Датчик — это, как правило, источник информации для системы управления, измеряющий определенную физическую величину и преобразующий ее в сигнал, который можно передавать дистанционно и в дальнейшем обрабатывать в измерительных и управляющих системах. Чаще всего это электрический сигнал (изменение напряжения или тока во времени).
Более в глобальном смысле, датчик — это физический или биологический инструмент, чаще всего являющийся составной частью более крупной системы, задачей которой является улавливание сигналов из окружающей среды и их распознавание.
Датчик на современном автоматизированном промышленном предприятии
В автоматических системах каждый регулятор имеет измерительное устройство, контролирующее величину параметра.
Любое измерение осуществляется чувствительными органами, реагирующими на изменение измеряемой величины.
Например, измерение температуры может быть произведено термометром сопротивления, состоящим из металлической проволоки. Сопротивление этой проволоки зависит от температуры. Каждой температуре соответствует определенное сопротивление. Поэтому, измеряя сопротивление, можно определить температуру.
Измерение давления можно производить манометрической пружиной. Каждому давлению внутри пружины соответствует определенная ее деформация. Измеряя деформацию пружины, можно судить о давлении.
Проволока термометра сопротивления и пружина манометра являются чувствительными органами. Чувствительный орган воспринимает изменение контролируемой величины и преобразует это изменение в изменение другой величины. Поэтому чувствительный орган называют также преобразователем или воспринимающим органом.
В автоматических системах к измерителю предъявляются специфические требования. В этом случае недостаточно, чтобы значение измеренного параметра было указано стрелкой или цифрой, а нужно, чтобы это значение было передано на следующий за измерителем узел системы. Поэтому все измерения в автоматических системах производятся датчиками.
Датчиком называется преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования.
По структуре датчики состоят из одного или нескольких элементарных преобразователей, соединенных в единую систему. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину.
В датчиках различают входную величину, действующую на датчик, и выходную величину, которая является информацией для всех следующих за датчиком элементов системы.
Для термометра сопротивления входной величиной будет температура, а выходной — сопротивление. Для манометрической пружины входной величиной будет давление, а выходной — деформация.
Все датчики делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. Это зависит от типа выходной величины (выходного сигнала) датчика.
Дискретные датчики выдают дискретный (прерывистый) выходной сигал, а аналоговые - непрерывный сигнал. Выходные сигналы обоих типов датчиков должны быть преобразованы в цифровой формат (так как компьютерная техника обрабатывает только цифровые данные).
Подробно о различных видах сигналов смотрите здесь: Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы
Аналоговые датчики генерируют выходной сигнал в виде непрерывно изменяющегося напряжения или тока.
Например, аналоговый звуковой датчик может иметь выходной аналоговый сигнал в виде изменяющегося напряжения в диапазоне от 0 до 5 вольт (вольт).
Когда датчик не обнаруживает звука, его выходной сигнал равен 0 В, а когда он обнаруживает самый громкий звук, выходное напряжение составляет 5 В. Такой звуковой датчик может обнаруживать звуковые волны любой интенсивности в пределах своего рабочего диапазона.
Аналоговые датчики более точны, поскольку непреобразованный сигнал имеет более высокое разрешение. К сожалению, аналоговый сигнал более подвержен помехам. Преобразование аналогового сигнала в цифровой влечет за собой потерю данных.
Наиболее простые - дискретные датчики. Они использовались с момента изобретения автоматических систем релейной логики, задолго до распространения программируемых логических контроллеров (ПЛК).
Каждый дискретный датчик передает сигнал ноль-единица (отключено - включено), что позволяет блоку ПЛК игнорировать уровни аналогового срабатывания, мертвые зоны сигнала, время обнаружения и другие параметры, препятствующие измерению.
Этот сигнал может означать «я вижу объект», «давление в машине превышает 5 бар», «привод достиг своего положения», «нагреватель достиг заданной температуры» или иметь множество дискретных значений.
Цифровые датчики генерируют сигналы, состоящие из отдельных битов. Биты могут быть объединены в строки для формирования байтов, состоящих из n битов, передаваемых параллельно.
Примером цифрового датчика является оптический инкрементальный энкодер, встроенный в двигатель. Выход этого датчика определяет изменения положения вала двигателя.
Еще одним примером цифрового датчика является цифровой компас. Он определяет направление, в котором он возвращается, отправляя 9-битное чтение в диапазоне от 0 до 359 (сигнал может принимать 360 возможных значений).
Некоторые цифровые датчики на самом деле являются аналоговыми датчиками со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. Настоящие цифровые датчики генерируют цифровой сигнал напрямую.
Выходные данные датчика передаются в виде цифрового сигнала - на качество передаваемого сигнала не влияет длина кабеля, его сопротивление или импеданс, электромагнитные помехи.
Пример дискретного, аналогового и цифрового датчиков можно увидеть ниже на фотографиях.
Смеситель с дискретным датчиком движения
Аналоговый датчик температуры
Цифровой датчик влаждности и температуры для устройств на базе Ардуино
Очень часто начинающие электрики путают датчики и реле. На самом деле это разные устройства: Датчики и реле - в чем разница
Еще одной из наиболее часто используемых классификаций датчиков является классификация, учитывающая вид физического явления, которое используется при работе датчика.
Принимая во внимание способ генерации измерительного сигнала, датчики можно разделить на параметрические и генераторные датчики.
В первой группе датчиков параметр датчика - емкость, индуктивность, сопротивление - также изменяется при изменении измеряемой величины. Такое решение требует вспомогательного источника энергии, включаемого в электрическую цепь, обеспечивающего изменение ее параметров в результате входного сигнала.
К наиболее важным электрическим параметрическим датчикам относятся индуктивные и емкостные датчики, а также термометры сопротивления, фоторезисторы, магниторезисторы и др.
С другой стороны, в датчиках генерации электроэнергии эффектом измеряемой величины на выходе является электрический сигнал. К этой категории относятся, в первую очередь, пьезоэлектрические датчики, термопары, датчики Холла и др.
В качестве датчиков могут быть использованы элементы, у которых между входной и выходной величинами существует однозначная зависимость, т. е. такие элементы, у которых каждому значению входной величины соответствует только одно определенное значение выходной величины.
Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин называется статической характеристикой датчика. Каждый датчик характеризуется своей чувствительностью и разрешающей способностью.
Датчик стараются использовать только в той области, где его статическая характеристика представляет собой прямую линию. В этом случае чувствительность имеет постоянное значение на всем диапазоне измерений.
Светодиодный светильник с датчиками движения и освещенности
Разрешающей способностью или порогом чувствительности называют то наименьшее значение входной величины, которое вызывает изменение выходного сигнала, превышающее уровень шумов на выходе датчика.
Для получения качественных результатов измерения необходимо, чтобы датчик не оказывал существенного влияния на входную величину.
При измерении, например, температуры термометром сопротивления необходимо, чтобы тепло, выделяемое чувствительным элементом, не искажало измеряемой температуры в точке замера.
В случае измерения числа оборотов мощность, которую потребляет тахогенератор, должна быть намного меньше мощности, передаваемой валом, чтобы обороты вала не изменялись при присоединении тахогенератора.
Существуют датчики, в которых совершается только одно преобразование.
Например, в термометре сопротивления изменение температуры преобразуется в изменение сопротивления. Имеются также датчики, в которых совершается два или более последовательных преобразований.
Так, в датчике, определяющем скорость потока, состоящем из проволочки, обтекаемой током, изменение входной величины — скорости потока — преобразуется в изменение температуры датчика, а изменение температуры — в изменение сопротивления. Сопротивление и является выходной величиной.
Примеры использования датчиков:
Как устроен и работает терморегулятор электрического утюга
Как устроен и работает автоматический регулятор на примере камеры инкубатора
Надежная работа устройства, машины, автоматической системы в значительной степени зависит от правильного выбора и использования соответствующих датчиков: Выбор датчиков, основные принципы и критерии выбора
Термопара для измерения температуры в электрическом котле
В автоматических системах наиболее часто используются датчики температуры, самым популярным видом которых являются термопары.
Термопара используется для замера температуры и состоит из двух проводников, сделанных из различных материалов и называемых термоэлектродами.
При замере температуры на одном конце термопары (называемым свободным) поддерживается постоянная температура, а другой конец (называемый рабочим) помещается в среду, температура которой измеряется.
Подробно про термопары:
Как устроены и работают термопары и термоэлектрогенераторы
Схемы включения и компенсации термопар
Достоинства и недостатки различных датчиков температуры
Андрей Повный, Филиал БГТУ ГГПК