Датчики, сигналы и системы

Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик — это уст­ройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них».

Датчик — это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирую­щее на них изменением электрических сигналов.

Назначение датчиков — реакция на определенное внешнее физическое воздей­ствие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измеритель­ными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик — это преобразова­тель физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобра­зован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по ли­нии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, часто­той, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором вход­ных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров.

Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит переда­ча информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инф­ракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное из­лучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинако­вую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта.

Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобра­зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером пре­образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустичес­ких волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Инте­ресно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилите­ля, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Привод можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преоб­разует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Приме­ром привода является электрический мотор, преобразующий электрическую энер­гию в механическую.

Рис. 1. Датчик может состоять из нескольких преобразователей, е, е₂,...- раз­личные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы является датчиком прямого действия

Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 1.). Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, пре­образовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух

преобразователей представляет собой химический датчик — устройство, вырабаты­вающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что в рас­смотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим из преобразователя и еще одного датчика - датчика температуры. В структуру со­ставных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, кото­рые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредствен­ное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. При­мерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека, описы­ваемые в третьей главе.

Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соот­ветствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии.

На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных де­текторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих уст­ройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встро-енными.

Рис. 2 Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в системе сбора данных. Датчик 1 является бесконтактным, датчики 2 и 3 — пассивными устройствами, датчик 4 — активным, а датчик 5 - внутренним элементом системы сбора данных.