Современный автомобиль состоит из множества механических, электромеханических и электронных компонентов. Оптимальная работа двигателя должна обеспечиваться независимо от внешних условий. При изменении внешних факторов, работа узлов и компонентов должна адаптироваться под них. Датчики автомобиля служат своеобразным следящим устройством за работой автомобиля. Рассмотрим основные датчики:
3. Датчик расхода воздуха в авто — на что влияет?
Принцип работы датчика расхода воздуха основан на измерении количества тепла, отданного потоку воздуха во впускном коллекторе двигателя. Нагревательный
элемент датчика установлен перед воздушным фильтром автомобиля. Изменение
скорости потока воздуха и, соответственно, его массовой доли, отражается на степени
изменения температуры нагревательной спирали MAF-сенсора.
«Троение» двигателя при работе и потеря мощности говорит о возможном выходе из строя датчика расхода воздуха.
4. Кислородный датчик, лямда-зонд — неисправность датчика
Кислородный датчик или лямда-зонд определяет количество кислорода в выпускном коллекторе, оставшегося после сгорания топлива. Лямда-зонд входит в электронную систему управления двигателем, которая регулирует количество топлива, обеспечивая его полноту сгорания. Повышенный расход топлива характеризует возможную неисправность датчика.
5. Датчик дроссельной заслонки — признаки неисправности
Этот датчик представляет собой электромеханическое устройство, состоящего из чувствительного элемента и шагового двигателя.
Чувствительным элементом является
температурный датчик, а шаговый двигатель является исполнительным механизмом.
Это электромеханическое устройство изменяет положение дроссельной заслонки
относительно температуры охлаждающей жидкости. Таким образом, частота вращения
коленчатого вала двигателя зависит от степени нагрева ОЖ.
Характерным признаком неисправности этого датчика является отсутствие прогревочных оборотов и повышенный расход топлива.
6. Датчик давления масла — функции, выход из строя
На автомобилях японской марки устанавливается датчик давления масла мембранного
типа. Датчик состоит из двух полостей, разделенных гибкой мембраной. Масло
воздействует на мембрану с одной стороны, прогибаясь от давления. В измерительной
полости датчика мембрана соединена со штоком реостата.
В зависимости от давления моторного масла, мембрана прогибается больше или меньше, изменяя при этом общее сопротивление сенсора. Датчик давления масла расположен на блоке цилиндров двигателя.
Горящая лампочка давления масла на панели автомобиля может свидетельствовать о выходе из строя датчика.
7. Не работает датчик детонации в двигателе?
Датчик детонации двигателя измеряет угол опережения зажигания. При нормальной работе двигателя датчик находится в «холостом» режиме. При изменении процесса
сгорания в сторону взрывного характера сгорания топлива-детонации, датчик посылает сигнал электронной системе управления двигателем для изменения угла опережения
зажигания в сторону уменьшения.
Он расположен в районе воздушного фильтра на блоке цилиндров. Для проверки работоспособности датчика детонации, необходимо выполнить .
8. Датчик угла поворота распредвала — троит двигатель
Этот датчик находится на головке блока цилиндров и измеряет частоту вращения
распределительного вала двигателя, и на основе сигналов от датчика, блок управления определяет текущее положение поршней в цилиндрах.
Неравномерность работы двигателя и троение свидетельствует о некорректной работе датчика. Проверку производят при помощи омметра, измеряя сопротивление между клеммами сенсора.
9. Датчик АБС / ABS в автомобиле — проверяем работоспособность
Датчики АБС электромагнитного типа устанавливаются на колесах автомобиля и входят в антиблокировочную систему автомобиля.
Функцией датчика является измерение частоты вращения колеса. Объектом измерения датчика является сигнальный зубчатый диск, который установлен на ступице колеса. При неисправном датчике АБС, контрольная лампочка на панели управления не гаснет после запуска двигателя.
Технология определения работоспособности датчика заключается в измерении сопротивления между контактами датчика, при неисправности сопротивление равняется нулю.
10. Датчик уровня топлива в авто — как проверить работоспособность?
Датчик уровня топлива устанавливается в корпус бензонасоса и состоит из нескольких компонентов. Поплавок посредством длинной штанги воздействует на секторный реостат, который изменяет сопротивление датчика в зависимости от уровня топлива в баке автомобиля. Сигналы датчика поступают на стрелочный или электронный указатель на панели управления автомобиля. Проверка работоспособности датчика уровня топлива осуществляется омметром, которым измеряется сопротивление между контактами датчика.
Совсем недавно в автомобиле можно было найти только три датчика, показывающих уровень давления и топлива, а также температуру охлаждающей жидкости. При этом они никак не влияли на работу двигателя и автомобильных систем в целом, а всего лишь сообщали водителю указанные параметры при помощи световых или других сигналов. После появления электронных блоков управления количество сенсоров, использующихся в машине, сильно увеличилось, как и выросла их значимость, поскольку именно на их показаниях основывается взаимодействие блока с силовым агрегатом. Для обеспечения безопасности и лучшей управляемости транспортного средства постоянно разрабатываются новые приборы, призванные сделать использование автомобиля еще комфортнее. В этой статье мы расскажем, какие автомобильные датчики существуют сегодня, а также поговорим об особенностях их эксплуатации.
Классификации устройств
Все существующие виды автомобильных датчиков, реле и переключателей принято разделять на несколько классов:
- Первый – приборы, контролирующие работу тормозной системы и рулевого управления. К этому же классу относятся датчики, отвечающие за безопасность пассажиров.
- Второй – устройство, контролирующее работу трансмиссии, а также датчики для отслеживания работы двигателя, колес и подвески.
- Третий – приборы, отвечающие за защиту автомобиля от аварий и других внештатных ситуаций.
Также отдельно выделяется класс вспомогательного оборудования, к которому относятся, например, датчики парковки.
Достижения современной электроники позволяют сделать устройство более интеллектуальным и снять часть нагрузки с блока управления. Другими словами, прибор может сам определять, подать сигнал о каком-то аномальном поведении или нет. Кроме того, устройство может быть активным или пассивным. В активном датчике электрические импульсы возникают в процессе работы, а пассивный просто переводит другую внешнюю энергию в электрическую.
Датчики управления двигателем
К таковым относятся:
- Устройство для контроля за уровнем кислорода и азота в топливе. К этому же классу относятся датчики, влияющие на соотношение в топливно-воздушной смеси.
- Приборы, определяющие скорость вращения и положения различных валов и элементов в двигателе.
- Датчики давления (масла, а также других жидкостей или газов). К этой же группе относятся устройство, измеряющее уровень вышеуказанных веществ.
- Температурные датчики.
- Прибор, отвечающий за работу топливной системы и следящий за возможными детонациями.
Сенсоры, анализирующие состояние газов
Автомобильный датчик кислорода (лямбда-зонд) находится в выпускном коллекторе и позволяет оптимально расходовать бензин или дизельное топливо. Аппарат определяет количество кислорода, оставшееся после сгорания, и регулирует количество воздуха в камере. Троение двигателя и повышенный расход топлива могут свидетельствовать о том, что устройство вышло из строя и воздух в камере сгорания разрежен (эффект вакуума), что нарушает работу силового агрегата. Датчик устанавливается в выпускном коллекторе возле рулевой рейки.
Аппарат, определяющий концентрацию оксида азота в нейтрализаторе. При его поломке наблюдается постоянное повторение регенерационных циклов. Устанавливается на поверхности дроссельного узла.
Сенсор, контролирующий уровень воздуха, всасывающегося силовым агрегатом (ДТВВ). Располагается рядом с воздушным фильтром и представляет собой две платиновые нити, нагревающиеся при помощи электротока. Одна из них находится в воздушном канале, поэтому, когда напор воздуха увеличивается, из-за охлаждения нити ее сопротивление изменяется. Блок управления (ЭБУ), анализируя разницу напряжений на обеих нитях, корректирует количество воздуха в соответствии с нормой. Со временем устройство загрязняется, из-за чего датчик начинает работать нестабильно.
Датчик температуры всасываемого воздуха (ДТВВ)
Важно! Для очистки нити нельзя использовать какие-либо растворители, а также зубочистки, ватки и т.п. В этом случае следует обратиться в автосервис.
В турбомоторах может быть установлен сенсор абсолютного давления, представляющий собой два цилиндра, в одном из которых воздух откачан. Разница давлений между ними и является показаниями.
Датчик, измеряющий величину открытия клапана EGR. Позволяет снизить уровень токсичности выхлопных газов во время чрезмерного прогрева двигателя.
Альтиметр. Сообщает электронному блоку управления об атмосферном давлении. Это позволяет регулировать наддув и более грамотно производить рециркуляцию отработанных газов.
Сенсоры скорости
Это приборы, анализирующие скорость вращения коленчатого вала. Частично отвечают за подачу топлива и время появления искры в двигателе. Аппараты очень выносливы, поскольку представляет собой обычный магнит с намотанной на них проволокой. При выходе их из строя запустить силовой агрегат возможным не представляется, поскольку электронный блок управления не может вычислить скорость и положение коленчатого вала.
Если же завести мотор все-таки удалось, то он будет постоянно глохнуть и вести себя непредсказуемо на высоких оборотах. Устройство находится в нижнем блоке с цилиндрами.
Сенсор, контролирующий положение дроссельной заслонки. Его работа основывается на показаниях, считываемых с педали газа. Состоит из двух элементов – шаговый двигатель и датчик температуры охлаждающей жидкости. Чем сильнее давление на педаль газа и чем выше температура ОЖ, тем быстрее вращается коленчатый вал. Как и в предыдущем случае, проблемы с этим аппаратом приводят к перебоям в работе двигателя.
Автомобильный датчик Холла. Определяет угол поворота распредвала и отвечает за изменение положения поршней в цилиндрах. При нарушениях в его работе блок управления не может точно вычислить время подачи топлива и искры.
Датчик скорости автомобиля (ДСА). Устанавливается рядом с коробкой передач и сообщает любые изменения в скорости машины. Аппарат не отличается особой надежностью.
Датчик фаз распредвала. Аппарат монтируется только на двигателе с шестнадцатью цилиндрами и определяет очередность работы каждого из них. Нарушения в работе прибора приводит к включению попарно-параллельного режима подачи топлива, что автоматически сказывается на его расходе. Установка его производится в верхней части блока с цилиндрами.
Регулятор холостого хода. Датчик необходим для стабилизации подачи топливно-воздушной смеси в двигатель, а также для выравнивания оборотов последнего при работе на холостом ходу. При закрытой дроссельной заслонке аппарат увеличивает или уменьшает поток воздуха, поступающий через дополнительный канал. РХХ позволяет поддерживать оптимальные обороты двигателя для его нормального прогрева. Неисправность прибора выражается в нестабильной работе силового агрегата на холостом ходу. Регулятор устанавливается на корпусе дроссельной заслонки и закрепляется четырьмя винтами. К сожалению, на некоторых автомобилях демонтаж этого датчика затруднен тем, что головки крепежных винтов рассверлены и посажены на лак. Необходимо отметить, что такие приборы редко подсоединяются к системе диагностики автомобиля, поэтому лампа «Check engine» не загорается. Проверка работоспособности устройства основывается только на проявляющихся симптомах. Однако вы можете проверить двигатель при помощи вакуумметра, чтобы обнаружить виновника торжества.
Сенсоры, показывающие уровень и давление жидкостей
Датчик уровня топлива (ДУТ) в общем случае представляет собой обычный поплавок, подсоединенный к реостату. При снижении уровня топлива до определенного значения происходит замыкание контактов, сопровождающееся световым сигналом на приборной панели. По такому же принципу работает датчик уровня тормозной жидкости, устанавливающийся рядом с антиблокировочной системой.
Датчик давления масла. Представляет собой камеру, разделенную на две части небольшой мембраной. При движении масла эта мембрана прогибается, передвигая потенциометр, что приводит к изменению сопротивления реостата, вмонтированного в устройство. Эти изменения и отслеживаются ЭБУ. Так же работает и датчик давления топлива, монтирующийся в бензонасосе.
Устройство, определяющее расход топлива. Обычно устанавливается на служебных автомобилях для того, чтобы исключить слив бензина недобросовестными водителями.
Термо-сенсоры
К таковым относятся:
- Датчик температуры воздуха в автомобиле. Устанавливается на торпеде и показывает температуру в салоне.
- Сенсор, сообщающий температуру окружающей среды. Устанавливается рядом с решеткой радиатора.
- Датчик температуры охлаждающей жидкости (антифриза), отвечающий за включение и отключение вентиляторов, а также выводящий показания на соответствующий дисплей. Находится между термостатом и головкой блока с цилиндрами. Основные неисправности – обрыв питающего провода или нарушение контактного соединения внутри устройства.
- Датчик температуры двигателя, сообщающий ЭБУ о критическом ее превышении. Является дополнительной мерой безопасности.
- Термо-сенсор, установленный в цоколе масляного фильтра. Следит за состоянием масла для повышения эксплуатационных характеристик двигателя.
Любой тип термодатчика работает по одному принципу – при изменениях температуры меняется и сопротивление между клеммами, что и отражается в показаниях прибора. Некоторые из этих сенсоров никак не влияют на двигатель, тогда как другие, например, датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), очень важны. Без их работы характеристики мотора сильно снижаются, а в некоторых случаях силовой агрегат может даже выйти из строя.
Такие устройства используются и в других системах автомобиля, например, для термоконтроля за уровнем масла в коробке, или в кондиционере для поддержания оптимальной температуры.
Детонационный сенсор
Это устройство отслеживает все детонационные процессы, происходящие в двигателе. Оно необходимо для равномерной отработки топлива. Система похожа на звукосниматель в виниловом проигрывателе и отслеживает все звуки определенной частоты. В результате ЭБУ «слышит», что происходит с мотором. Как только сенсор определяет небольшую детонацию, вызванную неравномерностью между циклами зажигания и впрыска топлива, электронный блок управления тут же корректирует время между ними. При выходе датчика из строя – повышается расход топлива, двигатель начинает вести себя непредсказуемо (глохнуть, резко изменять обороты, троить).
Дополнительные сенсоры для обеспечения безопасности
Разновидности этого оборудования:
- Устройство, замеряющее давление в шинах. Как правило, такими сенсорами комплектуются одни из самых дорогих покрышек. Датчик позволяет повысить безопасность движения, поскольку отслеживает изменения давления в шинах автомобиля и сообщает о них водителю при помощи световых или звуковых сигналов.
- АБС (). Отслеживает скорость вращения колес и не дает их полностью блокировать во время торможения, чтобы не допустить занос транспортного средства. Система может быть активной или пассивной. Первый вариант предпочтительнее, поскольку такое устройство может контролироваться бортовым компьютером, что повышает его эффективность. Однако следует отметить, что работа активных автомобильных датчиков требует питания от АКБ или от генератора.
- Сенсоры, определяющие количество пассажиров в салоне. Анализироваться может либо давление на сидение, либо количество пристегнутых ремней безопасности. Как правило, эта информация используется при вызове экстренных служб специальными системами, например, Эра Глонасс.
- Датчик удара автомобиля. Устройства реагируют на переворот машины, а также на различные столкновения. Как и сенсоры для определения количество пассажиров, такие устройства используются для вызова экстренных служб.
- Датчик света. Состоит из фотосенсора, реагирующего на изменение освещенности. При наступлении сумерек датчик света автоматически включит габаритные огни. При помощи выключателей, устройство можно отключить для сохранения заряда аккумулятора. Кроме того, имеется возможность включить фары напрямую без использования сенсора, поскольку последний реагирует только ночью, а ПДД подразумевают использование фар и в дневное время суток. Тем не менее, при всех своих достоинствах, датчик света обладает одним существенным минусом – он может сработать тогда, когда вам это совсем не нужно.
- Датчик дождя в автомобиле (ДДА). Состоит из двух устройств – фотоэлемент и сенсор влажности. При соблюдении определенных условий (когда фотоэлемент зафиксирует наличие капель дождя, а сенсор влажности это подтвердит) – дворники включатся автоматически. Причем интенсивность их работы будет определяться все тем же датчиком. Когда погода вновь станет ясной и необходимость в использовании дворников отпадет, они автоматически отключатся.
- Датчики парковки. Представляют собой радар, показывающий расстояние до объектов, когда водитель начинает парковаться. Конструкция парковочного сенсора может включать не только сам радар, но и камеру заднего обзора.
Сенсоры автосигнализации
В случае установки автосигнализации на машину, система обогатится еще несколькими автомобильными датчиками, реле и переключателями.
- Датчик наклона автомобиля. Контролирует положение кузова и включает сигнал тревоги, если машину начинают наклонять. Также сенсор реагирует на любое перемещение машины, например, производимое с помощью эвакуатора.
- Датчик движения. Размещается в салоне и реагирует на все, что происходит внутри. Иногда может комплектоваться микрофоном для более точного слежения.
- Контактные сенсоры. Устанавливаются на двери, а также на багажнике и капоте. Реагируют на любую попытку взлома.
- Устройство, измеряющее уровень напряжения в сети. Подает сигнал тревоги в случаях, когда сила тока или напряжения падает. Позволяет отследить любые попытки подключения или отключения компонентов от аккумулятора.
- Сенсор объема. Реагирует на открытие двери (если по каким-то причинам остальные датчики не сработали или были отключены), а также на любое изменение объема воздуха, возникающего, например, при разбивании стекла.
Заключение
Таким образом, становится понятно, насколько важны различные сенсоры для автомобилей. Без них работа двигателя и машины в целом была бы намного сложнее, а расход топлива, как и токсичность отработанных газов, сильно бы увеличился. Что касается автомобильной сигнализации и системы экстренного вызова, то их значимость вообще трудно недооценить. Эти устройства помогают и жизни спасти, и машину сохранить.
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 " .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 | ||
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.
