Принцип действия датчика основан на. Датчики автомобильные: типы, варианты установки, особенности эксплуатации. Сенсоры, анализирующие состояние газов
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:
- 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.
- 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.
- 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:
- 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.
- Трехпроводные. Подобный вид индукционного датчика является самым распространенным. В таких схемах два провода следует подключить к напряжению, а один - непосредственно к нагрузке.
- 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:
- 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.
- 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;
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:
- Блок управления, обрабатывающий поступивший сигнал и передающий его нужным элементам.
- Устройство коммутации. Эта деталь смыкает и размыкает цепь, а также изменяет силу тока, потребляемую светильником.
- 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.
Прежде всего необходимо внести разграничение между понятиями «сенсор» и «датчик». Под датчиком традиционно понимается устройство, способное преобразовать входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования. Сегодня существует ряд требований, предъявляемых к современным датчикам:
- Однозначная зависимость выходной величины от входной.
- Стабильные показания независимо от времени использования.
- Высокий показатель чувствительности.
- Небольшие размеры и малая масса.
- Отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс.
- Возможность работы в различных условиях.
- Совместимость с другими устройствами.
Любой датчик включает в себя следующие элементы: чувствительный элемент и сигнализатор . В ряде случаев могут добавляться усилитель и селектор сигналов, но зачастую потребность в них отсутствует. Составные части датчика обуславливают и принцип его дальнейшей работы. В тот момент, когда в объекте наблюдения происходят какие-либо изменения, их фиксирует чувствительный элемент. Сразу после этого изменения отображаются на сигнализаторе, данные которого объективны и информативны, но не могут быть обработаны автоматически.
Рис. 22.
Примером простейшего датчика может служить ртутный термометр. В качестве чувствительного элемента используется ртуть, температурная шкала исполняет роль сигнализатора, а объектом наблюдения является температура. При этом важно понимать, что показания датчика представляют собой набор данных, а не информацию. Они не сохраняются во внешнюю или внутреннюю память и не пригодны для автоматизированной обработки, хранения и передачи.
Все датчики, использующиеся различными технологическими решениями из сферы Интернета вещей, можно разделить на несколько категорий. Основанием одной из самых удобных классификаций служит назначение устройств " 3:
- датчики присутствия и движения;
- детекторы положения, перемещения и уровня;
- датчики скорости и ускорения;
- датчики силы и прикосновения;
- датчики давления;
- расходомеры;
- акустические датчики;
- датчики влажности;
- детекторы световых излучении;
- датчики температуры;
- химические и биологические датчики.
Работа сенсоров серьезно отличается от работы датчиков. Прежде всего необходимо остановиться на определении понятия «сенсор». Под сенсором понимается устройство, способное преобразовать изменения, произошедшие в объекте наблюдения, в информационный сигнал, пригодный к дальнейшему хранению, обработке и передаче .
Схема работы сенсора близка к цепочке, характерной для датчика. В определенном смысле сенсор может трактоваться как улучшенный датчик, поскольку его структура может быть выражена в виде «составные элементы датчика» + «узел обработки информации». Функциональная схема сенсора выглядит следующим образом .
Рис. 23.
При этом классификация сенсоров по назначению эквивалентна такой же классификации для датчиков. Нередко сенсоры и датчики могут измерять одну и ту же величину у одного и того же объекта, но датчики будут демонстрировать данные, а сенсоры - еще и преобразовывать их в информационный сигнал.
Кроме того, существует особый тип сенсоров, который имеет смысл рассмотреть для понимания концепции Интернета вещей. Это так называемые «умные» сенсоры, функциональная схема которых дополняется наличием алгоритмов для первичной обработки собранной информации. Таким образом, обычный сенсор способен обработать данные и предоставить их в виде информации, а «умный» сенсор способен производить какие-либо действия с самостоятельно захваченной информацией из внешней среды.
В будущем можно ожидать серьезного развития ЗО-сенсоров, способных с высокой точностью сканировать окружающее пространство и строить его виртуальную модель . Так, в настоящий момент сенсор Capri 3D способен определять движения людей и их метрические харак-
теристики. Кроме того, данный сенсор может отсканировать объект внешней среды и сохранить информацию в САЭ-файле для дальнейшей отправки на печать на ЗЭ-принтере.
Рис. 24. Сенсор Capri 3D, подключенный к Samsung Nexus 10
Особого внимания заслуживает развитие устройств, сочетающих в себе сразу несколько сенсоров разного типа. Как говорилось в пункте 2.2.1, для получения знания необходима информация о разных характеристиках объекта. А использование разных сенсоров позволяет получить необходимую информацию. В некотором смысле такие устройства действительно могут узнавать людей. Примером подобного устройства может служить беспроводной контроллер Kinekt, использующийся в современных видеоиграх.
IR Emitter Color Sensor
Microphone Ar ray
Рис. 25. Устройство беспроводного контроллера Kinekt 57
Контроллер Kinekt содержит в себе сразу несколько компонентов: инфракрасный излучатель; инфракрасный приемник; цветная камера;
набор из 4 микрофонов и обработчика звукового сигнала; средство коррекции наклона.
Принцип работы контроллера Клпек! достаточно прост. Лучи, вышедшие из инфракрасного излучателя, отражаются и попадают в инфракрасный приемник. За счет этого удается получить информацию о пространственном положении человека, который играет в видеоигру. Камера способна зафиксировать различные цветовые данные, а микрофоны в состоянии улавливать голосовые команды игрока. В итоге контроллер оказывается в состоянии собрать достаточный объем информации о человеке, чтобы тот мог управлять игрой посредством движений или голосовых команд.
В определенном смысле контроллер Ктек! относится к сфере технологий Интернета вещей. Он способен идентифицировать игрока, собрать информацию о нем и передать другим устройствам (игровой приставке). Но подобный набор сенсоров потенциально может использоваться и в других перспективных для концепции Интернета вещей областях, включая сферу развертывания технологий «умного» дома.
Электротехническая энциклопедия #16.
Датчики
Классификация датчиков, основные требования к ним
Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин.
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры являются элементами многих систем автоматики - с их помощью получают информацию о параметрах контролируемой системы или устройства.
Датчик – это 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. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.
Используемые датчики весьма разнообразны и могут быть
классифицированы по различным признакам:В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина , различают неэлектрические и электрические : 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.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
Электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;
Электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
Они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические (датчики-модуляторы). 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.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
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); получили широкое распространение благодаря своей простоте.
Требования, предъявляемые к датчикам :
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 .
Параметрические датчики (датчики-модуляторы) входную величину X преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R , L или C ) датчика. Передать на расстояние изменение перечисленных параметров датчика без энергонесущего сигнала (напряжения или тока) невозможно. Выявить изменение соответствующего параметра датчика только и можно по реакции датчика на ток или напряжение, поскольку перечисленные параметры и характеризуют эту реакцию. Поэтому параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.
Омические (резистивные) датчики – принцип действия основан на изменении их активного сопротивления при изменении длины l , площади сечения S или удельного сопротивления p :
R = p l / S
Кроме того, используется зависимость величины активного сопротивления от контактного давления и освещённости фотоэлементов. В соответствии с этим омические датчики делят на: контактные, потенциометрические (реостатные), тензорезисторные, терморезисторные, фоторезисторные .
Контактные датчики - это простейший вид резисторных датчиков, которые преобразуют перемещение первичного элемента в скачкообразное изменение сопротивления электрической цепи. С помощью контактных датчиков измеряют и контролируют усилия, перемещения, температуру, размеры объектов, контролируют их форму и т. д. К контактным датчикам относятся путевые и концевые выключатели , контактные термометры и так называемые электродные датчики , используемые в основном для измерения предельных уровней электропроводных жидкостей.
Контактные датчики могут работать как на постоянном, так и на переменном токе. В зависимости от пределов измерения контактные датчики могут быть одно предельными и многопредельными. Последние используют для измерения величин, изменяющихся в значительных пределах, при этом части резистора R , включенного в электрическую цепь, последовательно закорачиваются.
Недостаток контактных датчиков - сложность осуществления непрерывного контроля и ограниченный срок службы контактной системы. Но благодаря предельной простоте этих датчиков их широко применяют в системах автоматики.
Реостатные датчики представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением. Входной величиной датчика является перемещение контакта, а выходной – изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связан с объектом, перемещение (угловое или линейное) которого необходимо преобразовать.
Наибольшее распространение получила потенциометрическая схема включения реостатного датчика, в которой реостат включают по схеме делителя напряжения. Напомним, что делителем напряжения называют электротехническое устройство для деления постоянного или переменного напряжения на части; делитель напряжения позволяет снимать (использовать) только часть имеющегося напряжения посредством элементов электрической цепи, состоящей из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности. Переменный резистор, включаемый по схеме делителя напряжения, называют потенциометром.
Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.
Датчик в виде простого реостата почти не используется вследствие значительной нелинейности его статической характеристики I н = f (х), где I н - ток в нагрузке.
Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U вых = f (х) соответствует закону изменения сопротивления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным.
Потенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материлов - обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д.
Тензорезисторы (тензометрические датчики ) служат для измерения механических напряжений, небольших деформаций, вибрации. Действие тензорезисторов основано на тензоэффекте, заключающемся в изменении активного сопротивления проводниковых и полупроводниковых материалов под воздействием приложенных к ним усилий.
Термометрические датчики (терморезисторы ) - сопротивление зависит от температуры. Терморезисторы в качестве датчиков используют двумя способами:
1) Температура терморезистора определяется окружающей средой; ток, проходящий через терморезистор, настолько мал, что не вызывает нагрева терморезистора. При этом условии терморезистор используется как датчик температуры и часто называется «термометром сопротивления».
2) Температура терморезистора определяется степенью нагрева постоянным по величине током и условиями охлаждения. В этом случае установившаяся температура определяется условиями теплоотдачи поверхности терморезистора (скоростью движения окружающей среды – газа или жидкости – относительно терморезистора, ее плотностью, вязкостью и температурой), поэтому терморезистор может быть использован как датчик скорости потока, теплопроводности окружающей среды, плотности газов и т. п. В датчиках такого рода происходит как бы двухступенчатое преобразование: измеряемая величина сначала преобразуется в изменение температуры терморезистора, которое затем преобразуется в изменение сопротивления.
Терморезисторы изготовляют как из чистых металлов, так и из полупроводников. Материал, из которого изготавливается такие датчики, должен обладать высоким температурным коэффициентом сопротивления, по возможности линейной зависимостью сопротивления от температуры, хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействиям окружающей среды. В наибольшей степени всем указанным свойствам удовлетворяет платина; в чуть меньшей – медь и никель.
По сравнению с металлическими терморезисторами более высокой чувствительностью обладают полупроводниковые терморезисторы (термисторы).
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L ) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механичесого воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.
Преимущества
- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов
- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания
- высокая частота переключений до 3000 Hz
- устойчив к механическим воздействиям
Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).
Емкостные датчики - принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.
Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:
С = e 0 e S / h
где e 0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; h - расстояние между обкладками конденсатора.
Зависимости C (S ) и C (h ) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.
Емкостные датчики, также как и индуктивные, питаются переменным напряжением (обычно повышенной частоты - до десятков мегагерц). В качестве измерительных схем обычно применяют мостовые схемы и схемы с использованием резонансных контуров. В последнем случае, как правило, используют зависимость частоты колебаний генератора от емкости резонансного контура, т.е. датчик имеет частотный выход.
Достоинства емкостных датчиков - простота, высокая чувствительность и малая инерционность. Недостатки - влияние внешних электрических полей, относительная сложность измерительных устройств.
Емкостные датчики применяют для измерения угловых перемещений, очень малых линейных перемещений, вибраций, скорости движения и т. д., а также для воспроизведения заданных функций (гармонических, пилообразных, прямоугольных и т. п.).
Емкостные преобразователи, диэлектрическая проницаемость e которых изменяется за счет перемещения, деформации или изменения состава диэлектрика, применяют в качестве датчиков уровня непроводящих жидкостей, сыпучих и порошкообразных материалов, толщины слоя непроводящих материалов (толщиномеры), а также контроля влажности и состава вещества.
Датчики – генераторы
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). Генераторными являются термоэлектрические, пьезоэлектрические, индукционные, фотоэлектрические и многие другие типы датчиков.
Индукционные датчики преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС индукции. Принцип действия датчиков основан на законе электромагнитной индукции. 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).
Температурные датчики. В современном промышленном производстве наиболее распространенными являются измерения температуры (так, на атомной электростанции среднего размера имеется около 1500 точек, в которых производится такое измерение, а на крупном предприятии химической промышленности подобных точек присутствует свыше 20 тыс.). Широкий диапазон измеряемых температур, разнообразие условий использования средств измерений и требований к ним определяют многообразие применяемых средств измерения температуры.
Если рассматривать датчики температуры для промышленного применения, то можно выделить их основные классы: кремниевые датчики температуры, биметаллические датчики, жидкостные и газовые термометры, термоиндикаторы, термисторы, термопары, термопреобразователи сопротивления, инфракрасные датчики.
Кремниевые датчики температуры используют зависимость сопротивления полупроводникового кремния от температуры. Диапазон измеряемых температур -50…+150 0 C . Применяются в основном для измерения температуры внутри электронных приборов.
Биметаллический датчик сделан из двух разнородных металлических пластин, скрепленных между собой. Разные металлы имеют различный температурный коэффициент расширения. Если соединенные в пластину металлы нагреть или охладить, то она изогнется, при этом замкнет (разомкнет) электрические контакты или переведет стрелку индикатора. Диапазон работы биметаллических датчиков -40…+550 0 C . Используются для измерения поверхности твердых тел и температуры жидкостей. Основные области применения – автомобильная промышленность, системы отопления и нагрева воды.
Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под воздействием температуры. Изменение цвета может быть обратимым и необратимым. Производятся в виде пленок.
Термопреобразователи сопротивления
Принцип действия термопреобразователей сопротивления (терморезисторов) основан на изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников в зависимости от температуры (рассмотрен ранее).
Платиновые терморезисторы предназначены для измерения температур в пределах от –260 до 1100 0 С. Широкое распространение на практике получили более дешевые медные терморезисторы, имеющие линейную зависимость сопротивления от температуры.
Недостатком меди является небольшое ее удельное сопротивление и легкая окисляемость при высоких температурах, вследствие чего конечный предел применения медных термометров сопротивления ограничивается температурой 180 0 C . По стабильности и воспроизводимости характеристик медные терморезисторы уступают платиновым. Никель используется в недорогих датчиках для измерения в диапазоне комнатных температур.
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют отрицательный или положительный температурный коэффициент сопротивления, значение которого при 20 0 C составляет (2…8)*10 –2 (0 C ) –1 , т.е. на порядок больше, чем у меди и платины. Полупроводниковые терморезисторы при весьма малых размерах имеют высокие значения сопротивления (до 1 МОм). В качестве полупров. материала используются оксиды металлов: полупроводниковые терморезисторы типов КМТ - смесь окислов кобальта и марганца и ММТ - меди и марганца.
Полупроводниковые датчики температуры обладают высокой стабильностью характеристик во времени и применяются для изменения температур в диапазоне от –100 до 200 0 С.
Термоэлектрические преобразователи (термопары) - п ринцип действия термопар основан на термоэлектрическом эффекте, который состоит в том, что при наличии разности температур мест соединений (спаев) двух разнородных металлов или полупроводников в контуре возникает электродвижущая сила, называемая термоэлектродвижущей (сокращенно термо-ЭДС). В определенном интервале температур можно считать, что термо-ЭДС прямо пропорциональна разности температур ΔT = Т 1 – Т 0 между спаем и концами термопары.
Соединенные между собой концы термопары, погружаемые в среду, температура которой измеряется, называют рабочим концом термопары. Концы, которые находятся в окружающей среде, и которые обычно присоединяют проводами к измерительной схеме, называют свободными концами. Температуру этих концов необходимо поддерживать постоянной. При этом условии термо-ЭДС Е т будет зависеть только от температуры T 1 рабочего конца.
U вых = E т = С(Т 1 – Т 0) ,
где С – коэффициент, зависящий от материала проводников термопары.
Создаваемая термопарами ЭДС сравнительно невелика: она не превышает 8 мВ на каждые 100 0 С и обычно не превышает по абсолютной величине 70 мВ. Термопары позволяют измерять температуру в диапазоне от –200 до 2200 0 С.
Наибольшее распространение для изготовления термоэлектрических преобразователей получили платина, платинородий, хромель, алюмель.
Термопары имеют следующие преимущества : простота изготовления и надёжность в эксплуатации, дешевизна, отсутствие источников питания и возможность измерений в большом диапазоне температур.
Наряду с этим термопарам свойственны и некоторые недостатки - меньшая, чем у терморезисторов, точность измерения, наличие значительной тепловой инерционности, необходимость введения поправки на температуру свободных концов и необходимость в применении специальных соединительных проводов.
Инфрокрасные датчики (пирометры) - используют энергию излучения нагретых тел, что позволяет измерять температуру поверхности на расстоянии. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.
Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0 С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта.
Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0 С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы).
Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 0 С.
Пирометры позволяют измерять температуру в труднодоступных местах и температуру движущихся объектов, высокие температуры, где другие датчики уже не работают.
Для измерения температур от – 80 до 250 0 С часто используются так называемые кварцевые термопреобразователи, использующие зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Работа данных датчиков основана на том, что зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования изменяются в зависимости от ориентации среза относительно осей кристалла кварца. Данные датчики широко используются в цифровых термометрах.
Пьезоэлектрические датчики
Действие пьезоэлектрических датчиков основано на использовании пьезоэлектрического эффекта (пьезоэффекта), заключающегося в том, что при сжатии или растяжении некоторых кристаллов на их гранях появляется электрический заряд, величина которого пропорциональна действующей силе.
Пьезоэффект обратим, т. е. приложенное электрическое напряжение вызывает деформацию пьезоэлектрического образца - сжатие или растяжение его соответственно знаку приложенного напряжения. Это явление, называемое обратным пьезоэффектом, используется для возбуждения и приема акустических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.
Используются для измерения сил, давления, вибрации и т.д.
Оптические (фотоэлектрические) датчики
Различают аналоговые и дискретные оптические датчики. У аналоговых датчиков выходной сигнал изменяется пропорционально внешней освещенности. Основная область применения – автоматизированные системы управления освещением.
Датчики дискретного типа изменяют выходное состояние на противоположное при достижении заданного значения освещенности.
Фотоэлектрические датчики могут быть применены практически во всех отраслях промышленности. Датчики дискретного действия используются как своеобразные бесконтактные выключатели для подсчета, обнаружения, позиционирования и других задач на любой технологической линии.
, регистрирует изменение светового потока в контролируемой области, связанное с изменением положения в пространстве каких-либо движущихся частей механизмов и машин, отсутствия или присутствия объектов. Благодаря большим расстояниям срабатывания оптические бесконтактные датчики нашли широкое применение в промышленности и не только.
Оптический бесконтактный датчик состоит из двух функциональных узлов, приемника и излучателя. Данные узлы могут быть выполнены как в одном корпусе, так и в различных корпусах.
По методу обнаружения объекта фотоэлектрические датчики подразделяются на 4 группы:
1) пересечение луча - в этом методе передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на рабочем расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается, в следствии перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует меняя состояние выхода.
2) отражение от рефлектора - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Напротив датчика устанавливается рефлектор (отражатель). Датчики с рефлектором устроены так, что благодаря поляризационному фильтру они воспринимают отражение только от рефлектора. Это рефлекторы, которые работают по принципу двойного отражения. Выбор подходящего рефлектора определяется требуемым расстоянием и монтажными возможностями.
Посылаемый передатчиком световой сигнал отражаясь от рефлектора попадает в приемник датчика. Если световой сигнал прекращается, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
3) отражение от объекта - в этом методе приемник и передатчик датчика находятся в одном корпусе. Во время рабочего состояния датчика все объекты, попадающие в его рабочую зону, становятся своеобразными рефлекторами. Как только световой луч отразившись от объекта попадает на приемник датчика, тот немедленно реагирует, меняя состояние выхода.
4) фиксированное отражение от объекта -принцип действия датчика такой же как и у "отражение от объекта" но более чутко реагирующий на отклонение от настройки на объект. Например, возможно детектирование вздутой пробки на бутылке с кефиром, неполное наполнение вакуумной упаковки с продуктами и т.д.
По своему назначению фотодатчики делятся на две основные группы: датчики общего применения и специальные датчики. К специальным, относятся типы датчиков, предназначенные для решения более узкого круга задач. К примеру, обнаружение цветной метки на объекте, обнаружение контрастной границы, наличие этикетки на прозрачной упаковке и т.д.
Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.
Микроволновые датчики
На смену кнопочно - релейным пультам приходят микропроцессорные автоматические системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) высочайшей производительности и надежности, датчики оснащаются цифровыми интерфейсами связи, однако это не всегда приводит к повышению общей надежности системы и достоверности ее работы. Причина заключается в том, что сами принципы действия большинства известных типов датчиков накладывают жесткие ограничения на условия, в которых они могут использоваться.
Например, для слежения за скоростью движения промышленных механизмов широко применяются бесконтактные (емкостные и индуктивные), а также тахогенераторные устройства контроля скорости (УКС). Тахогенераторные УКС имеют механическую связь с движущимся объектом, а зона чувствительности бесконтактных приборов не превышает нескольких сантиметров.
Все это не только создает неудобства при монтаже датчиков, но и существенно затрудняет использование этих приборов в условиях пыли, которая налипает на рабочие поверхности, вызывая ложные срабатывания. Перечисленные типы датчиков не способны напрямую контролировать объект (например, ленту конвейера) - они настраиваются на движение роликов, крыльчаток, натяжных барабанов и т. д. Выходные сигналы некоторых приборов настолько слабы, что лежат ниже уровня промышленных помех от работы мощных электрических машин.
Аналогичные трудности возникают при использовании традиционных сигнализаторов уровня - датчиков наличия сыпучего продукта. Такие устройства необходимы для своевременного отключения подачи сырья в производственные емкости. К ложным срабатываниям приводит не только налипание и пыль, но и прикосновение потока продукта при его поступлении в бункер. В неотапливаемых помещениях на работу датчиков влияет окружающая температура. Ложные срабатывания сигнализаторов вызывают частые остановки и запуски нагруженного технологического оборудования - основную причину его аварий, приводят к завалам, обрыву конвейеров, возникновению пожаро- и взрывоопасных ситуаций.
Указанные проблемы несколько лет назад привели к разработке принципиально новых типов приборов - радиолокационных датчиков контроля скорости, датчиков движения и подпора, работа которых основана на взаимодействии контролируемого объекта с радиосигналом частотой около 10 10 Гц.
Использование микроволновых методов контроля за состоянием технологического оборудования позволяет полностью избавиться от недостатков датчиков традиционных типов.
Отличительными особенностями этих устройств являются:
Отсутствие механического и электрического контакта с объектом (средой), расстояние от датчика до объекта может составлять несколько метров;
Непосредственный контроль объекта (транспортерной ленты, цепи) а не их приводов, натяжных барабанов и т. д.;
Малое энергопотребление;
Нечувствительность к налипанию продукта за счет больших рабочих расстояний;
Высокая помехоустойчивость и направленность действия;
Разовая настройка на весь срок службы;
Высокая надежность, безопасность, отсутствие ионизирующих излучений.
Принцип действия датчика основан на изменении частоты радиосигнала, отраженного от движущегося объекта. Это явление ("эффект Допплера" ) широко используется в радиолокационных системах для дистанционного измерения скорости. Движущийся объект вызывает появление электрического сигнала на выходе микроволнового приемо-передающего модуля.
Так как уровень сигнала зависит от свойств отражающего объекта, датчики движения могут использоваться для того, чтобы сигнализировать об обрыве цепи (ленты), наличии на конвейерной ленте каких-либо предметов или материалов. Лента имеет гладкую поверхность и низкий коэффициент отражения. Когда мимо датчика, установленного над рабочей веткой транспортера, начинает двигаться продукт, увеличивая коэффициент отражения, прибор сигнализирует о движении, то есть, фактически о том, что лента не пуста. По длительности выходного импульса можно на значительном расстоянии судить о размере перемещаемых предметов, производить селекцию и т.д.
При необходимости заполнить какую-либо емкость (от бункера до шахты) можно точно определить момент окончания засыпки - опущенный на определенную глубину датчик будет показывать движение наполнителя до тех пор, пока не будет засыпан.
Конкретные примеры использования микроволновых датчиков движения в различных отраслях промышленности определяются ее спецификой, но в целом они способны решать самые разнообразные задачи безаварийной эксплуатации оборудования и повысить информативность автоматизированных систем управления.
Список использованных источников
1) Е.М. Гордин, Ю.Ш. Митник, В.А. Тарлинский
Основы автоматики и вычислительной техники
Москва «Машиностроение», 1978
2) Густав Олссон, Джангуидо Пиани
Цифровые системы автоматизации и управления
СПб.: Невский Диалект, 2001
3) В.В.Сазонов Методические указания к выполнению лабораторной работы
«Исследование реостатного датчика линейных перемещений»
4) Чугайнов Н.Г. Реферат «Температурные датчик», Красноярск 2003
5) Федосов А. В. Реферат «Датчики скорости» - Москва 2003
6) Д. Н. Шестаков, генеральный директор ООО "ПромРадар"
Микроволновые датчики промышленного применения
7) Журнал «Современная электроника» 6, 2006
8) Каталог предприятия «Сенсор»
9) Компоненты OMRON / Фотоэлектрические датчики
Автор статьи : Сергей Никулин, преподаватель УО "Гомельский государственный политехнический колледж " .Важнейшим и наиболее широко используемым техническим средством автоматизации являются датчики.
Датчиком называется первичный преобразователь контролируемой или регулируемой величины в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего использования. В состав датчика входят воспринимающий (чувствительный) орган и один или несколько промежуточных преобразователей. Довольно часто датчик состоит только из одного воспринимающего органа (например: термопара, термометр сопротивления и т.д.) . Датчик характеризуется входными и выходными величинами.
Изменение выходной величины в зависимости от изменения входной величины
называется чувствительностью датчика ;
Изменение выходного сигнала, возникающего в результате изменения внутренних
свойств датчика или изменения внешних условий его работы - изменения
температуры среды, колебания напряжения и т.д. называются погрешностью датчика ;
Отставание изменений выходной величины от изменений входной величины
называется инерционностью датчика .
Все эти показатели датчиков необходимо учитывать при выборе датчиков для автоматизации конкретной машины или технологического процесса.
Датчики предназначенные для измерения физических (не электрических входных величин уровня влажности, плотности, температуры и др.) преобразуют их в электрические выходные величины, передаваемые на расстоянии для воздействия на исполнительный механизм.
Датчики подразделяются:
- по назначению - измерение перемещения усилий, температуры, влажности, скорости
- по принципу действия - электротехнические, механические, тепловые, оптические, и
- по способу преобразования - неэлектрической величины в электрическую -
индуктивные, термоэлектрические, фотоэлектрические, радиоактивные, активного
сопротивления (потенциометрические, тензометрические, и т.д.).
Датчики бывают:
- контактные (непосредственно соприкасаются);
- бесконтактные (не соприкасаются: фотоэлектрические, ультразвуковые,
радиоактивные, оптические и т.д.).
ПЕРЕЧЕНЬ
используемых в строительном производстве для автоматизации строительных машин и технологических процессов, технических средств автоматизации и автоматизированных систем управления.
1. Для контроля и информации:
1.1 качество уплотняемого грунта (плотность);
1.2 подсчёт выполняемого объема работ (пройденных км, поданной воды и т.д.);
1.3 скорость движения машины;
1.4 наличие жидкости в ёмкости и её количество;
1.5 количество сыпучих материалов, находящихся в ёмкости (цемент, песок, щебень
2. Для регулирования:
2.1 поддержание заданной температуры при прогреве бетона;
2.2 термостат охлаждающей жидкости двигателя внутреннего сгорания;
2.3 давление жидкости в ёмкости (системе);
2.4 давление газов (воздуха) в системе (ёмкости);
2.5 грузоподъёмность грузоподъёмных и других машин;
2.6 высота подъёма рабочего органа машины (стрелы крана, рабочей площадки,
подъёмников и лифтов, загрузочного скипа, ковша и т.д.);
2.7 высота подъёма груза грузоподъёмной машины;
2.8 поворот стрелы грузоподъёмного крана;
2.9 ограничение движения машины по путям (башенный или мостовой кран, тележки
2.10 ограничение приближения к проводам, находящихся под напряжением (стрела и
трос грузоподъёмного крана);
2.11 поддержание заданного уровня и уклона дна котлована и траншеи при работе
экскаватора;
2.12 защита от короткого замыкания;
2.13 защита от повышения (понижения) напряжения;
2.14 отключение всех двигателей и закрепление захватами за рельсы башенного крана в зависимости от скорости ветра.
3. Для локальной автоматизации системы управления:
3.1 режим работы двигателя в зависимости от нагрузки на рабочий орган (бульдозер - заглубление отвала, скрепер и грейдер - заглубление ножа, экскаватор - заглубление ковша);
3.2 задание доз компонентов бетонной смеси в соответствии с рецептурой;
3.3 дозирование составляющих материалов для приготовления бетонной смеси;
3.4 определение продолжительности и выдерживание этой подолжительности при приготовлении бетонной смеси.
4. Для автоматизации системы управления:
4.1 автоматизированная система управления работой бетоносмесительной установки;
4.2 автоматизированная система управления бульдозером - комплект “АКА-Дормаш”, “Комбиплан-10 ЛП”, при выполнении работ по заданным отметкам, уклону и направлению;
4.3 автоматизированная система управления автогрейдером - “Профиль-20”,
”Профиль-30” при профилировании дорог и планировка территории;
4.4 автоматизированная система управления скрепером - “Копир-Стабиплан-10” при разработке грунта или вертикальной планировке под заданную отметку (высотное положение ковша, перемещение задней стенки ковша, заглубление (подъём) ножа ковша и регулирование двигателя тягача и его направление;
4.5 автоматизированная система управления многоковшовым экскаватором при разработке траншей по заданному направлению, глубине копания, заданному уклону дна траншеи и регулирования работы двигателя.
Для наглядного изображения автоматизированной (автоматической) системы используются графические изображения:
Структурная схема, которая отражает улучшенную структуру системы и взаимосвязи между пунктами контроля и управления объектами;
Функциональная схема, чертёж на котором схематически условными обозначениями изображены технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации (приборы, регуляторы, датчики) указанием связей между
технологическим оборудованием и элементами автоматики. На схеме указаны параметры которые подлежат контролю и регулированию;
А также принципиальные, монтажные и другие схемы.
Датчик присутствия – электронный прибор, регистрирующий бесконтактными методами объекты определенного класса на территории своего контроля.
В зависимости от результатов регистрации он может коммутировать электрические импульсы, по сигналам которых другие устройства выполняют различного рода действия.
Автоматическое включение электросушилки при поднесении рук, срабатывание некоторых типов автомобильных сигнализаций, остановка конвейеров в случае заполнения бункеров на промышленных предприятиях – примеры функционирования датчиков присутствия.
По принципу действия:
- ультразвуковые: барьерные, диффузионные;
- фотоэлектрические: барьерные (тип Б), рефлекторные (тип Р), диффузионные (тип Д);
- емкостные;
- акустические;
- инфракрасные;
- датчики нагрузки;
- комбинированные.
По количеству блоков датчика:
- однопозиционные;
- двухпозиционные;
- многопозиционные.
По способу монтажа: накладные и встраиваемые.
По методу получения входящего сигнала: активные и пассивные.
По способу передачи исходящего сигнала: проводные и беспроводные.
Рассмотрим подробно каждый из видов, определим области их применения, оценим достоинства и недостатки.
Ультразвуковые датчики присутствия
Испускают и принимают волны, не улавливаемые человеческим ухом (частотой порядка 200 кГц).
Возможны два режима работы:
Барьерный : между датчиками, расположенными друг напротив друга, проходит ультразвуковая волна. Она не попадет в приемник, если в зоне действия появится посторонний предмет (барьер).
Диффузионный : с использованием датчика, который испускает волну, а затем улавливает её, отраженную от объекта, оказавшегося на пути луча.
В обоих случаях при появлении постороннего предмета коммутируется сигнал, передающийся на исполняющие устройства.
Преимущества ультразвуковых датчиков в сравнении с оптическими, выполняющими сходные задачи:
- обнаружение прозрачных объектов;
- невосприимчивость к световым вспышкам и бликам;
- работоспособность в сложных условиях (туман, пыль, пар).
Недостатки:
- низкая дальность (верхний порог) фиксации;
- ненадежность регистрации объектов из мягких материалов (ткань, пористая резина);
- наличие “слепой зоны” (нижнего порога обнаружения).
Примеры использования ультразвуковых датчиков: парковочные системы современных автомобилей, подсчет количества единиц готовой продукции на конвейере.
Фотоэлектрические датчики присутствия
Фотоэлектрические датчики Б и Д типа работают по схожей с ультразвуковыми схеме. Отличие заключается в использовании оптического излучения вместо ультразвукового. Это дает следующие преимущества:
- высокий порог фиксации (до 150 метров у барьерных датчиков);
- быстродействие;
- отсутствие слепой зоны.
Недостатки:
- невозможность регистрации прозрачных объектов;
- сбои в условиях тумана, пыли, при проявлении световых вспышек и бликов.
У датчиков типа Р приемник и излучатель смонтированы в одном корпусе. Выпущенный луч отражается от рефлектора (катафота, отражателя), находящегося на расстоянии до 8 метров, и возвращается назад. Прибор подает сигнал, если световой поток прерывается объектом контроля.
В сравнении с типом Б, тип Р теряет в дальности действия, но его достоинства – компактность и простота монтажа.
Фотоэлектрические датчики используются для контроля за упаковочными и производственными линиями, проверки уровня наполнения прозрачной тары, предотвращения несанкционированного доступа на закрытые территории, остановки промышленного оборудования при попадании человека в опасные зоны.
Емкостные
Конструктивно представляют собой цилиндрические или плоскопараллельные конденсаторы.
При появлении объекта в зоне действия изменяется их диэлектрическая проницаемость, а значит и емкость, что вызывает срабатывание (см. ).
Приборы применяются для контроля за заполнением резервуаров жидкостями и сыпучими материалами, как счетчики единиц готовой продукции и элементы противоугонных систем автомобилей
Преимущества емкостных датчиков – низкая инерционность и высокий порог чувствительности. Недостаток – вероятность сбоев в работе под влиянием внешних электромагнитных полей.
Акустические датчики присутствия
В них посредством пьезоэлектрических материалов происходит преобразование звуковой волны в электрический сигнал.
Представляют собой микрофоны, работающие в диапазоне частот 20-20000 Гц:
- низкоомные (катушки индуктивности с подвижными магнитами);
- высокоомные (эквивалентные переменные конденсаторы).
Используются как звуковые датчики света, работающие совместно с с и экономящие электроэнергию. При превышении порога шума в комнате происходит автоматическое включение света. Если наступает тишина, через 20-25 секунд лампы выключаются.
Достоинства прибора:
- простота конструкции;
- надежность.
Недостатки:
- необходимость использования усилителей;
- вероятность ложных срабатываний в результате внешних и внутренних шумов (резкие звуки с улицы, включение радио, телефонные звонки).
Инфракрасные датчики присутствия
Принцип действия приборов основан на фиксации изменений потока инфракрасных (ИК) лучей в результате перемещений человека. Его пребывание распознается по большей интенсивности (в сравнении с предметами интерьера) излучения, которое напрямую зависит от температуры тела.
Основные детали датчика – фотоэлементы и мультилинза, состоящая из большого числа сегментов – маленьких линз. Каждая из них направляет попадающие в неё лучи на фотоэлемент.
Двигаясь, человек оказывается в зонах контроля разных сегментов. Свет на фотоэлементе то исчезает, то появляется, генерируя электрический сигнал.
В строгом понимании по принципу действия такое устройство – , а не присутствия. К последней категории относят особо точные приборы с большим числом участков контроля. Они способны улавливать наличие человека, находящегося в состоянии почти полного покоя. Фиксируются мельчайшие жесты: покачивания головой, нажатие пальцами клавиатуры и т.п.
Радиус обнаружения (R) – основная характеристика устройства. Его монтаж должен производиться так, чтобы расстояние до самых дальних углов комнаты не превышало R. В помещениях большой площади требуется установка нескольких датчиков.
Необходимо, чтобы на пути ИК луча не было перегородок, даже стеклянных, которые для него непрозрачны.
Недопустимо попадание на прибор прямого света ламп, он должен находиться на максимальном расстоянии от вентиляторов, кондиционеров и обогревателей.
Инфракрасные датчики используют как средства , в качестве дополнительного и для автоматизации электроснабжения, приводящей к экономии средств.
Их достоинства:
- точность регулировки;
- полная безопасность для здоровья ввиду отсутствия любых видов излучения;
- реакция только на объекты, температура которых превышает пороговую.
Недостатки:
- неточность функционирования на открытых пространствах (влияние осадков, солнечного света);
- вероятность ложных включений под воздействием теплых потоков воздуха;
- помехи от объектов, не пропускающих ИК излучение;
- низкий диапазон рабочих температур.
Датчики нагрузки
Это конвертеры, преобразовывающие механическое усилие в электрический ток.
Конструктивно датчик представляет собой тензорезистор в виде тонкой проволоки, зигзагообразно, как обогреватель автомобильного стекла, закрепленный на эластичной подложке. Как упругий элемент используется ткань, резина, полимерная пленка.
Под действием силы проводник деформируется, сопротивление его меняется, что генерирует электрический сигнал, подающийся после усиления на исполнительные устройства.
Использование приборов:
Как датчиков присутствия пассажира. Штатных – в целях безопасности (индикация пристегнутого ремня и данные для срабатывания подушек безопасности). Устанавливаемых индивидуально – для контроля за работой такси (фиксирование состояния машины – “свободен/занят”).
В качестве элементов стационарных и и безопасности, сигнализирующих о несанкционированном доступе в помещение.
Преимущество тензорезисторных датчиков нагрузки – малая толщина, обеспечивающая скрытую установку (маскировка под коврик у дверей), и легкость монтажа на пассажирские сидения.
Недостатки:
- необходимость использования усилителя сигнала;
- подверженность многократно повторяющимся механическим нагрузкам, что приводит к выходу из строя;
- снижение чувствительности при перепадах температур.
Комбинированные датчики присутствия
Иногда для достижения поставленных целей устройства одного типа недостаточно. В таких случаях их можно задействовать несколько с разными принципами работы.
На примере рассмотрим эксплуатацию инфракрасного датчика присутствия в комбинации с датчиком освещенности.
Первый подает сигнал на включение ламп при обнаружении им человека в комнате.
Второй – в случае показателей освещенности ниже установленного порогового значения.
Работая совместно, они в автоматическом режиме зажгут светильники только в случае присутствия людей в помещении в темное время суток.
Такой подход создает комфортные условия жизнедеятельности и приводит к 30-40 % экономии электроэнергии.
При охране объектов датчики с различным принципом действия объединяют в системы. Это повышает надежность и уменьшает количество ложных срабатываний.
Устройство датчиков присутствия
Датчики представляют собой приборы, состоящие из одного (однопозиционные), двух (двухпозиционные) или нескольких (многопозиционные) блоков. Каждый – устройство в пластиковом корпусе с микросхемой для отправки, приема и обработки сигналов.
Их конструктивная особенность – отсутствие перемещающихся, испытывающих механические нагрузки деталей. Исключение – эластичные подложки с тензорезисторами в датчиках нагрузки.
Как следствие, возможные неисправности ограничиваются выходом из строя деталей микросхем и самостоятельному устранению не подлежат.
Варианты монтажа датчиков . В зависимости от конструктивных особенностей датчики устанавливаются в монтажные коробки либо непосредственно на стены или потолок (накладные модели).
Преимуществ в эксплуатации ни один из способов не дает, на выбор могут повлиять только дизайнерские решения.
Способы получения сигнала . По способу получения сигнала датчики присутствия бывают двух видов:
- активные – излучают энергию в окружающую среду и получают данные на основе отклика (ультразвуковые, фотоэлектрические);
- пассивные – фиксируют объекты по их свойствам, предварительно не посылая сигналы (инфракрасные, акустические, емкостные, датчики нагрузки).
Передача сигнала датчиками присутствия . Получив и обработав информацию, датчик присутствия отправляет сигнал на исполнительные устройства:
- посредством электрических проводов;
- по защищенному радиоканалу.
Во втором варианте расстояние между датчиком и принимающим блоком достигает 200 м. Использование усилителей увеличивает этот показатель, а препятствия на пути – снижают.
При беспроводной передаче сигнала для связи с конкретным исполнительным устройством датчику задается его код. Это осуществляется путем установки джамперов (перемычек).
Если использовать приборы с кодом обучения, то нужды в установке перемычек нет: для коммутации достаточного одновременного нажатия специальных кнопок на датчике и принимающем блоке.
Преимущества беспроводной передачи сигнала – простота монтажа оборудования и снижение затрат на электрические провода.
Производители и модели датчиков присутствия
Рассмотрим, какие модели датчиков присутствия предлагают мировые компании.
Theben AG (Германия)
В 1921 году в Штутгарте Пауль Швенк основал компанию, изготавливавшую таймеры и аксессуары для часов.
Рачительный хозяин, стремясь к экономии, изобрел и в 1930 году запустил в производство первый датчик обратного отсчета для управления освещением, который стал хитом продаж.
Успех стимулировал дальнейшее стремление к инновациям, что превратило Theben AG в европейского лидера в производстве приборов для эффективного энергосбережения, различных датчиков, “умных” и т.д.
Датчики присутствия Theben, управляющие системой освещения:
| SPHINX 104-360 | SPHINX 104-360/2 | SPHINX 104-360 AP |
 |  |  |
| Принцип действия | ||
| инфракрасный | инфракрасный | инфракрасный |
| Способ монтажа | ||
| потолок, встроенный | потолок, встроенный | потолок, накладной |
| Угол охвата | ||
| 360 о | 360 о | 360 о |
| Радиус контроля | ||
| 7 м | 7 м | 7 м |
| Число каналов | ||
| 1 | 2 | 1 |
| Макс. мощность ламп | ||
| 1800 Вт | 1800 Вт | 2000 Вт |
| Уровень освещенности | ||
| 10-2000 Лк | 10-2000 Лк | 10-2000 Лк |
| Задержка выключения | ||
| 1 с-20 мин | 1 с-20 мин | 1 с-20 мин |
| Уровень защиты | ||
| IP 41 | IP 41 | IP 41 |
Все приборы оборудованы встроенным регулируемым люксметром и пультом дистанционного управления (см. ).
У SPHINX 104-360/2 есть второй канал выхода, с задержкой отключения 10 сек – 60 мин, сигнал с которого может подаваться на кондиционер, радиатор электроотопления, вентилятор.
OMRON (Япония)
Компания OMRON (г. Киото), основана Кадзума Татеиси в 1933 году. В послевоенные годы она стала одной из фирм-творцов “японского экономического чуда”.
Основное направление деятельности – производство средств автоматизации и сенсорных устройств. В этой области ей принадлежит более 40% японского рынка. Годовой оборот компании – более 5 миллиардов долларов.
Фотоэлектрические датчики обнаружения OMRON:
| E3FA/E3FB-B/-V | E3H2 | E3T-C |
 |  |  |
| Обнаружение объекта: максимальное расстояние срабатывания | ||
| Барьерный режим | ||
| 20 м | 15 м | 4 м |
| Рефлекторный режим | ||
| 4 м | 3 м | 2 м |
| Диффузный режим | ||
| 1 м | 0,3 м | 0,3 м |
| Источник света (длина волны) | ||
| красный светодиод (624 нм) | красный светодиод (624 нм) | светодиоды: инфракрасный (870 нм), красный (630 нм) |
| Напряжение питания | ||
| 10-30 V постоянный ток | 10-30 V постоянный ток | 10-30 V постоянный ток |
Прибор Е3Н2 оборудован ярким светодиодным индикатором, упрощающим выравнивание, а габариты Е3Т-С облегчают его монтаж в условиях стесненного пространства.
ESYLUX (Германия)
Компания ESYLUX (г. Аренсбург) разрабатывает и выпускает светильники для аварийного и наружного освещения, датчики присутствия и движения, детекторы дыма, . Подтверждением высокого уровня продукции является полученный ею знак качества “German Engineering”. Филиалы и торговые представительства фирмы открыты в 13 странах
В таблице представлены образцы датчиков присутствия производства ESYLUX.
| PD 360/8 Basic | PD 360/8 Basic SMB | PD 180i/R |
 |  |  |
| Принцип действия | ||
| инфракрасный | инфракрасный | инфракрасный |
| Способ монтажа | ||
| потолок, накладной | потолок, встроенный | стена, встроенный |
| Угол охвата | ||
