Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Основные определения и характеристики




Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик — это уст­ройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них». Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охва­тывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка в револьвере.

Датчик — это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирую­щее на них изменением электрических сигналов (заряд, ток, напряжение или импеданс), являющихся функцией измеряемой величины.

 

 

Здесь s – выходная величина датчика, а – измеряемая величина, также к физической величине m характеризующей объект измерений (температура, давление и др.) широко применяется термин внешнее воздействие. Под внешним воздействием понимается количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необ­ходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал.

Назначение датчиков — реакция на определенное внешнее физическое воздей­ствие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измеритель­ными схемами.

Электрический сигнал – это переменная составляющая напряжения, тока или заряда, которая несет информацию, связанную с измеряемой величиной.

Выходные сигналы датчиков описываются следующими характеристиками: амплитудой, часто­той, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором вход­ных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров.

Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит переда­ча информации.

Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобра­зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером пре­образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустичес­ких волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Инте­ресно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилите­ля, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов.

 

Рис. 1.2.1 Датчик состоящий из нескольких преобразователей.

е1, е2,...- раз­личные виды энергии.

 

Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 1.2.1). Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, пре­образовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух преобразователей представляет собой химический датчик — устройство, вырабаты­вающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Химический датчик является составным датчиком, состоящим из преобразователя и еще одного датчика — датчика температуры. В структуру со­ставных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, кото­рые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредствен­ное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. При­мерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека.

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соот­ветствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных де­текторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих уст­ройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того, чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измеритель­ных комплексов со множеством обратных связей.

На рис. 1.2.2 показана блок-схема автоматизированного измерительного комп­лекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Субъектами измерений могут быть любые материальные объекты: автомобили, станки, космические корабли, различные жидкости и газы.

 

 

Рис. 1.2.2 Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в системе сбора данных.

Датчик 1 является бесконтактным, датчики 2 и 3 — пассивными устройствами, датчик 4 — активным, а датчик 5 - внутренним элементом системы сбора данных.

Данные об измеряемом объекте со­бираются при помощи датчиков, часть из которых, (2, 3 и 4), располагается на поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет непосредственной связи с объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные камеры и детекторы излу­чений служат примерами таких датчиков. Даже когда датчик называется бескон­тактным, всегда между ним и объектом происходит передача энергии. Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит для контро­ля за условиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не могут быть напрямую подсоединены к стандартным электронным схемам из-за несоответ­ствия форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специаль­ные интерфейсные устройства — преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 — представитель ак­тивных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сиг­нал, получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сиг­нал в соответствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных датчиков является температурно-чувствительный резистор, который часто назы­вается термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, яв­ляющегося в данном случае схемой возбуждения. Измерительный комплекс мо­жет включать в себя либо один датчик (домашний термостат), либо несколько тысяч (космический корабль).

Электрические сигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор, вы­полняющий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков являются ана­логовыми, они поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), если циф­ровыми — непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу муль­типлексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод, воздей­ствующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут использоваться электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав из­мерительной системы также входят периферийные устройства (накопители дан­ных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не показанные в блок-схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи.

Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим простую систему, контролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь автомобиля оснащена датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический вык­лючатель. Сигналы от датчиков всех дверей поступают на встроенный микропро­цессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП, поскольку сиг­налы датчиков являются цифровыми: 0 — дверь открыта, 1 — закрыта). Микропро­цессор определяет какая из дверей открыта и посылает на соответствующее пери­ферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнализатор) специаль­ный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это сообще­ние и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь.

 

 

Классификация датчиков

Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели про­ведения классификации.

Все датчики можно разделить на три категории: пассивные, активные и комбинированные.

Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Принцип действия пассивного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее важные из этих физических явлений указаны в табл. 1.2, а принципы их технической реализации иллюстрируют схемы на рис. 1.2.3.

Таблица 1.2.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...