Компьютеризированный сбор данных. Датчики и их классификация (стр. 1 из 3)

4. Компьютеризированный сбор данных_________________________________ 2

4.1. Введение___________________________________________________________________ 2

4.2. Общая схема сбора данных__________________________________________________ 2

4.2.1. Диаграмма организации сбора данных_______________________________________ 2

4.2.2.Объекты мониторинга_______________________________________________________ 2

4.3. Датчики____________________________________________________________________ 3

4.3.1. Физические эффекты________________________________________________________ 3

4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные)_____________________________________ 4

4.3.3. Основные виды датчиков___________________________________________________ 5

а) температурные________________________________________________________________ 6

б) оптические___________________________________________________________________ 7

в) датчики влажности и газовые анализаторы__________________________________________ 9

г) магнитные датчики____________________________________________________________ 10

4.3.4. Классификация датчиков__________________________________________________ 10

4.4.Типы сигналов_____________________________________________________________ 12

4.4.1. Аналоговые сигналы______________________________________________________ 12

4.4.2. Импульсные сигналы______________________________________________________ 12

4.4.3. Цифровой сигнал_________________________________________________________ 13

а) квантование по уровню________________________________________________________ 13

б) квантование по времени________________________________________________________ 13

в) дискретные сигналы___________________________________________________________ 13

4.5. Преобразование сигналов___________________________________________________ 14

4.6. Организация компьютеризированного сбора данных__________________________ 14

4. Компьютеризированный сбор данных

4.1. Введение

История методов сбора и регистрации данных:

- регистрация человеком;

- механические регистраторы;

- электронные регистраторы;

- автоматизированные регистраторы данных (dataloggers);

- комп’ютеризированные системы сбора и анализа данных.

4.2. Общая схема сбора данных

4.2.1. Диаграмма организации сбора данных

Рис 4.1. Диаграмма организации сбора данных

4.2.2.Объекты мониторинга

Объектом мониторинга может быть:

- физический объект;

- процесс.

Каждый объект определенным образом взаимодействует со внешней средой, например, излучая. Известно четыре фундаментальных поля, но с практической точки зрения удобно вводить дополнительные поля, нефундаментальные, которые являются либо ограниченной частью либо комбинацией фундаментальных излучений. Имеется множество различных излучений (нефундаментальных), которые необходимо на практике контролировать, например:

- тепловое излучение: электромагнитное излучение ИК-диапазона;

- видимый свет: электромагнитное излучение диапазона ≈380-750 нм;

- ультрафиолетовое излучение: электромагнитное излучение выше видимого диапазона;

- акустические излучения: механические колебания молекул, например, воздуха;

- различные виды радиационного излучения (α, β, γ – излучения).

Кроме параметров излучения на практике часто необходимо измерять различные физические и химические величины:

- давление;

- влажность: удельное содержание паров воды в воздухе;

- температура: кинетическая энергия движений молекул объекта;

- удельное содержание различных примесей (загрязнителей);

- перемещение, скорость, ускорение движения и геометрические размеры объекта;

- кислотность почвы;

- и т.д.

4.3. Датчики

4.3.1. Физические эффекты

В основе действия любого датчика лежит физический эффект – преобразование значения/изменения одной физической величины в определенные значения/изменения другой физической величины.

В следующей таблице приведены известные физические эффекты:

Таблица 4.1. Физические эффекты

Эффект, явление, свойство	Физическая сущность преобразования
Теплопроводность (тепловая энергия ® изменение физических свойств)	Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область с более низкой температурой
Тепловое излучение (тепловая энергия ® инфракрасные лучи)	Оптическое излучение при повышении температуры физического объекта
Эффект Зеебека(температура ® электричество)	Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев
Пироэлектрический эффект (температура ® электричество)	Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры
Термоэлектронный эффект (тепловая энергия ® электроны)	Испускание электронов при нагревании металла в вакууме
Электротермический эффект Пельтье (электричество ® тепловая энергия)	Поглощение или генерация тепловой энергии при электрическом токе в цепи с биметаллическими соединениями
Электротермический эффект Томсона (температура и электричество ® тепловая энергия)	Генерация или поглощение тепловой энергии в электрической цепи из однородного материала при разных температурах участков цепи
Фотогальванический эффект (свет ® электричество)	Появление свободных электронов и положительных дырок (возникновение ЭДС) в облучаемом светом p-n-переходе
Эффект фотопроводимости (свет ® электрическое сопротивление)	Изменение электрического сопротивления полупроводника при его облучении светом
Эффект Зеемана (свет, магнетизм ® спектр)	Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле
Эффект Рамана или комбинационное рассеяние света (свет ®свет)	Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического
Эффект Поккельса (свет и электричество ® свет)	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пъезокристалл с приложенным к нему электрическим напряжением в перпендикулярном лучу направлении.
Эффект Керра (свет и электричество ® свет)	Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотропном веществе с приложенным к нему электрическим напряжением в перпендикулярном к лучу направлении.
Эффект, Фарадея (свет и магнетизм ® свет)	Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитное вещество
Эффект Холла (магнетизм и электричество ® электричество)	Возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электрического тока и приложении магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока.
Магнитосопротивление (магнетизм и электричество ® электрическое сопротивление)	Увеличение электрического сопротивления твердого тела в магнитном поле.
Магнитострикция (магнетизм ® деформация)	Деформация ферромагнитного тела, помещенного в магнитное поле.
Пьезоэлектрический эффект (давление ® электричество)	Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением.
Эффект Доплера (звук, свет ® частота)	Изменение частоты при взаимном перемещении объектов по сравнению с частотой, когда эти объекты неподвижны.

4.3.2. Способы измерения (прямые и косвенные)

По способу измерения различают датчики:

- прямого

- косвенного

преобразования.

Для датчиков технической системы в связи с обработкой их сигналов на микро-ЭВМ обязательно требуется преобразование сигналов в электрические. Однако среди датчиков далеко не все построены на основе прямого преобразования того или иного явления в электрические сигналы. Во многих датчиках необходимы еще дополнительные преобразования. Датчики подобного типа называются косвенными в отличие от прямых, или непосредственных, где электрические сигналы формируются без промежуточных преобразований (рис. 4.2). Возьмем, например, оптический датчик. Это фотоэлектрический элемент на основе CdS. В зависимости от освещенности изменяется электрическое сопротивление между выводами элемента (рис. 4.3). Другим примером датчика прямого типа служит терморезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры.

Рис. 4.2. Принцип работы датчиков с прямым (а) и косвенным (б) преобразователем

В датчиках косвенного типа явление, обусловленное непосредственным взаимодействием с внешней средой, преобразуется в другое явление (или ряд других), а последнее — в электрический сигнал. Примером такого типа может быть датчик массы на основе измерения деформации. В нем осуществляется следующая цепочка преобразований: масса ® механическое смещение ® изменение электрического сопротивления, в результате которых получается электрический сигнал. Еще одним примером датчика косвенного типа может служить датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Здесь осаждение инея вызывает изменение освещенности, которое, в свою очередь, преобразуется в выходной электрический сигнал.

По принципу действия датчики укрупненно делятся на физические и химические. Первые построены на основе физических, вторые—на основе химических явлений. Но, строго говоря, имеются датчики, которые нельзя четко отнести к тому или иному типу. Практически подавляющее большинство современных датчиков работает на основе физических принципов. Для химических датчиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надежностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью. В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодолеваются, и в будущем химические датчики найдут широкое применение, особенно как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в тело.