Компьютеризированный сбор данных. Датчики и их классификация (стр. 3 из 3)
4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.
5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин — перемещения, температуры, давления, плотности и др., определение формы, распознавание объектов и т. д.
Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе).
Рис. 4. 6. Схема (а), поясняющая принцип действия фотогальванического элемента, и его вольт-амперная характеристика (б).
в) датчики влажности и газовые анализаторы
Влажность—физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков влажности не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности—разнообразные регуляторы атмосферы. В последнее время у датчиков влажности появилась новая, быстро расширяющаяся область применения, а именно системы автоматизации управления электронной кухонной плитой и устройства обнаружения повышенной влажности (нерабочее состояние) в видеомагнитофонах.
Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях—для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т. д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности SiOz, или устройства, работающие по принципу каталитического горения.
При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.
г) магнитные датчики
Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.
Таблица 4.4. Классификация магнитных датчиков
| Тип | Материал |
| Датчик Холла Магнитный диод Магниторезистор | Полупроводник Si, Ge, QaAsSiInSb,InAs |
| Магниторезистор Датчик Виганда | Ферромагнетик Ni—Co Fe—Ni, V—Co—Fe |
| Датчик Джозефсона | Сверхпроводник Pb, Nb |
Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Особенно эффективно применение элементов Холла в бесколлекторных двигателях видеомагнитофонов, где они используются для определения положения угла поворота и управления частотой вращения.
Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных Датчиков, в которых используются ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический Диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.
Взяв за основу элементы Холла или магниторезистивные, можно с помощью промежуточных преобразований явлений создать датчики давления, массы, расхода жидкости и др.
Эффект Джозефсона, или, иными словами, эффект сверхпроводимости при очень низких температурах, позволяет получить сверхчувствительные магнитные датчики. С их помощью можно обнаруживать микроизменения магнитного поля, связанные с потоками крови в системе кровообращения человека. Не исключено, что подобные датчики потребуются в медицине.
а) по физическим закономерностям
- механические упругие преобразователи;
- электрические и механоэлектрические резистивные преобразователи;
- электростатические преобразователи;
- преобразователи электромеханической группы;
- гальваномагнитные преобразователи;
- электромагнитные преобразователи;
- тепловые преобразователи;
- электрохимические преобразователи;
- оптические преобразователи;
- квантовые преобразователи.
б) по виду входной измеряемой величины:
- преобразователи электрических величин;
- преобразователи неэлектрических величин.
в) по способу формирования выходного сигнала:
- генераторные;
- параметрические.
г) по методу преобразования:
- прямого преобразования;
- преобразователи уравновешивания.
д) по функции преобразования:
- масштабные;
- функциональные (многопараметрические, интегрирующие, дифференцирующие, статистические и т.п.)
 |
Основные параметры:
- максимальный размах;
- динамический диапазон;
- частотный диапазон;
- отношение сигнал/шум;
- и т.д.
Основные характеристики:- уровень логического нуля;
- уровень логической единицы;
- частота следования импульсов;
- ширина импульса;
- тип импульсной модуляции (если есть).
а) квантование по уровню
Основные характеристики:
- шаг квантования;
- разрядность квантования;
- погрешность квантования;
Правило выбора разрядности квантования
б) квантование по времени
Основные моменты:
- частота дискретизации;
- теорема Котельникова/Найквиста;
- правило выбора частоты дискретизации для реальных сигналов.
в) дискретные сигналы
- АЦП/ЦАП (виды и основные параметры);
- правило выбора АЦП.
- преобразование ток/напряжение;
- мостовые преобразователи;
- масштабирование сигналов;
- фильтрация сигналов (ФНЧ, ФВЧ, заграждающие и полосовые фильтры);
- изолирования и гальваническая развязка (конденсаторного, трансформаторного и оптронного принципов действия) и усиление.
Использование операционных усилителей для каждого из преобразований сигналов.
4.6. Организация компьютеризированного сбора данных
Основные этапы:
1. Выбор датчика
2. Выбор схемы включения (измерительного преобразователя).
3. Выбор параметров дискретизации сигналов (частоты и разрядности дискретизации).
4. Выбор платы АЦП.
5. Обеспечение согласования сигналов (усиление, фильтрация и т.д.).
6. Выбор программного обеспечения.