Общие сведения и классификация датчиков

1.1.1. Понятие и классификация датчиков, их место в ЭСБ

 

Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов.

Назначение датчиков – реакция на определённое внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые 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.

Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика – это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что 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 о существовании именно такой особой ситуации.

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.

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.

Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный датчик не нуждается в дополнительной энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сигнал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические чувствительные элементы. Большинство пассивных датчиков являются устройствами прямого действия. В отличие от пассивного активный датчик для своей работы требует внешней энергии, называемой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала активный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. Поскольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних сигналов, их иногда называются параметрическими. Другим примером активных датчиков является резистивный тензодатчик, чьё электрическое сопротивление зависит от величины его деформации. Для определения сопротивления датчика через него также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания.

В зависимости от выбора точки отсчёта датчики можно разделить на абсолютные и относительные. Абсолютныйдатчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительногодатчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному. Примером абсолютного датчика является термистор. Его электрическое сопротивление напрямую зависит от абсолютной температуры по шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры - термопара - является относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является функцией градиента температуры на проволочках термопары.

Для каждого датчика можно вывести идеальное,или теоретическое,соотношение, связывающее сигналы на его входе и выходе. Выведенное идеальное соотношение между входным и выходным сигналом можно выразить в виде либо таблицы, либо графика, либо математического выражения. Это идеальное (теоретическое) выражение часто называют передаточной функцией. Передаточная функция устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием s: S = f (s). Эта функция может быть как линейной, так и нелинейной (например, логарифмической, экспоненциальной или степенной). Во многих случаях передаточная функция является одномерной (т. е. связывает выходной сигнал только с одним внешним воздействием). [1,3]

 

1.1.2. Общие и специальные характеристики датчиков

К статическим характеристикам датчиков относятся следующие характеристики: диапазон изменения значений, диапазон выходных значений, точность, калибровка, гистерезис, нелинейность, воспроизводимость, мёртвая зона, разрешающая способность, выходной импеданс, сигнал возбуждения.

Динамический диапазон внешних воздействий, который датчик может воспринять, называется диапазоном измеряемых значений (FS). Эта величина показывает максимально возможное значение входного сигнала, которое датчик может преобразовать в электрический сигнал, не выходя за пределы допустимых погрешностей.

Диапазон выходных значений (FSO) - алгебраическая разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальном и минимальном внешнем воздействии.

Точность - очень важная характеристика любого датчика. Когда говорят о точности датчика, чаще всего подразумевают его неточность,или погрешность измерений. Под погрешностью измерений, как правило, понимают величину максимального расхождения между показаниями реального и идеального датчиков.

Калибровка. Если производственные допуски на датчик и допуски на интерфейс (схемы преобразования сигналов) превышают требуемую точность системы, всегда необходимо проводить калибровку. Ошибка калибровки - это погрешность, допущенная производителем при проведении калибровки датчика на заводе.

Гистерезис - это разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученная при его возрастании и убывании. Типичными причинами возникновения гистерезиса являются трение и структурные изменения материалов.

Нелинейность определяется для датчиков, передаточную функцию которых возможно аппроксимировать прямой линией. Под нелинейностью понимается максимальное отклонение L реальной передаточной функции от аппроксимирующей прямой линии. Нелинейность обычно выражается либо в процентах от максимального входного сигнала, либо в единицах измеряемых величин (например, в килопаскалях (кПа) или градусах Цельсия (°С)).

Каждый датчик имеет свои пределы рабочих характеристик. Даже если он считается линейным, при определённом уровне внешнего воздействия его выходной сигнал перестанет отвечать приведённой линейной зависимости. В этом случае говорят, что датчик вошёл в зону нелинейности, или в зону насыщения.

Воспроизводимость – способность датчика при соблюдении одинаковых условий выдавать идентичные результаты.

Мёртвая зона -нечувствительность датчика в определённом диапазоне входных сигналов. В пределах этой зоны выходной сигнал остаётся почти постоянным (часто равным нулю).

Разрешающая способность характеризует минимальное изменение измеряемой величины, которое может почувствовать датчик.

Выходной импеданс Z_out является характеристикой, указывающей насколько легко датчик согласовывается с электронной схемой.

Сигнал возбуждения — это электрический сигнал, необходимый активному датчику для работы. Сигнал возбуждения описывается интервалом напряжений и/или тока. Для некоторых типов датчиков также необходимо указывать частоту сигнала возбуждения и его стабильность.

Любой датчик обладает параметрами, зависящими от времени, называемыми динамическими характеристиками. Если датчик имеет ограниченное быстродействие, он может регистрировать значения внешних воздействий, отличающиеся от реальных. Это означает, что датчик работает с динамической погрешностью.

Частотные характеристики напрямую связаны с быстродействием датчика, выражаемого в единицах внешнего воздействия на единицу времени. Для датчиков первого порядка очень удобно использовать параметр, называемый постоянной времени.

Частота среза характеризует наименьшую или наибольшую частоту внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений.

Фазовый сдвиг на определённой частоте показывает насколько выходной сигнал отстает от внешнего воздействия.

Демпфирование — это значительное снижение или подавление колебаний в датчиках второго и более высоких порядков.

Для некоторых датчиков необходимо указывать специальные характеристики входных сигналов. Например, для детекторов освещённости такой характеристикой является его чувствительность в пределах ограниченной оптической полосы. Следовательно, для таких датчиков необходимо определять спектральные характеристики. [3,6]