Датчик — преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшей обработки. Выходные сигналы различаются:
- по роду энергии — электрические и пневматические (реже гидравлические);
- по характеру модуляции потока энергии — амплитудные (напряжение, ток, давление газа и др.);
- времяимпульсные, частотные, фазовые и дискретные (цифровые).
Многие датчики имеют на выходе изменяющиеся сопротивление, индуктивность или емкость и рассчитаны на выдачу указанных выше выходных сигналов не непосредственно, а только после добавления к ним той или иной измерительной схемы, которую обычно располагают во вторичном приборе. В этом случае целесообразно говорить не о выходном сигнале, а о выходном параметре (сопротивлении, емкости, индуктивности).
Основными характеристиками датчиков являются:
- вид функциональной зависимости между изменениями входной х и выходной у величин y=f(x), предпочтительна линейная зависимость y=Sx;
- чувствительность S=dy/dx;
- порог чувствительности — наименьшее изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала;
- основная погрешность преобразования — максимальная разность между получаемым значением выходного сигнала и его номинальным значением, соответствующим данному значению измеряемой величины при нормальных внешних условиях (она выражается обычно в процентах от разности предельных значений выходного сигнала);
- дополнительная погрешность — погрешность, вызванная изменением внешних условий за пределы нормальных значений.
Датчики представляют собой в большинстве случаев инерционные звенья (термопары, термометры сопротивления) или колебательные звенья (датчики с упругими чувствительными элементами). Датчики, включающие длинные неэлектрические линии связи (манометрические термометры, газоанализаторы), имеют также чистое запаздывание.
По структуре датчики состоят из одного или нескольких соединенных в единую систему элементарных преобразователей. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину (воспринимающий орган датчика или чувствительный элемент).
В простейшем случае выходная величина выбранного чувствительного элемента и его характеристика совпадают с требуемой выходной величиной и характеристикой датчика. При этом датчик состоит из одного преобразователя. К такого рода простейшим датчиков относятся, например, термопара, термометр сопротивления, тензодатчик и др.
Сложные датчики строятся по следующим структурным схемам:
1) Каскадное соединение преобразователей позволяет получить необходимый вид выходного сигнала при выбранном чувствительном элементе путем последующих преобразований.
Нередко датчик содержит в качестве одного из своих органов преобразователь, который в других случаях используется как самостоятельный датчик. Так, например, многие датчики давления представляют собой каскадное соединение упругого чувствительного элемента, механического передаточного устройства и индуктивного датчика. В качестве выходного органа датчика используются также усилители, поднимающие уровень выходного сигнала.
2) Дифференциальное соединение преобразователей осуществляется таким образом, что полезные выходные сигналы их складываются, а сигналы, вызванные изменением внешних условий (температуры, питающего напряжения), а также другие мешающие факторы (например, втягивающие усилия электромагнитных систем) вычитаются. В ряде случаев дифференциальное включение преобразователей позволяет спрямлять их нелинейную характеристику.
3) Компенсационные датчики, основанные на автоматическом уравновешивании измеряемой величины (непосредственно или после предварительного преобразования чувствительным элементом) другой величиной того же рода.
Широко применяются датчики с компенсацией усилия и компенсацией перемещения. Компенсационные датчики обеспечивают высокую точность измерения, а датчики с компенсацией усилия обладают при этом еще минимальным порогом чувствительности и являются, как правило, многопредельными, так как соотношение, измерительного и компенсирующего усилий легко изменять простой настройкой передаточного отношения плеч рычагов кинематики преобразователя.
Датчики в отличие от остальных элементов системы автоматического контроля, регулирования и управления, находятся в особенно тяжелых условиях эксплуатации: они размещаются непосредственно на объекте контроля, часто при резко переменных температуpax, давлениях, атмосферных влияниях, агрессивном действии контролируемых сред. Эти условия требуют весьма тщательного выбора принципов построения, конструктивных элементов и материалов с целью обеспечения высокой эксплуатационной надежности.
Необходимость переключения выходных цепей датчиков к программируем логическим контроллерам делают предпочтительным использование сигналов цифрового вида, частотных, времяимпульсных или амплитудных высокого уровня (напр., тока 4 — 20 мА, напряжения 0 — 10 В).
Смотрите также про датчики на сайте "Школа для электрика":
Датчики и реле - в чем разница
