Классификация преобразователей.

Датчики-преобразователи обычно классифицируются по их принципу работы или по их практическому применению.

По назначению измерительные преобразователи делят на первичные преобразователи (датчики), унифицированные и промежуточные.

На первичный преобразователь (датчик), непосредственно воздействует измеряемая неэлектрическая величина (сила, давление, уровень, температура и т.д.). Датчик является первым в измерительной цепи и включает в себя чувствительный элемент (зонд, мембрана и др.) и все другие необходимые элементы для преобразования входной неэлектрической величины в выходную электрическую величину. Датчик может состоять из одного или нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию.

В унифицированном преобразователе, состоящем из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока находятся в диапазоне от 0 до 5 мА или от 0 до 20 мА. Для устройств со смещенным нулем диапазон тока сужен: от 1 до 5 мА или 4 до 20 мА. При необходимости регулирования границы диапазона токовых сигналов лежат в пределах: нижняя от 0 до 5 мА, верхняя от 12 до 25 мА. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение различных измерительных приборов с внутренним сопротивлением не более 1 кОм. Нормированные значения диапазонов сигналов напряжения составляют от 0 до 1В и от 0 до 10В, причем внутреннее сопротивление измерительных приборов не должно быть менее 1 кОм. При использовании в качестве выходной величины частоты рекомендуемый диапазон ее изменения составляет 5–25 Гц. В пневматических системах нормировано давление газа. Оно должно находиться в диапазоне 0,02–0,1 Мпа.

Промежуточный преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему преобразователю.

По характеру преобразования входной величины измерительные преобразователи делят на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь реализует линейную функциональную зависимость между входной и выходной величинами. У нелинейных преобразователей эта связь нелинейная.

По принципу действия датчики делятся на параметрические и генераторные. В параметрических датчиках измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметра электрической цепи (R, L, C), например величины сопротивления реостатного датчика. При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для преобразования выходного сигнала преобразователя. Выходным сигналом генераторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары. К генераторным относятся индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических датчиков. Остальные датчики являются параметрическими.

По принципу действия датчики также подразделяются на типы:

а) резистивные – в них измеряемая величина преобразуется в изменение его сопротивления;

б) электромагнитные – в них измеряемая величина преобразуется в изменение индуктивности или взаимоиндуктивности;

в) емкостные – в них измеряемая величина преобразуется в изменение емкости;

г) пьезоэлектрические, в которых динамическое усилие преобразуется в электрический заряд;

д) гальваномагнитные датчики, основанные на эффекте Холла и преобразующие величину действующего магнитного поля в ЭДС;

е) тепловые – в них измеряемая температура преобразуется в ЭДС или в величину термосопротивления;

ж) оптоэлектронные – в них оптические сигналы преобразуются в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Области применения датчиков чрезвычайно разнообразны. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т.д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы их применения. Рассмотрим лишь некоторые из них:

1) промышленная техника измерения и регулирования;

2) робототехника;

3) автомобилестроение;

4) бытовая техника;

5) медицинская техника.

К стандартным применениям в области промышленной техники измерений относятся:

· расход, количество,

· давление,

· температура,

· уровень,

· химический состав.

Кроме этих стандартных датчиков все большим спросом пользуются датчики новых типов, например:

· датчики положения, перемещения и изображения,

· оптические и волоконно-оптические датчики,

· биодатчики (биотехнология),

· многокоординатные датчики (распознование образов).

Для современных производств характерна тенденция применения датчиков в интерактивном режиме, т. е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что естественно ведет к более рациональному производству. При промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна быть не более 1…2%, а для задач контроля – 2…3%.

В робототехнике, которая в принципе представляет собою сложную информационную систему, робот обеспечивает получение, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего способность «видеть» и «ощупывать», т. е. использование оптических и многокоординатных датчиков.

При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров для отдельных систем автомобиля (рулевое управление, двигатель, тормоза, электроника кузова), для обеспечения безопасности и надежности (система блокировки и противоугонная система), информационная система (расход топлива, температура, маршрут движения и т. д.). С помощью этих датчиков измеряются различные физические параметры как температура, давление, скорость вращения, ускорение, влажность, перемещение или угол, расход и т.д. Требования к этим датчикам в отношении воздействия окружающей среды естественно достаточно высокие.

В таблице 1 приведены области применения некоторых типов датчиков.

Таблица 1

* Автогенерирующие, или активные, приборы.