|
|
|
ДАТЧИКИ, СЕНСОРЫ И СИГНАЛЫСами по себе ни глаз оператора, ни смотровая трубка не являются датчиками, но их комбинация формирует детектор, обладающий избирательной способностью определять уровень жидкости. При корректном проектировании системы изменение уровня жидкости в резервуаре быстро отразится на уровне жидкости в смотровой трубке, поэтому, можно сказать, что рассматриваемый датчик характеризуется хорошей реакцией или малой инерционностью. Но если внутренний диаметр трубки будет слишком мал для вязких жидкостей, уровень в ней будет отставать от уровня в резервуаре. Поэтому необходимо учитывать фазовые характеристики такого датчика. Для некоторых применений такая задержка может быть приемлемой, тогда как для других надо использовать иную конструкцию смотровой трубки. Отсюда видно, что рабочие характеристики каждого датчика можно оценить только относительно конкретной системы сбора данных. 
Рис. 1.1 Система контроля за уровнем воды. Смотровая трубка
и глаз оператора формируют датчик (устройство, преобразующее информацию в
электрический сигнал).
Окружающий нас мир можно разделить на две части: природа и
объекты, созданные человеком. Естественные сенсоры, которыми снабжен любой
живой организм, обычно реагируют на электрохимические сигналы, т.е. их
физический принцип действия основывается на передаче ионов в нервных тканях,
как это было в рассмотренном примере со зрительным нервом оператора. В системах
же, созданных людьми, в передаче сигналов участвуют электроны. Датчики в таких
системах «разговаривают» с устройствами, в которые они встроены, на одном
языке. Язык общения здесь — электрические сигналы, в которых информация,
передается при помощи электронов, а не ионов. (Хотя в оптических системах связи
информация передается через фотоны, но этот раздел выходит за рамки статьи.) В
данной статье будут рассматриваться датчики, которые могут быть подключены к
измерительной системе при помощи электрических проводов, а не через
электрохимические растворы и нервные волокна. Исходя из этого, перефразируем
определение датчика:
Датчик — это устройство, воспринимающее внешние воздействия
и реагирующее на них изменением электрических сигналов.
Термин внешние воздействия широко используется в этой статье,
поэтому его необходимо правильно воспринимать. Под внешним воздействием
понимается количественная характеристика объекта, его свойство или качество,
которые необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В
некоторых статьах (к примеру, [2]) для этих целей используется термин измеряемая
величина, имеющий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент
на количественной характеристике сенсорной функции.
Назначение сенсоров — реакция на определенное внешнее
физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый
с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик — это
преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический
сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть
преобразован при помощи электронных устройств, к примеру, усилен или передан по
линии передач. Выходными сигналами сенсоров 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.
Любой датчик является преобразователем энергии. 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, к примеру, энергия
может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Наиболее часто используемое определение сенсоров звучит так:
«датчик — это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и
реагирующее на них». Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько
широкое, что охватывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка
в револьвере. Рассмотрим систему контроля за уровнем жидкости, отображенную на
рис. 1.1 [ 1 ]. Оператор управляет уровнем жидкости в резервуаре при помощи
клапана. При этом оператор должен учитывать расход жидкости, изменение
температуры (от того зависит вязкость жидкости, и, следовательно, скорость
ее прохождения через клапан), а также другие параметры, оказывающие влияние на эту
систему. Без осуществления контроля резервуар либо перельется, либо, наоборот,
станет пустым. Для принятия правильного решения оператору необходимо постоянно
получать информацию об уровне воды в резервуаре. В рассматриваемом примере
информация поступает от датчика, состоящего из двух основных частей: смотровой
трубки на резервуаре и глаза оператора, подающего импульсы на зрительный нерв. (Интересно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу
усилителя, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать
акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Особым случаем является ситуация, при той энергия равна нулю, но и в этом
случае происходит передача информации о существовании именно такой особой
ситуации. к примеру, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное
напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в
сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика
(инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект
имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное
напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве
температур датчика и объекта.
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. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. Привод можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он
преобразует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Примером привода является электрический мотор, преобразующий электрическую
энергию в механическую.
Рис. 1.2 Датчик может состоять из нескольких
преобразователей, е , е2,... — различные виды энергии. Отметим, что последний
элемент данной схемы является датчиком прямого действия
Преобразователи могут быть частью составных сенсоров (рис. Комбинация этих двух
преобразователей представляет собой химический датчик — устройство,
вырабатывающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что
в рассмотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим
из преобразователя и еще одного датчика — датчика температуры. В структуру
составных сенсоров, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и
несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики,
которые построены на физических явлениях, позволяющих проводить
непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические
сигналы. Примерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект
Зеебека, описываемые в третьей главе.
Таким образом, все датчики можно разделить на две подгруппы:
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 встро-енными. Часто их располагают на входах измерительных
приборов для того, чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали
системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри
измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для
поддержания корректной работы всех внутренних устройств.
Рис. 1.3 Автоматизированный измерительный комплекс,
показывающий роль сенсоров в системе сбора данных. Датчик 1 является
бесконтактным, датчики 2 и 3 — пассивными устройствами, датчик 4 — активным, а
датчик 5 — внутренним элементом системы сбора данных.
Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных,
которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измерительных
комплексов со множеством обратных связей.
На рис. 1.3 отображена блок-схема автоматизированного
измерительного комплекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего
устройства. Из этого рисунка хорошо видна роль сенсоров в таких системах. 1.2). к примеру, в состав химического датчика могут входить два преобразователя,
один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой,
термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал. Субъектами измерений могут быть любые материальные объекты: автомобили,
космические корабли, человеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об
измеряемом объекте собираются при помощи сенсоров, часть из которых, (2, 3 и
4), располагается на поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет
непосредственной связи с объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные
камеры и детекторы излучений служат примерами таких сенсоров. Даже когда датчик
называется бесконтактным, всегда между ним и объектом происходит передача
энергии.
Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит
для контроля за условиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не
могут быть напрямую подсоединены к стандартным электронным схемам из-за
несоответствия форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются
специальные интерфейсные устройства — преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3
и 5 являются пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не
требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 — представитель
активных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сигнал,
получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сигнал в
соответствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных сенсоров
является температурно-чувствительный резистор, который часто называется
термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, являющегося в
данном случае схемой возбуждения. Измерительный комплекс может включать в себя
либо один датчик (домашний термостат), либо несколько тысяч (космический
корабль).
Электрические сигналы с выходов сенсоров поступают на
мультиплексор, выполняющий роль переключателя. Если выходные сигналы сенсоров
являются аналоговыми, они поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП),
если цифровыми — непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу
мультиплексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод,
воздействующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут
использоваться электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав измерительной системы также входят периферийные устройства (накопители
данных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не отображенные в
блок-схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения,
усилители и прочие преобразователи.
Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим
простую систему, контролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь
автомобиля оснащена датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или
закрыта). В большинстве
машин в качестве такого датчика используется обыкновенный
электрический выключатель. Сигналы от сенсоров всех дверей поступают на
встроенный микропроцессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП,
поскольку сигналы сенсоров являются цифровыми: 0 — дверь открыта, 1 — закрыта). Микропроцессор определяет какая из дверей открыта и посылает на соответствующее
периферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнализатор)
специальный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это
сообщение и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь.
Примером более сложной системы является дозатор паров
анестезирующих веществ, применяемый в медицине для регулирования количества
анестетиков, вдыхаемых пациентом в ходе хирургических операций. В такую систему
входят несколько активных и пассивных сенсоров. Концентрация паров
анестезирующих веществ контролируется при помощи пьезоэлектрического датчика,
установленного в отводной трубке. Молекулы анестетиков увеличивают массу
пьезокристал-ла, тем самым изменяя частоту его колебаний. Величина изменения
собственной частоты кристалла и является мерой концентрации паров
анестезирующих веществ. Чтобы отличить вдох от выдоха применяется датчик,
контролирующий уровень СОг В дополнение к этому для компенсации некоторых
переменных составляющих в системе используются датчики температуры и давления. Для выполнения этих функций необходимы специальные датчики, роль которых могут
играть сенсоры слежения за глазным яблоком водителя и детекторы наклона его
головы. В систему выдачи сигнала необходимости экстренного торможения,
построенную на основе сенсоров микроволнового, ультразвукового и инфракрасного
диапазонов, часто входит устройство опережающего включения индикаторов
торможения, позволяющее заранее предупредить об опасности водителей
транспортных средств, едущих сзади. В состав системы предупреждения о
препятствиях входят инфракрасные детекторы и радар. Адаптивная система
круиз-контроля начинает работать в момент, когда водитель слишком приблизился к
впереди идущему транспортному средству: при этом скорость автомобиля немедленно
снижается для обеспечения безопасной дистанции. Устройство мониторинга
пешеходов определяет присутствие людей на дороге в темное время суток и в
зонах, закрытых для обзора, и предупреждает об этом водителя автомобиля. Сигналы от всех этих сенсоров поступают на мультиплексор, оцифровываются и
подаются в микропроцессор, который и определяет реальную концентрацию паров
анестезирующих веществ. Анестезиолог задает требуемый уровень подачи анестетиков,
а процессор, управляя соответствующим образом приводом (в данном случае
клапанами), поддерживает необходимую концентрацию анестезирующих веществ.
На рис. 1.4 отображен комплекс, состоящий из комбинации
различных сенсоров, приводов и сигнализаторов, применяемый в корпорации Nissan
для повышения безопасности автомобиля. В его состав входят две системы,
борющиеся с засыпанием водителя за рулем автомобиля. Действие одной из этих
систем направлено на предупреждение водителя, а другой — на выравнивание курса автомобиля. Система контроля полосы движения определяет ситуации, при которых отклонение
автомобиля происходит не по воле водителя. При этом система оповещает водителя
об уходе с полосы и автоматически выравнивает транспортное средство.
Рис. 1.4 Система безопасности автомобиля (с разрешения
Nissan Motor Company)
КЛАССИФИКАЦИЯ сенсоров Системы классификации сенсоров могут быть очень разными, от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации. В этой статье предлагается несколько практических подходов к этой проблеме. Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике 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 сенсоров являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические чувствительные элементы. Большинство пассивных сенсоров являются устройствами прямого действия (их определение приведено в сайте 1.1). В отличие от пассивного собрата 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. Фактически, в активных датчиках происходит преобразование изменения их внутренних характеристик в электрические сигналы, т.е. определенные параметры активных сенсоров модулируют сигналы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об измеряемой величине. к примеру, термисторы являются температурно-чувствительными резисторами. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопротивление может быть определено по изменению тока и/или падению напряжения на них. Значение сопротивления (в омах) отражает измеряемую температуру, которая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных сенсоров является резистивный тензодатчик, чье 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 отсчета датчики можно разделить на абсолютные и относительные. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительного датчика 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. Поэтому определить конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только относительно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относительных сенсоров является датчик давления. отображения абсолютного датчика соответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давлений, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давление относительно атмосферного давления, то не является нулевым. Другой подход к классификации сенсоров заключается в рассмотрении их характеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физическом принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из какого материала он изготовлен, какая область его применения. Втаблицах 1.1–1.6, взятых из статьи [3], представлена схема такой классификации, которая является наиболее информативной. Для примера рассмотрим акселерометр на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Согласно приведенным таблицам ему можно дать следующее описание.
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
