Датчик как устройство измерения¶

Датчик — это устройство или элемент системы, преобразующий контролируемую физическую величину (температуру, давление, освещённость, ускорение, концентрацию вещества и другие) в сигнал, удобный для дальнейшей обработки, передачи или регистрации. Датчик является первичным звеном измерительной цепи: он воспринимает воздействие среды и выдаёт на выходе электрический, реже — оптический, пневматический или механический сигнал, пропорциональный измеряемому параметру. В технической литературе наряду с термином «датчик» употребляются близкие понятия «сенсор» и «измерительный преобразователь».

¶Общие сведения

Датчик отличают от чувствительного элемента (сенсора) и от вторичного прибора. Чувствительный элемент непосредственно реагирует на физическое воздействие, а датчик в широком смысле включает его вместе с преобразующей схемой, формирующей унифицированный выходной сигнал. Вторичный прибор, в свою очередь, принимает этот сигнал и отображает или обрабатывает его.

Основные характеристики датчиков:

• Диапазон измерений — интервал значений величины, в пределах которого устройство работает.
• Чувствительность — отношение изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входной величины.
• Точность и погрешность — отклонение показаний от истинного значения.
• Быстродействие — время реакции на изменение измеряемого параметра.
• Селективность — способность реагировать только на целевой параметр, не откликаясь на посторонние воздействия.

¶Классификация

Датчики классифицируют по нескольким признакам.

По природе измеряемой величины различают датчики температуры, давления, положения и перемещения, скорости и ускорения, расхода, уровня, освещённости, магнитного и электрического поля, концентрации газов и другие.

По принципу действия выделяют:

• Резистивные — меняют сопротивление под действием величины (терморезисторы, тензодатчики).
• Ёмкостные — реагируют изменением ёмкости.
• Индуктивные и магнитные — основаны на изменении магнитного потока.
• Пьезоэлектрические — вырабатывают заряд при деформации.
• Термоэлектрические — используют термо-ЭДС (термопары).
• Оптические и фотоэлектрические — реагируют на свет.
• Полупроводниковые — в том числе на основе эффекта Холла.

По характеру выходного сигнала датчики делят на аналоговые и цифровые, по способу связи с объектом — на контактные и бесконтактные, по назначению — на измерительные, сигнальные и управляющие.

¶Устройство и принцип работы

Типовой датчик включает чувствительный элемент, преобразователь сигнала и, при необходимости, схему усиления, фильтрации и линеаризации. Например, в термопаре два разнородных металла при разности температур создают термо-ЭДС; в тензодатчике деформация упругого элемента меняет сопротивление наклеенной на него фольги; в датчике Холла магнитное поле отклоняет носители заряда в полупроводниковой пластине, создавая поперечное напряжение.

Современные датчики часто объединяют чувствительный элемент, микропроцессор и интерфейс передачи данных в одном корпусе. Такие устройства называют «интеллектуальными»: они способны к самодиагностике, калибровке и цифровой передаче результата.

¶Применение

Датчики применяются практически во всех отраслях.

В промышленности и энергетике ими оснащают системы автоматического регулирования: датчики давления и температуры контролируют работу котлов, турбин, трубопроводов. В машиностроении датчики положения и скорости обеспечивают работу станков с ЧПУ и роботов.

В автомобилестроении современный автомобиль содержит десятки датчиков: кислородные, положения коленвала, скорости вращения колёс, парковочные, датчики удара для подушек безопасности.

В медицине датчики используют в приборах для измерения пульса, артериального давления, насыщения крови кислородом, в диагностической аппаратуре.

В быту распространены датчики освещённости, движения, дыма, протечки воды, температуры в системах отопления.

В научных исследованиях и космической технике датчики служат для измерения параметров среды, вибраций, излучений и ориентации аппаратов.

¶Датчики в России

В России разработкой и производством датчиков занимаются как специализированные предприятия, так и научные организации. Исторически сильные позиции сохраняются в области датчиков для авиакосмической отрасли, энергетики, нефтегазового комплекса и оборонной промышленности. В стране развивается направление микроэлектромеханических систем (МЭМС), на основе которых создаются миниатюрные акселерометры, гироскопы и датчики давления. Ряд вузов и институтов ведёт исследования в области сенсорики, материалов для чувствительных элементов и метрологического обеспечения.

¶Тенденции развития

Современные направления развития датчиковой техники связаны с миниатюризацией, снижением энергопотребления, повышением точности и интеграцией в сетевые системы. Распространение получают беспроводные датчики и сенсорные сети, применяемые в «умных домах», промышленном интернете вещей и мониторинге окружающей среды. Развиваются технологии микро- и наносенсорики, а также гибкие и печатные датчики.

Источники: технические справочники по измерительной технике, энциклопедии по автоматике и приборостроению, материалы по сенсорике и микроэлектромеханическим системам.