Что такое датчик: как выглядит, как работает
Чтобы контролировать работу различных систем, используют специальные устройства – датчики (сенсоры, детекторы). Для каждого типа оборудования применяется определённый тип датчиков, оснащенный необходимым функционалом и опциями. При покупке или замене прибора нужно ориентироваться на специфические характеристики и принцип работы новой модели.
Что собой представляет датчик
Датчик — средство измерения различных параметров для формирования сигнала
Датчик − электронное либо электромеханическое устройство, трансформирующее силу воздействия в электрический импульс (сигнал) посредством одного или нескольких преобразователей.
С виду это чёрная коробка, формирующая на входе сигнал, который передается и обрабатывается в дальнейшем. Такие устройства располагают на разных расстояниях от обслуживаемого объекта либо системы. Все зависит от длины кабеля или радиосигнала.
Базовое устройство и принцип работы
По характеру регистрируемых воздействий данные устройства бывают:
У каждого прибора имеются свои особенности, которые определяют сферу применения. Например, бесконтактные оптико-электронные детекторы работают на удаленном расстоянии от объекта. Остальные используются исключительно на ограниченных расстояниях.
Задачи и функции
Основная задача датчиков заключается в передаче исследуемых параметров на специальный приемник и последующую обработку сигнала. Также они контролируют исследуемый объект и замеряют его характеристики в определенных диапазонах. Существуют многофункциональные модели, фильтрующие, предварительно обрабатывающие необходимые параметры.
Датчики представляют собой часть технических систем, благодаря которым можно выполнять измерение, регулировку, настройку объектов.
Приборы преобразуют полученные данные, например, о контролируемой среде (давление, температура, частота, скорость) в электро-, пневмо-, оптические импульсы. При этом формируется подходящая для передачи и приятия приемником форма для дальнейшей обработки, хранения, регистрации информации.
Сфера применения
Применение датчиков в быту
Различные виды датчиков давно и активно применяются в самых разных сферах:
В быту их используют в выключателях, барометрах, бытовой технике (тостерах, утюгах, кухонных плитах) и пр.
Датчики нужны там, где для слаженной работы объекта требуется мониторинг определенных факторов. Например, контроль температуры, когда пожарный детектор мгновенно фиксирует превышение порогового значения и передает к узлам сигнализации информацию об этом, а узел активирует звук, свет, автоматическое пожаротушение.
Классификация датчиков
На рынке можно найти много видов сенсоров. Практически все они базируются на воспринимающих элементах, улавливающих определенные параметры объекта. Например, чувствительной частью выступает:
Также это могут быть магниты, поплавки, химические реактивы.
Классификация датчиков по выходным параметрам (образованию наиболее удобного для восприятия импульса, в который преобразуется входной сигнал исследуемой среды), следующая:
Большинство датчиков являются электрическими приборами, так как именно они имеют множество преимуществ:
Детекторы разделяют на три класса:
По принципу действия сенсоры бывают генераторными, гальваническими, тахометрическими, параметрическими, индуктивными, емкостными. Также существуют не особенно распространенные виды классификаций сенсоров:
По виду измеряемых величин наиболее популярны следующие разновидности детекторов:
Также бывают датчики влажности, положения, вибрации, механических величин, дуговой защиты.
Критерии выбора
При выборе оборудования в первую очередь учитывают, для каких целей оно приобретается и что нужно оценивать. Если сенсор сломан, ищут новый прибор, совпадающий по прежним параметрам.
Обязательно обращают внимание на следующие критерии:
Выбирая подходящий датчик, необходимо учитывать совокупность характеристик, соответствующих конкретному оборудованию.
Статические качества
Показывают, насколько корректно работает сенсор на выходе. Данный критерий отображает правильность замеряемых величин через некоторый отрезок времени после их изменения. Сюда входит чувствительность сенсора, его разрешение и линейность, а также коэффициент усиления. Дополнительно изучается отклонение показателей детектора, его рабочий диапазон, отклонение между повторяющимися измерениями и воспроизводимость.
Динамические характеристики
Учитывается время прохождения зоны нечувствительности, период запаздывания подаваемого сигнала, время нарастания и достижения первого максимума. Также необходимо обращать внимание на допустимые статические ошибки и разницу между максимально установленными параметрами от истинной величины. Данные характеристики особенно важны для сверхчувствительных приборов, где минимальные отклонения работы прибора сильно влияют на результат.
Типичные требования для датчиков
Если производитель допускает большую погрешность, и она не оказывает отрицательного воздействия на работу датчика, такое устройство можно приобретать. Однако все виды сенсоров должны соответствовать оптимальным параметрам:
Также необходимо учитывать возможность монтировать устройство на любых плоскостях и поверхностях.
Сенсор давления, датчик давления, преобразователь давления – в чем разница?
Очень часто приходится слышать от наших потребителей использование каждого из этих терминов с совершенно разными смысловыми посылами.
Попробуем разобраться и сформулировать определения этих терминов.
Сенсор давления – это чувствительный элемент, который определенным образом реагирует на изменение давления. Т.е. создаваемое давление непосредственно изменяет свойства сенсора ( емкость, сопротивление и пр.) и таким образом, мы получаем информацию об этом давлении.
На рисунке изображена пластина с пьезорезистивными сенсорами давления
Датчик давления – это наиболее часто встречающееся и всеобъемлющее понятие. Многие специалисты к датчикам давления относят и реле давления ( прессостаты), т.е. приборы, задача которых не выдавать значение давление, а срабатывать на Включение/ Выключение контактов при достижении определенных заданных изначально давлений. Иногда можно даже встретить специалистов, которые называют и манометры датчиками давления.
Но какое же все-таки определение датчиков давления является наиболее правильным? С нашей точки зрения датчик давления – это устройство готовое к измерению давления. Т.е. устройство содержащие в своем составе сенсор давления, имеющее корпус с возможностью монтажа в процесс и электрические выводы виде штырьков, проводов или даже специальных электрических коннекторов.
На рисунках изображены:
Cлева – датчик абсолютного давления со специальным фланцем под сварку
Справа – датчик дифференциального давления, крепление датчика производится при помощи уплотнительных колец
Как правильно выбрать преобразователь давления? Читайте нашу статью.
Датчики и их разновидности
Датчики — устройства, содержащие чувствительные части, реагирующие на определенные факторы с целью управления, контроля, мониторинга работы электроустановок, электроники, силовых систем, двигателей, бытовых и иных приборов. Изделия регистрируют изменения среды и, посылая команду исполнительным частям, обеспечивают автоматизацию, автономность оснащения или передают данные на устройства слежения. С помощью датчиков обеспечивается также и безопасность, оборудования или окружающей среды (например, пожарные сенсоры). Для каждого типа оборудования характерный определенный вид детекторов с нужными функциями, стойкостью, сенситивностью — рассмотрим их. А также опишем устройство, принцип работы, внешний вид сенсоров. Таким образом, читатель сможет сориентироваться, где какое устройство применяется, что надо ремонтировать или покупать для замены.
Что такое датчик
Под датчиком, сенсором, детектором подразумевают прибор, узел обособленного типа (интегрированный или в большей мере отдельный, но различимый), имеющий в своем составе один или больше первичных преобразователей измерительных типов. Назначение — выработка данных замеров в виде, подходящем для передачи, исследования, оценки, обработки, дальнейшей трансформации, хранения. Такая пересылка не поддается непосредственному восприятию наблюдателями. Пример простейшего устройства – микрофон, это звуковой детектор (громкость воспринимается, но ее силу в дБ человеку сложно оценить)
Детекторы могу иметь промежуточные узлы — вспомогательные или прямо необходимые для работы измерительные преобразователи, а также меру.
Устройство может быть вынесено на любые расстояния от обслуживающей системы, объекта, приемника. Длина определяется возможностью инструментов и методов связи (кабели, радиосигнал).
Задачи и роль датчиков
Задача сенсоров — передать параметры исследуемых факторов на приемник для последующей обработки им. А также, как уже мы отметили выше, детекторы могут делать своими дополнительными преобразователями некоторую подготовительную обработку импульсов, приводя их в удобную для передачи форму.
Но может быть еще важная задача. Если соотношение показателя величины сенсора на выходе с соответствующим значением таковой входной нормированное, то такие изделия являются измерительными средствами. То есть выполняют не только пассивную роль мониторинга, но и замеряют характеристики исследуемых факторов в диапазонах, допускающихся их техническими возможностями.
Есть многофункциональные модификации датчиков, воспринимающие и преобразовывающие, работающие с несколькими входными величинами. Помимо главной опции — восприятия значений, создание измерительного импульса — выполняют дополнительные опции, такие как фильтрация, предварительная обработка и так далее.
Датчик (сенсор, детектор) — это составляющие технических систем, их опции такие для обслуживаемых приложений:
Изделия преобразуют данные о контролируемой среде — давлении, t°, расходе, концентрации, частоте, скорости, перемещении, электропараметрах — в сигналы (электро, пневмо, оптические). Создается наиболее подходящая для передачи и восприятия приемником форма для дальнейших измерений, обработки, подачи, трансформации, хранения, регистрации данных.
Сфера применения
Датчики используются везде там, где для работы прибора, техники, конструкций, систем, узлов требуется мониторинг определенных факторов (мы их перечислили выше). Ярким примером является температура: пожарный сенсор фиксирует превышение порогового значения и подает на узлы сигнализации данные об этом, а тот включает звуковую, световую индикацию, автоматическое пожаротушение.
Термодатчик в бойлере фиксирует достижение водой определенного уровня нагрева, дает импульс на реле термостата и тот отключает прибор. Множество датчиков есть в автомобилях, например, один из них — детектор вращения коленвала — подает информацию на ЭБУ, а тот регулирует работу системы впрыска топлива.
Вот лишь небольшая часть оборудования, где используются датчики:
Сложно назвать такую область, в которой бы отсутствовали датчики. Часто сенсоры связаны с чисто измерительными приборами — барометрами, термометрами, высотомерами. Последние делают замеры, датчик улавливает эти значения и передает на оборудование, автоматику.
Если обобщить, то термин «датчик» появился с развитием автоматизации управления, контроля, работы. Традиционной является следующая цепочка:
Датчик (улавливает и передает данные об исследуемых факторах, состоянии) — узел (прибор, система) управления (дает команду) — исполнительное устройство (принимает указания и настраивает обслуживаемый объект).
Датчик отличается от измерителя тем, что он в охватывающем им диапазоне только фиксирует выход сигнала исследуемого фактора. Поэтому часто для полноценной работы оснащения есть еще и узел, осуществляющий замеры, и они тесно связанные, могут быть интегрированными друг с другом, настолько, что отдельная работа их была бы невозможной.
Названия
Применяемые нами синонимы для описываемых устройств будем понимать как равнозначные — они обозначают измерительный преобразователь с функциями восприятия входных величин и формирования измерительных сигналов. Если говорить строго, то слово «сенсор» имеет акцент на восприятии, «датчик», — на создание и выдачу измерительных импульсов, «детектор» — на обнаружение определенных факторов. Но все эти свойства будем считать присущими каждому используемому нами синониму.
Все чаще используются модели изделий со сложной обработкой сигналов, с опциями регулировки, настройки параметров, интерфейсом управляющей системы. Надо сказать, что датчиками можно назвать и биологические маркеры. То есть термин допустимо трактовать расширенно.
При использовании измерителей, показания оборудования воспринимаются, обычно, напрямую — на дисплеях, табло, панелях, посредством световых, звуковых сигналов и проч. Показания же датчиков требуют трансформации в форму, которая может быть воспринята приемником и/или человеком.
Автоматизированное оснащение управления может иметь детекторы в роли инициаторов для сработки оборудования, арматуры, программ. Показания при этом, как правило, поступают на запоминающие элементы для контрольно-аналитических процессов, вывода на табло, на печать.
Устройство датчиков, принцип работы
Итак, датчик он же sensor является элементом узлов измерительных, сигнальных, регулирующих, управляющих частей оснащения. Деталь преобразует контролируемую, регулируемую величину (t°, давление, частоту, интенсивность света, электропараметров) в импульс, удобный для измерения, подачи, хранения, обработки, фиксации, а иногда он влияет на управляемые процессы.
Если упростить, то детектор является устройством, трансформирующим входное воздействие любых физических величин в сигнал, подготовленный для дальнейшей работы с ним.
Составные части
Есть чрезвычайно много конструкций сенсоров, чувствительных их частей, а также принципы сработки, взаимодействия, но все они обычно сводятся к такой структуре:
Общую схему датчика (Д) можно отобразить как совокупность чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующей части (Пр.) Первый в системах автоматики, телемеханики — это орган чувств. Предназначенный, чтобы преобразовывать, подготавливать контролируемую величину (х) придавая ей форму сигнала х1, удобную для восприятия, измерения. Например, в преобразователе часто осуществляется трансформация импульса (х1) в электрический сигнал (у).
На вход детектора могут поступать как электроимпульсы, так и любые другие, иного характера (пневмо, давление, световые, звуковые и прочие), но с выхода наиболее удобно снимать электросигнал — его просто и легко усиливать, оценивать, передавать можно почти на неограниченные расстояния.
Подбор датчиков, какие параметры учитывают
Сенсор, например, на замену сломанного, подбирают под параметры:
Остальные важные параметры:
При подборе надо проверять допуски — совокупность характеристик, допустимых для конкретного оборудования. Например, диапазон погрешностей, отклонений (±).
Статические качества. Выражают, насколько корректен выход датчика, насколько правильно отражает замеряемые величины спустя определенное время после их изменения, когда вых. импульс установился с новым значением. К таковым относятся:
Динамические характеристики. Редко приводятся в техописаниях. Для бытовых приборов, обычных целей их можно не учитывать.
Их берут во внимание, если требуется детектор для особо чувствительного оборудования (лабораторного, научного, для экспериментов), для предельно возможной точности, исключающей любые сбои, погрешности (сфера энергетики, космическая отрасль). К таковым относятся:
Требования для датчиков
Можно подобрать сенсор с большой погрешностью, если это допускается производителем, затребовано именно под особенности приложения или особо не влияет на качество работы.
Но в общем лучшими изделиями будут таковые со следующими качествами:
Разновидности датчиков
Классификация сенсоров чрезвычайно обширная. Опишем наиболее характерные виды применяемых повсеместно датчиков.
В своей основе почти все детекторы базируются на чувствительной части, реагирующей на определенные параметры обслуживаемой среды, а также на сопровождающие ее процессы.
Например, сенситивным элементом может быть следующее:
В зависимости от исследуемой величины, от характера входных значений датчик бывает:
Классификация по выходной величине, то есть по созданию удобного для восприятия сигнала, в который преобразуется входной импульс исследуемой среды:
Подавляющее большинство сенсоров электрические, поскольку именно при этом наблюдается наибольшая совокупность достоинств:
Классы
Датчики имеют виды, которые группируют по трем классам:
По принципу действия
Виды по методам работы:
У активных детекторов используется зависимость значения активного сопротивления от давления с контактным характером, от температуры, освещенности фотоэлементов.
Контактные
На контактных детекторах остановимся подробнее, так как они ярко отображают принцип работы. Это одни из самых простых разновидностей, элементарные по своей конструкции и методу. Преобразовывают движение первичного элемента в изменение сопротивления электроцепи скачкообразного характера. Это сенсор, где линейное или угловое перемещение трансформируется в замкнутое/разомкнутое состояние контактов, производящих управление электроцепями.
Подвиды: с механическим (ручным) и магнитным управлением. Например, герконы, у которых контакты намагничиваются и смыкаются, если в их колбе создается определенное магнитное поле исследуемым фактором, обычно, связанным с электрическими явлениями.
Контактными детекторами делают замеры и контроль усилий, перемещений, температур, размеров, форм. Такие устройства работают на постоянном и переменном токе. Подвиды: одно- и многопредельные. Последние применяются для величин, изменяющихся в широких рамках, при этом части резистора цепи закорачиваются.
Контактные детекторы широко применяются в автомобилях. Опишем некоторые.
Датчики аварийных состояний. Пример: сенсоры перегрева охлаждающего вещества, включения вентилятора. Используется способность биметаллической пластины изгибаться при воздействии на нее тепла, тем самым замыкаются/размыкаются контакты, подается питание на крыльчатку и пр. элементы системы.
Детектор аварийного давления масла. Используется свойство упругих частей деформироваться под давлением среды.
Датчик уровня жидкости, основывающийся на контакте воды, емкости и исполнительных элементов (указатели, смыкатели и прочее) с поплавком.
Схема действия геркона для контроля исправности лампочек в автомобиле.
Контроль износа тормозных колодок:
Расширенная классификация датчиков
Мы рассмотрели самые популярные варианты сенсоров. Есть также не особо распространенные детекторы. Типы датчиков достаточно полно отображены во многих источниках. Для целостности картины приведем список с уже описанными нами типами:
Наиболее многочисленные разновидности по виду измеряемого параметра:
