Типы преобразователей
Датчики: определение, функции и классификация
Датчик — это электронное устройство, которое играет ключевую роль в преобразовании физических величин в электрические сигналы. Он выполняет две основные функции: обнаружение и преобразование. Сначала он обнаруживает интересующую физическую величину, такую как температура, давление или перемещение. Затем он преобразует эту физическую величину либо в механическую работу, либо, что более распространено, в электрический сигнал, который можно легко измерить, обработать и проанализировать.
Датчики бывают различных типов и могут быть классифицированы по нескольким различным критериям:
По механизму преобразования: Эта классификация сосредоточена на конкретных физических или химических процессах, с помощью которых датчик преобразует входную физическую величину в электрический выход. Различные механизмы преобразования адаптированы для различных типов измерений и применений, обеспечивая точное и надежное обнаружение широкого спектра физических явлений.
Как первичные и вторичные датчики: Первичный датчик напрямую преобразует измеряемую физическую величину в электрический сигнал. В отличие от этого, вторичный датчик работает совместно с первичным датчиком, дополнительно модифицируя или обрабатывая электрический сигнал, генерируемый первичным устройством, чтобы повысить его пригодность или точность.
Как пассивные и активные датчики: Пассивные датчики зависят от внешнего источника питания для работы и производят выходной сигнал, который является функцией входной физической величины и применяемой мощности. Активные датчики, с другой стороны, содержат собственный источник питания и могут генерировать выходной сигнал без необходимости в внешнем источнике питания, часто предоставляя большую чувствительность и силу сигнала.
Как аналоговые и цифровые датчики: Аналоговые датчики производят выходной сигнал, который непрерывно изменяется в зависимости от входной физической величины, обычно в виде напряжения или тока. Цифровые датчики, напротив, преобразуют входную величину в дискретный цифровой сигнал, который легче обрабатывать, хранить и передавать с использованием современной цифровой электроники и вычислительных систем.
Как датчики и обратные датчики: Стандартный датчик преобразует физическую величину в электрический сигнал. Обратный датчик, напротив, принимает электрический сигнал на входе и преобразует его обратно в физическую величину, фактически обращая процесс традиционного датчика. Этот концепт полезен в приложениях, где требуется электрическое управление для генерации определенного физического ответа.
В работе датчик получает измеряемую величину — физическую величину, подлежащую измерению, — и производит выходной сигнал, пропорциональный величине входного сигнала. Этот выходной сигнал затем передается устройству обработки сигнала. Здесь сигнал проходит через серию процессов, включая ослабление (регулировка амплитуды сигнала), фильтрацию (удаление нежелательных шумов или частот) и модуляцию (кодирование сигнала для лучшей передачи или обработки). Эти шаги обеспечивают, чтобы окончательный сигнал был в оптимальной форме для последующего анализа, отображения или операций управления.
Входная величина датчика обычно является неэлектрической, тогда как выходной электрический сигнал может быть представлен в виде тока, напряжения или частоты.
1. Классификация по принципу преобразования
Датчики можно классифицировать по среде преобразования, которую они используют. Среда преобразования может быть резистивной, индуктивной или емкостной. Эта классификация определяется процессом преобразования, через который входной датчик преобразует входной сигнал в сопротивление, индуктивность или емкость соответственно. Каждый тип среды преобразования имеет свои уникальные характеристики и подходит для различных измерительных приложений, обеспечивая точное преобразование различных физических величин в электрические сигналы.
2. Первичные и вторичные датчики
Первичный датчик
Датчик часто состоит из механических и электрических компонентов. Механическая часть датчика отвечает за преобразование физических входных величин в механический сигнал. Этот механический компонент называется первичным датчиком. Он действует как начальный элемент обнаружения, напрямую взаимодействуя с измеряемой физической величиной, такой как давление, температура или перемещение, и преобразуя ее в механическую форму, которая может быть дальнейшим образом обработана.Вторичный датчик
Вторичный датчик принимает механический сигнал, генерируемый первичным датчиком, и преобразует его в электрический сигнал. Магнитуда выходного электрического сигнала напрямую связана с характеристиками входного механического сигнала. Таким образом, вторичный датчик мост между механической и электрической областями, делая возможным измерение и анализ исходной физической величины с использованием электрических методов измерения и обработки.
Пример первичного и вторичного датчиков
Возьмем, например, трубку Бурдона, показанную на рисунке ниже. Трубка Бурдона выполняет функцию первичного датчика. Она предназначена для обнаружения давления и преобразования его в перемещение на свободном конце. Когда давление применяется к трубке, ее форма деформируется, вызывая движение свободного конца. Это перемещение затем служит входом для следующего этапа системы.
Движение свободного конца трубки Бурдона вызывает смещение сердечника линейного переменного датчика перемещения (LVDT). Когда сердечник движется внутри LVDT, он индуцирует выходное напряжение. Это индуцированное напряжение прямо пропорционально перемещению свободного конца трубки, а следовательно, и к исходному давлению, примененному к трубке Бурдона.
В случае системы трубка Бурдона - LVDT происходит два различных процесса преобразования. Сначала первичное преобразование происходит, когда трубка Бурдона преобразует давление в перемещение. Затем вторичное преобразование происходит, когда LVDT преобразует это перемещение в электрический сигнал напряжения. Этот пример четко демонстрирует, как первичные и вторичные датчики работают вместе, чтобы точно измерять и преобразовывать физическую величину в электрический выход для дальнейшего анализа и использования.
Трубка Бурдона служит первичным датчиком, в то время как L.V.D.T. (линейный переменный датчик перемещения) функционирует как вторичный датчик.
3. Пассивные и активные датчики
Датчики также можно классифицировать на активные и пассивные, каждый с уникальными эксплуатационными характеристиками.
Пассивные датчики
Пассивный датчик — это тот, который зависит от внешнего источника питания для работы, поэтому его также называют внешним питаемым датчиком. Емкостные, резистивные и индуктивные датчики являются типичными примерами пассивных датчиков. Эти датчики работают, изменяя электрическую характеристику (например, сопротивление, емкость или индуктивность) в ответ на входную физическую величину. Однако они не генерируют собственную электроэнергию; вместо этого они требуют внешнего источника питания для производства измеряемого выходного сигнала, который отражает изменение измеряемой физической величины.
Активные датчики
В отличие от этого, активный датчик не требует внешнего источника питания для работы. Эти датчики являются само-генерирующими, то есть они могут производить собственное напряжение или токовый выход. Выходной сигнал активного датчика напрямую получен из входной физической величины. Активные датчики способны преобразовывать различные физические явления, такие как скорость, температура, сила и интенсивность света, в электрические сигналы без использования внешнего источника питания. Примеры активных датчиков включают пьезоэлектрические кристаллы, фотоэлементы, тахогенераторы и термопары.
Пример: Пьезоэлектрический кристалл
Чтобы проиллюстрировать работу активного датчика, рассмотрим пьезоэлектрический кристалл. Пьезоэлектрический кристалл обычно зажимается между двумя металлическими электродами, и вся сборка надежно закрепляется на базе. Затем масса помещается сверху на этот зажатый структурный элемент.
Пьезоэлектрические кристаллы обладают уникальным свойством: когда на них воздействует сила, они генерируют электрическое напряжение. В описанной конструкции база может испытывать ускорение, что вызывает воздействие силы на кристалл. Эта сила, в свою очередь, индуцирует выходное напряжение на кристалле. Магнитуда этого выходного напряжения прямо пропорциональна ускорению, испытанному базой, эффективно преобразуя механическое ускорение в электрический сигнал. Этот пример четко демонстрирует, как активные датчики могут самостоятельно генерировать электрические выходы на основе физических входов, подчеркивая их уникальную функциональность по сравнению с пассивными датчиками.
Упомянутый выше датчик известен как акселерометр, который предназначен для преобразования ускорения в электрическое напряжение. Заметим, что этот тип датчика работает без необходимости в любом вспомогательном источнике питания во время преобразования физической величины в электрический сигнал, демонстрируя его самодостаточность в генерации сигнала.
4. Аналоговые и цифровые датчики
Датчики также можно классифицировать по природе их выходных сигналов, которые могут быть либо непрерывными, либо дискретными.
Аналоговые датчики
Аналоговый датчик преобразует входную величину в непрерывную функцию. Это означает, что выходной сигнал изменяется плавно и непрерывно в ответ на изменения входа. Примеры аналоговых датчиков включают тензодатчики, линейные переменные датчики перемещения (LVDT), термопары и термисторы. Эти устройства широко используются в различных приложениях, где требуется пропорциональное и непрерывное представление измеряемой физической величины, таких как в системах точного измерения и промышленного процесса управления.
Цифровые датчики
Цифровые датчики, с другой стороны, преобразуют входную величину в цифровой сигнал, обычно в виде импульсов. Цифровые сигналы работают на основе двоичных состояний, представляя информацию как "высокий" или "низкий" уровень мощности. Этот формат цифрового выхода предлагает несколько преимуществ, включая повышенную устойчивость к шуму, более простую интеграцию с цифровыми электроникой и вычислительными системами, а также более простую обработку и хранение данных. Цифровые датчики все больше используются в современных измерительных и управляющих системах благодаря распространенности цифровых технологий.
5. Датчики и обратные датчики
Датчики
Датчик определяется как устройство, которое преобразует неэлектрические величины в электрические величины. Этот процесс преобразования позволяет измерять, контролировать и управлять различными физическими явлениями, такими как температура, давление, перемещение и сила, с использованием электрических методов измерения и обработки. Датчики играют ключевую роль в широком диапазоне приложений, от промышленной автоматизации до научных исследований и потребительской электроники.
Обратные датчики
Обратные датчики выполняют противоположную функцию традиционных датчиков. Они преобразуют электрические величины обратно в физические величины. Эти датчики обычно имеют высокий электрический вход и соответствующий низкий неэлектрический выход. Обратные датчики используются в приложениях, где электрические сигналы необходимо перевести в физические действия или реакции, такие как в некоторых типах актуаторов и систем управления. Концепция обратных датчиков предоставляет средства для замыкания цикла между электрическим управлением и физической операцией, облегчая более сложное и точное управление механическими и физическими системами.
