты.

Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.

Оптические (фотоэлектрические) датчики

Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.

Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.

Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.

, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.

Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.

По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы:

1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.

2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями.

Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.

4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.

По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

Микроволновые датчики

На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.

Например, для слежения за скоростью движения промышленных механизмов широко применяются бесконтактные (емкостные и индуктивные), а также тахогенераторные устройства контроля скорости (УКС). Тахогенераторные УКС имеют механическую связь с движущимся объектом, а зона чувствительности бесконтактных приборов не превышает нескольких сантиметров.

Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и существенно затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая налипает на рабочие поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечисленные типы датчиков не способны напрямую контролировать объект (например, ленту конвейера) - они настраиваются на движение роликов, крыльчаток, натяжных барабанов и т. д. Выходные сигналы некоторых приборов настолько слабы, что лежат ниже уровня промышленных помех от работы мощных электрических машин.

Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сигнализаторов уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства необходимы для своевременного отключения подачи сырья в производственные емкости. К ложным срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер. В неотапливаемых помещениях на работу датчиков влияет окружающая температура. Ложные срабатывания сигнализаторов вызывают частые остановки и запуски нагруженного технологического оборудования - основную причину его аварий, приводят к завалам, обрыву конвейеров, возникновению пожаро- и взрывоопасных ситуаций.

Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 10 10 Гц.

Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов.

Отличительными особенностями этих устройств являются:

Отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько метров;

Непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;

Малое энергопотребление;

Нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;

Высокая помехоустойчивость и направленность действия;

Разовая настройка на весь срок службы;

Высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.

Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала, отраженного от движущегося объекта. Это явление ("эффект Допплера" ) широко используется в радиолокационных системах для дистанционного измерения скорости. Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемо-передающего модуля.

Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве цепи (ленты), наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. Лента имеет гладкую поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда мимо датчика, установленного над рабочей веткой транспортера, начинает двигаться продукт, увеличивая коэффициент отражения, прибор сигнализирует о движении, то есть, фактически о том, что лента не пуста. По длительности выходного импульса можно на значительном расстоянии судить о размере перемещаемых предметов, производить селекцию и т.д.

При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно определить момент окончания засыпки - опущенный на определенную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан.

Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и повысить информативность автоматизированных систем управления.

Список использованных источников

1) Е.М. Гордин, Ю.Ш. Митник, В.А. Тарлинский

Основы автоматики и вычислительной техники

Москва «Машиностроение», 1978

2) Густав Олссон, Джангуидо Пиани

Цифровые системы автоматизации и управления

СПб.: Невский Диалект, 2001

3) В.В.Сазонов Методические указания к выполнению лабораторной работы

«Исследование реостатного датчика линейных перемещений»

4) Чугайнов Н.Г. Реферат «Температурные датчик», Красноярск 2003

5) Федосов А. В. Реферат «Датчики скорости» - Москва 2003

6) Д. Н. Шестаков, генеральный директор ООО "ПромРадар"

Микроволновые датчики промышленного применения

7) Журнал «Современная электроника» 6, 2006

8) Каталог предприятия «Сенсор»

9) Компоненты OMRON / Фотоэлектрические датчики

Автор статьи : Сергей Никулин, преподаватель УО "Гомельский государственный политехнический колледж " .