Відмінності між версіями «Датчики мехатронних систем. Класифікація і характеристики»

Матеріал з Вікі ЦДУ
Перейти до: навігація, пошук
Рядок 1: Рядок 1:
−
== '''Датчик''' ==
+
== Датчик ==
 
'''Датчик''' – це пристрій, що сприймає зовнішні впливи і реагує на них зміною електричних сигналів.
 
'''Датчик''' – це пристрій, що сприймає зовнішні впливи і реагує на них зміною електричних сигналів.
 
Термін зовнішні впливи широко використовується, тому його необхідно правильно сприймати. Під зовнішнім впливом розуміється кількісна характеристика об'єкта, його властивість чи якість, які необхідно сприйняти і перетворити в електричний сигнал.
 
Термін зовнішні впливи широко використовується, тому його необхідно правильно сприймати. Під зовнішнім впливом розуміється кількісна характеристика об'єкта, його властивість чи якість, які необхідно сприйняти і перетворити в електричний сигнал.
Рядок 11: Рядок 11:
 
'''Поняття датчик необхідно відрізняти від поняття перетворювач'''. Перетворювач конвертує один тип енергії в інший, тоді як датчик перетворює будь-який тип енергії зовнішнього впливу в електричний сигнал. Прикладом перетворювача може служити гучномовець, що конвертує електричний сигнал в змінне магнітне поле для подальшого формування акустичних хвиль. Тут мова не йде ні про яке сприйнятті зовнішньої інформації. (Цікаво відзначити той факт, що якщо гучномовець підключити до входу підсилювача, він буде працювати як мікрофон. У цьому випадку його можна назвати акустичним датчиком.) Перетворювачі можуть виконувати також функції приводів. Привід можна визначити як пристрій, протилежне датчику, оскільки він перетворює електричну енергію, як правило, в неелектричну енергію. Прикладом приводу є електричний мотор, що перетворює електричну енергію в механічну.
 
'''Поняття датчик необхідно відрізняти від поняття перетворювач'''. Перетворювач конвертує один тип енергії в інший, тоді як датчик перетворює будь-який тип енергії зовнішнього впливу в електричний сигнал. Прикладом перетворювача може служити гучномовець, що конвертує електричний сигнал в змінне магнітне поле для подальшого формування акустичних хвиль. Тут мова не йде ні про яке сприйнятті зовнішньої інформації. (Цікаво відзначити той факт, що якщо гучномовець підключити до входу підсилювача, він буде працювати як мікрофон. У цьому випадку його можна назвати акустичним датчиком.) Перетворювачі можуть виконувати також функції приводів. Привід можна визначити як пристрій, протилежне датчику, оскільки він перетворює електричну енергію, як правило, в неелектричну енергію. Прикладом приводу є електричний мотор, що перетворює електричну енергію в механічну.
 
На рис. 1.1 показаний комплекс, що складається з комбінації різних датчиків, приводів і сигналізаторів, застосовуваний у корпорації МББап для підвищення безпеки автомобіля.
 
На рис. 1.1 показаний комплекс, що складається з комбінації різних датчиків, приводів і сигналізаторів, застосовуваний у корпорації МББап для підвищення безпеки автомобіля.
−
[[Файл:система.png|міні]]
+
[[Файл:система.png|міні]]''Рис. 1.1. Система безпеки автомобіля (з дозволу Nissan Motor Company)''
 +
----
 +
До його складу входять дві системи, що борються із засипанням водія за кермом автомобіля. Дія однієї з цих систем спрямоване на попередження водія, а інший – на вирівнювання курсу автомобіля. Для виконання цих функцій необхідні спеціальні датчики, роль яких можуть грати сенсори стеження за очним яблуком водія і детектори нахилу його голови. У систему видачі сигналу необхідності екстреного гальмування, побудовану на основі датчиків мікрохвильового, ультразвукового і інфрачервоного діапазонів, часто входить пристрій випереджаючого включення індикаторів гальмування, що дозволяє заздалегідь попередити про небезпеку водіїв транспортних засобів, що їдуть позаду. До складу системи попередження про перешкоди входять інфрачервоні детектори та радар. Адаптивна система круїз-контролю починає працювати в момент, коли водій занадто наблизився до попереду йде транспортному засобу: при цьому швидкість автомобіля негайно знижується для забезпечення безпечної дистанції. Пристрій моніторингу пішоходів визначає присутність людей на дорозі в темний час доби і в зонах, закритих для огляду, і попереджає про це водія автомобіля. Система контролю смуги руху визначає ситуації, при яких відхилення автомобіля відбувається не з волі водія. При цьому система оповіщає водія про відхід зі смуги і автоматично вирівнює транспортний засіб.
 +
Для того щоб віднести датчик до тієї чи іншої групи необхідно знати: які величини він може вимірювати, його характеристики, на якому фізичному принципі він реалізований, який механізм перетворень він застосовує, з якого матеріалу він виготовлений, яка область його застосування. У таблицях 1.1-1.6 представлена схема такої класифікації, яка є найбільш інформативною. Для прикладу розглянемо акселерометр на поверхневих акустичних хвилях (ПАР). Згідно з наведеними таблицями 1.1–1.7 йому можна дати наступне опис.
 +
----
 +
Таблиця 1.1
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Властивість
 +
! Характеристика
 +
|-
 +
| Зовнішній вплив
 +
| Прискорення
 +
|-
 +
| Характеристики
 +
| Чутливість визначається як відношення зміни частоти на одиницю прискорення,
 +
короткострокова
 +
і довгострокова стабільність
 +
і вимірюється в Гц на одиницю часу і т.д.
 +
|-
 +
| Фізичний принцип
 +
| Механічний
 +
|-
 +
| Механізм перетворень
 +
| Пружноелектричний
 +
|-
 +
| Матеріал
 +
| Неорганічний діелектрик
 +
|-
 +
| Область застосування
 +
| Морський і автомобільний транспорт,космічні дослідження, наукові вимірювання
 +
|}
 +
Таблиця 1.2
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Характеристики
 +
|-
 +
| Чутливість
 +
| Діапазон вхідних значень
 +
|-
 +
| Точність
 +
| Зовнішні умови
 +
|-
 +
| Швидкодія
 +
| Лінійність
 +
|-
 +
| Характеристики при перевантаженні
 +
| Мертва зона
 +
|-
 +
| Гістерезис
 +
| Формат вихідного сигналу
 +
|-
 +
| Експлуатаційний ресурс
 +
| Інші
 +
|-
 +
| Вартість, розміри, вага
 +
|-
 +
|}
 +
Таблиця 1.3
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Матеріали
 +
! датчиків
 +
|-
 +
| Неорганічні
 +
| Органічні
 +
|-
 +
| Провідники
 +
| Діелектрики
 +
|-
 +
| Напівпровідники
 +
| Рідини, гази, плазма
 +
|-
 +
| Біологічні тканини
 +
| Інші
 +
|-
 +
|}
 +
Таблиця 1.4
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Засоби детектування
 +
|-
 +
| Біологічні
 +
|-
 +
| Хімічні
 +
|-
 +
| Електричні, магнітні або електромагнітні хвилі
 +
|-
 +
| Тепло, температура
 +
|-
 +
| Механічне переміщення або хвиля
 +
|-
 +
| Радіоактивність, випромінювання
 +
|-
 +
| Інші
 +
|-
 +
|}
 +
Таблиця 1.5
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Механізм
 +
! перетворень
 +
|-
 +
| Фізичні
 +
| Хімічні
 +
|-
 +
| Термоелектрика
 +
| Хімічні перетворення
 +
|-
 +
| Фотоелектрика
 +
| Фізичні перетворення
 +
|-
 +
| Фотомагнетизм
 +
| Електрохімічний процес
 +
|-
 +
| Магнітоелектрика
 +
| Спектроскопія
 +
|-
 +
| Електромагнетизм
 +
| Інше
 +
|-
 +
| Термопружність
 +
| Біологічні
 +
|-
 +
| Електропружність
 +
| Біохімічні перетворення
 +
|-
 +
| Термомагнетизм
 +
| Фізичні перетворення
 +
|-
 +
| Термооптика
 +
| Вплив на тестовані організми
 +
|-
 +
| Фотопружність
 +
| Спектроскопія
 +
|-
 +
| Інше
 +
| Інші
 +
|-
 +
|}
 +
Таблиця 1.6
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Області
 +
! застосування
 +
|-
 +
| Архітектура
 +
| Цивільне будівництво, проектування
 +
|-
 +
| Розподіл, торгівля, фінанси
 +
| Відпочинок, розваги
 +
|-
 +
| Енергетика
 +
| Засоби інформації, телекомунікація
 +
|-
 +
|-
 +
| Охорона здоров'я, медицина
 +
| Домашнє застосування
 +
|-
 +
| Оборонна промисловість
 +
| Навколишнє середовище, метеорологія, засоби безпеки
 +
|-
 +
| Наукові дослідження
 +
| Космос
 +
|-
 +
| Транспорт (виключаючи автомобільний)
 +
| Судноплавство
 +
|-
 +
| Автомобільний транспорт
 +
| Інше
 +
|-
 +
|}
 +
Таблиця 1.7
 +
{| class="wikitable" border="1"
 +
|-
 +
! Зовнішній
 +
! вплив
 +
|-
 +
| Електричне поле (амплітуда, фаза, поляризація, спектр)
 +
| Амплітуда хвилі, фаза, поляризація
 +
|-
 +
| Магнітний потік
 +
| Магнітне поле (амплітуда, фаза, поляризація, спектр)
 +
|-
 +
| Елементи (ідентичність, концентрація, стан)
 +
| Швидкість хвилі
 +
|-
 +
| Діелектрична проникність
 +
| Проникність
 +
|-
 +
| Біологічний
 +
| Біомаса(вид, концентрація, стан)
 +
|-
 +
| Оптичний
 +
| В'язкість
 +
|-
 +
| Електричний
 +
| Заряд, струм
 +
|-
 +
| Потенціал, напруга
 +
| Спектр
 +
|-
 +
| Акустичний
 +
| Магнітний
 +
|-
 +
| Хімічний
 +
| Провідність
 +
|-
 +
|}
 +
----

Версія за 23:23, 9 березня 2023

Датчик

Датчик – це пристрій, що сприймає зовнішні впливи і реагує на них зміною електричних сигналів. Термін зовнішні впливи широко використовується, тому його необхідно правильно сприймати. Під зовнішнім впливом розуміється кількісна характеристика об'єкта, його властивість чи якість, які необхідно сприйняти і перетворити в електричний сигнал.

Вимірювана величина – це термін, що має аналогічне значення, проте в цьому терміні робиться акцент на кількісній характеристиці сенсорної функції. Призначення датчиків – реакція на певну зовнішню фізичного впливу і перетворення його в електричний сигнал, сумісний з вимірювальними схемами. Іншими словами, можна сказати, що датчик – це перетворювач фізичної величини (часто неелектричної) в електричний сигнал. Під терміном електричний сигнал розуміється сигнал, який може бути перетворений за допомогою електронних пристроїв, наприклад, посилено або переданий по лінії передач. Вихідними сигналами датчиків можуть бути напруга, струм або заряд, які описуються наступними характеристиками: амплітудою, частотою, фазою або цифровим кодом. Цей набір характеристик називається форматом вихідного сигналу. Таким чином, кожен датчик характеризується набором вхідних параметрів (будь-якої фізичної природи) і набором вихідних електричних параметрів. Будь який датчик є перетворювачем енергії. Незалежно від типу вимірюваної величини завжди відбувається передача енергії від досліджуваного об'єкта до датчика.

Робота датчика – це особливий випадок передачі інформації, а будь-яка передача інформації пов'язана з передачею енергії. Очевидним є той факт, що передача енергії може проходити в двох напрямках, тобто вона може бути як позитивною, так і негативною. Наприклад, енергія може передаватися від об'єкта до датчика, і, навпаки, від датчика до об'єкта. Особливим випадком є ситуація, при якій енергія дорівнює нулю, але і в цьому випадку відбувається передача інформації про існування саме такої особливої ситуації. Інфрачервоний датчик температури виробляє позитивну напругу, коли об'єкт тепліше датчика (інфрачервоне випромінювання направлено в сторону датчика), або негативну напругу, коли об'єкт холодніше датчика (інфрачервоне випромінювання направлено від датчика на об'єкт). Коли датчик і об'єкт мають однакову температуру, інфрачервоний потік дорівнює нулю, і вихідна напруга також дорівнює нулю. У цій ситуації і поміщена інформація про рівність температур датчика і об'єкта.

Поняття датчик необхідно відрізняти від поняття перетворювач. Перетворювач конвертує один тип енергії в інший, тоді як датчик перетворює будь-який тип енергії зовнішнього впливу в електричний сигнал. Прикладом перетворювача може служити гучномовець, що конвертує електричний сигнал в змінне магнітне поле для подальшого формування акустичних хвиль. Тут мова не йде ні про яке сприйнятті зовнішньої інформації. (Цікаво відзначити той факт, що якщо гучномовець підключити до входу підсилювача, він буде працювати як мікрофон. У цьому випадку його можна назвати акустичним датчиком.) Перетворювачі можуть виконувати також функції приводів. Привід можна визначити як пристрій, протилежне датчику, оскільки він перетворює електричну енергію, як правило, в неелектричну енергію. Прикладом приводу є електричний мотор, що перетворює електричну енергію в механічну. На рис. 1.1 показаний комплекс, що складається з комбінації різних датчиків, приводів і сигналізаторів, застосовуваний у корпорації МББап для підвищення безпеки автомобіля.

Система.png
Рис. 1.1. Система безпеки автомобіля (з дозволу Nissan Motor Company)

До його складу входять дві системи, що борються із засипанням водія за кермом автомобіля. Дія однієї з цих систем спрямоване на попередження водія, а інший – на вирівнювання курсу автомобіля. Для виконання цих функцій необхідні спеціальні датчики, роль яких можуть грати сенсори стеження за очним яблуком водія і детектори нахилу його голови. У систему видачі сигналу необхідності екстреного гальмування, побудовану на основі датчиків мікрохвильового, ультразвукового і інфрачервоного діапазонів, часто входить пристрій випереджаючого включення індикаторів гальмування, що дозволяє заздалегідь попередити про небезпеку водіїв транспортних засобів, що їдуть позаду. До складу системи попередження про перешкоди входять інфрачервоні детектори та радар. Адаптивна система круїз-контролю починає працювати в момент, коли водій занадто наблизився до попереду йде транспортному засобу: при цьому швидкість автомобіля негайно знижується для забезпечення безпечної дистанції. Пристрій моніторингу пішоходів визначає присутність людей на дорозі в темний час доби і в зонах, закритих для огляду, і попереджає про це водія автомобіля. Система контролю смуги руху визначає ситуації, при яких відхилення автомобіля відбувається не з волі водія. При цьому система оповіщає водія про відхід зі смуги і автоматично вирівнює транспортний засіб. Для того щоб віднести датчик до тієї чи іншої групи необхідно знати: які величини він може вимірювати, його характеристики, на якому фізичному принципі він реалізований, який механізм перетворень він застосовує, з якого матеріалу він виготовлений, яка область його застосування. У таблицях 1.1-1.6 представлена схема такої класифікації, яка є найбільш інформативною. Для прикладу розглянемо акселерометр на поверхневих акустичних хвилях (ПАР). Згідно з наведеними таблицями 1.1–1.7 йому можна дати наступне опис.

Таблиця 1.1

Властивість Характеристика
Зовнішній вплив Прискорення
Характеристики Чутливість визначається як відношення зміни частоти на одиницю прискорення,

короткострокова і довгострокова стабільність і вимірюється в Гц на одиницю часу і т.д.

Фізичний принцип Механічний
Механізм перетворень Пружноелектричний
Матеріал Неорганічний діелектрик
Область застосування Морський і автомобільний транспорт,космічні дослідження, наукові вимірювання

Таблиця 1.2

Характеристики
Чутливість Діапазон вхідних значень
Точність Зовнішні умови
Швидкодія Лінійність
Характеристики при перевантаженні Мертва зона
Гістерезис Формат вихідного сигналу
Експлуатаційний ресурс Інші
Вартість, розміри, вага

Таблиця 1.3

Матеріали датчиків
Неорганічні Органічні
Провідники Діелектрики
Напівпровідники Рідини, гази, плазма
Біологічні тканини Інші

Таблиця 1.4

Засоби детектування
Біологічні
Хімічні
Електричні, магнітні або електромагнітні хвилі
Тепло, температура
Механічне переміщення або хвиля
Радіоактивність, випромінювання
Інші

Таблиця 1.5

Механізм перетворень
Фізичні Хімічні
Термоелектрика Хімічні перетворення
Фотоелектрика Фізичні перетворення
Фотомагнетизм Електрохімічний процес
Магнітоелектрика Спектроскопія
Електромагнетизм Інше
Термопружність Біологічні
Електропружність Біохімічні перетворення
Термомагнетизм Фізичні перетворення
Термооптика Вплив на тестовані організми
Фотопружність Спектроскопія
Інше Інші

Таблиця 1.6

Області застосування
Архітектура Цивільне будівництво, проектування
Розподіл, торгівля, фінанси Відпочинок, розваги
Енергетика Засоби інформації, телекомунікація
Охорона здоров'я, медицина Домашнє застосування
Оборонна промисловість Навколишнє середовище, метеорологія, засоби безпеки
Наукові дослідження Космос
Транспорт (виключаючи автомобільний) Судноплавство
Автомобільний транспорт Інше

Таблиця 1.7

Зовнішній вплив
Електричне поле (амплітуда, фаза, поляризація, спектр) Амплітуда хвилі, фаза, поляризація
Магнітний потік Магнітне поле (амплітуда, фаза, поляризація, спектр)
Елементи (ідентичність, концентрація, стан) Швидкість хвилі
Діелектрична проникність Проникність
Біологічний Біомаса(вид, концентрація, стан)
Оптичний В'язкість
Електричний Заряд, струм
Потенціал, напруга Спектр
Акустичний Магнітний
Хімічний Провідність
Отримано з https://wiki.cusu.edu.ua/index.php?title=Датчики_мехатронних_систем._Класифікація_і_характеристики&oldid=379000