Классификация датчиков и их назначение

Датчики — это сложные устройства, которые часто используются для обнаружения электрических или оптических сигналов и реагирования на них. Устройство преобразует физический параметр (температуру, артериальное давление, влажность, скорость) в сигнал, который может быть измерен устройством.

В этом случае классификация датчиков может быть разной. Существует несколько основных параметров разводки приборов учета, о которых речь пойдет ниже. В основном это разделение связано с действием различных сил.

Это легко объяснить на примере измерения температуры. Ртуть в стеклянном термометре расширяется и сжимает жидкость, чтобы преобразовать измеренную температуру, которая может быть прочитана наблюдателем из калиброванной стеклянной трубки.

Критерии выбора

Есть некоторые соображения, которые необходимо учитывать при классификации датчика. Они перечислены ниже:

1. Точность.
2. Условия окружающей среды: датчики обычно имеют пределы температуры и влажности.
3. Диапазон — предел измерения датчика.
4. Калибровка требуется для большинства измерительных приборов, поскольку показания меняются со временем.
5. Цена.
6. Повторяемость — переменные показания измеряются несколько раз в одной и той же среде.

Распределение по категориям

Классификации датчиков делятся на следующие категории:

1. Количество параметров первичного входа.
2. Принципы трансдукции (использование физических и химических эффектов).
3. Материал и технология.
4. Деловое свидание, встреча.

Принцип трансдукции — это фундаментальный критерий, которому следуют для эффективного сбора информации. Логистические критерии обычно выбираются командой разработчиков.

Классификация датчиков по свойствам распределяется следующим образом:

1. Температура: термисторы, термопары, термометры сопротивления, микросхемы.
2. Давление: оптоволокно, вакуум, манометры гибкие жидкости, LVDT, электронные.
3. Поток: электромагнитный, перепад давления, позиционное смещение, тепловая масса.
4. Датчики уровня: дифференциальное давление, ультразвуковая радиочастота, радар, тепловое смещение.
5. Близость и смещение: LVDT, фотоэлектрический, емкостной, магнитный, ультразвуковой.
6. Биосенсоры: резонансные зеркальные, электрохимические, поверхностный плазмонный резонанс, потенциометрические, направленные на свет.
7. Изображение: Устройства с зарядовой связью, CMOS.
8. Газ и химия: полупроводники, инфракрасное излучение, проводимость, электрохимия.
9. Ускорение: гироскопы, акселерометры.
10. Прочее: датчик влажности, датчик скорости, массы, датчик наклона, силы, вязкости.

Это большая группа подразделов. Примечательно, что с открытием новых технологий разделы постоянно пополняются.

Назначение классификации датчика по направлению использования:

1. Контроль, измерение и автоматизация производственного процесса.
2. Непромышленное использование: авиация, медицинские изделия, автомобили, бытовая электроника.

Датчики можно классифицировать по требованиям к мощности:

1. Активный датчик: устройства, требующие питания. Например, LiDAR (светоискатель и дальномер), фотопроводящий элемент.
2. Пассивный датчик: датчики, не требующие питания. Например, радиометры, пленочная фотография.

Эти два раздела включают все известные науке устройства.

В современных приложениях цель классификации датчиков может быть разделена на следующие группы:

1. Акселерометры — на основе технологии микроэлектромеханических датчиков. Они используются для наблюдения за пациентами, включая кардиостимуляторы и автомобильные динамические системы.
2. Биосенсоры — на основе электрохимической технологии. Они используются для тестирования продуктов питания, медицинских устройств, воды и обнаружения опасных биологических патогенов.
3. Датчики изображения — на основе технологии CMOS. Они используются в бытовой электронике, биометрии, наблюдении за дорожным движением и безопасностью, а также в компьютерной визуализации.
4. Детекторы движения — на основе инфракрасных, ультразвуковых и микроволновых / радиолокационных технологий. Используется в видеоиграх и симуляторах, световой активации и обнаружении безопасности.

Типы датчиков

Также есть основная группа. Он разделен на шесть основных областей:

1. Температура.
2. Инфракрасная радиация.
3. Ультрафиолет.
4. Датчик.
5. Подход, движение.
6. Ультразвук.

Каждая группа может включать подразделы, если технология используется хотя бы частично в составе конкретного устройства.

1. Датчики температуры

Это одна из основных групп. Классификация датчиков температуры объединяет все устройства, которые могут оценивать параметры на основе нагрева или охлаждения определенного типа вещества или материала.

Это устройство собирает информацию о температуре из одного источника и преобразует ее в форму, понятную для другого оборудования или человека. Лучшая иллюстрация датчика температуры — это ртуть в стеклянном термометре. Ртуть в стекле расширяется и сжимается при изменении температуры. Наружная температура является отправной точкой для измерения индикатора. Наблюдатель наблюдает за положением ртути для измерения параметра. Существует два основных типа датчиков температуры:

1. Контактные датчики. Этот тип устройства требует прямого физического контакта с объектом или владельцем. Они контролируют температуру твердых тел, жидкостей и газов в широком диапазоне температур.
2. Бесконтактные датчики. Датчик этого типа не требует физического контакта с измеряемым объектом или средой. Они контролируют твердые частицы и неотражающие жидкости, но бесполезны для газов из-за своей естественной прозрачности. Эти инструменты используют закон Планка для измерения температуры. Этот закон относится к теплу, выделяемому источником для измерения эталона.

Работа с различными устройствами

Принцип действия и классификация датчиков температуры делятся также на использование техники в других типах оборудования. Это могут быть приборные панели в автомобиле и специальные производственные единицы в производственном цехе.

1. Термопара: модули состоят из двух проводов (каждый из разных сплавов или однородных металлов), которые образуют измерительный переход, соединяясь на одном конце. Эта единица измерения открыта для изучаемых элементов. Другой конец провода заканчивается измерительным устройством, в котором сформирован опорный спай. По цепи течет ток, поскольку температура двух соединений разная. Результирующее напряжение в милливольтах измеряется для определения температуры в переходе.
2. Термометры сопротивления (RTD) — это термисторы, предназначенные для измерения электрического сопротивления при изменении температуры. Они дороже любого другого прибора для измерения температуры.
3. Термисторы. Это еще один тип термометров сопротивления, в которых большое изменение сопротивления пропорционально небольшому изменению температуры.

2. ИК-датчик

Это устройство излучает или обнаруживает инфракрасное излучение, чтобы определить определенную фазу в окружающей среде. Обычно тепловое излучение исходит от всех объектов инфракрасного спектра. Этот датчик обнаруживает источник, невидимый человеческому глазу.

Основная идея — использовать инфракрасные светодиоды для передачи световых волн на объект. Другой ИК-диод того же типа должен использоваться для обнаружения волны, отраженной от объекта.

Принцип действия

Классификация датчиков в системе автоматизации в этом направлении широко распространена. Это связано с тем, что технология позволяет использовать дополнительные средства для оценки внешних параметров. Когда инфракрасный приемник подвергается воздействию инфракрасного света, между проводами возникает разница напряжений. Электрические свойства компонентов инфракрасного датчика можно использовать для измерения расстояния до объекта. Когда инфракрасный приемник подвергается воздействию света, между проводами возникает разность потенциалов.

Где это применимо:

1. Термография: в соответствии с законом излучения объектов с помощью этой технологии можно наблюдать за окружающей средой в видимом свете или без него.
2. Обогрев: инфракрасный свет можно использовать для приготовления и разогрева пищи. Они могут удалить лед с крыльев самолета. Преобразователи популярны в промышленных приложениях, таких как печать, литье пластмасс и сварка полимеров.
3. Спектроскопия: этот метод используется для идентификации молекул путем анализа составляющих связей. Технология использует световое излучение для изучения органических соединений.
4. Метеорология: измерение высоты облаков, вычисление температуры земли и поверхности возможно, если метеорологические спутники оснащены сканирующими радиометрами.
5. Фотобиомодуляция: используется для химиотерапии онкологических больных. Дополнительно технология используется для лечения вируса герпеса.
6. Климатология: мониторинг энергообмена между атмосферой и землей.
7. Связь: инфракрасный лазер обеспечивает свет для оптоволоконной связи. Эти выбросы также используются для связи на короткие расстояния между мобильными устройствами и компьютерами.

3. УФ-датчик

Эти датчики измеряют интенсивность или мощность падающего ультрафиолетового излучения. Форма электромагнитного излучения имеет более длинную волну, чем рентгеновские лучи, но все же короче, чем видимое излучение.

Активный материал, известный как поликристаллический алмаз, используется для надежного измерения ультрафиолетового излучения. Устройства могут обнаруживать различные воздействия окружающей среды.

Критерии выбора устройства:

1. Диапазоны длин волн в нанометрах (нм), которые могут быть обнаружены ультрафиолетовыми датчиками.
2. Рабочая температура.
3. Точность.
4. Масса.
5. Шкала мощности.

Принцип действия

УФ-датчик принимает один тип энергетического сигнала и передает другой тип сигналов. Чтобы отслеживать и регистрировать эти исходящие потоки, они отправляются на счетчик электроэнергии. Для создания графиков и отчетов показания передаются в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), а затем на компьютер с программным обеспечением.

Используется в следующих устройствах:

1. Ультрафиолетовые фототрубки — это чувствительные к излучению датчики, которые контролируют УФ-обработку воздуха, УФ-обработку воды и воздействие солнца.
2. Датчики света: измеряют интенсивность падающего луча.
3. Ультрафиолетовые датчики — это устройства с зарядовой связью (ПЗС), используемые в лабораторной визуализации.
4. Детекторы ультрафиолетового света.
5. Бактерицидные УФ-детекторы.
6. Датчики фотостабильности.

4. Сенсорный датчик

Это еще одна отличная группа устройств. Классификация датчиков давления используется для оценки внешних параметров, ответственных за появление дополнительных характеристик под действием определенного объекта или вещества.

Датчик касания действует как переменный резистор в зависимости от того, где он подключен.

Сенсор касания состоит из:

1. Полностью проводящее вещество, такое как медь.
2. Изолированный промежуточный материал, такой как пенопласт или пластик.
3. Частично проводящий материал.

При этом строгого разделения нет. Классификация датчиков давления устанавливается путем выбора конкретного датчика, который оценивает возникающее напряжение внутри или снаружи исследуемого объекта.

Принцип действия

Частично проводящий материал препятствует прохождению тока. Принцип линейного энкодера состоит в том, что ток считается более противоположным, когда длина материала, через который должен проходить ток, больше. В результате сопротивление материала изменяется за счет изменения положения, в котором он контактирует с полностью проводящим объектом.

Классификация датчиков автоматизации полностью основана на описанном принципе. Здесь задействованы дополнительные ресурсы в виде специально разработанного программного обеспечения. Обычно программное обеспечение связано с сенсорными датчиками. Устройства могут запоминать «последнее прикосновение» при отключенном датчике. Они могут зарегистрировать «первое касание», как только датчик активирован, и понять все значения, связанные с ним. Это похоже на перемещение компьютерной мыши на другой конец панели, чтобы переместить курсор на противоположную сторону экрана.

5. Датчик приближения

Эта технология все чаще используется в современных автомобилях. Классификация электрических датчиков с использованием световых и сенсорных модулей набирает популярность среди производителей автомобилей.

Датчик приближения обнаруживает присутствие предметов практически без точек соприкосновения. Поскольку между модулями и воспринимаемым объектом нет контакта и механических частей, эти устройства имеют долгий срок службы и высокую надежность.

Различные типы датчиков приближения:

1. Индуктивные датчики приближения.
2. Емкостные датчики приближения.
3. Ультразвуковые датчики приближения.
4. Фотоэлектрические датчики.
5. Датчики Холла.

Принцип действия

Датчик приближения излучает электромагнитное или электростатическое поле или луч электромагнитного излучения (например, инфракрасного) и ожидает ответа или изменений в поле. Обнаруживаемый объект известен как цель записывающего диска.

Классификация датчиков по принципу действия и назначению будет следующей:

1. Индуктивные устройства: на входе есть генератор, который изменяет сопротивление потерь в непосредственной близости от электропроводящей среды. Эти устройства предпочтительнее для металлических предметов.
2. Емкостные датчики приближения: преобразуют изменение электростатической емкости между измерительными электродами и землей. Это происходит при приближении к ближайшему объекту с изменением частоты вибрации. Для обнаружения близлежащего объекта частота колебаний преобразуется в напряжение постоянного тока, которое сравнивается с заранее определенным пороговым значением. Эти устройства предпочтительнее для пластиковых предметов.

Классификация измерительного оборудования и датчиков не ограничивается приведенным выше описанием и параметрами. С появлением новых образцов средств измерений общая группа увеличивается. Утверждено несколько определений, позволяющих различать датчики и преобразователи. Датчики можно определить как элемент, который обнаруживает энергию, чтобы произвести вариант в той же или другой форме энергии. Датчик преобразует измеренное значение в желаемый выходной сигнал, используя принцип преобразования.

Основываясь на полученных и генерируемых сигналах, принцип можно разделить на следующие группы: электрические, механические, термические, химические, излучающие и магнитные.

6. Ультразвуковые датчики

Ультразвуковой датчик используется для обнаружения объекта. Это достигается за счет излучения ультразвуковых волн от головки устройства и последующего приема ультразвукового сигнала, отраженного соответствующим объектом. Помогает определять положение, присутствие и движение предметов.

Поскольку ультразвуковые датчики для обнаружения полагаются на звук, а не на свет, они широко используются для измерения уровня воды, процедур медицинского сканирования и автомобильной промышленности. Ультразвуковые волны могут обнаруживать невидимые объекты, такие как прозрачные пленки, стеклянные бутылки, пластиковые бутылки и плоское стекло, с помощью своих отражающих датчиков.

Принцип действия

Классификация индуктивных датчиков основана на области их использования. Важно учитывать физические и химические свойства предметов. Движение ультразвуковых волн различается в зависимости от формы и типа среды. Например, ультразвуковые волны распространяются непосредственно в однородной среде и отражаются и повторно передаются на границе раздела между различными средами. Человеческое тело в воздухе вызывает значительные отражения и его легко обнаружить.

В технологии используются следующие принципы:

1. Множественное отражение. Многократное отражение происходит, когда волны отражаются между датчиком и целью более одного раза.
2. Пограничная зона. Вы можете настроить минимальное расстояние обнаружения и максимальное расстояние обнаружения. Это называется пограничной зоной.
3. Зона обнаружения. Это расстояние между поверхностью головки датчика и минимальное расстояние срабатывания, полученное путем регулировки расстояния сканирования.

Устройства, оснащенные этой технологией, позволяют сканировать различные типы объектов. Источники ультразвука активно используются при создании транспортных средств.