Датчики и их классификация

Датчик — это преобразователь измеряемой (контролируемой) физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения. Датчик является обязательным элементом измерительных приборов, систем контроля и регулирования и т.п. Собственно, без датчиков невозможны ни измерение, ни контроль, ни регулирование.

Для построения датчиков используется значительное (более 500) количество физических эффектов (принципов). Развитие, совершенствование датчиков в значительной степени определяется достижениями в области физики, химии, физической химии, механики, радиотехники и других наук. Особое место в развитии датчиков занимают достижения и возможности современных технологий. Принципы действия датчиков могут быть самыми разноообразными в зависимости от физической природы измеряемой величины, ее абсолютного значения, требуемой точности преобразования и т.п. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразование входных физических величин в соответствующие выходные сигналы связано с преобразованием энергии, в том числе преобразованием энергии одного вида в другой. Энергетическое представление принципа работы измерительных преобразователей, базирующееся на двух фундаментальных законах — законе сохранения энергии и принципе обратимости, стало предпосылкой для создания основ общей теории измерительных преобразователей и их представления в виде пассивных четырехполюсников со сторонами разной физической природы.

Для потребителей датчиков важна информация о датчиках, предназначенных для измерения определенных физических величин (ФВ), сведениях о выходных и входных параметрах и сигналах, технических и метрологических характеристиках. Такой подход требует построения классификационной схемыпо видам физической величины.

Для разработчиков датчиков, студентов, специалистов, изучающих работу датчиков, важна информация о физических принципах их действия или, точнее, физических закономерностях, определяющих принцип их действия.

По видам входных и выходных величин измерительные преобразователи (датчики) можно разделить на 4 больших класса:

• электрических величин в электрические, например, непрерывных во времени (аналоговых) в прерывистые (дискретные, цифровые);

• неэлектрических величин в неэлектрические, например, давление в перемещение жесткого центра мембраны;

• электрических величин в неэлектрические, например, тока в отклонение стрелки прибора;

• неэлектрических величин в электрические.

Важнейшим классификационным признаком для датчиков является физический принцип действия — принцип преобразования физических величин, который основывается на некотором физико-техническом (физическом, электрохимическом, биоэлектронном, химическом и т.д.) эффекте (явлении).

Кроме того, можно классифицировать датчики по виду измеряемых не-

электрических величин и электрических величин.

По физическому принципу действия датчики (преобразователи) могут быть физическими (электрические, магнитные, тепловые, оптические, акустические и т.п.), химическими и комбинированными (физико-химические, электрохимические, биоэлектрические и т.п.). Принцип действия датчика определяется прежде всего тем, какая закономерность используется в нем. Однако существуют датчики, которые не относятся ни к одному из перечисленных классов, например, механоэлектрические. Эти датчики называются комбинированными.

По виду выходной величины и необходимости внешнего источника энергиидатчики можно разделить на генераторные (активные), выходной величинойкоторых являются электрические величины (напряжение, заряд, ток, электродвижущая сила (ЭДС), и параметрические (пассивные), выходной величинойкоторых является сопротивление, индуктивность, емкость, диэлектрическаяили магнитная проницаемость и т.п.

В генераторных датчиках внешний источник энергии не нужен. Например, в пьезоэлектрическом датчике под действием измеряемого усилия на электродах пьезоэлемента возникает электрический заряд (или электрическое напряжение).

В параметрических датчиках под действием измеряемой физической величины меняется какой-либо из параметров (например, электрическое сопротивление в тензорезисторах). Для получения выходного электрического сигнала требуется источник энергии (тока или напряжения). Таким образом, датчики могут иметь (или не иметь) вспомогательный источник энергии.

По функциональному назначению датчики (преобразователи) можно разделить на:

- индикаторные (метрологические характеристики не нормируются). Датчик выдает информацию о наличии или отсутствии физической величины;

- измерительные (метрологические характеристики нормируются);

- комбинированные.

По методу преобразования физической величины датчики (преобразователи) делятся на:

- датчики (преобразователи) прямого одно- или многоступенчатого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в

другую физическую величину — выходной сигнал датчика;

- датчики (преобразователи) непрямого преобразования, в которых измеряемая физическая величина преобразуется в промежуточную физическуювеличину, а уже затем эта величина преобразуется в выходной сигнал

датчика;

- датчики комбинированного типа.