Основные определения 

Основные определения

Физическая величина (ФВ)- какое либо из свойств материилюбого вида и любой степени ее обработки (например: температура, масса, размер,давление (газа или жидкости)). Значение физической величины - количественнаямера ФВ в соответствующих единицах (например: 15 град.С, 3.454 м, 45.0 КПа).

Внешние воздействия (измеряемая величина) - количественная характеристика объекта, его свойство иликачество, которые необходимовоспринять и преобразовать в электрический сигнал.

Чувствительный элемент (первичныйпреобразователь) – элемент прямого (физического) преобразованиянеэлектрической ФВ в электрический сигнал (например: рабочий спай термопары, терморезистор,термистор).

Датчик устройство, воспринимающеесигналы и внешние воздействия и реагирующее на них, т.е. это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) вэлектрический сигнал.

Датчик– измерительное устройство, обеспечивающеепреобразование значения ФВ в однозначно соответствующие этому значениюхарактеристики электрического сигнала или информационный сигнал (например:термоэлектронный, давления, расхода).

Общее назначение датчиков - реакция наопределенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал,совместимый с измерительнымисхемами или информационные сигналы.

Любой датчик - преобразовательэнергии. Вне зависимости от типа измеряемойвеличины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика - это особый случайпередачи информации, а любая передачаинформации связана с передачей энергии.

Преобразователь – часть датчика, конвертирующая одинтип энергии в другой.

Классификация датчиков по группам:

  1. прямого действия - преобразуют внешнее воздействиенепосредственно в электрический сигнал, используя соответствующее физическое явление
  2. составные - включают несколькопреобразователей энергии.

Естественный сигнал - сигнал активного первичного преобразователяили изменение характеристик измеряемого сигнала в цепи первичного пассивногопреобразователя.

Унифицированный сигналпропорциональное значению ФВ значение определенного вида (ток, напряжение)выходного сигнала преобразователя, в определенным диапазоне его возможных изменений(например: ток в диапазоне 4-20мА, напряжение в диапазоне ±5В или 0-10В).

Формат выходного сигнала – набор его характеристик:

  1. напряжение, ток или заряд,
  2. значение, амплитуда, частота, фаза или цифровой код.

Каждый датчик характеризуется наборами:

  1. входных параметров (любой физическойприроды),
  2. выходных электрических параметров.

Чувствительный элемент (для датчика прямогодействия) – первичныйпреобразователь обеспечивающий преобразование внешнего воздействия вэлектрический сигнал.В качестве чувствительного элемента выбирается элемент илиустройство, обладающее следующими свойствами:

  1. высокая линейность преобразования измеряемой ФВв максимально широком диапазоне ее изменения,
  2. воспроизводимость результата в одинаковыхусловиях измерения,
  3. высокая стабильность преобразования:
  4. минимальнаязависимость преобразования от значений ФВ и окружающей среды,
  5. незначительнаяскорость деградации физических свойств элемента,
  6. простота конструктивной и технологической защитыэлемента от неблагоприятных воздействий измеряемой ФВ и окружающей среды,
  7. высокая технологичность (дешевизна)изготовления.

В состав датчика входит один или несколькопреобразователей. Например,в состав химического датчикамогут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химическихреакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал.


e1, е2,...- различные виды энергии.

Составной датчик -датчик содержащий несколько преобразователей.

Датчик прямого действия - построен на физическом явлении,позволяющем проводить непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрическиесигналы. Например фотоэффекти эффект Зеебека.

Как правило датчики входят в состав измерительных систем, часто довольнобольших и объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальныхпроцессоров, запоминающих устройств и приводов.

Рис.Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в системе сбора данных

1 –бесконтактный,
2 и 3 - пассивные,
4 - активный,
5 - внутренний элемент системы сбора данных.

Датчик 5служит для контроля заусловиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 из-за несоответствия форматов выходных сигналовподключаются через специальные интерфейсные устройства - преобразователисигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются пассивными: для формирования выходных сигналов им не требуется дополнительнаяэлектрическая энергия. Датчик 4 – активный: для его работы необходим вспомогательный сигнал, получаемый от схемы возбуждения (датчикмодулирует этот сигнал всоответствии с изменением измеряемого параметра, например температурно-чувствительный резистор– термистор). Измерительный комплекс может включать в себя либо один датчик(домашний термостат), либо несколько тысяч (космический корабль).

Электрическиесигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор - переключатель. Аналоговыевыходные сигналы датчиков поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП),цифровые - непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу мультиплексора и АЦП, а также посылаетуправляющие сигналы на привод, воздействующий непосредственно на объект.

В качестве приводов могут использоваться электрические моторы, соленоиды, релеи пневматические клапаны. В состав измерительной системы также входятпериферийные устройства (накопители данных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) идругие компоненты. (фильтры,схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи).

Привод - устройство, противоположноедатчику, преобразующееэлектрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Напримерэлектрический двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую.