4 Телеметрические датчики и их классификация
Одно из главных средств телеметрии - устройство, являющееся источником информации – датчик.
Элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы называют датчиком.
Упрощённо, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Совокупность
операций, направленная на установление
численного значения телеметрируемого
параметра, составляет процесс
телеизмерения. Так как при измерении
используются электронные средства
обработки сигнала, необходимо сначала
преобразовать измеряемый параметр
в эквивалентную электрическую величину.
Это значит, что полученная электрическая
величина должна содержать всю информацию
об измеряемом параметре
.
Различают характеристики датчиков для статического и динамического режимов работы.
Статические характеристики датчика:
коэффициент преобразования или чувствительность,
, (1)
где
и
- приращение сигнала и параметра
соответственно;
порог чувствительности (разрешающая способность) – минимальное изменение параметра
,
вызывающее изменение выходного сигнала
и превышающее уровень собственных
шумов датчика.
Динамические свойства датчикахарактеризуются инерционностью. Для экспериментального определения динамических свойств датчика применяются стандартные типовые входные воздействия. По реакции на выходе датчика судят о его инерционных свойствах.
Характеристиками датчиков являются также диапазон измерений, надёжность, габариты и масса, потребляемая мощность и др.
Основные требования, предъявляемые к датчикам, это однозначная зависимость выходной величины от входной, стабильность характеристик во времени, высокая чувствительность, малые размеры и масса, отсутствие обратного воздействия на контролируемый процесс и на контролируемый параметр, работа при различных условиях эксплуатации, различные варианты монтажа.
В зависимости от вида входной (измеряемой) величиныразличают:
датчики механических перемещений (линейных и угловых),
пневматические,
электрические,
расходомеры,
датчики скорости,
ускорения,
усилия,
температуры,
давления и др.
По форме представления сигнала датчикиделят на:
аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: «включено/выключено» (иначе говоря, 0 или 1).
По характеру электрического сигнала:
датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения),
датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения),
датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения),
датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
В зависимости от метода преобразования неэлектрических величинв электрические сигналы различают активные (генераторные) и пассивные (параметрические) датчики. Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал. Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
Таблица 1 – Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков
|
Измеряемая величина |
Используемый эффект |
Выходная величина |
|
Температура |
Термоэлектрический эффект |
Напряжение |
|
Поток оптического излучения |
Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводнике Фотоэлектромагнитный эффект |
Заряд
Ток
Напряжение
Напряжение |
|
Сила, давление, ускорение |
Пьезоэлектрический эффект |
Заряд |
|
Скорость |
Электромагнитная индукция |
Напряжение |
|
Перемещение |
Эффект Холла |
Напряжение |
Таблица 2 – Физические принципы преобразования величин и материалы, используемые для построения пассивных датчиков
|
Измеряемая величина |
Электрическая характеристика, изменяющаяся под действием измеряемой величины |
Тип используемых материалов |
|
Температура |
Сопротивление |
Металлы (платина, никель, медь), полупроводники |
|
Сверхнизкие температуры |
Диэлектрическая проницаемость |
Стекло, керамика |
|
Поток оптического излучения |
Сопротивление |
Полупроводники |
|
Деформация |
Сопротивление |
Сплавы никеля, легированный кремний |
|
Емкость |
Магнитная проницаемость |
Ферромагнитные сплавы |
|
Перемещение |
Сопротивление |
Магниторезистивные материалы, висмут, антимонид |
|
Влажность |
Сопротивление, диэлектрическая проницаемость |
Хлористый литий, окись алюминия, полимеры |
|
Уровень |
Диэлектрическая проницаемость |
Жидкие изоляционные материалы |