Общие свойства датчиков
На датчик могут одновременно воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, ядерная реакция, магнитные и электрические поля и т. д.), но воспринимать он должен только одну величину, называемую естественной величиной 
.
На рисунке 1 показано устройство воспринимающей системы. Датчик возвращает некую величину 
, зависящую от 
, которая затем поступает на предварительную обработку.
Рис. 1. Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием сигнала: 
- первичный процесс, 
- вторичный процесс, 
- измерительный мост, Amp – усилитель.
Функциональную зависимость выходной величины датчика от естественной измеряемой величины в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической характеристикой датчика.
Статическая чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях. По определению, статическая чувствительность равна 
или, переходя к пределу, будем иметь
.
Это соотношение является постоянным, когда выходная величина (выходной сигнал) представляет собой линейную функцию входной величины (выходного сигнала). Если имеется нелинейная функция, то должны быть указаны точки, к которым относится данная чувствительность. В некоторых случаях чувствительность может быть представлена в виде наклона секущей между двумя характеристическими точками статической нелинейной характеристики.
Понятие статической чувствительности аналогично понятию коэффициента усиления; градиента; коэффициента чувствительности.
Чувствительность датчика – это, как правило, именованная величина с разнообразной размерностью, зависящей от природы входной и выходной величин.
Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом под чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:
.
В случае периодических, в частности синусоидальных, сигналов чувствительность может быть определена как отношение амплитуд выхода и входа.
Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала. Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением
,
где 
- естественный предел измерения; 
- порог чувствительности датчика.
Для каждого типа датчиков существует практически достижимый предел величины 
, определяемый принципом действия и характеристиками чувствительного элемента.
Гистерезисом называют неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении и уменьшении входной величины.
Для упругих элементов (мембраны, пружины и т. д.) в понятие гистерезис также включают понятие упругое последействие.
Гистерезис относится в общем случае к случайным погрешностям, так как его величина определяется не только значениями входной величины, но и временными характеристиками работы датчика. Гистерезис выражается в процентах
,
где 
- изменение выходной величины в рабочих пределах.
Гистерезис возникает в датчиках из-за внутреннего трения в упругих элементах, трения в подвижных элементах, ползучести (например, в наклеиваемых тензодатчиках), магнитного гистерезиса и т. п.
Основной погрешностью датчика является максимальная разность между действительным значением выходного сигнала и его величиной, соответствующей истинному значению входного параметра. Эта разность определяется по статической характеристике датчика при нормальных условиях и обычно относится к разности предельных значений выходной величины:
.
Нормальными условиями эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды 
; атмосферное давление 
Па/ 
мм рт. ст.; относительная влажность окружающего воздуха 
; отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного.
Дополнительные погрешности датчика – это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с нормальными. Они выражаются в процентах, отнесённых к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность 
на 
и т. д.).
Первичной погрешностью датчика называют отклонение его параметра от расчётного значения:
,
где 
- первичная погрешность параметра 
; 
- расчётное значение параметра 
; 
- индекс (номер) преобразователя; 
- индекс (номер) параметра.
Первичная погрешность датчика вызывает отклонение выходной величины 
от её расчётного значения при заданном значении входной величины 
. Это отклонение принято называть частной погрешностью датчика:
;
.
Суммарная погрешность датчика определяется как сумма частных погрешностей. Способ суммирования определяется природой первичных погрешностей.
При систематических первичных погрешностях частная погрешность датчика определяется по зависимости
.
Если первичные погрешности случайные, то предельное значение погрешности датчика можно определить квадратичным суммированием предельных значений частных погрешностей:
.
Практическая оценка погрешности измерений различных физических параметров часто усложняется большим числом одновременно действующих независимых факторов, вызывающих частные погрешности.
Датчики скорости
Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности, сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных работать в различных условиях.
В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик). Недавно появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие па оптическом эффекте Допплера (см. рисунок 2), которые используют особый вид рассеяния света.
В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает затем на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал электронным путём преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.
Рис. 2. Устройство лазерного допплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе.
Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для любительской практики этот метод непригоден.
Измерения расхода можно осуществить чисто электронным путём, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода. На рисунке 3 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в канале потока.
Рис. 3. Схематическое изображение процессов теплопередачи от самонагревающегося резистора в канале потока.
Ток 
нагревает этот элемент до температуры 
. В этих условиях теплоотвод осуществляется несколькими путями:
- теплопроводность через среду потока к стенкам трубы; 
;
- теплопроводность через механический держатель и электропровода; 
;
- теплопередача путём излучения (по закону Стефана-Больцмана 
);
- теплопередача путём свободной конвекции; 
;
- теплопередача путём вынужденной конвекции (поток):
,
где 
- объёмный расход.
В итоге омический элемент датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т. е. Количество подводимой энергии равно количеству отводимой.
Поскольку подводимая электрическая энергия равна 
, равновесие определяется выражением
,
где представляет собой собственно измеряемую величину, т. к. она определяется потоком в канале. Поэтому все остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае получается т. н. уравнение Кинга
,
где 
. В этом уравнении 
и 
можно считать аппаратурными параметрами, остающимися постоянными в известных пределах.
Применяется также ультразвуковой датчик скорости, излучающий ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком. Анализ спектра этого сигнала позволяет рассчитать осредненную скорость потока с учетом неравномерного распределения скоростей по поперечному профилю сечения.
Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта Холла и предназначен для преобразования частоты вращения приводного вала в частоту электрических импульсов, пропорциональных скорости движения автомобиля, или преобразования количества оборотов приводного вала в количество электрических импульсов, пропорциональных пройденному пути автомобиля, а также для систем управления впрыском топлива.
Интегрированный датчик скорости вращения вентилятора TC670, предсказывающий и/или обнаруживающий выход из строя вентилятора, предотвращая тепловое повреждение устройства с охлаждением вентиляторами. Когда скорость вращение вентилятора ниже установленного, формируется сигнал тревоги -ALERT (низкий логический уровень). Нижнее значение скорости вращения вентилятора задается резистором, подключенным к выводу THRESHOLD. Микросхема предназначена для работы с 2-х выводными вентиляторами. TC670 позволяет отказаться от использования 3-х выводных вентиляторов в устройстве. По сигналу CLEAR сбрасывается активный уровень на выводе -ALTER. Эта функция позволяет использовать TC670 в составе системы контроля работы вентиляторов.
Бесконтактные магнитные датчики VSP-DD-3000M применяются как датчики скорости. Устройства реагируют на движущиеся тела из токопроводящих материалов. Применение этих датчиков особенно удобно для контроля транспортных механизмов (типа норий, транспортеров и т.п.), которые перемещают продукт диэлектрической природы. В этом случае можно исключить влияние продукта на срабатывание датчика. Достаточно большая рабочая зона датчика позволяет не изготавливать специальные крыльчатки и другие дополнительные приспособления для контроля скорости движущихся механизмов, а использовать уже имеющиеся в конструкциях механизмов движущиеся металлические детали (спицы колес, болты крепления на колесах, лентах и т.п.). Эти элементы конструкции периодически проходя через зону чувствительности датчика, вызывают его срабатывание, что позволяет контролировать скорость этих механизмов при помощи устройств с функцией контроля скорости.
Заключение
В работе были рассмотрены общие свойства датчиков и область их применения. Более подробно затрагиваются датчики скорости, объясняется принцип действия на примере конкретных моделей.
На сегодняшний день существует большое количество различных датчиков скорости, предназначенных для работы в разных условиях, с разными входными параметрами. Датчики скорости нашли широкое применение в промышленности и техники.
Список использованных источников
1. Виглеб Г., Датчики: устройство и применение, 1989;
2. Осипович Л. А., Датчики физических величин, 1979;
3. https://www.chipdip.ru/