Английское название датчика

Английское название датчика – sensor произошло от латинского слова sensus – ощущение, чувство, способность воспринимать «раздражение», которое является одним из наиболее универсальных свойств систем живой и неживой природы, проявляющееся в способности реагировать на внешнее воздействие. Данная реакция может быть чрезвычайно слабой, носить линейный, нелинейный или пороговый характер, поэтому функцию первичных преобразователей внешних воздействий: термо-, механо-, опто-, хемо- и акусторецепторов успешно выполняют как естественные природные материалы и системы, так и искусственно синтезированные «конструкции» неорганической и органической природы. В настоящее время сенсорика – наука о датчиках – это целое системное направление, интегрирующее явления, эффекты, процессы и алгоритмы из таких областей знаний, как физика, химия, биология, информатика, электротехника, теплотехника, электроника, оптика и других дисциплин.

Использование микропроцессорной техники позволяет создавать очень сложные инструменты, находящие свое применение в различных областях повсеместной жизни. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически любые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большинство устройств не являются цифровыми, и более того, сигналы окружающего нас мира в общем случае не являются электрическими. Для того чтобы сложные интеллектуальные системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсные устройства, преобразующие разнообразные физические величины и процессы в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и являются датчики. Другими словами, датчики – это глаза, уши и органы обоняния кремневых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью жизни любого человека.

Наиболее часто используемое определение датчика звучит так: «датчик – это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них». Однако это очень широкое определение. Оно настолько широкое, что охватывает почти все: от человеческого глаза до спускового курка в пистолете. 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. В системах же, созданных людьми, в передаче сигналов в подавляющем большинстве случаев участвуют электроны. Датчики в таких системах «разговаривают» с устройствами, с которыми они связаны, на одном языке. Язык общения – электрические сигналы, в которых информация передается при помощи электронов.

Исходя из вышеизложенного, можно дать более строгое определение датчика. Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Под внешним воздействием понимается количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В некоторых случаях для этих целей используется термин измеряемая величина, имеющий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент на количественной характеристике сенсорной функции.

Датчик (sensor) состоит из двух частей – чувствительного элемента (detector) и преобразова­теля (transducer), как показано на рис. 1. Чувствительный элемент иногда называют измерительной головкой (sensor head). Результат работы датчика – это реакция чувствительного элемента на внешнее воздействие, которая на выходе преобразователя представляет собой электрический сиг­нал, распространяющийся далее по проводнику, т.е. этот сигнал является выходным сигналом дат­чика.

Назначение датчиков – реакция на внешнее воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами можно сказать, что датчик – это преобразователь физической величины в электрический сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передачи. Выходными сигналами датчиков 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, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при кото­рой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит переда­ча информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, 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. Инте­ресно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить к входу усилите­ля, он будет рабо­тать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком. Преобразователи могут выполнять также функции приводов. 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.

Преобразователи могут быть частью составных датчиков. Например, 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. 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 датчиков, 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.

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: 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 и других 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 встро­енными. 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. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измеритель­ных комплексов с множеством обратных связей.

На рис. 2 показана блок-схема автоматизированного измерительного комп­лекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Из этого рисунка хорошо видна роль датчиков в таких системах. Субъектами измерений могут быть любые материальные объекты: автомобили, космические корабли, че­ловеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об из-

Рис. 2. Блок-схема автоматизированного измерительного комп­лекса.

меряемом объекте со­бираются при помощи датчиков, 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 датчиков. 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 датчиков 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 датчиков поступают на мультиплексор, вы­полняющий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков 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 показанные в блок ­схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи.

Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически лю­бую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, коле­бания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов - все это примеры внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназ­начения. для особых условий применения может потребоваться разработка специаль­ных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется, чтобы они реагиро­вали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор дви­жения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки.