Датчик

Датчик, сенсор (от англ. sensor) — средство измерения физического, химического параметра, характеризующего окружающую среду, процессы внутри организмов или технических объектов.

Основные сведения

Датчик Холла (схематическое изображение)

Датчики используют для управления функцией, для передачи, хранения, регистрации, диагностики объекта (системы).

Датчики – управляющий элемент систем отрицательной обратной связи: биодатчики управляют системами стабилизации параметров (температура, химический состав крови...) организма животных.

Терминология

В России равновероятны термины: датчик, сенсор. Синонимы: сенсор, детектор, рецептор (биодатчик).

История

Исторически первый датчик созданный человеком - спусковой механизм (веревка, палка) при наступлении на него освобождавщий энергию (усилитель) упругости ветки (вес груза) при ловле дичи на силки (исполнительный механизм) предками человека.

Виды датчиков

Датчики бывают:

• датчик релейного типа (конечный выключатель): 2 состояния: включено, выключено.
• датчик пропорциональный меняет выходной сигнал пропорционально входному действию.

Датчики делят:

• датчик контактный. Пример: конечный выключатель.
• датчик бесконтактный. Пример: доплеровский измеритель (радар) скорости, бокового сноса (биения отраженного сигнала с разнесенных приемников) крылатой ракеты.

Датчики:

1. датчик управляющий (датчик обратной связи). В автоматических системах в отрицательной обратной связи. В режиме положительной обратной связи: в бесконтактных детонаторах военных боеприпасов, в устройствах контроля проноса запрещенных веществ и предметов в аэропортах....
2. датчик контрольно-измерительный: дает цифру в экран оператору системы, в средство отображения датчика ручного.

Датчика сигнал

• Аналоговый сигнал – аналоговый датчик. Частный случай аналогового сигнала: сигнал рассогласования колебательного контура (или другого базового параметра) датчика с колебательным контуром (с базовым параметром) системы управления рабочим органом или системы диагностики.

• Цифровой (импульсно-кодовая модуляция) сигнал – цифровой датчик.

Цифровой датчик дает параметр, разность, соотношение параметров в коде (двоичный, троичный): импульсы одинаковой амплитуды + паузы (или смена полярности импульса) между импульсами кратны по времени к минимальной паузе. Троичный код: импульсы + паузы + смена полярности импульса. Шум, неточность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) линейно растут с частотой кривой. Фазовый сдвиг между частотой дискретизации сигнала, высокими частотами сигнала дает биения в сигнале, прошедшем АЦП, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП): в воспроизведении с микрофона (аналоговый датчик звука) АЦП, ЦАП снижают прозрачность высоких частот звука. Аналоговые датчики 3-10 раз быстрее цифровых, 3-5 раз точнее, дают более качественный сигнал. Трафик аналогового сигнала 3-4 раза меньше цифрового. Цифровые датчики выгоднее в долговременной записи, перезаписи сигнала, в передаче сигнала в условиях помех на расстояние больше 20-30м.

Датчики по типу преобразования сигнала

1. датчик прямого преобразования внешнего действия в электросигнал: свет в фотоэлементе – сигнал. Неограниченно число физических, химических вариантов прямого преобразования.
2. датчик промежуточного преобразования: фотоэлемент фиксирует пролет элементарной частицы в веществе по вызванной ею вспышке света.

Датчики по энергоисточнику

Пассивный датчик хода

• датчик активный: для получения сигнала воздействует на объект измерения искусственным энергоисточником, входящим в объект с датчиком. Пример: радар, лидар….
• датчик полуактивный: для сигнала воздействует на объект измерения искусственным энергоисточником, не входящим в объект с датчиком. Пример: радар зенитной или авиационной ракеты, имеющей приемник радарных импульсов в самой ракете, но использующей внешний (не входящий в конструкцию ракеты) передатчик радарных импульсов на земле, на самолете.
• датчик пассивный: для сигнала не воздействует на объект искусственным излучением дополнительной энергии. Пример: тепловизор, телекамера, глаз.

Датчики по типу энергии сигнала

• электрические
• механические
• пневматические
• гидравлические
• оптические

Датчики по количеству каналов

Одноканальные

• датчик одноканальный (одномерный) дает 1 цифру измеряемого параметра. Пример: вольтметр, амперметр, частотомер, манометр, датчик силы, датчик угла.

Многоканальные

• датчик многоканальный (многомерный) дает информацию в табличной (матрица) форме. Пример: глаз, телекамера, сенсорный экран, нейтринный телескоп, пузырьковые камеры в ядерной физике, радиотелескоп, оптический телескоп, инфракрасный телескоп, рентгеновский телескоп, микроскоп, томограф. В компьютерных играх, симуляторах функцию датчик многоканальный выполняют мультиплексированные сигналы интерфейса пользователя. Функцию виртуальных датчиков в виртуальной реальности выполняют выходные каналы информации с баз данных (матрицы уравнений обратной связи или таблицы решений) софта компьютерных симуляторов, игр. В математике датчик многоканальный симулирует матрица переменных.

У части датчиков многоканальных диаграмму направленности, фокусировку, установку угла обзора выполняет не материальная структура, а софт. В фазированной антенной решетке нужные диаграмму направленности, фокус дает сканирование передающих или чувствительных ячеек с заданным софтом (или матрицей линий задержки) каждому углу, фокусу временными задержками. Фазированные антенные решетки истребителей раздельно сопровождают до 40 целей. В пленоптической (матрица мелких линз) фотокамере (телекамере) софт устанавливает угол обзора, фокусирует, меняя порядок сканирования чувствительных ячеек матриц отдельно для каждой линзы. Развертка за счет движения спутника вокруг планеты заменила многоканальный датчик одноканальным. Так получены радиолокационная (для крылатых ракет), гравитационная (для баллистических ракет) карты рельефа Земли.

Датчики многоканальные (многомерные):

• датчики без мультиплексирования: табличный многоканальный выход.
• датчики с мультиплексированием. Мультиплексирование – соединение нескольких каналов связи в одноканальную или двухпроводную связь.

Мультиплексирование датчиков:

• временное разделение каналов сканированием коммутатором ячеек табличного датчика с кадровым импульсом или кодом конца цикла в выходном сигнале.
• импульсно-кодовая модуляция. Используют: Интернет, телеметрия. Число каналов неограниченно.
• амплитудно-полярная модуляция: в разной полярности разные амплитуды несущей частоты. Использовали: стереофоническое аналоговое радиовещание.
• частотно-полярная модуляция: несущая частота больше частоты полярности.
• многочастотная модуляция. Используют: радиоуправление моделями, телеметрия.
• многочастотная фазовая модуляция. Используют: радиоуправление моделями, телеметрия.
• суммарный сигнал + урезанный разностный сигнал на повышенной частоте, отделяемой фильтром от суммарного + восстановление разностного сигнала его биениями с эталонной частотой. Использовали: квадрафоническая запись грампластинок.

Конструктивное исполнение

1. внешний датчик.
2. датчик встроен в микросхему.
3. датчик встроен в рабочий орган. Пример: оптоволоконный датчик удлинения (на биениях частот) в виде оптоволокна с зеркальным торцом с одного стороны и когерентным светодиодом с другого торца, вклеенный между углеродными волокнами в углепластиковых конструкциях.

Виды датчиков (список)

• датчик давления (абсолютного, разности давлений, разрежения)
• датчик расхода (ультразвуковые, электромагнитные, кориолисовые, вихревые, механические, перепадомеры)
• датчик уровня жидкости (инфракрасный, радарный, ультразвуковой, емкостный, поплавковый)
• датчик вибрации (пьезоэлектрический, вихретоковый)
• датчик влажности
• датчик температуры (термопара, полупроводниковый (P/N-переход))
• датчик освещённости (освещения)
• барометр
• датчик линейного положения
• датчик перемещения (абсолютный шифратор, относительный шифратор)
• датчик угла (сельсин, преобразователь угол – код)
• датчик ускорения
• инфракрасный локатор
• газовый датчик
• датчик концентрации
• сенсорный экран
• терменвокс
• датчик струйный
• датчик вектора поляризации
• датчик радиоактивности (ионизационная камера, датчик прямого заряда)
• датчик элементарных частиц

Другие разновидности

• датчик инкрементный вместо цифры дает величину её относительного изменения.
• датчик случайных чисел, датчик времени (часы) – единственные датчики создающие сигнал без окружающей среды.

Датчики следящих приводов: датчик-передатчик, датчик-приемник: каждый датчик то и другое попеременно.

Датчик с системой управления соединяют: устройства усиления сигнала, линеаризации, дискретизации, калибровки, аналого-цифрового преобразования, интерфейс.

Датчик ручной – измерительный прибор для человека (как элемента системы): лазерная рулетка, измеритель радиации, вольтметр, амперметр, микрометр….

Биодатчики

 → Рецептор

У человека 12 органов чувств – 12 биодатчиков:

1. Зрение. Глаз человека имеет 137 млн. светочувствительных клеток (7 млн. для цветного зрения).
2. Слух (уши).
3. Вкус (язык).
4. Голод - насыщение (желудок).
5. Обоняние (нос).
6. Осязание (кожа). В подушечке каждого пальца руки 3000 датчиков осязания с разрешением 1 мм. На теле человека 1 млн. датчиков осязания.
7. Датчик температуры.
8. Датчик влажности кожи (датчик теплового потока).
9. Вестибулярный аппарат (датчик угла наклона, датчик ускорения).
10. Пропорциональный датчик удлинения мышцы.
11. Пропорциональный датчик силы мышцы.
12. Датчик времени.

Датчики, неотделимые от других материальных структур

Понятие «Датчик» привязано к выходному сигналу: в конструкцию датчика, неотделимого от других структур, в принципе не входит всё, что при удалении не меняет сигнал датчика.

• в автоматическом клиноременном центробежном вариаторе центробежные грузы это: датчики оборотов входного вала, усилитель сигнала, привод шкивами меняющий передаточное число. Датчик неотделим от усилителя и привода.
• в ракетах «Сайдуиндер» в подшипниках внутри управляемых аэродинамических плоскостей ракеты турбины-маховики: роллероны. Встречный поток воздуха раскручивает турбины-маховики в сотни об/сек. Гиромомент маховиков держит постоянной ориентацию осей маховиков, поворотом стабилизаторов выполняя угловую 3D-стабилизацию ракеты: не больше 1рад/сек. Датчик неотделим от усилителя и привода.
• вертолета гиростабилизатор работает механически от соединенных с вращающимся кольцом автомата перекоса 2-х рычагов с грузами: датчик неотделим от усилителя и привода.
• в электродвигателях коллектор это усилитель, датчик (неотделим от усилителя). В бесколлекторных двигателях они разделены.

Параметры датчиков

Параметры датчиков: диапазон чувствительности; погрешность; порог чувствительности; разрешающая способность; отношение сигнал-шум; постоянная времени; частотная характеристика; закон изменения выходной величины от входного действия; пределы изменений входных, выходных величин, диапазон температур, диапазон давлений, диапазон скоростей.

Гистерезис датчика – разница между уровнем сигнала при котором срабатывает датчик и уровнем сигнала при котором он возвращается в исходное состояние.

Разрешающая способность – минимальное изменение измеряемого параметра которое чувствует датчик.

Точность датчиков

500м – навигационная точность гравитационного датчика гантельного типа (вес 20кг) ядерной ракеты «Трайдент» независимо от дальности. В новых ядерных ракетах перешли на гравитационную навигационную систему из двух взаимно перпендикулярно соединенных одним концом интерферометров Майкельсона с немагнитными тяжелыми зеркалами на всех трех концах датчика. У неё круговое вероятное отклонение (зависит от разрешения спутниковой гравикарты Земли) примерно 90м, но она не работает на конечном атмосферном участке траектории полета из-за вибрации. На конечном участке работают спутниковая и инерциальная системы навигации.

Конструктивный аналог новой гравитационной навигационной системы ядерных ракет – датчик гравитационных волн LIGO из двух взаимно перпендикулярно соединенных одним концом интерферометров Майкельсона, дающих выходной сигнал по принципу накопления сдвига фаз между импульсами света обоих 4-километровых плеч датчика LIGO. Датчик LIGO впервые в истории детектировал гравитационные волны.

Для увеличения чувствительности в каждом из двух плеч датчика LIGO ячейка Фарадея (модулятор света) пропускает через полупрозрачное зеркало-1 монохроматический импульс света к парному ему зеркалу-2 на расстоянии 4км. Затем ячейка Фарадея делает зеркало-1 непрозрачным, пока импульс света не переотразится между зеркалами 4000 раз. Затем ячейка Фарадея делает зеркало-1 снова прозрачным, чтобы импульс света попал на фотодетектор.

За эти 4000 отражений импульса света от зеркал-1-2 чувствительность датчика вырастает в 2000 раз, что эквивалентно увеличению длины плеча датчика LIGO с 4км до 8000км. Аналогично устроено второе 4-километровое плечо датчика LIGO. Множество подобных решений на высоком инженерном уровне позволяют датчику LIGO фиксировать изменение расстояния между зеркалами на 0,0001 диаметра протона.

Датчик астронавигатор ядерных ракет дает навигационную точность 900м: координаты по двум пересечениям на глобусе двух окружностей равной угловой высоты двух звезд. Угловая высота это угол "вертикаль наблюдателя – направление на выбранную звезду в небе". Совокупность точек равных угловых высот на глобусе – окружность. Две звезды – две окружности равных угловых высот: пересекаются в двух точках, одна из них - координаты ракеты, вторую отсекают предыдущие координаты.

Гироскоп с электростатическим подвесом (заряжаемый электронно-лучевой пушкой вращающийся пустотелый бериллиевый шар в полусферических обкладках с отрицательным потенциалом) в подлодках дает в конце кругосветного путешествия навигационную точность 900м.

Самым точный гироскоп – волоконно-оптический гироскоп: катушка с 2км оптоволокна. По оптоволокну в катушке через полупрозрачное зеркало (продольные оси волокон направлены под углом 45° к плоскости зеркала) пропускают в встречных направлениях непрерывные одночастотные (когерентные) лазерные лучи. При вращении в оси перпендикулярной катушке на выходе зеркал луч идущий по вращению катушки увеличит частоту, луч идущий в противоположном направлении уменьшит частоту из-за эффекта Доплера. Биения этих двух частот дают угловую скорость. Встречные лучи выводят через полупрозрачное зеркало (продольные оси волокон направлены под углом 45° к плоскости зеркала) в фотоприемник. Оба луча в виде разнесенных параллельных лучей, дают из-за сферической формы двух волн падающих на плоскую поверхность, интерференционные полосы на линейном многопиксельном фотоприемнике. При изменении частоты биений интерференционные полосы двигаются вдоль фотоприемника. Фотоприемник превращает движение интерференционных полос в выходной электрический сигнал гироскопа.

Стоимость датчиков

Самый дорогой датчик – нейтринный телескоп. Самый дорогой мобильный датчик: космический телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb).

Размеры датчиков

Антенна радиоволн звуковых частот подлодки: разматываемый с катушки на 1000м кабель из изолированных позолоченных (сплав золота или иридия) синтетических волокон. Кабель соединен с электрическим (виртуальным) удлинителем антенны (виртуальный четвертьволновой вибратор: электрическое удлинение антенны резонансной индуктивностью, накапливающей энергию нарастающей четверти периода несущей частоты). В кабеле через каждые 40см микрофоны (фазированная микрофонная решетка) обнаружения подлодок, кораблей. В кабеле каждые 3м магнитометры обнаружения подлодок.

Для связи с подлодкой на глубине 30м самолет Ту-142МР разворачивает в полете трос-антенну СДВ-диапазона длиной 8600м.

Самый низкочастотный радиодатчик – радиопередатчик «Антей» 43-го узла связи ВМФ РФ. Его приемно-передающие антенны радиоволн звуковых частот для связи с подлодками на глубине 60м (передача буквы за 20 минут несколькими частотами) имеют высоту центральных опор 305м.

Статистика

Доли измерений различных физических величин с помощью датчиков в промышленности

Датчики: число измерений физ. величин в промышленности.

Измеряемая физическая величина	Доли измерений в промышленности (%)
температура	50
расход (масса, объем)	15
давление	10
уровень	5
количество (масса, объем)	5
время	4
электрические и магнитные величины	4

История

1-е цифровые датчики появились в 1960-х как источник сигнала цифровых борткомпьютеров ядерных ракет.

• 1969г: в СССР получили радиотелеметрию с 13600 датчиков лунной ракеты Н-1.

См. также

• Датчики, приводы экзоскелетов
• Пропорциональный датчик силы (момента, давления)
• Гравитационная навигационная система
• Датчик сердцебиения
• Датчик времени реакции
• Отрицательная обратная связь
• Силовая (силомоментная) обратная связь
• Тактильная обратная связь
• Тактильный пиксель
• Мультиплекс