XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Для получения информации из внешнего мира человек пользуется органами чувств. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов — "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств: уши, глаза, язык и т. д.[1]

Однако, для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Через глаза сигналы от внешних раздражителей по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение цвета, расстояния, формы и т.д. 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.

Но сигналы окружающего нас мира не всегда являются электрическими. Для создания сложных интеллектуальных цифровых систем, способных воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие различные физические величины в электрические сигналы. Такими устройствами и являются датчики.

Датчик - это устройство, которое воспринимает внешние воздействия и реагирует на них изменением электрических сигналов.

Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. Поэтому работа большинства датчиков основана на различных физических принципах — фотоэлектрические, акустические, оптические и т. д.

Например, принцип действия оптического датчика основан на способности внутренней электроники прибора распознавать изменение характера излучения. Датчик становится активным, когда излучение свободно попадает на устройство. В случае его прерывания прибор перестает работать. В этот момент на компьютер поступает соответствующий закодированный сигнал, и оператор получает информацию о наличии объекта в зоне действия датчика.

Примером фотоэлектрического датчика может быть фотодиод. Фотодиод – полупроводниковый диод, способный изменять свои свойства под воздействием светового потока. При отсутствии воздействия света диод обладает стандартными характеристиками. При работе в вентильном режиме потребность в дополнительном источнике питания отсутствует, а сам диод совмещает функции фотодиода и триода, являясь усилителем фототока, возникающего под воздействием светового излучения. Такой режим применяется для выполнения измерений размеров исследуемого объекта, его перемещений и температуры. Для работы в фотодиодном режиме требуется применение внешнего источника питания, при этом диод приобретает большую чувствительность, что делает возможным его применение для считывания информации с перфокарт, перфолент и других носителей.

Датчики на акустических волнах - довольно интересные устройства. Практически все акустические датчики для генерирования волны используют пьезоэлектрические материалы. Применение подходящего электрического поля к пьезоэлектрическому материалу создает механическое напряжение. Пьезоэлектрические акустические сенсоры создают механические волны с помощью электрического поля. Эти волны распространяются через субстрат, а затем, для проведения необходимых измерений, трансформируются обратно в электрическое поле.

Датчиков существует огромное множество, и каждый отличается внутренним строением. Но в общем случае их строение можно описать, как прибор, состоящий из двух частей:

- чувствительного элемента — непосредственно самого датчика, на выходе которого имеется естественный сигнал;

- измерительного преобразователя, который приводит выходную величину чувствительного элемента к стандартному виду.

Цель данной работы изучить устройство и принцип работы датчиков, рассмотреть их основные виды и характеристики, а также выявить актуальность развития датчиков в сфере современного производства.

1 Устройство датчиков

1.1Датчик температуры жидкости

Развитие датчиков в последнее время является очень важной задачей. Во время активной компьютеризации и быстрого развития всех областей производства они начинают играть все более важную роль. В мире существует огромное множество различных видов датчиков, и каждый будет отличаться устройством от какого-либо другого.

Датчик температуры жидкости (датчик температуры охлаждающей жидкости, ДТОЖ) — один из основных датчиков системы контроля и управления силовым агрегатом; электронный датчик для контроля температуры охлаждающей жидкости, циркулирующей в системе охлаждения силового агрегата.

С помощью данного датчика решается сразу несколько важных задач:

- визуальный контроль температуры мотора при помощи связанного с датчиком прибора в салоне автомобиля;

- управление системами автомобиля в соответствии с изменением температуры;

- аварийное отключение систем или всего двигателя при чрезмерном росте температуры.

Все применяемые сегодня ДТОЖ принципиально одинаковы по конструкции и принципу действия. Датчики строятся на основе термисторов (терморезисторов) — полупроводниковых приборов, электрическое сопротивление которых (проводимость) изменяется в ту или иную сторону при росте и падении температуры.

Для данного датчика применяются резистивные элементы с отрицательным температурным коэффициентом. Это значит, что в отличии от классических проводниковых материалов, где с нагреванием омическое сопротивление возрастает, повышение температуры датчика приводит к уменьшению сопротивления. К примеру, измеряя показания при +20 ºС сопротивление термистора будет составлять 3,5 кОм. При нагревании антифриза до +90 ºС сопротивление датчика упадет до отметки 0,24 кОм. Но, существуют и исключения, к примеру, у автомобилей марки Renault датчик имеет положительный температурный коэффициент.[2]

Термистор же выполнен в виде таблетки или капли, которая помещена в герметичный корпус датчика (см. рис. 1) — баллон из бронзы, латуни или другого металла, обладающего высокой устойчивостью к коррозии. Для более надежного контакта терморезистора со стенкой баллона (чтобы колебания температуры жидкости с минимальной задержкой передавались на чувствительный элемент), он может дополнительно иметь прижим пружиной. В верхней части ДТОЖ располагается одна клемма или клеммная колодка для подключения к соответствующей электрической цепи электронного блока управления или термометра.

Рис. 1 — Общее устройство датчика температуры жидкости[3]

Работа датчика температуры на основе термистора сводится к следующему:

В состоянии покоя двигателя охлаждающая жидкость будет иметь сопоставимую с окружающей средой температуру. Сопротивление термистора датчика Rt останется на максимальной отметке и поданное напряжение практически не выдаст ток в цепь индикации логического блока.

При замыкании контактов V в замке зажигания вместе с запуском двигателя будет подано напряжение от аккумулятора А на датчик температуры. По мере нарастания оборотов, сопротивление термистора Rt будет снижаться в соответствии с его характеристикой.

В случае превышения допустимого предела температур, Rt перейдет в режим проводимости. В соответствии с законом Ома величина тока, протекающего через термистор, возрастет. Сигнал придет на логический блок и будет подана команда для снижения объема, впрыскиваемого топлива, или уменьшение числа оборотов коленчатого вала.

При снижении оборотов и мощности мотора, со временем камера сгорания охладится и ДВС придет в норматив температуры. Охлаждающая жидкость остынет и у термистора Rt снова возрастет сопротивление. Величина тока в цепи индикации логического блока снова уменьшится, и автомобиль перейдет в нормальный режим работы.

Учитывая описанную выше схему работы датчика температуры, можно сделать вывод об общей схеме работы датчиков:

- датчик принимает внешний сигнал;

- преобразует его в электрический сигнал;

- передает этот сигнал в устройство управления.

1.2 Классификация датчиков

В зависимости от вида измеряемого параметра различают: датчики перемещений (линейных и угловых), датчики силы, положения, скорости, ускорения, датчики уровня, расхода, температуры, давления и многие другие. На сегодняшний день существует примерно следующее распределение доли измерений физических величин в промышленности: температура – 50%, расход – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.

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.

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) и др.

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.

Вообще, классификация датчиков может быть самой разнообразной в зависимости от цели проведения классификации. Например, одна из самых часто встречаемых – датчики могут быть поделены на активные и пассивные.[4]

Активные (или, как их часто называют, параметрические) датчики для своей работы используют электрический сигнал возбуждения от внешнего источника энергии (например, резистивный тензодатчик, меняющий свое сопротивление в зависимости от величины деформации).

Пассивные же датчики не используют дополнительный источник энергии и в ответ на внешнее воздействие или его изменение на выходе такого датчика появляется электрический сигнал (фотодиод, например).

Также, например, в зависимости от выбора точки отсчета можно поделить датчики на абсолютные и относительные.

Абсолютный датчик воспринимает внешний сигнал в абсолютных физических единицах, которые не зависят от условий измерений.

Относительный датчик внешний сигнал при каждом измерении может трактовать по-разному, в зависимости от условий измерений.

Термистор, к примеру, - абсолютный датчик, поскольку его электрическое сопротивление находится в прямой зависимости от абсолютной температуры, в то время как термопара является относительным датчиком, так как напряжение на его выходе зависит от градиента температуры, а не от абсолютного ее значения. Классификацию датчиков можно провести и по другим признакам. Например, по их характеристикам, материалам, из которых они изготовлены, по средствам детектирования, механизмам преобразования энергии воздействия в электрический сигнал, областям применения и т. д.

2. Характеристики датчиков

Физические параметры, которые могут быть измерены при помощи датчиков, не счесть, в основе всех датчиков так или иначе лежат сенсоры, воспринимающие одно из нескольких физических воздействий: давление или деформацию, магнитное поле, температуру, свет, химическое действие газа и т. п. На основе этих воздействий датчик формирует на выходе электрический параметр. Различные зависимости входных воздействий и электрических параметров будут являться характеристиками датчиков. [5]

Перечислим основные характеристики датчиков.

1. Диапазон изменения входной величины (диапазон по входу, род величины).

2. Диапазон изменения величины выходного сигнала (для сопряжения).

3. Статические характеристики (определяют точность). Показывает взаимную связь между входной и выходной величиной без учета динамических погрешностей (см. рис. 2). В общем случае эта характеристика нелинейная. Ее обычно линеаризуют в рабочей точке (прямые линии на рис. 2).

Рис. 2 — статистическая характеристика датчика температуры[6]

4. Динамические характеристики (максимальная частота, время установления выходного сигнала) показывают зависимость выходной величины от входной в неустановившемся режиме (рис. 3).

Рис. 3 — динамические характеристики датчиков

Если на вход датчика подать переменный сигнал различной частоты, то получим частотную характеристику датчика (рис. 4).

Рис. 4 — частотная характеристика датчика

Здесь ω_среза — частота среза, на которой коэффициент передачи звена изменяется на 3 дБ или составляет 0,707 от начального значения.

5. Порог чувствительности (зона нечувствительности) — вводится для подавления шума и помех. Нечувствительность может быть односторонней или двусторонней (рис. 5).

Рис. 5 — порог чувствительности/нечувствительности

6. Точность датчика — показывает на погрешность измерений, т.е. величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков. Погрешность также можно представить в виде разности между значением входного сигнала, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением поданного сигнала.

3. Основные виды датчиков

3.1) Температурные датчики.

С температурой мы сталкиваемся ежедневно, это одна из самых понятных для нас физических величин. Среди всех видов датчиков температурные самые распространенные и имеют наибольшее разнообразие типов. Стеклянный термометр с ртутью известен многим. Он прост в плане конструкции и используется до сих пор.

Терморезисторы, сопротивление которых изменяется вследствие изменения температуры, используются во многих областях из-за своей дешевизны. Существует три типа терморезисторов: с отрицательной характеристикой (сопротивление уменьшается при увеличении температуры), с положительной характеристикой (сопротивление увеличивается при увеличении температуры) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). В большинстве случаев сопротивление при изменении температуры меняется довольно резко.

Термопары в области измерений используются очень часто. В них используется эффект Зеебека: в спае из разных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов.

Термочувствительные диоды и тиристоры являются к полупроводниковыми датчиками, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния).

3.2) Оптические датчики

Как и температурные датчики, оптические отличаются огромным разнообразием и массовостью. Эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект, - это испускание электронов при падении света физическое тело.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект, - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Материалы, обладающие эффектом фотопроводимости, - ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Оптические датчики, использующие для работы эффект фотопроводимости, обычно используют 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 - возникновение 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, использующие этот принцип, - фотодиоды, фототранзисторы.

Пироэлектрический эффект - это явление, при котором на поверхности физического тела при изменении поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, которые соответствуют этим изменениям. Материалы, обладающие подобными свойствами: множество так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встраивается полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Наиболее часто используемые датчики подобного типа: ИК датчики.

Основные преимущества оптических датчиков:

1. Бесконтактное обнаружение сигналов;

2. Возможность измерения как больших, так и чрезвычайно малых объектов;

3. Высокая скорость отклика;

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые);

5. Обширная сфера использования

Но наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (если сделаны на полупроводниковой основе).

3.3) Датчики давления

Датчики давления являются довольно востребованными и применяются во многих областях. Регистрация давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. Чаще всего индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики достаточно прочные, дешевые, но в них трудно получать электрические сигналы. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления выдают в итоге электрический сигнал, но довольно сложны в изготовлении.

В последнее время все большую популярность приобретают тензометры. Особо перспективными являются тензоры 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 n-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p-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.

3.4) Датчики влажности и газовые анализаторы

С влажностью, как и с температурой, человек знаком очень давно, однако надежных датчиков не было в течение довольно длительного периода времени. Обычно для таких датчиков использовались человеческий или конский волос, изменяющий длину при изменении влажности. Более современными являются датчики, в которых применяются керамика и твердые электролиты. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы.

Газовые датчики используются на различных предприятиях для определения различных газов, а в жилых помещениях — для определения утечки газа. Газовые датчики могут быть изготовлены 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

Магнитные датчики, как и оптические, отличаются быстродействием и возможностью обнаружения и измерения бесконтактным способом, а также не чувствителены к загрязнению.

Одними из самых известных магнитных датчиков являются 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.

Заключение

В данной статье проведен обзор конструкции и основных характеристик устройств получения информации об объекте, датчиков, а также рассмотрена их классификация. В процессе аналитического обзора показана актуальность дальнейшего развития и разработки датчиков для внедрения в системы АСУ ТП на производстве. В статье также дано описание и использование основных видов датчиков – температурных, оптических, магнитных и т.д. Таким образом, измерительные датчики являются неотделимой частью автоматизации процесса промышленного производства, с момента изобретения паровой машины.

Список литературы

1.Электронная библиотека студента «Библиофонд»: Датчики. [электронный ресурс] URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=94322#text (дата обращения 15.10.2021)

2. Датчик температуры охлаждающей жидкости: назначение, устройство, принцип работы. [электронный ресурс] URL: https://www.asutpp.ru/datchik-temperatury-oxlazhdayushhej-zhidkosti.html(дата обращения 16.11.2021)

3. Датчик температуры жидкости: температура двигателя - под контролем. [электронный ресурс] URL: http://www.autoars.ru/articles/?id=141 (дата обращения16.11.2021)

4. Датчики. Классификация, принципы работы, характеристики [электронный ресурс] URL: https://elib.bsu.by/bitstream/123456789/7671/36/Конспект лекций 8_.pdf (дата обращения 25.10.2021)

5. Файловый архив студентов studfile.net: Устройства получения информации об объекте управления [электронный ресурс] URL: https://studfile.net/preview/7460734/page:2/(дата обращения 24.10.2021)

6. Портал студенческих и научных материалов Ozlib.com: Устройства получения информации об объекте. Датчики. [электронный ресурс] URL:https://ozlib.com/944969/tehnika/ustroystva_polucheniya_informatsii_obekte_datchiki (дата обращения 23.10.2021)

Код для цитирования: Скопировать