Датчик как называется: Лекция № 8-5 Генераторные датчики

Лекция № 8-5 Генераторные датчики

Генераторные датчики – это такие преобразователи, которые при изменении конролируемого или регулируемого измеряемого сигнала генерируют на выходе напряжение или ток.

 

Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.

Типы этих датчиков называются так же, как и явления, на которых они основаны:

• Пьезоэлектрические — пьезоэлектрический эффект.
• Термоэлектрические — термоэлектрический эффект.
• Индукционные — электромагнитная индукция.
• Фотоэлектрические – фотоэффект.
• Гальванические — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

 

  Генераторные датчики

 осуществляют непосредственное преобразование входной величины X в электрический сигнал. Такие датчики преобразуют энергию источника входной (измеряемой) величины сразу в электрический сигнал, т.е. они являются как бы генераторами электроэнергии (откуда и название таких датчиков — они генерируют электрический сигнал). Дополнительные источники электроэнергии для работы таких датчиков принципиально не требуются (тем не менее дополнительная электроэнергия может потребоваться для усиления выходного сигнала датчика, его преобразования в другие виды сигналов и других целей). 

 

Пьезоэлектрические датчики 

     В этих датчиках используется пьезоэлектрический эффект , который заключается в том, что некоторые материалы под действием на них силы электризуются: на их поверхности появляется электрический заряд, величина которого зависит от приложенной силы.

   Это означает, что материал, обладающий пьезоэффектом, выполняет преобразование силы в электрический заряд.

    Природным материалом, который обладает пьезоэффектом, является кварц или горный хрусталь. .

  Заряд, возникающий вследствие пьезоэффекта, линейно зависит от приложенной силы:

,

где  — коэффициент пьезочувствительности материала.

 Пьезоэффект может быть продольным, когда заряд возникает на поверхностях, к которым приложена сила, или поперечным, когда заряд возникает на боковых поверхностях. Материал при этом практически не деформируется.

На рис. 67 представлены схемы, иллюстрирующие продольный (рис. 67 а) и поперечный (рис. 67 б, в) пьезоэффекты, и обозначены знаки возникающих зарядов. Для эффективного использования поперечного пьезоэффекта две пластины пьезоматериалов соединяют параллельно (рис. 67 б), прокладывают между ними проводящую прокладку и закрепляют их, как консольную балку. Образующийся заряд возникает на зажимах, как показано на рисунке. При действии силы 

F верхняя пластина растягивается, а нижняя сжимается, и заряд возникает на боковых относительно действующих напряжений сторонах пластин. В такой конструкции чувствительность преобразования F ® q существенно выше.  К достоинствам кристалла кварца применительно к созданию датчиков силы и других величин относится его стойкость к высокой температуре (пьезоэффект утрачивается после точки Кюри при t° = 530°C) и высокая точность и стабильность преобразования.

Рис.2-Принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей

 На рис.2 показаны различные принципиальные схемы пьезоэлектрических преобразователей, использующихся в схемах измерений механических параметров.

На рис.2,а изображен преобразователь, в котором используется 

прямой пьезоэлектрический эффект. Такие преобразователи применяются в приборах для измерения силы, давления и ускорения. На рис.2,б изображен преобразователь, в котором используется обратный пьезоэлектрический эффект.

 Датчик ускорения.На рис.3 представлено схематическое устройство датчика на основе двухслойной пьезокерамики (биморфный упругий элемент). Инерционная масса датчика под действием ускорения вызывает изгибную деформацию, обеспечивающую достаточный по уровню для обработки динамический сигнал.

 

а)                                                б)

Рис. 3

На рис.3,а показано состояние датчика в режиме покоя или равномерного движения. На рис.3,б пластина изгибается, на ее гранях появляется разноименный заряд, определяющий величину разности потенциалов. Такие датчики используются в пусковых устройствах подушек безопасности автомобилей, натяжителях ремней безопасности, устройствах, препятствующих опрокидыванию автомобилей. Предельная частота измерений таким датчиком около 10 Гц.

Датчик детонации (рис.4).В качестве таковых также используются датчики ускорения, в основе которых лежит продольный пьезоэффект. Датчик детонации прикрепляется к блоку цилиндров с помощью посадочной втулки в таком месте, чтобы обеспечить оптимальное определение детонации во всех цилиндрах двигателя. Место установки датчика определяется экспериментально на этапе конструкторской разработки двигателя.

Рис. 4

 Колебания блока цилиндров двигателя при детонации передаются к кольцевому пьезокерамическому элементу, расположенному между двумя металлическими контактами. Инерционная масса в датчике служит для усиления эффекта восприятия вибрационных колебаний. Сигнал с датчика сначала фильтруется и преобразуется в электронном блоке, а затем амплитуда огибающей функции сравнивается с допустимым уровнем для сигнала детонации. При превышении заданного уровня детонации автоматический регулятор зажигания корректирует угол опережения зажигания в нужную сторону. Для увеличения прочности датчика его заливают компаундом.

  Датчики на основе пьезоэлементов простой геометрической формы (прямоугольная пластинка или круглый диск) могут работать в диапазоне частот до десятков килогерц, измерять ускорения от десятых долей до сотен значений ускорений свободного падения.

 

 Термоэлектрические датчики

       Их работа основана на термоэфекте — появлении термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС).

    Сущность этого явления заключается в следующем.

   Если соста­вить электрическую цепь из двух разнородных металлических про­водников (или полупроводников), причем с одного конца проводни­ки спаять, а место соединения (спай) нагреть, то в такой цепи воз­никает ЭДС. Эта ЭДС будет пропорциональна температуре места спая (точнее — разности температур места спая и свободных, не­спаянных концов).

 

    Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников и в определенном интервале температуры остается постоянным.

    Цепь, составленная из двух разнородных ма­териалов, называется термопарой; проводники, составляющие термопару, называются термоэлектродами; места соединения тер­моэлектродов —спаями.

    Спай, помещаемый в среду, температуру которой надо измерить, называется горячим или рабочим. Спай, от носительно которого измеряется температура, называется холодным или свободным. Возникающая при различии температур горячего и холодного спаев ЭДС называется термоЭДС.

По значению этой термоЭДС можно определить температуру. Физическая сущность возникновения термоЭДС объясняется наличием свободных электронов в металлах. Эти свободные элек­троны хаотически движутся между положительными ионами, обра­зующими остов   кристаллической     решетки.   В разных   металлах свободные электроны облада­ют при одной и той же темпе­ратуре разными скоростью и энергией. При соединении двух разнородных металлов (элект­родов) свободные металлы из одного электрода проникают в другой. При этом металл с большей энергией и скоростью свободных электронов больше их теряет. Следовательно, он приобретает положительный потенциал. Металл с меньшей энергией   свободных   электронов приобретает отрицательный потенциал. Возникает контактная разность потенциалов. При одинаковой температуре спаев (01=  02 на рис. 10.1, а) контактная разность потенциалов не может создать тока в замкнутой цепи. Контактная разность в спае / направлена навстречу контактной разности в спае 2. Но если на­греть один из спаев (рабочий) до температуры 01>02, то контакт­ная разность в спае 1 увеличится, а в спае 2 останется без изме­нения. В результате в контуре и возникает термоЭДС, тем боль­шая чем больше разность температур спаев 1 и 2 (0,—82). Для измерения термоЭДС, вырабатываемой термопарой, в цепь  термопары включают измерительный прибор (например, милли­вольтметр).

 

 

Индукционные датчики 

преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчи­ков основан на законе электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его. 

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

  

 К этим датчикам относятся тахогенераторы постоянного и переменного то­ка, представляющие собой небольшие электромашинные генерато­ры, у которых выходное напряжение пропорционально угловой ско­рости вращения вала генератора. Тахогенераторы используются как датчики угловой скорости.

   

Тахогенератор представляет собой электрическую машину, работающую в генераторном режиме.

 

 При этом вырабатываемая ЭДС пропорциональна скорости вращения и величине магнитного потока. Кроме того, с изменением скорости вращения изменяется частота ЭДС. Применяются как датчики скорости (частоты вращения).  

Общие характеристики датчиков | RuAut

Выполняющий измерительное преобразование датчик работает в реальных производственных условиях эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, связанных с высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно воздействует большое число параметров. Среди этих параметров только один является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внешние параметры, характеризующие производственную среду. Эти внешние параметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величину, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной величины. При построении датчиков используются различные физические принципы, которые в значительной степени определяют области рационального применения того или иного датчика.

Параметрический датчик изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому-либо внешнему источнику энергии.

Генераторный датчик сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии.

В качестве примеров датчиков такого рода можно назвать различные пьезоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчики скорости вращения. К параметрическим датчикам относятся:

• резистивные;
• индуктивные;
• трансформаторные;
• емкостные.

К генераторным датчикам относятся:

• термоэлектрические;
• индукционные;
• пьезоэлектрические;
• фотоэлектрические.

Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины.

Функция преобразования датчика — это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей.

Чувствительность датчика — это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя — обороты в секунду на 1 вольт и т.д.

Разрешающая способность преобразования — это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем.

Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины.

Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений.

Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину.

Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения. В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется. Входной величиной в таком случае может быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр. Различают статическую и динамическую характеристики датчика. Под статической характеристикой датчика понимают зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин. Под динамической характеристикой датчика понимают поведение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной величины. Если в статической характеристике датчика строится зависимость только между значением выходной величины Y в ответ на

зменение входной величины X, то в динамической характеристике датчика участвует параметр времени t и такая характеристика представляет собой зависимость вида Y= Y(t). Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов, т.е. при t стремящимся к бесконечности. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой. Различные виды статических характеристик измерительных датчиков с пропорциональным выходом приведены на рисунке.

На рисунке «а» приведена идеализированная статическая характеристика такого датчика. Нулевому значению входной величины в этом случае соответствует нулевое значение величины на выходе. 

На рисунке «б» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности. У такого датчика изменение входной величины до значения ΔX, называемого порогом чувствительности, не ведет к появлению какого-либо сигнала на выходе. Лишь после того как окажется, что X> ΔХ, выходная величина будет расти, начиная от нуля, пропорционально изменению входной величины.

На рисунке «в» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности и насыщением выхода. У такого датчика, после достижения порога чувствительности выходная величина растет пропорционально росту входной величины, но до некоторого предельного значения ΔY, которое называется значением насыщения выходной величины. После того как окажется, что Y> ΔY, дальнейший рост входной величины X не приводит ни к какому росту У. 

Наконец, на рисунке «г» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности на входе, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерезисом называется различие между характером соответствия выходной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины. Практически это выражается в том, что значение выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность датчика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной величины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом случае говорят о положительном гистерезисе, а во втором — об отрицательном. Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на выходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной петли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса настолько велика, что тарировочная кривая датчика заходит в область отрицательных значений входной величины, то это означает, что Y= 0 при X < 0, а при X =0 имеет место Y> 0. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе остается ненулевое значение и после того, как на его входе установится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными словами, наблюдая за состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «памятью». Однако в реальной жизни практически не существует датчиков с идеализированной пропорциональной (линейной) зависимостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единичное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины. Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существенным изменениям выходной величины, а в конце изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. 

В ряде случаев для удобства дальнейшего анализа фактическая нелинейная статическая характеристика датчика в определенных пределах измерения и с определенным влиянием на показания этого датчика может быть приближенно заменена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации. В ряде случаев нелинейный характер статической характеристики датчика не является вредным, а может быть эффективно использован для различных задач автоматизации. Примером такого рода, широко используемым в различных устройствах автоматизации, является датчик со статической характеристикой релейного типа. При возрастании входной величины, до того как она достигнет порога срабатывания, на выходе датчика будет наблюдаться нулевое значение выходной величины, а как только входная величина достигнет порога срабатывания, выходная величина сразу же («щелчком») достигнет своей максимальной величины и при дальнейшем возрастании входной величины возрастать больше не будет. Примером такого рода может служить так называемое двухпозиционное регулирование температуры в обычном домашнем холодильнике. Как только температура внутри холодильника достигнет заданной величины, датчик температуры, называемый термостататом и обладающий релейной характеристикой, включит электромотор, прокачивающий хладоагент (фреон). При понижении температуры электромотор отключается и температура внутри холодильника перестает понижаться. Ранее рассматривались статические характеристики таких датчиков, у которых входная величина, возрастая и убывая, оставалась тем не менее большей нуля. Как правило, это и имеет фактически место при изменениях параметров технологических процессов производства деталей машиностроения. Например, это характерно при измерении перемещений рабочих органов станков, давления в гидросистемах или температуры в закалочных печах. Однако в ряде случаев, например при измерении фактических отклонений размера детали от номинала, возможно отклонение измеряемой величины как в положительную, так и в отрицательную сторону. Выходная величина при этом может оказываться пропорциональной модулю изменения входной величины (или же зависящей от него нелинейно) как без гистерезиса, так и с гистерезисом. 

Обычно для сравнения при равных условиях динамических характеристик различных датчиков считают, что на их входы поступают воздействия одного и того же вида, а именно: ступенчатые. Это означает мгновенный «наброс» входной величины. Практически это соответствует, например, включению напряжения на электродвигатель либо помещению термопары в закалочную печь и т. д. Двигатель будет набирать обороты не мгновенно, а в соответствии с динамическими свойствами привода, в который он включен. Показания термопары также начнут отражать температуру в печи не мгновенно, а по мере разогрева спая этой термопары и т.д. Для динамических характеристик датчиков характерны три случая. Первый случай соответствует чистому запаздыванию в датчике, когда его выходная величина просто повторяет (в определенном масштабе) входную величину, запаздывая по отношению к ней на постоянную величину. Второй случай соответствует апериодическому характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению монотонным образом (монотонно убывая или же монотонно возрастая). Третий случай соответствует колебательному характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению, совершая за время переходного процесса одно или несколько колебаний, превышая на время новое значение выходной величины, а затем возвращаясь к нему. Динамические процессы в датчиках характеризуются показателями качества переходного процесса. К их числу относятся:

• время завершения переходного процесса;
• величина превышения в течение переходного процесса выходного параметра над его новым установившимся значением;
• число колебаний выходной величины за время завершения переходного процесса.

Используется также интегральный показатель качества переходного процесса, обычно представляющий собой подынтегральную площадь кривой переходного процесса. Для датчиков производственных параметров важными характеристиками являются также диапазон измерений, представляющий собой разность между допустимыми максимальным и минимальным установившимися значениями измеряемой величины, а также полоса пропускания, представляющая собой разность между максимальной и минимальной частотами изменения входной величины, для работы с которыми предназначен данный датчик. Что касается погрешностей измерений производственных параметров, неизбежно возникающих в любых практических системах автоматизации, то их принято классифицировать следующим образом:

• систематические;
• прогрессирующие;
• случайные;
• погрешности применения.

Источник: Шандров Б.В. Чудаков А.Д. Технические средства автоматизации

обзор, принцип действия, назначение. Сенсорный выключатель :: SYL.ru

Нередко в электронике находит свое применение такой радиоэлемент, как геркон. Его особенность состоит в способности замыкания контактов при облучении магнитным полем. Что это означает? Взяв простой магнит или разместив недалеко от геркона электромагнит, можно легко производить замыкание и размыкание контактов этого радиоэлемента. По своей сути он и является своеобразным бесконтактным датчиком.

Определение понятия

Что же такое бесконтактный датчик? Под ним понимают такой электронный прибор, который регистрирует присутствие определенного объекта в зоне своего действия и срабатывает без каких-либо механических или любых других воздействий.

Бесконтактные датчики применяются в самых различных сферах. Это создание бытовых приборов и системы охраны объектов, промышленные технологии и автомобилестроение. Кстати, в народе данный элемент называют «бесконтактным выключателем».

Преимущества

Среди основных достоинств бесконтактных датчиков выделяют их:

— компактные размеры;

— высокую степень герметичности;

— долговечность и надежность;

— небольшой вес;

— разнообразие вариантов установки;

— отсутствие контакта с объектом и обратного воздействия.

Классификация

Существуют различные типы бесконтактных датчиков. Они классифицируются по принципу действия и бывают:

— емкостными;

— оптическими;

— индуктивными;

— ультразвуковыми;

— магниточувствительными;

— пирометрическими.

Рассмотрим каждый из этих видов приборов отдельно.

Емкостные датчики

В основе этих приборов находится измерение электроконденсаторов. В их диэлектрике и находится тот объект, который подлежит регистрации. Назначение бесконтактных датчиков такого типа заключается в работе со множеством приложений. Это, например, распознавание жестов. Емкостными выпускают автомобильные датчики дождя. Такие приборы дистанционно измеряют уровень жидкости в процессе обработки различных материалов и т. д.

Емкостной бесконтактный датчик представляет собой аналоговую систему, работающую на расстоянии до семидесяти сантиметров. В отличие от других типов подобных приборов, он обладает большей точностью и чувствительностью. Ведь изменение в нем емкости происходит всего лишь в несколько пикофарад.

Схема бесконтактного датчика данного типа включает в себя пластины, состоящие из проводящей печатной платы, а также зарядку. В этом случае происходит формирование конденсатора. Причем это будет происходить в любое время либо в проводящем заземленном элементе, либо в каком-то объекте, диэлектрическая проницаемость которого отлична от воздуха. Такой прибор сработает и в случае появления в зоне действия устройства человека или части его тела, которая будет аналогична потенциалу земли. По мере приближения, например, пальца, изменится емкость конденсатора. И даже учитывая то, что система является нелинейной, обнаружить возникший в просматриваемых границах посторонний объект для нее не составит никакого труда.

Схема подключения такого бесконтактного датчика может быть усложнена. В устройстве могут быть задействованы сразу несколько независимых друг от друга элементов в направлениях влево/вправо, а также вниз/вверх. Это позволит расширить возможности прибора.

Оптические датчики

Такие бесконтактные выключатели на сегодняшний день находят свое широкое применение во многих отраслях человеческой деятельности, где работает оборудование, необходимое для обнаружения объектов. При подключении бесконтактного датчика используется кодирование. Это позволяет не допустить ложного срабатывания устройства при постороннем влиянии источников света. Работают подобные датчики и при низких температурах. В этих условиях на них надевают термокожухи.

Что представляют собой оптические бесконтрольные датчики? Это электронная схема, реагирующая на изменение того светового потока, который падает на приемник. Подобный принцип действия позволяет зафиксировать наличие или же отсутствие объекта в той или иной пространственной области.

В конструкции оптических бесконтактных датчиков имеется два основных блока. Один из них – источник излучения, а второй – приемник. Они могут находиться как в одном, так и в различных корпусах.

При рассмотрении принципа действия бесконтактного датчика можно выделить три типа оптических устройств:

1. Барьерный. Работа оптических выключателей такого типа (Т) осуществляется на прямом луче. При этом приборы состоят из двух отдельных частей – передатчика и приемника, располагающихся соосно друг относительно друга. Тот поток излучения, который испускается излучателем, должен быть направлен точно в приемник. При прерывании луча объектом выключатель срабатывает. Такие датчики имеют хорошую помехозащищенность. Кроме этого, им не страшны ни капли дождя, ни пыль и т. д.
2. Диффузный. Работа оптических выключателей типа D основана на использовании отраженного от объекта луча. Приемник и передатчик такого устройства располагают в одном корпусе. Излучателем направляется поток на объект. Луч, отражаясь от его поверхности, распределяется в различных направлениях. При этом часть потока возвращается назад, где и улавливается приемником. В результате выключатель срабатывает.
3. Рефлекторный. Такие оптические бесконтактные датчики относятся к типу R. В них используется луч, отраженный от рефлектора. Приемник и излучатель такого устройства также располагаются в одном корпусе. При попадании на рефлектор луч отражается, оказывается в зоне приемника, в результате чего и происходит срабатывание устройства. Такие приборы действуют при расстоянии до объекта не более 10 метров. Возможно, их применение для фиксации полупрозрачных предметов.

Индуктивные датчики

В основе работы данного прибора лежит принцип учета изменений индуктивности основных его составляющих – катушки и сердечника. Отсюда пошло и само название такого датчика.

Изменения индукции свидетельствуют о том, что в магнитном поле катушки появился металлический предмет, который изменил его и, соответственно, всю схему подключения, основная функция в которой возложена на компаратор. При этом происходит подача сигнала на реле и отключение электрического тока.

Исходя из этого можно говорить об основном предназначении такого прибора. Его используют для измерения перемещений части оборудования, которое должно быть отключено, если превышены пределы проходимости. Сами датчики имеют границы движения, варьируемые в пределах от одного микрона до двадцати миллиметров. В связи с этим такой прибор называют еще и индуктивным выключателем положения.

Обзор бесконтактных датчиков подобного типа позволяет выделить из них несколько разновидностей. Подобная классификация основана на различном количестве проводов подключения:

1. Двухпроводные. Такие индуктивные датчики подключают непосредственно в цепь. Это наиболее простой, но при этом достаточно капризный вариант. Он требует номинального сопротивления нагрузке. При снижении или увеличении данного показателя работа прибора становится некорректной.
2. Трехпроводные. Подобный вид индукционного датчика является самым распространенным. В таких схемах два провода следует подключить к напряжению, а один – непосредственно к нагрузке.
3. Четырех- и пятипроводные. В этих датчиках два провода подключают к нагрузке, а пятый используют для возможности выбора необходимого режима работы.

Ультразвуковые датчики

Эти устройства находят свое широкое применение в самых различных сферах производства, решая множество задач по автоматизации технологических циклов. Ультразвуковые бесконтактные датчики используются для определения местонахождения и удаленности различных объектов.

Например, они служат для обнаружения этикеток, причем даже и прозрачных, для измерения расстояния и осуществления контроля над передвижением объекта. С их помощью определяют уровень жидкости. Необходимость в этом возникает, например, для учета расхода топлива при выполнении транспортных работ. И это только некоторые из большого количества применений выключателей ультразвукового типа.

Такие датчики довольно компактны. Их отличает качественная конструкция и отсутствие различных подвижных деталей. Это оборудование не боится загрязнений, что достаточно актуально в условиях производств, а также почти не требует обслуживания.

В составе ультразвукового датчика находится пьезоэлектрический обогреватель, являющийся одновременно и излучателем, и приемником. Данная конструктивная деталь воспроизводит поток звуковых импульсов, принимая его и преобразуя полученный сигнал в напряжение. Далее оно подается на контроллер, который производит обработку данных и вычисляет то расстояние, на котором находится объект. Подобная технология называется эхолокационной.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой прибор может «увидеть» объект, и неважно, приближается ли тот к чувствительному элементу в осевом направлении или движется поперек звукового конуса.

В зависимости от принципа работы выделяют ультразвуковые датчики:

1. Положения. Такие устройства используют для исчисления временного промежутка, необходимого для прохождения звука от прибора к тому или иному объекту и назад. Бесконтактные ультразвуковые датчики положения применяют для контроля местоположения и наличия разнообразных механизмов, а также для их подсчета. Используются такие приборы и в качестве сигнализатора уровня различных жидкостей или сыпучих материалов.
2. Расстояния и перемещения. Принцип работы подобных приборов аналогичен тому, который используется в описанном выше устройстве. Разница имеется только в типе того сигнала, который присутствует на выходе. Он аналоговый, а не дискретный. Датчики подобного типа применяются для преобразования имеющихся показателей расстояния до объекта в определенные электрические сигналы.

Магниточувствительные датчики

Эти выключатели применяются для осуществления контроля положения. Датчики срабатывают при приближении магнита, который расположен на движущейся части механизма. Такие устройства обладают расширенным температурным диапазоном (от -60 до +125 градусов по Цельсию). Подобная функциональность позволяет автоматизировать большое количество сложных производственных процессов.

Бесконтактный датчик температуры магниточувствительного типа применяют:

— на химических и металлургических производствах;

— в районах Крайнего Севера;

— на подвижном составе;

— в холодильных установках;

— на автокранах;

— в бульдозерах;

— в снегоуборочных машинах и т. д.

Свое применение они находят в охранных системах зданий, а также для автоматического открывания окон и входных дверей.

Самыми современными и быстродействующими являются магниточувствительные датчики, работающие на эффекте Холла. Они не подвержены механическому износу, так как обладают электронным выходным ключом. Ресурс таких датчиков практически неограничен. В связи с этим их применение является выгодным и практичным решением задач по измерению числа оборотов вала, фиксации расположения быстро движущихся объектов и т. д.

При измерении уровня жидкостей широко применяют поплавковые магниточувствительные датчики. Они являются оптимальным вариантом для определения необходимых показателей из-за недорогой цены и простоты конструкции.

Микроволновые датчики

Подобная разновидность бесконтактных выключателей является наиболее универсальным вариантом конструкции, чего позволяет добиться непрерывное сканирование обслуживаемой зоны. При этом стоит иметь в виду, что они находятся в более высокой ценовой категории, чем, например, ультразвуковые аналоги.

Функционирование подобного прибора происходит благодаря излучению электромагнитных волн, имеющих высокую частоту, значение которой несколько отличается в устройствах различных производителей. Микроволновые датчики настроены на сканирование и приемку отраженных волн. Это позволяет аппарату фиксировать даже самые малейшие изменения электромагнитного фона. Если это происходит, то сразу же срабатывает система оповещения, подключенная к датчику, в виде сигнализации, освещения и т. д.

Микроволновые приборы обладают повышенной точностью срабатывания и чувствительностью. Для них не являются преградами кирпичные стены, двери и предметы мебели. Данный факт следует учесть при установке системы. Уровень чувствительности прибора может быть изменен с помощью настройки датчика движения.

Применяют микроволновые выключатели для управления внутренним и наружным освещением, устройствами сигнализации, электроприборами и т. д.

Пирометрические датчики

Для организма любого живого существа характерно наличие теплового излучения, которое является пучком электромагнитных волн разной длины. При повышении температуры тела увеличивается и объем излучаемой им энергии.

На основе фиксации теплового излучения работают датчики, которые называются пирометрическими сенсорами. Они бывают:

— суммарного излучения, измеряющими полную тепловую энергию тела;

— частичного излучения, измеряющие энергию ограниченного приемником участка;

— спектрального отношения, выдающие показатель отношения энергии определенных участков спектра.

Бесконтактные датчики-сенсоры чаще всего применяются в приборах, фиксирующих движение объектов.

Сенсорные выключатели

Развивающиеся технологии затронули практически все сферы жизнедеятельности человека. Не обошли они стороной и вопросы обустройства дома. Одним из ярких примеров тому является сенсорный выключатель. Это устройство позволяет управлять освещением помещения с помощью легкого прикосновения.

Сенсорный выключатель сразу же срабатывает даже при самом слабом прикосновении к кнопке. В его конструкцию входит три основных элемента. Среди них:

1. Блок управления, обрабатывающий поступивший сигнал и передающий его нужным элементам.
2. Устройство коммутации. Эта деталь смыкает и размыкает цепь, а также изменяет силу тока, потребляемую светильником.
3. Управляющая (сенсорная) панель. С помощью этой детали выключатель воспринимает сигналы с пульта ДУ или от касания. Самые современные устройства срабатывают при проведении рядом с ними рукой.

Стандартные модели могут:

— включать и выключать свет;

— регулировать яркость;

— контролировать работу отопительных приборов, сообщая об изменениях температуры;

— открывать и закрывать жалюзи;

— включать и выключать бытовые устройства.

Сенсорные выключатели производят различных видов. Конкретная модель выбирается в зависимости от потребностей офиса или жилого дома. Например, желание приобрести и установить сенсорное устройство может возникнуть из-за расположения стационарного выключателя в неудобном месте с невозможностью его переноса. А может, в доме или в квартире живет человек, подвижность которого ограничена. Порой стационарные выключатели находятся на такой высоте, что недоступны для детей. Решение проблемы потребует выбора определенной модели. Некоторые хозяева предпочитают устанавливать сенсорные выключатели для изменения яркости света не вставая с кровати и т. д.

Датчики давления. Виды и работа. Как выбрать и применение

Датчики давления являются устройством, выдающим сигналы на выходе, зависящие от давления измеряемой среды. Сегодня не обходятся без точных датчиков определения давления. Они применяются в автоматизированных системах всех отраслей промышленности.

Классификация и принцип работы

Многие датчики давления функционируют на преобразовании давления в движение механической части. Кроме механических элементов (трубчатые пружины, мембраны) для замеров используются тепловые и электрические системы. Электронные элементы дают возможность осуществить производство датчиков давления на электронных элементах.

Датчик давления состоит из:

• Первоначальный преобразователь вместе с чувствительным элементом.
• Корпус датчика, имеющий разные конструкции.
• Электрическая схема.

Волоконно-оптические

Этот тип датчиков считается самым точным в работе, которая не имеет большой зависимости от изменений температуры. Элементом точной чувствительности действует оптический волновод. Давление в волоконно-оптических приборах определяется путем поляризации света, прошедшего по элементу чувствительности, и колебаниям амплитуды.

Оптоэлектронные датчики давления

Датчики давления состоит из нескольких слоев, через которые проходит свет. Один слой меняет свойства от величины давления среды. Меняются 2 параметра: величина преломления и размер слоя. Методы изображены на рисунках.

При изменении свойств будет изменяться характеристика света, проходящего через слои. Фотоэлемент производит регистрацию изменений. Преимуществом оптоэлектронных приборов стала высокая точность.

Датчики легко определяют давление, имеют повышенное разрешение, чувствительность, стабильны к действию температуры. Перспективность оптоэлектронных приборов обуславливается работой на интерференции света, использованием интерферометра для замера малых перемещений. Основные составляющие элементы датчика – кристалл оптического анализатора с диафрагмой, фотодиод и детектор. Детектор составляют три светодиода.

К 2-м фотодиодам прикреплены оптические фильтры, которые имеют отличия по толщине. Фильтры состоят из кремниевых зеркал, имеющих отражение от лицевой части поверхности, которые имеют слой оксида кремния. Поверхность напылена слоем алюминия малой толщины.

Световой преобразователь подобен емкостному датчику. Его диафрагма смоделирована способом травления, которая покрыта металлическим тонким слоем. Стеклянная пластина снизу покрыта металлическим слоем. Между подложкой и стеклом есть промежуток, образованный двумя прокладками.

Два металлических слоя образуют интерферометр с изменяемым воздушным промежутком. В его состав вошли: зеркало на стекле стационарного вида и меняющее положение зеркало на мембране.

На подобной основе изготавливают чувствительные датчики размером 0,55 мм. Они легко проходят через ушко иглы.

Оптическое волокно взаимосвязано с сенсором. В нем с помощью управления микропроцессора подключается монохроматический свет, который вводится в волокно. Делается замер интенсивности обратного света, по калибровке рассчитывается наружное давление и результат показывается на экране. Сенсоры используют в медицине для проверки давления внутри черепа, измерения кровяного давления в артериях легких. Другими методами в легкие добраться невозможно.

Магнитные

Магнитные датчики давления еще называют индуктивными. Элементом чувствительности служит Е-пластина, в центре расположена катушка, и проводящая мембрана. Она расположена на малом расстоянии от конца пластины. При подсоединении обмотки образуется магнитный поток, он идет через пластину, промежуток воздуха и мембрану.

Магнитная проницаемость воздуха в зазоре в 1000 раз слабее мембраны и пластины. Малое изменение параметра зазора приводит к значительному изменению индуктивности.

При воздействии давления мембрана изгибается, сопротивление катушки меняется. Преобразователь переводит изменение в сигнал тока. Измерительный рабочий элемент преобразователя сделан по схеме моста, обмотка включена в плечо. АЦП подает сигнал от элемента измерения в виде сигнала от давления.

Емкостные

Датчики давления самой простой конструкции, состоящий из плоских электродов (2 шт.) с зазором. Электрод сделан мембраной, на нее давит измеряемое давление. Меняется размер зазора. Такой вид датчика образует конденсатор с меняющимся зазором. Величина емкости конденсатора меняется при изменении промежутка от пластин или от электродов в данном случае.

Для определения очень небольших изменений давления приборы наиболее применимы и эффективны. Они дают возможность произвести замеры избыточного давления в различной среде. На предприятиях при выполнении технологических процессов, в которых задействованы системы воздушного и гидравлического оборудования, в насосах, компрессорах, на станках емкостные датчики нашли широкое применение. Датчик емкостного вида имеет конструкцию, которая имеет стойкость к вибрациям, скачкам температуры, защищена от химической и электромагнитной среды.

Ртутные

Также простая конструкция прибора. Действует по закону о сообщающихся сосудах. На одну емкость давит давление, которое нужно измерить. По величине другого сосуда – определяется давление.

Пьезоэлектрические

Элементом чувствительности в этом датчике служит пьезоэлемент. Это вещество, создающее электрический сигнал во время деформации. Такое свойство называется прямым пьезоэффектом. В измеряемой области находится пьезоэлемент, который образует ток, прямо зависящий от значения давления. Сигнал в датчике из пьезоматериала образуется только при деформации. При неизменном давлении нет деформации, поэтому датчик годен только для проведения замеров среды с быстро изменяемым давлением.

Если давление не будет изменяться, то не будет деформации, пьезоэлектрик не сгенерирует сигнал.

Пьезоэлектрики нашли использование в первичных преобразователях потока водяных вихревых счетчиков, и других сред. Их устанавливают парами в трубу с проходом в несколько сотен мм за предметом обтекания. Фиксируют вихри. Количество и частота вихрей прямо зависят от скорости потока и расхода по объему.

Пьезорезонансные датчики давления

В отличие от вышеописанного вида датчика здесь применяется обратный пьезоэффект, то есть, форма материала пьезоэлемента изменяется от тока подачи. Применяется резонатор в виде пластины из пьезоматериала. На пластину с двух сторон нанесены электроды. На них подключается по очереди напряжение питания с разным знаком, пластина производит изгиб в обе стороны в зависимости от полярности поданного напряжения и частоты.

Если воздействовать на пластину силой, чувствительной мембраной к давлению, то резонатор изменит частоту колебаний. Частота резонатора укажет значение давления на мембрану, которая оказывает давление на резонатор.

На рисунке изображен пьезорезонансный датчик с абсолютным давлением, который сделан герметичной камерой 1. Она достигается корпусом 2, основанием 6, мембраной 10. Мембрана крепится на электронную сварку к корпусу. Держатели закреплены на основании перемычками. Силочувствительный резонатор удерживает держатель.

Мембрана 10 давит на втулку 13 и шарик 6, который закреплен в держателе. Шарик давит на чувствительный резонатор 5. Проводка закреплена на основании 6, необходима для слияния резонаторов с генераторами. Сигнал на выходе абсолютного давления образуется по схеме путем разности генераторных частот. Датчик находится в активном термостате 18 с неизменной температурой 40 градусов. Давления для измерения поступает через штуцер 12.

Резистивные датчики давления

Другим названием этот датчик называется тензорезистор. Это элемент, который меняет собственное сопротивление при деформации. Такие тензорезисторы монтируют на мембрану, которая чувствительна к изменяющемуся давлению. В результате при приложении силы на мембрану происходит ее изгиб, из-за этого изгибаются тензорезисторы, которые на ней закреплены. На тензорезисторах меняется сопротивление и значение тока цепи.

Растяжение элементов из проводников на каждом тензорезисторе ведет к увеличению длины и снижению сечения. В итоге сопротивление повышается. При сжатии процесс происходит наоборот. Изменения сопротивления незначительные, поэтому для обработки сигнала применяются усилители. Деформация переделывается в изменение сопротивления проводника или полупроводника, а затем в сигнал тока.

Тензорезисторы выполнены в виде проводящего зигзагообразного элемента, или из полупроводника, который расположен на гибкой подложке, приклеенной к мембране. Подложка сделана из слюды, полимерной пленки или бумаги. Элемент проводника – из полупроводника, тонкой проволоки или фольги, напыленных на металл в вакуумном состоянии. Чувствительный элемент соединяют с цепью измерения выводами из проволоки или площадками контактов. Тензорезисторы чаще имеют размер площади до 10 мм². Они более подходят для замера давления, веса, силы нажатия.

Как выбрать

• Тип давления. Важно определить, что вы будете измерять. Есть несколько типов давления: барометрическое, избыточное, вакуумное, относительное, абсолютное.
• Интервал разбега давления.
• Класс защиты датчика. Для разных условий работы определены свои степени защиты от пыли и влаги.
• Термокомпенсация. Эффекты температуры: например, расширение предметов, создают значительные помехи на результат измерения датчика. Если температура всегда изменяется в среде, то нужна термокомпенсация. Про границы температур тоже нельзя забывать.
• Вид материала. Свойства материала играют значительную роль для агрессивных условий.
• Тип сигнала выхода. Бывают цифровой вид и аналоговый. Нужно также учесть интервалы выхода сигнала, количество проводов.

Похожие темы:

Роль датчиков в сети интернета вещей

Интернет вещей (IoT) и периферийные вычисления (edge computing) спровоцировали внедрение во множество областей жизни smart-технологий: умный город, умные фабрики, умное сельское хозяйство, умная медицина и многое другое. Основа данных технологий – сбор данных в режиме реального времени с помощью различных датчиков и последующий анализ полученных данных.

TechJury, компания, специализирующаяся на программном обеспечении, проанализировав прогнозы различных фирм, предсказывает, что к 2025 году количество устройств, подключенных к интернету вещей, достигнет 64 миллиардов. В то же время маркетинговая компания Grand View Research прогнозирует, что рынок интернета вещей в том же году достигнет 949,42 миллиардов долларов. Постоянно ускоряющийся рост производства различных типов датчиков также говорит о росте индустрии интернета вещей. Обновление аппаратной и программной части датчиков и систем на их основе происходит стремительными темпами, и ожидается, что в ближайшие 25 лет размеры датчиков значительно сократятся, а сами датчики станут еще «умнее» и дешевле, что в свою очередь увеличит масштаб их использования.

В статье описана работа разных типов датчиков, а также принцип их взаимодействия с Интернетом вещей.

Как работают датчики?

Работа облачных серверов IoT и пограничных (шлюзовых) устройств зависят от датчиков, отвечающих за сбор данных в режиме реального времени. Так как окружающая нас действительность, как правило, оперирует сигналами, представленными в аналоговой форме, такими как температура в градусах Цельсия, расстояние в метрах, скорость в километрах в час, давление в ньютонах на квадратный метр и т. д., задача датчиков состоит в том, чтобы улавливать изменения данных параметров в окружающей среде и затем преобразовывать полученные данные в цифровой вид.

На рисунке 1 отображена конфигурация сети IoT с подключенными датчиками. Датчики являются конечной точкой в сети Интернета вещей, так как находятся дальше от облачных серверов, чем другие устройства сети. Несмотря на то, что датчики имеют небольшие размеры и не являются такой важной частью сети как облачные серверы, они могут сыграть решающую роль в проектировании и работе системы. Одним из примеров важности датчика в системе являются недавние крушения самолетов Boeing 737 Max, где одним из факторов, повлекших за собой обе трагедии, стала именно неисправность датчика.

Датчики должны подключаться и взаимодействовать с пограничными устройствами и облачными серверами для работы в сети IoT. В настоящее время для организации взаимодействия с серверами и пограничными устройствами используются преимущественно беспроводные технологии, такие как Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN и NB-IoT (сотовая связь). Организация сети и количество датчиков в ней определяют необходимое количество пограничных устройств, отвечающих за выполнение граничных вычислений (анализа данных с датчиков) перед отправкой информации на облачные серверы.

Рис. 1. Блок-схема сети интернета вещей, показывающая взаимосвязь между датчиком и сетью IoT

Сколько типов датчиков применяется в настоящее время?

Существует множество типов датчиков разных форм и размеров, способных измерить практически любую физическую величину. Некоторые из них представляют собой один единственный компонент, например, светочувствительный диод; другие — модуль с различной периферией и встроенным микроконтроллером.

Датчики могут быть использованы для измерения света, звука, температуры, давления, положения, изменения высоты и расстояния, газового состава воздуха, скорости и направления движения, плотности и состава жидкости и так далее. Существует также множество датчиков на основе технологий, используемых для обнаружения и распознавания объектов: радар, LiDAR, световой детектор, магнитный детектор, детектор инфракрасного излучения (IR), датчики на основе индуктивностей, устройства обработки изображений, устройства для работы с ультразвуковым излучением, сонары, устройства для работы с фотонным излучением, сенсорное распознавание, энкодеры и многое другое.

Ниже приведен примерный список доступных на сегодняшний день типов датчиков (рисунок 2):

Рис. 2. Типы датчиков

Помимо прочего, датчики также могут быть классифицированы как активные и пассивные, аналоговые и цифровые.

Активные датчики обычно требуют внешней поддержки для работы. Это может быть внешний источник питания или беспроводная передача энергии на основе индуктивностей. В качестве примера можно привести дифференциальный трансформатор для измерения линейных перемещений (LVDT), который может использоваться для преобразования линейного перемещения в эквивалентные электрические сигналы: при работе с LVDT энергия приходит от линейного перемещения через индуктивности без внешнего источника энергии. Пассивные датчики не нуждаются в стимуляции для работы, например, термопара сможет преобразовывать тепло непосредственно в электрические сигналы и без дополнительных источников энергии.

В сети интернета вещей используются как аналоговые, так и цифровые датчики. Аналоговые датчики измеряют аналоговые сигналы, такие как температура, давление и так далее. Данные сигналы должны быть оцифрованы, прежде чем отправиться на микроконтроллер для последующей обработки. Цифровые датчики, в свою очередь, имеют только два состояния (0 и 1) и могут измерять входные сигналы, например, наличие или отсутствие света согласно настроенной чувствительности, выдавая при этом на выход соответствующие значения. 

Что такое МЭМС?

МЭМС расшифровывается как «микроэлектромеханические системы». МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Благодаря данной технологии, функционал датчика можно уместить в значительно меньшем пространстве, чем это было бы, если бы при изготовлении использовались дискретные компоненты. Например, в устройство МЭМС, построенное на базе интегральной микросхемы, можно добавить, в дополнение к осям x и y, третью ось для измерения перемещений без изменения размеров конечного устройства. Подобный датчик МЭМС будет реагировать на перемещения, создавая внутри себя разницу электрического потенциала, регистрируемую как изменение емкости датчика.

Рис. 3. Использование МЭМС-датчиков для моделирования функций человеческого организма

МЭМС-датчик объединяет электрические и механические функции в одном корпусе. Электрические элементы выполняют обработку данных, а механические элементы отвечают за реакцию на внешнее воздействие окружающей среды. Это похоже на миниатюрную машину, заключенную внутрь микросхемы с размерами от 1 до 100 мкм и толщиной меньше человеческого волоса. МЭМС-датчики имеют широкое применение (рисунок 3). В качестве примера можно привести датчики срабатывания подушек безопасности автомобиля, способные определять возникновение аварии и инициировать срабатывание подушек.

С целью продвижения и развития МЭМС-технологий был создан  международный консорциум SEMI-MEMS & Sensors (MSIG), в который на данный момент входят 120 компаний. Ожидается, что технология МЭМС будет продолжать свое развитие и ее роль в мире датчиков и Интернета вещей будет только возрастать.

Что такое умные датчики?

Сам по себе датчик способен лишь реагировать на изменения определенной физической величины во внешней среде и преобразовывать полученные данные в цифровой формат для отправки на внешний микроконтроллер. Вся «умная» часть датчика находится именно в микроконтроллере, отвечающим за обработку данных с датчика. Объединение микроконтроллера и датчика в единый модуль позволило создать так называемый умный (smart) датчик, который, благодаря современным технологиям производства, может иметь достаточно небольшие размеры (рисунок 4).

Например, микросхема BHA250 производства Bosch Sensortec (рисунок 5) объединяет в себе 32-разрядный микроконтроллер с 14-разрядным датчиком ускорения в корпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм. Другой пример – решения компании TE, представляющие собой датчики с разъемами для подключения, заключенные в компактный корпус, но при этом обеспечивающие широкий функционал.

 

Рис. 4. BHA250 от Bosch Sensortec, объединяющий 32-разрядный микроконтроллер с 14-разрядным датчиком ускорения в компактном корпусе 2,2 x 2,2 x 0,95 мм

Рис. 5. Пример использования МЭМС-датчиков в приложениях IoT для обнаружения парковочных мест, отслеживания активности, подсчета шагов, мониторинга сна и т.д.

Насколько сложно проектировать системы с датчиками?

Многие производители модулей и микросхем датчиков упрощают процесс разработки системы, предоставляя своим клиентам готовые наборы для создания систем датчиков. Разработчики могут использовать подобные наборы для отладки и разработки, прежде чем создать окончательный вариант системы.

STMicroelectronics недавно представила гибкий модуль подобного типа под названием SensorTile.box. Модуль включает в себя маломощный микроконтроллер ARM Cortex-M4 с DSP и блоком, производящим операции с плавающей точкой (FPU), плюс несколько датчиков. На борту SensorTile.box расположены следующие датчики:

1. Цифровой датчик температуры
2. IMU-датчик с шестью степенями свободы
3. Трехосевой акселерометр
4. Трехосевой магнитометр
5. Альтиметр/ датчик давления
6. Микрофон/ аудио датчик
7. Датчик влажности

SensorTile.box имеет небольшие размеры (57 x 38 x 20 мм) (рисунки 6 и 7) и Bluetooth на борту. Модуль способен работать «из коробки» без необходимости задания программного кода, что полезно для разработчиков, желающих сразу начать работу с устройством. Однако SensorTile.box также поддерживает программирование и отладку в открытой среде разработки STMicro STM32 (ODM STM32), которая позволяет пользователю самому задать алгоритм работы модуля и поддерживает различные типы библиотек, в том числе библиотеки по работе с искусственным интеллектом и нейронными сетями.

С каждым годом все больше производителей поставляют на рынок готовые решения, подобные SensorTile.box от STMicroelectronics, что позволяет упростить процесс разработки и создания новых систем на основе датчиков.

Рис. 6. Внешний вид модуля SensorTile.box с интегрированным Arm Cortex-M4 и датчиками

Рис. 7. Блок-схема SensorTile.box, отображающая функционал модуля

Что необходимо учесть при выборе датчика?

Перед выбором датчика следует обратить внимание на следующие критерии:

• Точность измерений с точки зрения погрешности и шага измерения. Заранее определите, какое разрешение (шаг измерений) вам нужно. К примеру, в случае измерения температуры может быть достаточно точности в пределах 1 градуса, с другой стороны, при измерении длины погрешность в 0,01 сантиметра может стать критической. Однако стоит учесть, что чем выше разрешение (чем меньше шаг измерений), тем выше стоимость датчика.

• Диапазон измерений. Необходимо определиться с верхним и нижним пределом измерений. От диапазона измерений также зависит стоимость датчика: чем больше диапазон, тем выше стоимость.

• Условия окружающей среды. Существуют типы датчиков, способные работать при высокой/низкой температуре с различными степенями влагозащиты и так далее.

• Надежность. Надежность датчика условно делится на два аспекта. Первый аспект заключается в том, как долго датчики будут работать без поломок. Параметр MTBF (среднее время безотказной работы) показывает, в течение какого времени датчики могут функционировать без сбоев или поломок. Данный показатель особенно важен для датчиков, работающих в удаленных и труднодоступных местах. Второй аспект заключается в том, как долго датчик может работать с необходимой точностью без дополнительной калибровки. Случаи, когда датчик начинает выдавать неточные данные, нередки, однако в большинстве случаев датчик просто требует калибровки.

• Экстремальные условия. В некоторых случаях датчики должны выдерживать экстремальные температуры, удары и вибрацию.

• Требования к размеру и весу. В зависимости от применения, датчики могут устанавливаться в устройствах с весьма ограниченными размерами, или для одного устройства может понадобиться установить несколько датчиков.

• Выбор между интегрированным решением и решением на дискретных компонентах. Интегрированное решение обычно имеет выигрыш в размерах и может значительно упростить разработку и сократить время проектирования. Например, датчик вибрации со встроенной функцией связи LoRaWAN или RF будет занимать значительно меньше места и времени на установку чем его аналог, выполненный на дискретных компонентах. Однако интегрированное решение также может иметь более высокую стоимость по сравнению с аналогом на дискретных компонентах.

• Если датчики имеют критическую важность для системы, стоит рассмотреть модули с дублированием датчиков.

• Общая стоимость системы. Помимо стоимости датчика, стоит также помнить о затратах на установку, проектирование и поддержку разрабатываемой системы.

 

Источник: www.microcontrollertips.com

 

Что такое датчик MAP?

В современных транспортных средствах компьютер и ряд датчиков контролируют расход топлива двигателем и другие операции. Хотя вам, возможно, никогда не придется работать с любым из этих датчиков самостоятельно, один, в частности, важен для бесперебойной работы двигателя — датчик MAP (абсолютного давления в коллекторе). Что такое датчик MAP и для чего он нужен? Когда ваш двигатель работает странно, это может указывать на неисправность этого датчика, поэтому давайте посмотрим, что именно делает датчик MAP.

Датчик MAP и вы

В автомобильных двигателях с впрыском топлива датчик абсолютного давления в коллекторе (MAP) используется для непрерывного контроля количества воздуха, поступающего в двигатель, поэтому компьютер может рассчитать плотность воздуха и отрегулировать количество топлива распылить в камеру сгорания и отрегулировать угол опережения зажигания. В некоторых автомобилях используется датчик массового расхода воздуха (MAF). Хотя они взаимозаменяемы, датчик массового расхода воздуха измеряет расход, а не плотность.

Проблемы с MAP

Неисправный датчик MAP может вызвать некоторые проблемы с производительностью вашего автомобиля.Если датчик неисправен, показание слишком высокое, это может привести к тому, что система управления подачей топлива будет использовать больше топлива, чем необходимо, и снизить экономию топлива. И наоборот, если датчик MAP показывает слишком низкое значение, бортовой компьютер урезает количество топлива, которое, по его мнению, необходимо, и заглушает двигатель, заставляя его работать хаотично и уменьшая мощность. В любом случае, если датчик не читает должным образом, это приведет к тому, что ваш автомобиль не пройдет проверку на выбросы. Подключив считыватель диагностических кодов, вы можете найти коды неисправностей P0068, P0069, P1106 или P1107.

Причины отказа датчика MAP могут быть вызваны несколькими факторами. Сам датчик зависит от электронных и механических компонентов. Вакуумная камера внутри датчика — это то, что позволяет датчику считывать изменения давления в коллекторе. Со временем в вакуумной камере может образоваться утечка, из-за которой датчик не сможет правильно считывать показания. Из-за расположения датчика в суровых условиях моторного отсека, годы резких колебаний температуры и вибрации также могут нанести ущерб внутренней схеме.Другой точкой отказа может быть грязь или другое загрязнение, физически препятствующее доступу датчика к потоку воздуха во впускном коллекторе.

Ремонт

Сложность замены неисправного датчика MAP зависит от автомобиля. Обычно он устанавливается снаружи впускного коллектора или корпуса дроссельной заслонки с помощью набора болтов или винтов. Отсоедините провод датчика, затем открутите винты и осторожно снимите неисправный датчик. Чтобы установить новый, просто установите винты на место, снова подключите провод, и все готово.В зависимости от автомобиля и наличия установленного кода неисправности может потребоваться диагностический прибор для сброса контрольной лампы двигателя.

Многие люди слышат, что у них неисправный датчик, и задаются вопросом: что такое датчик MAP? Хотя его работа может быть простой, она очень важна для обеспечения хорошей экономии топлива и производительности двигателя вашего автомобиля на долгие годы. Если вы подозреваете, что датчик MAP неисправен, ваш местный центр NAPA AutoCare имеет опыт, чтобы решить эту проблему и вернуть вас в дорогу.

Проверьте все реле, датчики и переключатели , доступные в NAPA Online, или доверьтесь одному из наших 17 000 пунктов обслуживания NAPA AutoCare для текущего обслуживания и ремонта.Для получения дополнительной информации о датчиках MAP поговорите со знающим экспертом в местном магазине NAPA AUTO PARTS.

Фото любезно предоставлено Flickr.

Эрих Райхерт в течение 12 лет был редактором и телеведущим, занимавшимся радиоуправлением автомобилями. Сертифицированный автомобильный фанат с рождения, он писал для международных изданий, таких как RC Car Action, RC Driver и Xtreme RC Cars, а также для журналов Stuff Magazine, Road and Track и Super Street. Он освещал все, от обзоров продуктов и технических статей до громких статей о стиле жизни и интервью со знаменитостями.Эрих нашел свою страсть к писательству после успешной карьеры арт-директора, работая с такими брендами, как Pepsico, NASCAR, MTV, Nintendo, WWE, Cannondale Bicycles и HBO. Он также отец, заядлый фанат хоккея и обладатель лицензии FIA на гонки, который любит ходить в походы, играть на барабанах и смотреть фильмы.

Обнаружение объектов и полос движения по визуальным измерениям

Обнаружения объекта, возвращенного как шина Simulink, содержащая структуру MATLAB. Для получения дополнительных сведений о шинах см. Создание невиртуальных автобусов (Simulink).

Вы можете передать данные об обнаружении объектов от этих датчиков и других датчиков на трекер, такой как блок Multi-Object Tracker, и генерировать треки.

Структура обнаружения имеет следующий вид:

Поле	Описание	Тип
NumDetections	Количество обнаружений	Integer
IsValidTime	Ложь, когда обновления запрашиваются в такое время находятся между интервалами вызова блока	Логический
Обнаружения	Обнаружения объектов	Массив структур обнаружения объектов длины, установленной Максимальное количество сообщенных обнаружения параметр.Только NumDetections из этих обнаружений являются фактическими обнаружениями.

Структура обнаружения объекта содержит эти свойства.

Свойство	Определение
Время	Время измерения
Измерение	Измерения объекта
Измерение шума	Матрица ковариации шума измерения 900
SensorIndex	Уникальный идентификатор датчика
ObjectClassID	Классификация объекта
ObjectAttributes	Дополнительная информация передается в трекер
MeasurementParameters	Параметры, используемые функции инициализации нелинейного слежения Калмана фильтры

Поле Измерение сообщает положение и скорость измерения в системе координат, заданной Система координат, используемая для сообщения об обнаружениях .Это поле представляет собой вектор-столбец с действительными значениями вида [ x ; y ; z ; vx ; вы ; vz ]. Единицы измерения - метры в секунду.

Поле MeasurementNoise представляет собой матрицу 6 на 6, которая сообщает о ковариации шума измерения для каждой координаты в Измерение поле.

Поле MeasurementParameters представляет собой структуру с этими полями.

Параметр	Определение
Кадр	Нумерованный тип, обозначающий кадр, используемый для отчет об измерениях. Обнаружение зрения Блок генератора сообщает об обнаружениях в либо эго, либо сенсорные декартовы координаты, которые обе прямоугольные системы координат.Следовательно, для этого блока Кадр всегда установлен на «прямоугольный» .
OriginPosition	Смещение трехмерного вектора исходной точки датчика от эго транспортного средства происхождения. Вектор получается из Положение датчика (x, y) (м) и Высота датчика (м) параметры блока.
Ориентация	Ориентация координаты датчика обзора система относительно координат эго транспортного средства система. Ориентация определяется Датчик угла рыскания, установленный на эго автомобиль (град) , Угол тангажа датчик установленный на эго ТС (град) , и датчика угла крена, установленного на эго автомобиль (град) параметров блок.
HasVelocity	Указывает, содержат ли измерения скорость.

Свойство ObjectAttributes для каждого обнаружения представляет собой структуру с этими полями.

Поле	Определение
TargetIndex	Идентификатор актера, ActorID , который сгенерировал обнаружение.Для ложных тревог это значение отрицательный.

Зависимости

Чтобы включить этот выходной порт, установите Типы обнаружения генерируется параметром датчика для объектов только , Дорожки с окклюзия или Дорожки и объекты .

Что такое Интернет вещей и как он работает?

В настоящее время много шума об Интернете вещей (или IoT) и его влиянии на все, от того, как мы путешествуем и делаем покупки, до того, как производители отслеживают товарные запасы. Но что такое Интернет вещей? Как это работает? И действительно ли это так важно?

Что такое Интернет вещей?

В двух словах, Интернет вещей - это концепция подключения любого устройства (при условии, что оно имеет переключатель включения / выключения) к Интернету и другим подключенным устройствам.Интернет вещей - это гигантская сеть связанных вещей и людей, которые собирают и обмениваются данными о том, как они используются, и об окружающей среде.

Сюда входит огромное количество объектов всех форм и размеров - от интеллектуальных микроволн, которые автоматически готовят пищу в течение нужного времени, до беспилотных автомобилей, чьи сложные датчики обнаруживают объекты на их пути, до носимых устройств для фитнеса, которые Измерьте частоту сердечных сокращений и количество шагов, которые вы сделали в этот день, а затем используйте эту информацию, чтобы предложить планы упражнений, адаптированные для вас.Есть даже подключенные к сети футбольные мячи, которые могут отслеживать, как далеко и быстро они брошены, и записывать эту статистику через приложение для будущих тренировок.

Как это работает?

Устройства и объекты со встроенными датчиками подключены к платформе Интернета вещей, которая объединяет данные с различных устройств и применяет аналитику для обмена наиболее ценной информацией с приложениями, созданными для удовлетворения конкретных потребностей.

Эти мощные платформы Интернета вещей могут точно определить, какая информация полезна, а какая можно игнорировать.Эта информация может использоваться для выявления закономерностей, рекомендаций и выявления возможных проблем до их возникновения.

Например, если у меня есть бизнес по производству автомобилей, я мог бы узнать, какие дополнительные компоненты (например, кожаные сиденья или легкосплавные диски) являются наиболее популярными. Используя технологию Интернета вещей, я могу:

• Используйте датчики, чтобы определить, какие зоны в выставочном зале являются наиболее популярными и где клиенты задерживаются дольше всего;
• Изучите имеющиеся данные о продажах, чтобы определить, какие компоненты продаются быстрее всего;
• Автоматически согласовывайте данные о продажах с предложениями, чтобы популярные товары не заканчивались.

Информация, собираемая подключенными устройствами, позволяет мне принимать разумные решения о том, какие компоненты запасать, на основе информации в реальном времени, что помогает мне экономить время и деньги.

Понимание, обеспечиваемое расширенной аналитикой, позволяет сделать процессы более эффективными. Смарт-объекты и системы означают, что вы можете автоматизировать определенные задачи, особенно если они повторяются, рутинны, требуют много времени или даже опасны. Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы увидеть, как это выглядит в реальной жизни.

Сценарий № 1: Интернет вещей в вашем доме

Представьте, что вы каждый день просыпаетесь в 7 утра, чтобы пойти на работу. Ваш будильник отлично вас разбудит. То есть, пока что-то не пойдет не так. Ваш поезд отменили, и вам нужно ехать на работу. Единственная проблема заключается в том, что ехать дольше, и вам придется вставать в 6.45, чтобы не опоздать. Ах да, идет дождь, так что тебе нужно ехать медленнее, чем обычно. Будильник, подключенный к Интернету или с поддержкой IoT, автоматически сбрасывается с учетом всех этих факторов, чтобы вы могли работать вовремя.Он может распознать, что ваш обычный поезд отменен, рассчитать расстояние и время в пути для вашего альтернативного маршрута на работу, проверить погоду и учесть более низкую скорость движения из-за сильного дождя, а также рассчитать, когда вам нужно разбудить вас, чтобы вы ' повторно не поздно. Если он супер-умный, то может даже синхронизироваться с кофеваркой с поддержкой Интернета вещей, чтобы ваш утренний кофеин был готов к употреблению, когда вы встанете.

Сценарий № 2: Интернет вещей на транспорте

Будучи разбуженным умным будильником, вы едете на работу.Загорается свет двигателя. Лучше не идти прямо в гараж, но что, если что-то срочно? В подключенном автомобиле датчик, который включил индикатор проверки двигателя, будет взаимодействовать с другими людьми в автомобиле. Компонент, называемый диагностической шиной, собирает данные с этих датчиков и передает их на шлюз в автомобиле, который отправляет наиболее важную информацию на платформу производителя. Производитель может использовать данные автомобиля, чтобы назначить встречу для ремонта детали, направить вам инструкции к ближайшему дилеру и убедиться, что заказана нужная запасная часть, чтобы она была готова для вас, когда вы появитесь.

Узнать больше

У нас есть множество примеров, демонстрирующих Интернет вещей в действии. Обратите внимание на Olli, беспилотный автомобиль, или Candy, когнитивный дозатор сладостей, который подает сахар только тогда, когда вы вежливо попросите. Есть вопросы? Нам бы очень хотелось их услышать! Дайте нам знать в комментариях ниже.

Различные типы и их применение

В нашей повседневной жизни мы часто используем датчики различных типов в нескольких приложениях, таких как ИК-датчик, используемый для управления телевизионным пультом дистанционного управления, Пассивный инфракрасный датчик, используемый для автоматической системы открывания дверей торговых центров. и датчик LDR, используемый для наружного освещения или системы уличного освещения, и так далее.В этой статье мы кратко обсудим несколько типов датчиков и их применение. Но, прежде всего, мы должны знать, что такое датчик.

Что такое датчик?

Устройство, которое обнаруживает изменения электрических, физических или других величин и тем самым выдает выходной сигнал в качестве подтверждения изменения количества, называется датчиком. Как правило, этот выходной сигнал датчика будет в форме электрического или оптического сигнала.

Различные типы датчиков

Наиболее часто используемые различные типы датчиков классифицируются на основе таких величин, как датчики электрического тока или потенциала, или магнитные или радиодатчики, датчик влажности, датчики скорости или расхода жидкости, датчики давления, тепловые или тепловые или Датчики температуры, датчики приближения, оптические датчики, датчики положения, химический датчик, датчик окружающей среды, датчик магнитного переключателя и т. Д.

Различные типы датчиков

Различные типы датчиков с их применением

Типичные области применения различных типов датчиков, такие как применение датчика скорости для синхронизации скорости нескольких двигателей, применение датчика температуры для промышленного контроля температуры, применение PIR датчик для системы автоматического открывания дверей, применение ультразвукового датчика для измерения расстояния и т. д., обсуждаются ниже с их блок-схемами.

Датчик скорости

Датчики, используемые для определения скорости объекта или транспортного средства, называются датчиком скорости.Существуют различные типы датчиков для определения скорости, такие как датчики скорости колес, спидометры, лидары, радар путевой скорости, журналы питометров, доплеровский радар, указатели воздушной скорости, трубки Пито и так далее.

Датчик скорости

Применение датчика скорости

Проект на основе микроконтроллера PIC для синхронизации скорости нескольких двигателей в отраслях, использующих беспроводную технологию, является типичным применением датчика скорости. Один из нескольких двигателей в отрасли считается основным двигателем, который действует как передатчик, а остальные двигатели, действующие как приемники, будут следовать за скоростью основного двигателя.Основным двигателем и двигателями приемника, используемыми в этом проекте, являются двигатели BLDC, которые управляются с помощью ШИМ-управления в режиме беспроводной радиосвязи.

Применение датчика скорости

Эталонное число оборотов в минуту дается каждому валу двигателя, на котором установлен ИК-датчик, а замкнутый контур получается путем подачи этого выходного сигнала на контроллер в цепи. Полная скорость будет отображаться на дисплее, и требуемая скорость всех двигателей может быть получена путем ввода желаемого процента с клавиатуры.Этот введенный процент согласован с текущими оборотами, поддерживая соответствующую мощность постоянного тока на двигатель с автоматической регулировкой ширины импульса на выходе микроконтроллера.

Таким образом, изменяя скорость передающего двигателя, мы можем изменять скорость всех двигателей, используя эту технологию.

Датчик температуры

Устройство, которое выдает измерение температуры в виде электрического сигнала, называется датчиком температуры. Этот электрический сигнал будет иметь форму электрического напряжения и пропорционален измерению температуры.

Датчик температуры

Существуют различные типы датчиков, используемые для измерения температуры, такие как датчики температуры контактного типа, датчики температуры бесконтактного типа. Они снова подразделяются на механические датчики температуры, такие как термометр и биметалл. Электрические датчики температуры, такие как термистор, термопара, термометр сопротивления и кремниевый датчик температуры запрещенной зоны.

Применение датчика температуры

Конструкция промышленного контроллера температуры для управления температурой устройств, используемых в промышленных приложениях, является одним из наиболее часто используемых практических приложений датчика температуры.В этой схеме IC DS1621, цифровой термометр используется в качестве датчика температуры, термостата, который обеспечивает 9-битные показания температуры. Схема в основном состоит из микроконтроллера 8051, EEPROM, датчика температуры, ЖК-дисплея и других компонентов.

Приложение датчика температуры

ЖК-дисплей используется для отображения температуры в диапазоне от -55 градусов до + 125 градусов. EEPROM используется для хранения предварительно заданных пользователем настроек температуры с помощью микроконтроллера серии 8051. Реле, контакт которого используется для нагрузки, управляется микроконтроллером с помощью драйвера транзистора.

Датчик PIR

Электронный датчик, используемый для измерения инфракрасного светового излучения, испускаемого объектами в его поле зрения, называется датчиком PIR или пироэлектрическим датчиком. Каждый объект, имеющий температуру выше абсолютного нуля, излучает тепловую энергию в виде излучения в инфракрасном диапазоне длин волн, которое невидимо для человеческого глаза, но может быть обнаружено электронными устройствами специального назначения, такими как датчики движения PIR.

Пассивный инфракрасный датчик

Сам датчик PIR разделен на две половины, которые чувствительны к инфракрасному излучению, и всякий раз, когда объект попадает в поле зрения датчика, положительное дифференциальное изменение будет производиться между двумя половинами с перехватом первой половина датчика PIR.Точно так же, если объект покидает поле зрения, будет произведено отрицательное дифференциальное изменение. PIR или пассивный инфракрасный датчик назван пассивным, потому что он не излучает никакой энергии или излучения для обнаружения излучения. Существуют различные типы датчиков, используемых для обнаружения движения, и эти датчики PIR классифицируются по углу (широкой области), под которым они могут обнаруживать движение объектов, например, с углами 110 градусов, 180 градусов и 360 градусов.

Применение датчика PIR

Система автоматического открывания двери

- типичное применение датчиков PIR, которое предназначено для автоматического закрытия и открытия дверей в зависимости от движения тела рядом с дверью.Схема системы автоматического открывания дверей на основе ИК-датчика в основном состоит из ИК-датчика, микроконтроллера 8051, микросхемы драйвера и электродвигателя двери.

Приложение PIR Sensor

Если тело движется рядом с дверью, то инфракрасное излучение, исходящее от тела, заставит датчик генерировать сигнал считывания, который подается на микроконтроллер. Затем двигатель двери управляется микроконтроллером через микросхему драйвера. Таким образом, если кто-то подойдет к двери, то микроконтроллер отправит команду на открытие двери и будет установлена ​​задержка для автоматического закрытия двери.Этот проект предназначен для управления дверьми торговых центров, театров и гостиниц.

Ультразвуковой датчик

Принцип работы ультразвукового датчика аналогичен принципу работы сонара или радара, в котором интерпретация эхо-сигналов от радио или звуковых волн позволяет оценить атрибуты цели путем генерации высокочастотных звуковых волн (около 40 кГц). Преобразователь, используемый для преобразования энергии в ультразвуковые или звуковые волны с диапазоном, превышающим диапазон человеческого слуха, называется ультразвуковым преобразователем.

Применение ультразвукового датчика

Измерение расстояний в труднодоступных местах является типичным применением ультразвуковых датчиков. Схема состоит из ультразвукового модуля, ЖК-дисплея и микроконтроллера. Ультразвуковой модуль сопряжен с микроконтроллером, и этот ультразвуковой преобразователь состоит из передатчика и приемника.

Приложение для ультразвукового датчика

Волны, передаваемые преобразователем, снова принимаются после того, как волны отражаются от объекта.Скорость звука учитывается при расчете времени, затрачиваемого на отправку и прием волн. Расстояние рассчитывается путем выполнения программы на микроконтроллере, а затем отображается на ЖК-дисплее.

Существует множество датчиков, таких как датчик влажности, датчик газа, датчик давления, датчик воды, датчик листьев, датчик дождя, датчик наклона, датчик скорости и т. Д., Которые используются во многих приложениях. Если вам интересно подробно узнать о датчиках, вы можете обратиться к нам за любой технической помощью, касающейся различных типов датчиков и их приложений, а также для разработки проектов на основе датчиков, разместив свои запросы в разделе комментариев ниже.

Фото:

.