Классификация телеметрических датчиков

Телеметрические датчики принято классифицировать:

по физическому параметру, преобразуемому в электрический сигнал, классификация датчиков весьма многообразна. Чаще всего наименование датчика согласуется с измеряемой физической величиной, например, датчик давления;

по форме сигналов различают датчики функциональных и сигнальных параметров;

по характеру электрических сигналов датчики подразделяются на датчики постоянного и переменного тока;

по величине выходного электрического сигнала различают датчики сигнала высокого уровня (0 – 6В) и низкого уровня (0 – 100 мВ). Наряду с однодиапазонными датчиками в ряде случаев используются многодиапазонные датчики, которые позволяют охватывать более широкие пределы изменения контролируемого параметра;

по форме представления сигнала датчики делятся на аналоговые и цифровые.

В зависимости от метода преобразования неэлектрических величин в электрические сигналы различают активные (генераторные) и пассивные (параметрические) датчики. Различие между активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими фундаментальные отличия в природе используемых в датчиках физических явлений. Активный датчик является источником непосредственно выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров импеданса пассивного датчика производится косвенно, по изменению напряжения или тока в результате его обязательного включения в схему с внешним источником питания. Электрическая схема, непосредственно связанная с пассивным датчиком, формирует его сигнал, и, таким образом, совокупность датчика и этой электрической схемы является источником электрического сигнала.

Активные датчики

Принцип действия активного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую энергию. Наиболее важные из этих физических явлений указаны в табл. 6.1.

Таблица 6.1.

Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков

Измеряемая величина	Используемый эффект	Выходная величина
Поток оптического излучения	Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводнике с p - n переходом Фотоэлектромагнитный эффект	Заряд Ток Напряжение Напряжение
Сила, давление, ускорение	Пьезоэлектрический эффект	Заряд
Скорость	Электромагнитная индукция	Напряжение
Перемещение	Эффект Холла	Напряжение

 

Пассивные датчики

В пассивных датчиках некоторые параметры выходного импеданса могут меняться под воздействием измеряемой величины. Импеданс датчика, с одной стороны, обусловлен геометрией и размерами его элементов, а с другой – свойствами материалов: удельным сопротивлением, магнитной проницаемостью и диэлектрической постоянной.

Изменения импеданса могут быть, таким образом, вызваны воздействием измеряемой величины либо на геометрию и размеры элементов датчика, либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо, что реже, на то и на другое одновременно. Геометрические размеры датчика и параметры его импеданса могут изменяться, если датчик содержит подвижный или деформирующийся элемент.

Каждому положению подвижного элемента датчика соответствует определенный импеданс, и измерение его параметров позволяет узнать положение элемента. На этом принципе работает большое число датчиков положения и перемещения объектов: потенциометрических, индуктивных с подвижным сердечником, емкостных.

Деформация является результатом действия силы (или величины, с ней связанной, – давления, ускорения) на чувствительный элемент датчика. Изменение импеданса датчика, вызванное деформацией чувствительного элемента, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала в специальной измерительной схеме, в которую этот датчик включают.

Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента датчика зависят от переменных физических величин: температуры, давления, влажности, освещенности и т. д. Если меняется только одна из величин, а остальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее однозначное соответствие между значениями этой величины и импедансом датчика. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная граду-ировочную кривую, по результатам измерения импеданса можно определить соответствующее значение измеряемой величины.

В табл. 6.2. указан ряд физических эффектов, связанных с преобразованием значений электрических характеристик пассивных датчиков. Среди них нужно отметить резистивные датчики.

 

Таблица 6.2.

Физические принципы преобразования величин и материалы,
используемые для построения пассивных датчиков

Измеряемая величина	Электрическая характеристика, изменяющаяся под действием измеряемой величины	Тип используемых материалов
Температура	Сопротивление	Металлы (платина, никель, медь), полупроводники
Сверхнизкие температуры	Диэлектрическая проницаемость	Стекло, керамика
Поток оптического излучения	Сопротивление	Полупроводники
Деформация	Сопротивление	Сплавы никеля, легированный кремний
Емкость	Магнитная проницаемость	Ферромагнитные сплавы
Перемещение	Сопротивление	Магниторезистивные материалы висмут, антимонид индия
Влажность	Сопротивление Диэлектрическая проницаемость	Хлористый литий, окись алюминия, полимеры
Уровень	Диэлектрическая проницаемость	Жидкие изоляционные материалы

 

Импеданс пассивного датчика и его изменения можно измерить не иначе, как включая датчик в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала. Наиболее часто используются измерительные схемы следующих видов:

потенциометрическая схема, содержащая соединенные параллельно источник напряжения и датчик-потенциометр;

мостовая схема, разбаланс которой характеризует изменение импеданса датчика;

колебательный контур, включающий в себя импеданс датчика (при этом контур является частью генератора колебаний и определяет его частоту);

операционный усилитель, в котором импеданс датчика является одним из элементов, определяющих коэффициент усиления.

Выбор схемы формирования сигнала является важным этапом в реализации измерений, от которого зависят метрологические характеристики телеметрических комплексов в целом – погрешность, чувствительность, линейность, невосприимчивость к влиянию определенных величин.