Датчик

ДАТЧИК, преобразователь значений контролируемых величин (параметров) физических объектов, процессов в соответствующие значения сигналов или воздействий, удобных для последующей обработки (измерения, визуализации, регистрации, хранения, передачи и других вторичных преобразований). Датчики  классифицируют: по виду контролируемой физической величины - датчик давления, перемещения, температуры, скорости, напряжения и т. п.; по виду энергии выходного сигнала - электрические, пневматические, гидравлические и др.; по характеру модуляции потока энергии выходного сигнала - амплитудные, времяимпульсные, частотные, фазовые, дискретные (цифровые). Наибольшее распространение получили датчики, осуществляющие преобразование контролируемой величины в электрическую, характеризующуюся одним из параметров электрической цепи (током, напряжением, фазовым сдвигом, частотой, сопротивлением, индуктивностью, ёмкостью и др.). Это обусловлено, прежде всего, удобством передачи электрического сигнала на расстояние, его обработки и возможностью преобразования электрической энергии в механическую работу. Электрические датчики подразделяют на потенциометрические, тензометрические, пьезоэлектрические, ёмкостные, индуктивные, волоконно-оптические и др. Этот перечень всё увеличивается, поскольку постоянно разрабатываются устройства для измерения различного рода процессов, основанных, в свою очередь, на различных физических принципах.

Датчики  характеризуются: законом изменения выходной величины у в зависимости от входного воздействия входной величины х, пределами изменений входных - Х_мин - Х_макс и выходных У_мин -У_макс величин; чувствительностью, порогом чувствительности (значением минимального воздействия, на которое реагирует датчик) и временными параметрами (постоянными времени).

Конструктивно датчик, как правило, состоит из одного или нескольких соединённых в единую систему преобразователей. Важнейшим из них является первый преобразователь, воспринимающий контролируемую величину (воспринимающий орган датчика или чувствительный элемент). Некоторые датчики состоят только из одного воспринимающего органа (например, термопара, термометр сопротивления, тензодатчик и др.). В ряде случаев термином «датчик» пользуются для обозначения всей передающей части устройства.

Характерная тенденция конца 20 – начала 21 века - разработка различных интеллектуальных датчиков, в которых конструктивно объединены чувствительный элемент и устройство предварительной обработки сигнала. Так, универсальный датчик фазы оптического сигнала (рис.), служащий для регистрации внешних физических воздействий (например, при деформации поверхности), содержит многофункциональный интегрально-оптический элемент (МИОЭ), который изготавливают на основе монокристалла LiNbO₃. Источник света (например, лазерный диод) излучает когерентный сигнал, поступающий через МИОЭ [где излучение разделяется на два канала (Y-разветвители), и с помощью фазового модулятора и динамического смещения разности фаз встречных световых волн производится компенсация фазового сдвига] на входы волоконного контура (оптическое волокно является средой, осуществляющей передачу воздействия на фазу оптического сигнала). Далее части поляризованного излучения, возвращаясь через МИОЭ, поступают на светоприёмное устройство (где интерферируют), а затем сигнал, пропорциональный внешнему воздействию, передаётся на регистрирующую аппаратуру. Чувствительность датчика к той или иной физической величине определяется химическим составом оптического волокна; например, если в состав волокна добавлены ионы никеля, то оно становится чувствительным к магнитному полю.

Благодаря внедрению новых технологий производства (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и др.) и новых материалов (например, способных адаптивно изменять свои свойства под действием различных факторов окружающей среды и управляющих воздействий и восстанавливать свойства после прекращения их действия) повышается качество датчиков и расширяется область их применения. Различные сферы применения определяют разнообразие требований, предъявляемых к датчикам, однако в большинстве случаев от датчиков требуются точность, стабильность выходных характеристик, надёжность, долговечность, малые габариты и невысокая стоимость.

Смотри также Измерительный преобразователь.

Лит.: Келим Ю. М. Электромеханические и магнитные элементы систем автоматики. М., 2004.