Бесконтактные датчики: обзор, принцип действия, назначение. Сенсорный выключатель. Датчики – источники первичной информации. Классификация датчиков. Виды и типы датчиков Описание типов сенсоров и датчиков

В системах автоматики датчик предназначен для преобразования контролируемой или регулируемой величины (параметра регулируемого объекта) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего движения информации. Поэтому датчик нередко называют преобразователем, хотя этот термин является слишком общим, так как любой элемент автоматики и телемеханики, имея вход и выход, является в той или иной мере преобразователем.

В простейшем случае датчик осуществляет только одно преобразование Y=f(X), как, например, силы в перемещении (в пружине), или температуры в электродвижущую силу (в термоэлементе) и т.п. Такой вид датчиков называют датчики с непосредственным преобразованием. Однако в ряде случаев не удается непосредственно оказать воздействие входной величины Х на необходимую входную величину U (если такая связь неудобна или она не дает желаемых качеств). В этом случае осуществляют последовательные преобразования: входной величиной Х воздействуют на промежуточную Z, а величиной Z - на необходимую величину Y:

Z=f1(Х); Y=f2(Z)

В результате получается функция, связывающая Х с Y:

Y=f2=F(Х).

Число таких последовательных преобразований может быть и больше двух, и в общем случае функциональная связь Y с Х может проходить через ряд промежуточных величин:

Y=fn{...}=F(Х).

Датчики, имеющие такие зависимости, называются датчиками с последовательным преобразованием. Все остальные части называются промежуточными органами . В датчике с двумя преобразованиями промежуточные органы отсутствуют, в нем имеются только воспринимающий и исполнительный органы. Нередко один и тот же конструктивный элемент выполняет функции нескольких органов. Например, упругая мембрана выполняет функцию воспринимающего органа (преобразование давления в силу) и функцию исполнительного органа (преобразование силы в перемещение).

Классификация датчиков.

Исключительное многообразие датчиков, применяемое в современной автоматике, вызывает необходимость их классификации. В настоящее время известны следующие типы датчиков, которые наиболее целесообразно классифицировать по входной величине, практически соответствующей принципу действия:

Наименование датчика	Входная величина
Механический	Перемещение твердого тела
Электрический	Электрическая величина
Гидравлический	Перемещение жидкости
Пневматический	Перемещение газа
Термический
Оптический	Световая величина
Акустический	Звуковая величина
Радиоволновой	Радиоволны
	Ядерные излучения

Здесь рассматриваются наиболее распространенные датчики, у которых хотя бы одна из величин (входная или выходная) – электрическая.

Датчики различают также по диапазону изменения входного сигнала. Например, одни электрические датчики температуры предназначены для измерения температуры от 0 до 100°С, а другие – от 0 до 1600°С. Очень важно, чтобы диапазон изменения выходного сигнала был при этом одинаков (унифицирован) для разных приборов. Унификация выходных сигналов датчиков позволяет использовать общие усилительные и исполнительные элементы для самых разных систем автоматики.

Электрические датчики относятся к наиболее важным элементам систем автоматики. С помощью датчиков контролируемая или регулируемая величина преобразуется в сигнал, в зависимости от изменения которого и протекает весь процесс регулирования. Наибольшее распространение в автоматике получили датчики с электрическим выходным сигналом. Объясняется это, прежде всего удобством передачи электрического сигнала на расстояние, его обработки и возможностью преобразования электрической энергии в механическую работу. Кроме электрических распространение получили механические, гидравлические и пневматические датчики.

Электрические датчики в зависимости от принципа производимого ими преобразования делятся на два типа – модуляторы и генераторы.

У модуляторов (параметрических датчиков) энергия входа воздействует на вспомогательную электрическую цепь, изменяя ее параметры и модулируя значение и характер тока или напряжения от постороннего источника энергии. Благодаря этому одновременно усиливается сигнал, поступивший на вход датчика. Наличие постороннего источника энергии является обязательным условием работы датчиков – модуляторов.

Рис. 1. Функциональные блоки датчика – модулятора (а) и датчика – генератора (б).

Модуляция осуществляется с помощью изменения одного из трех параметров – омического сопротивления, индуктивности, емкости. В соответствии с этим различают группы омических, индуктивных и емкостных датчиков.

Каждая из этих групп может делиться на подгруппы. Так, наиболее обширная группа омических датчиков может быть разделена на подгруппы: тензорезисторы, потенциометры, терморезисторы, фоторезисторы. Ко второй подгруппе относятся варианты индуктивных датчиков, магнитоупругие и трансформаторные. Третья подгруппа объединяет различного типа емкостные датчики.

Второй тип – датчики-генераторы являются просто преобразователями. Они основаны на возникновении электродвижущей силы под влиянием различных процессов, связанных с контролируемой величиной. Возникновение такой электродвижущей силы может происходить, например, вследствие электромагнитной индукции, термоэлектричества, пьезоэлектричества, фотоэлектричества и других явлений, вызывающих разделение электрических зарядов. Соответственно этим явлениям генераторные датчики подразделяются на индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и фотоэлектрические.

Возможны еще группы электротехнических, электростатических датчиков, датчиков Холла и др.

Потенциометрические и тензометрические датчики.

Потенциометрические датчики применяются для преобразования угловых или линейных Перемещений в электрический сигнал. Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, который может включаться по схеме реостата или по схеме потенциометра (делителя напряжения).

Конструктивно потенциометрический датчик представляет собой электромеханическое устройство (рис. 2-1), состоящее из каркаса 1 с намотанным на него тонким проводом (обмотка) из сплавов с высоким удельным сопротивлением, скользящего контакта - щетки 2 и токопровода 3, выполненного в виде или скользящего контакта, или спиральной пружинки.

Каркас с намотанным проводом закрепляется неподвижно, а щетка соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовать в электрический сигнал. При перемещении щетки изменяется активное сопротивление Rх участка провода между щеткой и одним из выводов обмотки датчика.

В зависимости от схемы включения датчика перемещение может быть преобразовано в изменение активного сопротивления или тока (при последовательной схеме включения) или в изменение напряжения (при Включении по схеме делителя напряжения). На точность преобразования при последовательном включении значительное влияние оказывает изменение сопротивления соединительных проводов, переходного сопротивления между щеткой и обмоткой датчика.

В устройствах автоматики чаще применяется включение потенциометрических датчиков по схеме делителя напряжения. При одностороннем перемещении подвижной части ОУ применяют однотактную схему включения, дающую нереверсивную статическую характеристику. При двустороннем перемещении применяют двухтактную схему включения, дающую реверсивную характеристику (рис. 2-2).

В зависимости от конструкции и функционального закона, связывающего выходной сигнал датчика с перемещением щетки, различают потенциометрические датчики нескольких типов.

Линейные потенциометрические датчики.

Они имеют одинаковое сечение каркаса по всей длине. Диаметр провода и шаг намотки у них постоянны. В режиме холостого хода (при нагрузке Rn→∞ и I→0) выходное напряжение линейного потенциометрического датчика Uвых пропорционально перемещению щётки х: Uвых = (U0/L)х, где U0 - напряжение питания датчика; l-длина намотки. Напряжение питания датчика U0 и длина намотки L являются постоянными величинами, поэтому в окончательном виде: Uвых = kx, где k=U0/L- коэффициент передачи.

Функциональные потенциометрические датчики.

Они имеют функциональную нелинейную зависимость между перемещением щетки и выходным напряжением: Uвых= f(х). Часто применяются функциональные потенциометры, имеющие тригонометрическую, степенную или логарифмическую характеристику. Применяют функциональные потенциометры в аналоговых автоматических вычислительных устройствах, в поплавковых измерителях уровня жидкости для баков сложной геометрической формы и т. д. Получить требующуюся функциональную зависимость у потенциометрических датчиков можно различными методами: изменением высоты каркаса потенциометра (плавно или ступенчато), шунтированием участков обмотки потенциометра резисторами.

Многооборотные потенциометрические датчики.

Они являются конструктивной разновидностью линейных потенциометрических датчиков с угловым перемещением щетки. У многооборотных датчиков щетка должна повернуться на угол 360° несколько раз, чтобы переместиться на всю длину намотки L. Достоинствами многооборотных датчиков являются высокая точность, малый порог чувствительности, небольшие габариты, недостатками - относительно большой момент трения, сложность конструкции, наличие нескольких скользящих контактов

и трудность использования в быстродействующих системах.

Металлопленочные потенциометрические датчики.

Это новая перспективная конструкция потенциометрических датчиков. Каркас у них представляет собой

стеклянную или керамическую пластину, на которую наносится тонкий слой (несколько микрометров) металла с высоким удельным сопротивлением. Съем сигнала у металлопленочных потенциометрических датчиков осуществляется металлокерамическими щетками. Изменение ширины металлической пленки или ее толщины позволяет получить линейную или нелинейную характеристику потенциометрического датчика, не изменяя его конструкции. Используя обработку электронным или лазерным лучом, можно осуществлять автоматическую подгонку сопротивления датчика и его характеристики к заданным значениям. Габариты металлопленочных потенциометрических датчиков существенно меньше, чем проволочных, а порог чувствительности практически равен нулю ввиду отсутствия витков обмотки.

Оценивая потенциометрические датчики, следует отметить наличие у них как существенных достоинств, так и крупных недостатков. Их достоинствами являются: простота конструкции; высокий уровень выходного сигнала (напряжение - до нескольких десятков вольт, ток - до нескольких десятков миллиампер); возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе. Их недостатка ми являются: недостаточно высокая надежность и ограниченная долговечность из-за наличия скользящего контакта н истирания обмотки; влияние на характеристику сопротивления нагрузки; потери энергии за счет рассеяния мощности активным сопротивлением обмотки; сравнительно большой момент, необходимый для вращения подвижной части датчика со щеткой.

Типы датчиков и их названия определяются использованием в них раз­личных ультразвуковых преобразователей и способов сканирования. В за-висимости от вида преобразователей можно выделить:

● секторные механические датчики (sector mechanical probe) - с одно-элементными или многоэлементны­ми кольцевыми решетками;

● линейные датчики с многоэлементными линейными решетками ;

● конвексные и микроконвексные датчики (convex или microconvex probe) - с конвексными и микроконвексными решетками соответ­ственно;

● фазированные секторные датчики (phased array probe) - с многоэле-ментными линейными решетками;

● датчики с двухмерной решет­ко й, линейные, конвексные и секторные.

Здесь мы назвали основные типы датчиков, не оговаривая их медицин­ское назначение, рабочую частоту и конструктивные особенности.

В секторных механических датчиках (рис.2.11 а, 2.11 б) рабочая поверхность (защитный колпачок) закрывает объем, в котором находится перемещающийся по углу одноэлементный или кольцевой УЗ - преобразователь. Объем под колпачком заполнен акустически прозрачной жидкостью для уменьшения потерь при прохождении УЗ - сигналов. Основной характеристикой секторных механических датчиков помимо рабочей частоты является угловой размер сектора сканирования, который указывается в маркировке датчика (иногда дополнительно дается длина соответствующей дуги Н рабочей поверхности). Пример маркировки: 3,5 МГц/90°.

В линейных, конвексных, микроконвексных и фазированных (секторных) датчиках электронного сканирования рабочая поверхность совпадает с излучающей поверхностью преобразователя, которая называется апертурой , и равна ей по размерам. Характерные размеры апертур используются в маркировке датчиков и помогают определиться при выборе датчика.

В линейных датчиках характерно является длина апертуры L (рис.2.11 в), так как именно она определяет ширину прямоугольной зоны обзора. Пример маркировки линейного датчика 7,5 МГц/42 мм.

Следует иметь в виду, что ширина зоны обзора в линейном датчике всегда меньше на 20-40% длины апертуры. Таким образом, если указан размер апертуры 42 мм, ширина зоны обзора - не более 34 мм.

В конвексных датчиках зона обзора определяется двумя характерные размерами - длиной дуги Н (иногда её хорды), соответствующей выпуклой рабочей части, и угловым размером сектора сканирования α в градусе рис.2.11 г. Пример маркировки конвексного датчика: 3,5 МГц/60°/60 мм. Реже для маркировки используете радиус R кривизны рабочей поверхности, например:

3,5 МГц/60R (радиус - 60 мм).

Рис. 2.11. Основные типы датчиков для наружного обследования: а, б-

секторные механические (а – кардиологический, б – с водной

насадкой); в – линейный электронный; г – конвексный;

д – микроконвексный; е – фазированный секторный

В микроконвексных датчиках ха­рактерным является R - радиус кривизны рабочей поверхности (апертуры), иногда дополнительно дается угол дуги α, определяющий угловой размер сектора обзора (рис. 2.11,д). Пример маркировки: 3,5 МГц/20R (радиус - 20 мм).

Для фазированного секторного датчика дается угловой размер сектора электронного сканирования в градусах. Пример маркировки: 3,5 МГц/90° .

Изображенные на рис. 2.11 датчики используются для наружного обсле­дования. Помимо них существует большое количество внутриполостных и узкоспециализированных дат­чиков.

Целесообразно ввести классификацию датчиков по областям медицинского применения.

1. Универсальные датчики для наружного обследования (abdomi­nal probe). Универсальные датчики применяются для обследования абдоминальной области и органов ма­лого таза у взрослых и детей.

2. Датчики для поверхностно расположенных органов (small parts probe). Применяются для исследова­ния неглубоко расположенных малых органов и структур (например, щито­видной железы, периферических со­судов, суставов)

3. Кардиологические датчики (car­diac probe). Для исследования сердца используются датчики секторного типа, что связано с особенностью наблюде­ния через межреберную щель. Приме­няются датчики механического сканиро­вания (одноэлементные или с кольцевой решеткой) и фазированные электрон­ные.

4. Датчики для педиатрии (podiatric probes). Для педиатрии используются те же датчики, что и для взрослых, но только с большей частотой (5 или 7,5 МГц), что позволяет получить более высокое качество изображе­ния. Это возможно благодаря малым размерам пациентов.

5. Внутриполостные датчики (intracavitary probes). Существует большое разнообразие внутриполостных датчиков, которые отличаются между собой по областям медицинского применения.

● Трансвагинальные (интравагинальные) датчики (transvaginal or edovaginal probe).

● Трансректальные датчики (transrectal or endorectal probe).

● Интраоперационные датчики (intraoperative probe).

● Трансуретральные датчики (transurethral probes).

● Чреспищеводные датчики (transesophageal probes).

● Внутрисосудистые датчики (intravascular probes).

6. Биопсийные или пункционные датчики (biopsy or puncture probes). Используются для точного наведения биопсийных или пункционных игл. С этой целью специально сконструированы датчики, в которых игла может проходить через отвер­стие (или щель) в рабочей поверхно­сти (апертуре).

7. Узкоспециализированные датчики . Большинство датчиков, о которых говорилось выше, имеют до­статочно широкий спектр примене­ния. В то же время можно выделить группу датчиков узкого применения, и о них следует сказать особо.

● Офтальмологические датчики (ophtatmology probes).

● Датчики для транскраниальных ис­следований (transcranial probes).

● Датчики для диагностики синуситов, фронтитов и гайморитов.

● Датчики для ветеринарии (veteri­nary probes).

8. Широкополосные и многочас­тотные датчики . В современных сложных приборах все большее приме­нение находят широкополосные датчики. Эти датчики конструктивно оформ­лены аналогично обычным датчикам, рассмотренным выше и отличаются от них тем, что используют широкополос­ный УЗ -преобразователь, т.е. датчик с широкой полосой рабочих частот.

9. Доплеровские датчики . Дат­чики применяются только для получе­ния информации о скорости или спек­тре скоростей кровотока в сосудах. Об этих датчиках рассказывается в разделах, посвященных доплеровским УЗ -приборам.

10. Датчики для получения трех­мерных изображений . Специальные датчики для получения 3D (трехмер­ных) изображений используются ред­ко. Чаще применяются обычные датчи­ки двухмерного изображения вместе со специальными приспособлениями, обеспечивающими сканирование по третьей координате.

Качество получаемой информации зависит от технического уровня прибора – чем сложнее и совершеннее прибор, тем выше качество диагностической информации. Как правило, по техническому уровню приборы делятся на четыре группы: простые приборы; приборы среднего класса; приборы повышенного класса; приборы высокого класса (иногда называемого high-end).

Среди изготовителей и пользо­вателей ультразвуковой диагнос­тической техники отсутствуют согла­сованные критерии оценки класса приборов, так как имеется очень большое количество характеристик и параметров, по которым можно сравнивать приборы между собой. Тем не менее, можно оценить уро­вень сложности аппаратуры, от кото­рой в значительной мере зависит качество получаемой информации. Одним из основных технических па­раметров, определяющих уровень сложности ультразвукового сканера, является максимальное число при­емных и передающих каналов в элек­тронном блоке прибора, так как чем больше число каналов, тем лучше чувствительность и разрешающая способность - основные характеристики качества ультразвукового изображения.

В простых (как правило, перенос­ных) ультразвуковых сканерах число каналов передачи-приема не более 16, в приборах среднего и повышен­ного класса 32, 48 и 64. В приборах высокого класса число каналов может, быть более 64, например 128, 256, 512 и даже более. Как правило, ульт­развуковые сканеры высокого и по­вышенного класса являются прибора­ми с цветовым допплеровским карти­рованием.

Приборы высокого класса обычно используют в максимальной мере со­временные возможности цифровой обработки сигналов, начиная практи­чески с выхода датчиков. По этой при­чине такие приборы называют цифро­выми системами или платформами (digital system).

Контрольные вопросы

1. Что такое акустическое сопротивление и его влияние на отражение

ультразвука?

2. Как зависит затухание ультразвука в биологических тканях от частоты?

3. Как изменяется спектр импульсного УЗ – сигнала от глубины?

4. Какие режимы работы предусмотрены в УЗ – сканерах?

5. В чем заключается режим работы В ?

6. В чем заключается режим работы А ?

7. В чем заключается режим работы М ?

8. В чем заключается режим работы Д ?

9.Объясните работу УЗ – преобразователя.

10. Какие конфигурации пьезоэлементов встречаются в различных типов

датчиков?

11. Какие типы датчиков существуют в УЗ – сканерах?

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1. Понятие датчика

Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:

Зрение Глаза

Слух Уши

Вкус Язык

Обоняние Нос

Осязание Кожа

Однако для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

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. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п..

2. Принцип действия и классификация

Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах.

3. Основные виды:

3.1. Температурные датчики

С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы сопротивления, которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.

Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

3.2. Оптические датчики.

Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических. Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект,0 - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна1hc/л0 (где1h0 - постоянная Планка,1с0 - скорость света,1л0 - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,0 - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,- ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать 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 0 заключается в возникновении 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, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Пироэлектрические эффекты 0 - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики. Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне.

Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра. Основные преимущества перед датчиками других типов:

1. Возможность бесконтактного обнаружения.

2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

3. Высокая скорость отклика.

4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д. Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры(при полупроводниковой основе).

3.3. Датчики давления.

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение.

Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полкпроводниковые тензометры 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 1 n 0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие 1p 0-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. Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.

3.4. Датчики влажности и газовые анализаторы.

Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены 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.

Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны 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. Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.

Список использованной литературы

1. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. Л: Энерго атом издат, 1986г.

2. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М: Мир, 1982г.

3. П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники т.2, М: Мир, 1984г.

4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора. М: Радио и связь, 1990г.

Датчик присутствия – электронный прибор, регистрирующий бесконтактными методами объекты определенного класса на территории своего контроля.

В зависимости от результатов регистрации он может коммутировать электрические импульсы, по сигналам которых другие устройства выполняют различного рода действия.

Автоматическое включение электросушилки при поднесении рук, срабатывание некоторых типов автомобильных сигнализаций, остановка конвейеров в случае заполнения бункеров на промышленных предприятиях – примеры функционирования датчиков присутствия.

По принципу действия:

1. ультразвуковые: барьерные, диффузионные;
2. фотоэлектрические: барьерные (тип Б), рефлекторные (тип Р), диффузионные (тип Д);
3. емкостные;
4. акустические;
5. инфракрасные;
6. датчики нагрузки;
7. комбинированные.

По количеству блоков датчика:

1. однопозиционные;
2. двухпозиционные;
3. многопозиционные.

По способу монтажа: накладные и встраиваемые.

По методу получения входящего сигнала: активные и пассивные.

По способу передачи исходящего сигнала: проводные и беспроводные.

Рассмотрим подробно каждый из видов, определим области их применения, оценим достоинства и недостатки.

Ультразвуковые датчики присутствия

Испускают и принимают волны, не улавливаемые человеческим ухом (частотой порядка 200 кГц).

Возможны два режима работы:

Барьерный : между датчиками, расположенными друг напротив друга, проходит ультразвуковая волна. Она не попадет в приемник, если в зоне действия появится посторонний предмет (барьер).

Диффузионный : с использованием датчика, который испускает волну, а затем улавливает её, отраженную от объекта, оказавшегося на пути луча.

В обоих случаях при появлении постороннего предмета коммутируется сигнал, передающийся на исполняющие устройства.

Преимущества ультразвуковых датчиков в сравнении с оптическими, выполняющими сходные задачи:

• обнаружение прозрачных объектов;
• невосприимчивость к световым вспышкам и бликам;
• работоспособность в сложных условиях (туман, пыль, пар).

Недостатки:

• низкая дальность (верхний порог) фиксации;
• ненадежность регистрации объектов из мягких материалов (ткань, пористая резина);
• наличие “слепой зоны” (нижнего порога обнаружения).

Примеры использования ультразвуковых датчиков: парковочные системы современных автомобилей, подсчет количества единиц готовой продукции на конвейере.

Фотоэлектрические датчики присутствия

Фотоэлектрические датчики Б и Д типа работают по схожей с ультразвуковыми схеме. Отличие заключается в использовании оптического излучения вместо ультразвукового. Это дает следующие преимущества:

• высокий порог фиксации (до 150 метров у барьерных датчиков);
• быстродействие;
• отсутствие слепой зоны.

Недостатки:

• невозможность регистрации прозрачных объектов;
• сбои в условиях тумана, пыли, при проявлении световых вспышек и бликов.

У датчиков типа Р приемник и излучатель смонтированы в одном корпусе. Выпущенный луч отражается от рефлектора (катафота, отражателя), находящегося на расстоянии до 8 метров, и возвращается назад. Прибор подает сигнал, если световой поток прерывается объектом контроля.

В сравнении с типом Б, тип Р теряет в дальности действия, но его достоинства – компактность и простота монтажа.

Фотоэлектрические датчики используются для контроля за упаковочными и производственными линиями, проверки уровня наполнения прозрачной тары, предотвращения несанкционированного доступа на закрытые территории, остановки промышленного оборудования при попадании человека в опасные зоны.

Емкостные

Конструктивно представляют собой цилиндрические или плоскопараллельные конденсаторы.

При появлении объекта в зоне действия изменяется их диэлектрическая проницаемость, а значит и емкость, что вызывает срабатывание (см. ).

Приборы применяются для контроля за заполнением резервуаров жидкостями и сыпучими материалами, как счетчики единиц готовой продукции и элементы противоугонных систем автомобилей

Преимущества емкостных датчиков – низкая инерционность и высокий порог чувствительности. Недостаток – вероятность сбоев в работе под влиянием внешних электромагнитных полей.

Акустические датчики присутствия

В них посредством пьезоэлектрических материалов происходит преобразование звуковой волны в электрический сигнал.

Представляют собой микрофоны, работающие в диапазоне частот 20-20000 Гц:

• низкоомные (катушки индуктивности с подвижными магнитами);
• высокоомные (эквивалентные переменные конденсаторы).

Используются как звуковые датчики света, работающие совместно с с и экономящие электроэнергию. При превышении порога шума в комнате происходит автоматическое включение света. Если наступает тишина, через 20-25 секунд лампы выключаются.

Достоинства прибора:

• простота конструкции;
• надежность.

Недостатки:

• необходимость использования усилителей;
• вероятность ложных срабатываний в результате внешних и внутренних шумов (резкие звуки с улицы, включение радио, телефонные звонки).

Инфракрасные датчики присутствия

Принцип действия приборов основан на фиксации изменений потока инфракрасных (ИК) лучей в результате перемещений человека. Его пребывание распознается по большей интенсивности (в сравнении с предметами интерьера) излучения, которое напрямую зависит от температуры тела.

Основные детали датчика – фотоэлементы и мультилинза, состоящая из большого числа сегментов – маленьких линз. Каждая из них направляет попадающие в неё лучи на фотоэлемент.

Двигаясь, человек оказывается в зонах контроля разных сегментов. Свет на фотоэлементе то исчезает, то появляется, генерируя электрический сигнал.

В строгом понимании по принципу действия такое устройство – , а не присутствия. К последней категории относят особо точные приборы с большим числом участков контроля. Они способны улавливать наличие человека, находящегося в состоянии почти полного покоя. Фиксируются мельчайшие жесты: покачивания головой, нажатие пальцами клавиатуры и т.п.

Радиус обнаружения (R) – основная характеристика устройства. Его монтаж должен производиться так, чтобы расстояние до самых дальних углов комнаты не превышало R. В помещениях большой площади требуется установка нескольких датчиков.

Необходимо, чтобы на пути ИК луча не было перегородок, даже стеклянных, которые для него непрозрачны.

Недопустимо попадание на прибор прямого света ламп, он должен находиться на максимальном расстоянии от вентиляторов, кондиционеров и обогревателей.

Инфракрасные датчики используют как средства , в качестве дополнительного и для автоматизации электроснабжения, приводящей к экономии средств.

Их достоинства:

• точность регулировки;
• полная безопасность для здоровья ввиду отсутствия любых видов излучения;
• реакция только на объекты, температура которых превышает пороговую.

Недостатки:

• неточность функционирования на открытых пространствах (влияние осадков, солнечного света);
• вероятность ложных включений под воздействием теплых потоков воздуха;
• помехи от объектов, не пропускающих ИК излучение;
• низкий диапазон рабочих температур.

Датчики нагрузки

Это конвертеры, преобразовывающие механическое усилие в электрический ток.

Конструктивно датчик представляет собой тензорезистор в виде тонкой проволоки, зигзагообразно, как обогреватель автомобильного стекла, закрепленный на эластичной подложке. Как упругий элемент используется ткань, резина, полимерная пленка.

Под действием силы проводник деформируется, сопротивление его меняется, что генерирует электрический сигнал, подающийся после усиления на исполнительные устройства.

Использование приборов:

Как датчиков присутствия пассажира. Штатных – в целях безопасности (индикация пристегнутого ремня и данные для срабатывания подушек безопасности). Устанавливаемых индивидуально – для контроля за работой такси (фиксирование состояния машины – “свободен/занят”).

В качестве элементов стационарных и и безопасности, сигнализирующих о несанкционированном доступе в помещение.

Преимущество тензорезисторных датчиков нагрузки – малая толщина, обеспечивающая скрытую установку (маскировка под коврик у дверей), и легкость монтажа на пассажирские сидения.

Недостатки:

• необходимость использования усилителя сигнала;
• подверженность многократно повторяющимся механическим нагрузкам, что приводит к выходу из строя;
• снижение чувствительности при перепадах температур.

Комбинированные датчики присутствия

Иногда для достижения поставленных целей устройства одного типа недостаточно. В таких случаях их можно задействовать несколько с разными принципами работы.

На примере рассмотрим эксплуатацию инфракрасного датчика присутствия в комбинации с датчиком освещенности.

Первый подает сигнал на включение ламп при обнаружении им человека в комнате.

Второй – в случае показателей освещенности ниже установленного порогового значения.

Работая совместно, они в автоматическом режиме зажгут светильники только в случае присутствия людей в помещении в темное время суток.

Такой подход создает комфортные условия жизнедеятельности и приводит к 30-40 % экономии электроэнергии.

При охране объектов датчики с различным принципом действия объединяют в системы. Это повышает надежность и уменьшает количество ложных срабатываний.

Устройство датчиков присутствия

Датчики представляют собой приборы, состоящие из одного (однопозиционные), двух (двухпозиционные) или нескольких (многопозиционные) блоков. Каждый – устройство в пластиковом корпусе с микросхемой для отправки, приема и обработки сигналов.

Их конструктивная особенность – отсутствие перемещающихся, испытывающих механические нагрузки деталей. Исключение – эластичные подложки с тензорезисторами в датчиках нагрузки.

Как следствие, возможные неисправности ограничиваются выходом из строя деталей микросхем и самостоятельному устранению не подлежат.

Варианты монтажа датчиков . В зависимости от конструктивных особенностей датчики устанавливаются в монтажные коробки либо непосредственно на стены или потолок (накладные модели).

Преимуществ в эксплуатации ни один из способов не дает, на выбор могут повлиять только дизайнерские решения.

Способы получения сигнала . По способу получения сигнала датчики присутствия бывают двух видов:

• активные – излучают энергию в окружающую среду и получают данные на основе отклика (ультразвуковые, фотоэлектрические);
• пассивные – фиксируют объекты по их свойствам, предварительно не посылая сигналы (инфракрасные, акустические, емкостные, датчики нагрузки).

Передача сигнала датчиками присутствия . Получив и обработав информацию, датчик присутствия отправляет сигнал на исполнительные устройства:

• посредством электрических проводов;
• по защищенному радиоканалу.

Во втором варианте расстояние между датчиком и принимающим блоком достигает 200 м. Использование усилителей увеличивает этот показатель, а препятствия на пути – снижают.

При беспроводной передаче сигнала для связи с конкретным исполнительным устройством датчику задается его код. Это осуществляется путем установки джамперов (перемычек).

Если использовать приборы с кодом обучения, то нужды в установке перемычек нет: для коммутации достаточного одновременного нажатия специальных кнопок на датчике и принимающем блоке.

Преимущества беспроводной передачи сигнала – простота монтажа оборудования и снижение затрат на электрические провода.

Производители и модели датчиков присутствия

Рассмотрим, какие модели датчиков присутствия предлагают мировые компании.

Theben AG (Германия)

В 1921 году в Штутгарте Пауль Швенк основал компанию, изготавливавшую таймеры и аксессуары для часов.

Рачительный хозяин, стремясь к экономии, изобрел и в 1930 году запустил в производство первый датчик обратного отсчета для управления освещением, который стал хитом продаж.

Успех стимулировал дальнейшее стремление к инновациям, что превратило Theben AG в европейского лидера в производстве приборов для эффективного энергосбережения, различных датчиков, “умных” и т.д.

Датчики присутствия Theben, управляющие системой освещения:

SPHINX 104-360	SPHINX 104-360/2	SPHINX 104-360 AP
Принцип действия
инфракрасный	инфракрасный	инфракрасный
Способ монтажа
потолок, встроенный	потолок, встроенный	потолок, накладной
Угол охвата
360 о	360 о	360 о
Радиус контроля
7 м	7 м	7 м
Число каналов
1	2	1
Макс. мощность ламп
1800 Вт	1800 Вт	2000 Вт
Уровень освещенности
10-2000 Лк	10-2000 Лк	10-2000 Лк
Задержка выключения
1 с-20 мин	1 с-20 мин	1 с-20 мин
Уровень защиты
IP 41	IP 41	IP 41

Все приборы оборудованы встроенным регулируемым люксметром и пультом дистанционного управления (см. ).

У SPHINX 104-360/2 есть второй канал выхода, с задержкой отключения 10 сек – 60 мин, сигнал с которого может подаваться на кондиционер, радиатор электроотопления, вентилятор.

OMRON (Япония)

Компания OMRON (г. Киото), основана Кадзума Татеиси в 1933 году. В послевоенные годы она стала одной из фирм-творцов “японского экономического чуда”.

Основное направление деятельности – производство средств автоматизации и сенсорных устройств. В этой области ей принадлежит более 40% японского рынка. Годовой оборот компании – более 5 миллиардов долларов.

Фотоэлектрические датчики обнаружения OMRON:

E3FA/E3FB-B/-V	E3H2	E3T-C
Обнаружение объекта: максимальное расстояние срабатывания
Барьерный режим
20 м	15 м	4 м
Рефлекторный режим
4 м	3 м	2 м
Диффузный режим
1 м	0,3 м	0,3 м
Источник света (длина волны)
красный светодиод (624 нм)	красный светодиод (624 нм)	светодиоды: инфракрасный (870 нм), красный (630 нм)
Напряжение питания
10-30 V постоянный ток	10-30 V постоянный ток	10-30 V постоянный ток

Прибор Е3Н2 оборудован ярким светодиодным индикатором, упрощающим выравнивание, а габариты Е3Т-С облегчают его монтаж в условиях стесненного пространства.

ESYLUX (Германия)

Компания ESYLUX (г. Аренсбург) разрабатывает и выпускает светильники для аварийного и наружного освещения, датчики присутствия и движения, детекторы дыма, . Подтверждением высокого уровня продукции является полученный ею знак качества “German Engineering”. Филиалы и торговые представительства фирмы открыты в 13 странах

В таблице представлены образцы датчиков присутствия производства ESYLUX.

PD 360/8 Basic	PD 360/8 Basic SMB	PD 180i/R
Принцип действия
инфракрасный	инфракрасный	инфракрасный
Способ монтажа
потолок, накладной	потолок, встроенный	стена, встроенный
Угол охвата

Прежде всего необходимо внести разграничение между понятиями «сенсор» и «датчик». Под датчиком традиционно понимается устройство, способное преобразовать входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Сегодня существует ряд требований, предъявляемых к современным датчикам:

• Однозначная зависимость выходной величины от входной.
• Стабильные показания независимо от времени использования.
• Высокий показатель чувствительности.
• Небольшие размеры и малая масса.
• Отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс.
• Возможность работы в различных условиях.
• Совместимость с другими устройствами.

Любой датчик включает в себя следующие элементы: чувствительный элемент и сигнализатор . В ряде случаев могут добавляться усилитель и селектор сигналов, но зачастую потребность в них отсутствует. Составные части датчика обуславливают и принцип его дальнейшей работы. В тот момент, когда в объекте наблюдения происходят какие-либо изменения, их фиксирует чувствительный элемент. Сразу после этого изменения отображаются на сигнализаторе, данные которого объективны и информативны, но не могут быть обработаны автоматически.

Рис. 22.

Примером простейшего датчика может служить ртутный термометр. В качестве чувствительного элемента используется ртуть, температурная шкала исполняет роль сигнализатора, а объектом наблюдения является температура. При этом важно понимать, что показания датчика представляют собой набор данных, а не информацию. Они не сохраняются во внешнюю или внутреннюю память и не пригодны для автоматизированной обработки, хранения и передачи.

Все датчики, использующиеся различными технологическими решениями из сферы Интернета вещей, можно разделить на несколько категорий. Основанием одной из самых удобных классификаций служит назначение устройств " 3:

• датчики присутствия и движения;
• детекторы положения, перемещения и уровня;
• датчики скорости и ускорения;
• датчики силы и прикосновения;
• датчики давления;
• расходомеры;
• акустические датчики;
• датчики влажности;
• детекторы световых излучении;
• датчики температуры;
• химические и биологические датчики.

Работа сенсоров серьезно отличается от работы датчиков. Прежде всего необходимо остановиться на определении понятия «сенсор». Под сенсором понимается устройство, способное преобразовать изменения, произошедшие в объекте наблюдения, в информационный сигнал, пригодный к дальнейшему хранению, обработке и передаче .

Схема работы сенсора близка к цепочке, характерной для датчика. В определенном смысле сенсор может трактоваться как улучшенный датчик, поскольку его структура может быть выражена в виде «составные элементы датчика» + «узел обработки информации». Функциональная схема сенсора выглядит следующим образом .

Рис. 23.

При этом классификация сенсоров по назначению эквивалентна такой же классификации для датчиков. Нередко сенсоры и датчики могут измерять одну и ту же величину у одного и того же объекта, но датчики будут демонстрировать данные, а сенсоры - еще и преобразовывать их в информационный сигнал.

Кроме того, существует особый тип сенсоров, который имеет смысл рассмотреть для понимания концепции Интернета вещей. Это так называемые «умные» сенсоры, функциональная схема которых дополняется наличием алгоритмов для первичной обработки собранной информации. Таким образом, обычный сенсор способен обработать данные и предоставить их в виде информации, а «умный» сенсор способен производить какие-либо действия с самостоятельно захваченной информацией из внешней среды.

В будущем можно ожидать серьезного развития ЗО-сенсоров, способных с высокой точностью сканировать окружающее пространство и строить его виртуальную модель . Так, в настоящий момент сенсор Capri 3D способен определять движения людей и их метрические харак-

теристики. Кроме того, данный сенсор может отсканировать объект внешней среды и сохранить информацию в САЭ-файле для дальнейшей отправки на печать на ЗЭ-принтере.

Рис. 24. Сенсор Capri 3D, подключенный к Samsung Nexus 10

Особого внимания заслуживает развитие устройств, сочетающих в себе сразу несколько сенсоров разного типа. Как говорилось в пункте 2.2.1, для получения знания необходима информация о разных характеристиках объекта. А использование разных сенсоров позволяет получить необходимую информацию. В некотором смысле такие устройства действительно могут узнавать людей. Примером подобного устройства может служить беспроводной контроллер Kinekt, использующийся в современных видеоиграх.

IR Emitter Color Sensor

Microphone Ar ray

Рис. 25. Устройство беспроводного контроллера Kinekt 57

Контроллер Kinekt содержит в себе сразу несколько компонентов: инфракрасный излучатель; инфракрасный приемник; цветная камера;

набор из 4 микрофонов и обработчика звукового сигнала; средство коррекции наклона.

Принцип работы контроллера Клпек! достаточно прост. Лучи, вышедшие из инфракрасного излучателя, отражаются и попадают в инфракрасный приемник. За счет этого удается получить информацию о пространственном положении человека, который играет в видеоигру. Камера способна зафиксировать различные цветовые данные, а микрофоны в состоянии улавливать голосовые команды игрока. В итоге контроллер оказывается в состоянии собрать достаточный объем информации о человеке, чтобы тот мог управлять игрой посредством движений или голосовых команд.

В определенном смысле контроллер Ктек! относится к сфере технологий Интернета вещей. Он способен идентифицировать игрока, собрать информацию о нем и передать другим устройствам (игровой приставке). Но подобный набор сенсоров потенциально может использоваться и в других перспективных для концепции Интернета вещей областях, включая сферу развертывания технологий «умного» дома.