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 − 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:

• Контактные, подразумевающие механическое воздействие. Ярким представителем этого вида считаются концевые выключатели – датчики, ограничивающие ход рабочего механизма.
• Бесконтактные. Работают на нескольких принципах обнаружения сигнала: магнитном, оптическом, микроволновом и пр.

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

Различные виды датчиков давно и активно применяются в самых разных сферах:

• автоматических и телеметрических системах;
• системах безопасности (пожарной, охранной);
• робототехнике;
• здравоохранении;
• промышленности и производстве;
• измерительных системах.

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:

• лазер либо оптический луч, установленный в детекторах скорости вращения;
• резистор, изготовленный из специального сплава, меняющий сопротивление под воздействием смены температур: ставится в терморезистивные датчики;
• спайка из различных сплавов, при некоторых температурах, реагирующая образованием электродвижущей силы;
• биметаллические пластины, управляющие электрическими контактами;
• тензометрические элементы, преобразующие величину деформации и меняющие характеристики.

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:

• электродвижущей силы и напряжения;
• сопротивления;
• света, радиосигнала, звука.

Большинство датчиков являются электрическими приборами, так как именно они имеют множество преимуществ:

• электрический сигнал удобен для передачи на разные расстояния без задержки скорости;
• любые параметры легко преобразуются в электричество.
• электросенсоры очень точные, чувствительные, быстродействующие.

Детекторы разделяют на три класса:

1. Аналоговые, образующие аналоговый сигнал потоку входных данных.
2. Цифровые или электронные, генерирующие последовательности импульсов.
3. Бинарные, создающие двухуровневый сигнал.

По принципу действия сенсоры бывают генераторными, гальваническими, тахометрическими, параметрическими, индуктивными, емкостными. Также существуют не особенно распространенные виды классификаций сенсоров:

• дискретные и непрерывные – по динамическому характеру трансформации;
• аналоговые и цифровые – по виду измерительных импульсов;
• проводные и беспроводные – по среде подачи импульсов;
• одномерные и многомерные – по количеству входящих параметров.

По виду измеряемых величин наиболее популярны следующие разновидности детекторов:

• давления: абсолютного, избыточного, разрежения, разности давления, давления-разрежения;
• расхода: механические, ультразвуковые, вихревые, электромагнитные, кориолисовые;
• уровня: радарные, емкостные, поплавковые, кондуктометрические;
• температуры: термопара, сопротивления, пирометры, теплового потока;
• перемещения: абсолютные, относительные;
• радиоактивности: ионизационные, прямого заряда;
• фотодатчики: фотодиоидные, фотосопротивления, фотоматричные.

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:

• диапазон параметров обслуживаемых факторов (например, температура, давление);
• время, за которое срабатывает датчик;
• точность и максимальная погрешность;
• мощность, включая трансформируемый сигнал;
• усилие от принимаемого сигнала;
• выходной импеданс;
• способность различать импульсы.

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:

• однозначность взаимозависимости выходной и входной величины;
• стабильность качественных показателей во временном пространстве;
• чувствительность – чем она выше, тем надежней считается прибор;
• небольшие габариты и маленький вес;
• широкий диапазон рабочих величин (если это не ухудшает основные его характеристики).

Также необходимо учитывать возможность монтировать устройство на любых плоскостях и поверхностях.