Grant Maloy Smith

понедельник, 9 марта 2020 г. · 16 min read

Что такое датчики и для чего они нужны

В настоящей статье мы подробно расскажем о самых распространенных и популярных датчиках, используемых для сбора данных на сегодняшний день. Вы узнаете:

  • что такое датчики и для чего они нужны;

  • каков основной принцип работы самых распространенных типов датчиков;

  • насколько важно качество датчиков в промышленности и науке.

Готовы? Начинаем!

Датчики, также известные как преобразователи, — это один из кирпичиков фундамента современных систем сбора данных. Такие системы состоят из следующих базовых компонентов:

  • датчиков;

  • преобразователей сигналов (см. «Что такое преобразователь сигнала?»);

  • аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (см. «Что такое АЦП?») 

  • и какого-либо компьютера с ПО для сбора данных, позволяющего регистрировать и анализировать сигналы.

Датчик, как правило, является начальным звеном цепи измерения в современных системах сбора данных.

Для чего нужны датчики?

Чтобы ответить на вопрос, что такое датчик, проще всего начать с вопроса о том, для чего он нужен.

Датчик — это устройство, которое обнаруживает изменения в окружающей среде и передает сигналы о них на выходные каналы другой системы. Датчик переводит физическое явление в измеряемое аналоговое напряжение (или цифровой сигнал), преобразованное в доступную для чтения форму или передаваемое для чтения и дальнейшей обработки.

Одним из самых известных датчиков является микрофон, преобразующий звуковую энергию в электрический сигнал, который может быть усилен, передан, записан или воспроизведен повторно.

Мы используем датчики в нашей повседневной жизни. Например, обычный ртутный градусник — это очень старый вид датчика, используемого для измерения температуры. Принцип его работы заключается в том, что ртуть одинаково и линейно реагирует на изменение температуры, поэтому именно это окрашенное вещество используется в закрытой трубке.

Благодаря шкале на трубке мы можем определять температуру, просто взглянув на градусник. Точность такого прибора ограничена в связи с размером и масштабом шкалы, но этого достаточно для того, чтобы он выполнял свои прямые функции.

By marking the tube with temperature values, we can look at the thermometer and see what the temperature is. The precision is somewhat limited due to the visual size of the scale markings, but it is sufficient for its intended purpose.

Конечно, выходные значения у такого прибора отсутствуют (помимо визуальных данных). Такой термометр, справляясь со своими задачами в духовке или за окном, не всегда полезен при сборе данных, поскольку для записи показаний с него необходимы выходные значения, которые можно было бы оцифровать. Именно поэтому были изобретены термодатчики, предназначенные для измерения температуры и других физических явлений, а также для обеспечения выходных значений, которые можно отображать, хранить и анализировать.

Рассмотрим самые распространенные и популярные датчики, которые используются в наше время.

Типы датчиков

Есть множество видов датчиков

Разные датчики предназначены для измерения разных физических явлений:

  • Термопары, РДТ и термисторы: для измерения температуры

  • Тензодатчики: для измерения деформации объекта, например давления, натяжения, веса и пр.

  • Датчики нагрузки: для измерения веса и нагрузки

  • Датчики LVDT: для изучения смещения в расстоянии

  • Акселерометры: для измерения вибрации и ударных нагрузок

  • Микрофоны: для регистрации звуковых волн

  • Преобразователи тока: для измерения переменного и постоянного тока

  • Трансформаторы напряжения: для измерения потенциалов высокого напряжения

  • Оптические датчики: для обнаружения света, передачи данных и замены традиционных датчиков

  • Датчики-видеокамеры: для захвата одного непрерывного двумерного изображения

  • Цифровые датчики: для подсчета дискретных значений, линейного и ротационного кодирования, измерения положения и пр.

  • Датчики местонахождения (GPS): для записи географических координат на основе данных GPS, ГЛОНАСС и других спутниковых систем позиционирования. Разные датчики GPS обеспечивают разную точность определения местоположения и многие другие

В зависимости от типа датчика его электрическими выходными данными могут быть напряжение, ток, сопротивление или другое электрическое свойство, которое изменяется со временем. Некоторые датчики выводят цифровые значения, а именно последовательность битов данных, приведенных и неприведенных к масштабу. Выходы таких аналоговых датчиков обычно подсоединены ко входам преобразователей сигналов, которые мы рассмотрим в следующем разделе.

Далее мы вкратце осветим каждый из типов датчиков, которые наиболее часто используются в наши дни.

Dewesoft logo

Ознакомьтесь с современными цифровыми системами сбора данных от Dewesoft, к которым можно подключить любые типы и любое количество датчиков для записи, хранения, анализа и визуализации данных.

Термодатчики

Самые распространенные и популярные датчики для измерения температуры:

  • термопары,

  • термисторы, 

  • резистивные датчики температуры,

  • а также инфракрасные термодатчики.

  • Infra-red temperature detectors

Разные типы термодатчиков. Слева направо: термопара, термисторы и РДТ.

Миллионы таких датчиков используются каждый день для решения различных задач: от вывода температуры двигателя на приборной панели автомобиля до измерения температур при производстве лекарств. Практически в любой отрасли в той или иной мере используются приборы для измерения температуры.

Основные характеристики различных термодатчиков

Тип датчикаТермисторРезистивный датчик температуры (РТД)Термопара
Температурный диапазон (типичный)-100...325°C-200...650°C200...1750°C
Точность (типичная)0,05...1,5°C0,1...1°C0,5...5°C
Долговременная стабильность при 100°C0,2°C/год0,05°C/годПеременная
ЛинейностьЭкспонентаДовольно линейнаяНелинейная
Требуемое питаниеПостоянное напряжение или токПостоянное напряжение или токВстроенный источник питания
Время откликаБыстрое0,12–10 сОбычно медленное1–50 сБыстрое0,10–10 с
Чувствительность к электрическим шумамНизкая чувствительностьТолько высокое сопротивлениеНизкая чувствительностьЧувствительный/компенсация влияния температуры холодного спая
СтоимостьНизкая или умереннаяВысокаяНизкая

Термопары

Термопара — это самый популярный термодатчик, что обусловлено его относительно низкой стоимостью и надежностью. Принцип работы термопары базируется на эффекте Зеебека, который демонстрирует, что при контакте двух разнородных металлов с каждого конца и под влиянием изменения температур возникает небольшое напряжение.

Сочетание разных видов металлов обеспечивает разнообразие диапазонов измерения. На этом основании термопары распределяются по типам. Весьма популярным является Тип K с совмещением хромеля и алюмеля, обеспечивающий широкий диапазон измерения от –200 до +1350°C. К популярным типам также относятся J, T, E, R, S, B, N и C.

Термопары типа J, K, T и E также известны как термопары из неблагородных металлов. Типы R, S и B — это термопары из благородных металлов, которые применяются в условиях высоких температур.

Выходные значения с термопары необходимо линеаризовать в системе измерения.

Следует также учитывать компенсацию холодного спая. Горячий спай — это измеряющий конец термопары. Другой конец — это холодный спай, где, как правило, расположен источник эталонного сигнала. Компенсация холодного спая исключает воздействие напряжения, вырабатываемого такими холодными спаями, что обеспечивает более точное измерение температуры.

Трудности, связанные с термопарами

В связи с крайне низким уровнем микровольтного и милливольтного выходного сигнала в отсутствие изоляции измерительной системы могут возникать электрические шумы и помехи. В модулях Dewesoft эта проблема исключена за счет надежной изоляции. Таким образом синфазные напряжения в принципе не попадают в цепочку сигналов.

Еще один способ снизить количество шумов — разместить систему измерения максимально близко к датчику. Отказ от длинных линий передачи сигнала уже доказал свою эффективность в увеличении четкости сигнала и снижении затрат. Оцените наши модульные приборы SIRIUS и KRYPTON — лучшие в своем классе решения для подобных областей применения.

Некорректная компенсация холодного спая приводит к неверным показаниям. Для правильной работы источника эталонного сигнала этот компонент должен быть защищен от перепадов внешней температуры. Для каждого канала мы используем отдельные микросхемы для компенсации холодного спая, фрезерованные из цельного алюминиевого блока. Точность сборки обеспечивает максимально точное считывание эталонного сигнала.

Резистивные датчики температуры

В сравнении с термопарами, РДТ (резистивные датчики температуры) в целом обладают большей линейностью и характеризуются отсутствием дрейфа в диапазоне измерения. Тем не менее, из-за платиновых компонентов и более сложной структуры их стоимость выше, чем у термопар.

Чаще всего РДТ используются в таких областях, как фармацевтика, где точные температурные измерения необходимо проводить в течение длительного времени. При этом их диапазон измерений не превышает 600°C, поэтому термопары лучше подходят для задач, в которых требуются контактные измерения высоких температур.

В отличие от термопар, которые обладают автономным источником питания, в качестве источника питания для РДТ используется система измерения.

РДТ измеряет температуру через электрическое сопротивление, которое изменяется относительно температуры крайне линейным образом. Хотя РДТ по сути является двухпроводным датчиком, добавление одного или даже двух дополнительных проводов (трех- и четырехпроводная схема) дает более эффективную компенсацию самонагревания и сопротивления проволочного вывода (и рекомендуется). Преобразователи сигналов Dewesoft доступны с двух-, трех- и четырехпроводными схемами.

Типы датчиков РДТ

Pt100 (PT = платина, 100 = 100 Ом при 0°C) и Pt1000 — это самые распространенные виды РДТ. Есть также другие типы, такие как датчики Pt200, Pt500 и Pt2000. Системы сбора данных Dewesoft поддерживают подключение всех типов РДТ и измерения с их помощью.

Как уже было сказано, схема РДТ сложнее, чем в термопаре, тем не менее, адаптеры DSI-RTD от Dewesoft упрощают подключение таких датчиков к измерительной системе и делают его более удобным. Шумы — это то, что всегда стоит учитывать для датчиков с выходным сигналом малой мощности, однако использование входов с высокой развязкой лучше всего предотвращает эту проблему.

Еще один способ снизить количество шумов — разместить систему измерения максимально близко к датчику. Отсутствие длинных линий передачи сигнала уже доказало свою эффективность в увеличении четкости сигнала и снижении затрат. Оцените наши модульные системы сбора данных SIRIUS и KRYPTON — лучшие в своем классе решения для подобных областей применения.

Термисторы

Термистор — это полупроводник, выполненный из оксидов металла, которые вдавливаются в небольшие шары, шайбы, пластины или другие формы, а затем спекаются при высокой температуре. После этого их покрывают эпоксидной смолой или стеклом.

При прохождении тока через термистор можно считать напряжение во всем термисторе, что помогает определить его температуру. Типичный термистор обладает сопротивлением 2000 Ом при 25ºC и коэффициентом температуры 3,9%.

Термисторы стоят недорого и обеспечивают быстрый отклик, но они нелинейны, диапазон их измерений ограничен, и они относительно хрупки, если не использовать корпус из зонда в качестве защиты.

Преимущества и недостатки различных термодатчиков

ПреимуществаНедостаткиНаиболее подходящая область применения
ТермопараШирокий диапазон измеренийВстроенный источник питанияПростота установкиЗащищенный корпусНизкая стоимостьНелинейностьТребуется эталонный сигнал компенсации холодного спаяВстроенная изоляция не предусмотренаТысячи различных задач на производстве, в технологическом процессе и при промышленном мониторинге температурАвтомобильные испытания в условиях, моделирующих эксплуатационныеИспытания двигателя внутреннего сгорания и гибридного двигателяИспытания электрических моторов и турбинЗдравоохранение, мониторинг медицинских показателейИспытания двигателей и систем управления в аэрокосмической отрасли
РДТМаксимальная стабильностьМаксимальная точностьБольшая линейность (в сравнении с термопарой)Высокая стоимостьТребуется источник токаНизкое сопротивлениеМалое абсолютное сопротивлениеСамонагреваниеПогрешности, связанные с сопротивлением проволочного выводаВремя откликаВиброустойчивостьРазмерФармацевтика, производство лекарствПищевая промышленностьТочные научные измерения
ТермисторМощный выходной сигналБыстрый откликПростая установкаКрайне низкая стоимостьВыходное значение необходимо перевести из значения изменения сопротивления в значение измерения температурыДиапазон ограничен ~200°CХрупкостьМониторинг электрических цепейАвтомобильные двигателиБытовая электроникаПожарные сигнализацииТерморегуляция

Тензодатчики

При надлежащем монтаже тензодатчика на тестируемый объект, если к объекту применяется механическое напряжение (сгибание, скручивание), сопротивление тензодатчика будет линейно изменяться, и это сопротивление можно будет измерить. Для расчета напряженности и других сил также можно применить математические формулы.

Типичный фольговый тензодатчик

Области применения тензодатчиков

  • Измерения деформации и механического напряжения

  • Измерения веса и нагрузки

  • Измерения силы

  • Измерения ударных нагрузок и вибрации

Плюсы и минусы тензометрических датчиков

Преимущества тензодатчиковНедостатки тензодатчиков
Сами датчики стоят недорогоУстановка требует специализированных знаний
В равной степени хорошо ведут себя при статических и динамических измеренияхДовольно сложная схема преобразования сигналов
Можно применять для широкого спектра задачТемпература может влиять на результаты измерений

Подробнее о тензодатчиках и измерении деформации:

Датчики нагрузки

Если мы пойдем еще дальше и закрепим четыре тензодатчика на объекте заданной формы, мы получим другой датчик — датчик нагрузки. По сути это датчик силы или давления.

Самыми распространенными датчиками нагрузки являются датчики, установленные в цифровых бытовых напольных весах. Когда вы встаете на весы, происходит сжатие датчиков нагрузки. Мы получаем изменение в сопротивлении, которое микроконтроллер измеряет и переводит в значение в кг.

Датчик нагрузки со стержнем или сгибающейся балкой (бинокулярной балкой) часто используется для измерения веса в промышленности. Один конец стержня прикреплен к конструкции, а к свободному концу датчика прикладывается сила (см. F на схеме ниже). 

Эта сила воздействует таким образом, что четыре тензодатчика, встроенные в верхнюю и нижнюю части, а также в каждый конец датчика нагрузки, растягиваются или сжимаются в соответствии с применением/устранением воздействия силы на конструкцию датчика нагрузки. Незначительные изменения в потенциале с тензодатчиков наша система сбора данных легко переводит в весовые значения.

Типичный датчик нагрузки со сгибающейся балкой

Датчики нагрузок доступны в самых разных размерах и формах: одни предназначены для тесных пространств и малых нагрузок, а другие — для огромных нагрузок в сотни тысяч тон.

Области применения датчиков нагрузки

  • Испытания материалов: взвешивание деталей по мере их производства для сохранения однородности

  • Аэрокосмическая отрасль: тяга реактивного двигателя, нагрузка на колеса и шасси

  • Судоходство: натяжение швартовной системы

  • Перевозки: измерение крутящего момента двигателей, станции взвешивания грузовых автомобилей

  • Промышленность: измерение натяжения и силы на бумажных и металлургических фабриках

  • Медицина/здравоохранение: весы инкубатора для новорожденных, оборудование для физиотерапии

  • Строительство: расчет сил лифтовых тросов, сил, воздействующих на строительные леса 

  • Индустрия развлечений: испытания на натяжение троса, задействованного в акробатических номерах

  • Нефтехимическая отрасль: измерение сил, воздействующих на буровые инструменты для добычи нефти и газа

  • Фермерство и животноводство: взвешивание скота, взвешивание бункеров, баков и силосных башень

  • Домашнее хозяйство/потребительские товары: цифровые напольные весы, кухонные весы

Плюсы и минусы тензодатчиков

Преимущества датчиков нагрузкиНедостатки датчиков нагрузки
Точность и повторяемость измеренийНа результаты измерений может повлиять температура окружающей среды
Доступны как для крайне малых нагрузок, так и для нагрузок в сотни тысяч кгТребуется относительно дорогой преобразователь сигналов для тензодатчиков
Доступно множество форм и размеров для многочисленных областей применения/

Подробнее о датчиках нагрузки и измерении веса:

Датчики LVDT

Преобразователи LVDT (линейно-регулируемый дифференциальные трансформаторы) используются для измерения линейного смещения/положения на относительно коротких расстояниях. Они состоят из трубки, в которую вставлен стержень. Основание трубки фиксируется, а конец стержня закрепляется на движущейся детали.

Разрез типичного датчика LVDT

По мере выдвижения стержня из трубки или продвижения в нее, датчик подает выходные сигналы, которые представляют собой информацию о положении стержня от начальной точки до максимального отклонения. Стержень не касается внутренних стенок трубки, что практически исключает трение, а сам датчик LVDT не содержит электронных компонентов, поэтому его часто применяют в суровых условиях.

Области применения LVDT

  • Тысячи измерительных задач в промышленности, на производстве и в технологическом процессе

  • Аэрокосмическая отрасль: приводы и испытания поверхности управления

  • Перевозки: мониторинг дорожного просвета для тягача и автопоезда

  • Нефтехимическая отрасль: позиционирование буровых инструментов

Плюсы и минусы датчиков LVDT

Преимущества LVDTНедостатки LVDT
Высокая точность и повторяемость измеренийНа результаты измерений может повлиять температура окружающей среды
Долгий срок службы благодаря эксплуатации практически без тренияТребуется возбуждение перем. током
Доступны в типоразмерах от микрометров до ~0,7 м/
Абсолютные выходные значения (после восстановления питания показатели возвращаются к верным значениям)/
Доступно множество типов и размеров для разных областей применения/

Вибродатчики — акселерометры

Акселерометры используются для измерения вибраций и ударных нагрузок на машинах и любых подвижных объектах. Для расчета смещения и скорости также можно провести интеграцию или двойную интеграцию выходных сигналов этих приборов.

Акселерометры для динамических измерений, как правило, основываются на пьезоэлектрическом принципе: когда к кристаллу кварца применяется механическое напряжение, он выпускает поток заряженных ионов пропорционально механическому напряжению. Такие датчики заряда подсоединены к преобразователю сигналов зарядного типа. Еще больше распространены датчики IEPE (или ICP®), в которые встроен предусилитель и для которых требуется более дешевый преобразователь сигнала.

Two accelerometers and modal hammer connected to Dewesoft DAQ systemДва акселерометра и модальный молоток, подсоединенные к системе сбора данных Dewesoft

Есть также емкостные акселерометры с другим принципом работы, которые широко используются для решения менее ответственных промышленных задач.

Помимо этого, есть акселерометры на базе MEMS, которые повсеместно применяются в навигации, для ориентации планшетов и телефонов, в автомобилестроительных испытаниях и при записи движения.

Области применения акселерометров

  • Различные испытания на ударные нагрузки и вибрацию во всех отраслях

  • Аэрокосмическая отрасль: испытания на деформации и механическое напряжение фюзеляжа, испытания на вибрацию в реактивных и ракетных двигателях

  • Перевозки: регистрация ударных нагрузок и вибрации во время транспортировки хрупких предметов

  • Автомобильная отрасль: измерение ударных нагрузок и вибрации панели кузова, испытания на комфорт пассажиров, измерение вибрации двигателя

  • Испытания по оценке воздействия вибрации на человека

  • Испытания на вибрации при кручении и вращении

Плюсы и минусы датчиков акселерометра

Преимущества акселерометровНедостатки акселерометров
Простое подключениеДатчики можно сильно повредить электрическим разрядом
Доступны модели как для динамического, так и для статического измеренияДля датчиков заряда требуются более дорогие по сравнению с датчиками IEPE преобразователи сигналов
Доступно множество типов и размеров для разных областей примененияМонтаж датчиков требует специальных знаний
Для датчиков заряда не требуется внешний источник энергии/
Датчики IEPE позволяют задействовать кабели большей длины, более дешевые кабели и преобразователи сигналов/

Подробнее об измерении вибраций:

Звуковые датчики: микрофоны

Вне индустрии развлечений микрофоны производятся для сбора данных в области анализа и измерения звука и шума

Типичный микрофон для измерения звука Изображение предоставлено компанией GRAS Instruments

Микрофоны используются при исследовании шумов и вибраций, исследовании человеческого слуха, измерении внешнего шума автомобиля и т.д.

Области применения микрофонов

  • Различные испытания на шум и вибрацию во всех отраслях

  • Аэрокосмическая отрасль: испытания на шум реактивного двигателя

  • Перевозки: регистрация ударных нагрузок и вибрации во время транспортировки хрупких предметов

  • Автомобильная отрасль: измерение шума двигателя, измерение внешнего шума автомобиля, испытания на шум тормозного механизма

  • Медицина: исследования влияния окружающего шума, проверка слуха

Плюсы и минусы микрофонных датчиков

Преимущества микрофоновНедостатки микрофонов
Простое подключение: используются готовые и доступные кабели BNC 50 ОмОтносительно дорогой датчик
Доступно множество типов для разных областей примененияПри падении или неправильном обращении возможны повреждения
Простая установкаДля некоторых микрофонов требуется фантомное питание от преобразователя сигнала

Преобразователи тока

Как и напряжение, ток — это одна из самых фундаментальных форм энергии. Его измерение служит целям мониторинга и анализа. Будь то проверка качества энергии, передающейся по электрической сети, измерение потребления энергии электромобилем с гибридным двигателем или машиной, оценка электропитания играет крайне важную роль.

Для преобразования малых и средних уровней тока в напряжение можно использовать токовые шунты. Шунт — это своего рода резистор. Он устанавливается напрямую в цепь, в которой производится измерение тока.

Большинство других типов датчиков и преобразователей тока на рынке работает на основе индукции или другого смежного метода, при котором они не являются частью электрической цепи. Это позволяет измерять более высокие уровни тока. Ниже показаны типичные токовые клещи — устройство, которое обнаруживает электромагнитное поле, создаваемое током, и измеряет его. Выходное значение датчика — это пропорциональное напряжение, которое наша система сбора данных может отображать, сохранять, а также анализировать.

Существуют гибкие катушки Роговского, которые легко устанавливаются даже в труднодоступных местах или в случаях, когда размыкание цепи нежелательно. Предлагаются также датчики нулевого тока и индукционные токовые датчики для более точного измерения, которые особенно часто используются для оценки качества электроэнергии и в смежных областях. Существует огромное разнообразие датчиков и преобразователей тока, специально разработанных для решения различных задач.

Области применения преобразователей тока

  • Производство и распределение энергии: различные испытания, испытания на качество электроэнергии, мониторинг атомных электростанций и электростанций на ископаемом топливе

  • Аэрокосмическая отрасль: испытания двигателей и систем питания

  • Автомобильная отрасль: испытания электрических систем, гибридных и электрических двигателей

  • Перевозки: электрические подземные вагоны, испытания контактных рельсов и пантографов, энергораспределительные центры

Плюсы и минусы преобразователей тока

Преимущества преобразователей токаНедостатки преобразователей тока
Модели с зажимами просто прикреплять к кабелям переменного токаОтносительно дорогой датчик
Гибкие модели Роговского легко подключать в труднодоступных местахКлещи пост. тока, катушки Роговского и индукционные датчики требуют подключения к внешнему источнику энергии
Клещи с питанием и без питания для задач с переменным током/
Долгий срок службы/

Трансформаторы напряжения — силовые трансформаторы

Как и ток, напряжение — это одна из самых фундаментальных форм энергии. Его измерение служит целям мониторинга и анализа. Будь то проверка качества энергии, передающейся по электрической сети, измерение потребления энергии электромобилем с гибридным двигателем или машиной, оценка электропитания играет крайне важную роль.

Практически каждая система сбора данных и регистратор данных в мире может напрямую принимать низкие или средние уровни напряжения в диапазоне 0–10 В или 0–50 В, поэтому уменьшать это напряжение с помощью трансформатора не требуется. При напряжении от 50 до 1000 В можно установить в систему сбора данных специальные преобразователи сигналов, например модуль SIRIUS-HV, который может напрямую и безопасно принимать такое напряжение и снижать его для оцифровки, отображения и хранения.

Однако при более высоком напряжении или в присутствии опасных для жизни токов и напряжения, необходимо использовать трансформаторы высокого напряжения для подавления высокого напряжения и изоляции оператора от опасности, связанной с напряжением и током. Такое устройство называется трансформатором напряжения или силовым трансформатором.

Типичный силовой трансформатор

Типичный силовой трансформатор использует трансформатор для снижения крайне высоких потенциалов (даже выше 10 000 В) до безопасного уровня. Трансформатор можно подключить последовательно или параллельно с отслеживаемой электрической цепью. Основная обмотка трансформатора обладает большим количеством петель по сравнению с дополнительной. 

Поскольку обычно подключенные системы сбора данных обладают крайне высоким сопротивлением, поток тока будет незначительным. Таким образом дополнительная обмотка силового трансформатора практически не получает никакой нагрузки. Выходные значения большинства силовых трансформаторов составляют от 50 до 200 В. Такие значения может принять практически любая система сбора данных.

Существуют силовые трансформаторы для применения как на открытом воздухе, так и в помещении. Также есть силовые трансформаторы для дозирования электричества. Кроме того, существует альтернатива чистому типу трансформатора: в этой конфигурации набор конденсаторов после промежуточного трансформатора еще больше снижает напряжение. Это может оказаться более экономичным решением, поскольку промежуточные трансформаторы с относительно низким коэффициентом понижения стоят меньше, чем традиционные трансформаторы с обмоткой и высоким коэффициентом понижения. 

Третьим вариантом является оптический трансформатор напряжения. Оптические трансформаторы напряжения зачастую используются на электроподстанциях и реже — для сбора данных. Поскольку они работают на принципе эффекта Фарадея, при котором поляризация света подвергается прямому влиянию магнитного поля, они изолированы по сути. Они также обладают большой точностью.

Трансформаторы напряжения 36 и 200 кВ внешнего исполнения

Области применения трансформаторов напряжения

  • Производство и распределение энергии: испытание высоковольтных линий электропередач, синхронизация генераторов с магистральной электросетью 

  • Аэрокосмическая отрасль: испытания двигателей и систем питания

  • Автомобильная отрасль: испытания электрических систем, испытания гибридных и электрических двигателей

  • Перевозки: электрические подземные вагоны, испытания контактных рельсов и пантографов, энергораспределительные центры

Плюсы и минусы трансформаторов напряжения

Преимущества трансформаторов напряженияНедостатки трансформаторов напряжения
Обеспечивают безопасность испытателей и техниковСтоимость может быть высокой
Просты в эксплуатации/
Для большинства моделей не требуется внешний источник питания/
Долгий срок службы/

Learn more about voltage measurement and analysis:

Оптические датчики

Оптические датчики применяются в следующих областях:

  • обнаружение света, инфракрасного и ультрафиолетового излучений;

  • определение расстояния до объекта, его присутствия/отсутствия;

  • замена традиционных датчиков.

Обнаружение света, инфракрасного и ультрафиолетового излучений

Обнаружение или измерение уровней освещения вокруг датчика может служить самым разнообразным задачам. Самый очевидный пример — автоматическое включение и выключение освещения, для которого требуется фотодатчик.

Даже мобильные телефоны оснащены световым датчиком для автоматической настройки яркости экрана. Ближний свет фар большинства автомобилей включается автоматически с заходом солнца, а дальний свет — автоматически включается и выключается ночью при обнаружении приближающегося транспортного средства. Автоматические фотокамеры измеряют внешнее освещение для правильной установки выдержки.

К основным технологиям для выполнения перечисленных выше задач (и не только их) относятся фотовольтаика, фотоэлементы (или фоторезисторы). Они разработаны для обнаружения и измерения света.

Несмотря на то, что большинство таких датчиков разработано для спектра, видимого человеческому глазу, некоторые датчики работают с инфракрасным, а также с ультрафиолетовым спектром. Инфракрасный спектр используется во множестве робототехнических систем, а также в обычном телевизионном пульте. Инфракрасные излучения не видны человеческому глазу, но в высоких концентрациях могут быть опасны, поэтому их обнаружение, помимо прочего, необходимо проводить в целях безопасности.

Типичный фотоэлемент

Фотоэлемент, также известный как фоторезистор или светочувствительный резистор, может определять присутствие и количество света, поскольку его выходные значения изменяются пропорционально количеству света, падающего на фотоэлемент, на котором присутствует сетка, обычно выполненная из сульфида кадмия. Когда свет не воздействует на элемент, устройство обладает крайне высоким сопротивлением. Когда же на элемент падает свет, сопротивление уменьшается пропорционально количеству света.

Вместе с подходящим преобразователем сигнала его можно использовать в качестве датчика включения/выключения или для измерения интенсивности света. В зависимости от химического состава маленькие и недорогие фотоэлементы могут обнаруживать все спектры вплоть до инфракрасного.

Определение расстояния до объекта, его присутствия/отсутствия

Фотодатчики (или датчики приближения) и близкие им полупроводники (фотодиоды) используются для измерения расстояния до объектов или между ними, а также для определения наличия или отсутствия какого-либо объекта.

Они широко применяются для различных задач в промышленности, в том числе на заводских технологических линиях для определения правильности размещения объектов на ленте или для обнаружения готовности нового объекта для сборки. Они также используются в автомобильной отрасли для определения присутствия других автомобилей или объектов, а также в системах сигнализаций, в CD и DVD-дисках.

Типичный фотодатчик компакт-диска

Замена традиционных датчиков

Следующий уровень — это использование оптики для считывания данных, то есть для дополнения и замены традиционных датчиков, таких как тензодатчики, акселерометры, термодатчики и пр. В ближайшее время мы дополним статью и рассмотрим эту новую тенденцию подробно, так что следите за новостями!

Передача по оптоволокну

In addition to sensor performance, another advantage is the fiber optic transmission of the sensor data itself compared to using copper cables.

Строение оптоволоконного кабеля

В наши дни вместо электрической передачи для отправки сигналов из одной точки в другую используется оптоволокно. Распространенное почти повсеместно, оптоволокно используется для подключения телевидения и интернета и обеспечивает более высокие, в сравнении с традиционными кабелями, скорости передачи. Оптоволоконная передача также обеспечивает явные преимущества по сравнению с электрической передачей:

  • устойчивость к магнитным помехам;

  • устойчивость к сопротивлению и нагреванию;

  • длинный путь передачи сигнала без потерь;

  • многочисленные провода для передачи сигналов можно заменить одним тонким кабелем;

  • очень широкая пропускная способность.

Области применения оптических датчиков

  • Автоматическое включение/выключение света, системы сигнализации

  • Технологические задачи в промышленности, линии сборки, конвейерные системы

  • Робототехника, направление движения и обнаружение

  • Датчики задымления

  • Анализ медицинских образцов

  • Лазерный дальномер, очки ночного видения

  • Автоматическое открывание дверей

Плюсы и минусы оптических датчиков

Преимущества оптических датчиковНедостатки оптических датчиков
Передача по оптоволокну происходит с крайне большой скоростью и нечувствительна к электромагнитным помехам и прочим внешним силамФотоэлементы (или фоторезисторы) относительно медленно реагируют на изменения света
Бесконтактные оптические датчики служат дольше/
Большинство оптических датчиков отличается низкой стоимостью и малыми размерами/

Датчики-видеокамеры

Мы представляет видеокамеры как что-то, что применяется исключительно для фотографирования или съемки фильмов, однако они также широко используются в промышленности и науке. На заводах датчики-видеокамеры для единичной и непрерывной съемки применяются, чтобы отслеживать и контролировать различные процессы на линиях производства и сборки.

Промышленная высокоскоростная камера DS-CAM от Dewesoft

Видеокамеры также играют важную роль в системах сбора данных при выполнении измерительных задач. Все системы сбора данных Dewesoft могут использовать одну или несколько видеокамер и записывать видео синхронно с аналоговыми и цифровыми данными.

Скриншот системы сбора данных Dewesoft, демонстрирующий синхронизацию аналоговых

Профессиональные и потребительские камеры

С одной стороны, для добавления видео к записям некоторых систем сбора данных можно использовать весьма недорогие веб-камеры. С другой стороны, существуют промышленные камеры с более качественными объективами и синхронизацией частоты кадров камеры с записываемым процессом и/или частотой выборки данных.

Например, показанная здесь модель DS-CAM-600 может выводить до 336 кадров в секунду в разрешении Full HD или даже до 600 кадров в секунду, если уменьшить размер изображения. Кроме того, герметичный корпус камеры защищает ее от влаги, пыли и атмосферных воздействий (степень защиты IP 67). В системах сбора данных Dewesoft можно использовать несколько камер одновременно, что позволяет получить разные углы обзора тестируемых объектов.

Когда в начале 2000-х компания Dewesoft добавила обычную веб-камеру в системы сбора данных, это стало настоящим прорывом на рынке. Следующим логичным шагом стало использование промышленных камер, частоту кадров которых можно было тонко настроить и которые обладали более высоким разрешением и скоростью.

Механические крепления и защита важны для каждого датчика, что было учтено при разработке лучших современных промышленных камер.

Инфракрасные и тепловизионные камеры

Инфракрасные камеры также иногда используются в науке и промышленности и являются еще одним важным компонентом системы сбора данных. Инфракрасные камеры могут определять температуру в зоне видимости, что идеально подходит для измерения температуры без прямого контакта.

Экспорт файлов данных из Dewesoft X с помощью камеры с синхронизацией аналоговых данных, инфракрасной и стандартной камеры

Инфракрасные излучения помогают при определении неполадок на электростанциях, поскольку перегрев источников питания и генераторов, как правило, указывает на наличие проблемы. При одном взгляде на данные с инфракрасной камеры легко определить проблемные участки.

Тот же принцип применим при испытании автомобильного тормозного механизма. Инфракрасные камеры позволяют измерить точную температуру тормозов при их эксплуатации и измерить точную скорость нагревания или охлаждения в различных условиях. Такие камеры все чаще используются в ADAS (современных системах помощи водителю), поскольку помогают автомобилю обнаруживать людей и другие источники тепла до того, как они попадут в поле зрения, особенно ночью.

Способность «видеть» в совершенно другом спектре открывает огромное количество возможностей для многих испытаний и областей измерения. Самым известным производителем инфракрасных камер является FLIR, и многие их модели тесно интегрированы в системы сбора данных Dewesoft для сбора непрерывных термографических данных в синхронизации с аналоговыми и цифровыми данными с датчиков, как показано в примере выше.

Высокоскоростные камеры

Высокоскоростные камеры нужны для регистрации крайне быстро изменяющихся явлений. Вы наверняка видели замедленную съемку лопающегося шарика или пули, пронзающей стакан с водой, — такие видео были сняты на высокоскоростные камеры.

Ассортимент высокоскоростных камер от Photron

Высокоскоростные камеры Photron могут захватывать до 500 000 изображений в секунду. Эти данные сохраняются в оперативную память и сразу же доступны для воспроизведения. Системы сбора данных Dewesoft можно синхронизировать с камерами Photron, что позволяет установить для них одновременные триггеры, а по завершении испытания высокоскоростное видео сразу же передается в систему сбора данных Dewesoft и автоматически синхронизируется с другими данными. Видеозапись можно воспроизводить в идеальной синхронизации с данными с других датчиков.

Видео с испытания переключателя с плавким предохранителем с использованием оборудования и ПО для сбора данных Dewesoft

Выводы

Камеры обеспечивают уникальный контекст для регистрируемых данных, повышают эффективность информации и анализа при исследованиях и испытаниях.

Области применения видеокамер

  • Промышленные камеры: автоматизация производства и контроль технологического процесса; автомобильная отрасль — измерение внешнего шума ТС, испытания в аэродинамической трубе, испытания тормозных механизмов; аэрокосмическая отрасль — испытания поверхности управления, испытания спасательных трапов, испытания двигателей

  • Инфракрасные камеры: измерение электроэнергии и питания, ADAS (современные системы помощи водителю)

  • Высокоскоростные камеры: баллистические испытания, исследование гидроаэродинамики, испытание материалов, автомобильные краш-тесты, испытания в аэродинамической трубе

Плюсы и минусы датчиков камеры

Тип камерыПреимущества видеокамерНедостатки видеокамер
Промышленные камерызащита от воздействия окружающей среды IP67, синхронизация выходных сигналов, скорость до 600 кадров в секунду, прямое сравнение данных датчиков с изображениями тестируемых объектов, сменные объективыболее дорогостоящие по сравнению с веб-камерами
Инфракрасные камерыбесконтактное измерение температуры, прямое сравнение данных датчиков с термической картиной в реальном временидорогие, не могут работать через стекло
Высокоскоростные камерызахват изображений до 500 000 кадров в секундуочень дорогие, короткое время записи в связи с высокой частотой выборки, требуют много внешнего света на объекте или источника постоянного прямого света

Цифровые датчики

Говоря о цифровых датчиках, мы имеем в виду датчики, которые выводят дискретные значения, как правило, связанные с линейным или угловым положением, а также датчики, которые используются для обнаружения объектов поблизости. Рассмотрим наиболее распространенные цифровые датчики.

Датчик приближения

Датчик приближения способен обнаруживать объекты поблизости бесконтактным способом, а затем выводить импульсные сигналы или сигналы напряжения. Есть несколько типов датчиков приближения. Их выбор зависит от состава обнаруживаемых объектов. is able to detect a nearby object without making contact with it, and then output a pulse or voltage signal. There are several types of proximity sensors, which are chosen based on the composition of the object(s) that should be detected. 

Типичный датчик приближения

Поворотные энкодеры

Поворотные энкодеры, как правило, обеспечивают высокое угловое разрешение, поскольку могут насчитывать до нескольких тысяч шагов на поворот в 360°, что позволяет измерять шаги менее 1°. Многие энкодеры также могут определять направление вращения, что представляет особую важность в определенных областях применения.

Типичный поворотный энкодер

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры записывают относительные изменения в положении и направлении. Они не отслеживают абсолютное положение (угол). 

Инкрементальные энкодеры выводят сигналы A и B, которые указывают на изменения в движении и направлении. Для некоторых энкодеров можно определить желаемое или эталонное положение. При достижении этого положении создается дополнительный выходной сигнал Z. Инкрементальные энкодеры — это самые распространенные и популярные типы энкодеров.

Линейные энкодеры

Линейный энкодер измеряет положение вдоль линейного пути. В отличие от поворотного энкодера, который обладает круглой внутренней пластиной, позволяющей измерять положение вала, большинство линейных энкодеров перемещаются вдоль внешней шкалы и определяют собственное положение в соответствии с отметинами на этой шкале.

Линейный энкодер

Идеальный пример — струйный принтер, который использует линейный энкодер для точного перемещения печатающей головки вперед и назад вдоль шкалы во время печати. Для этого, как и для других задач, требуются высокие разрешение и точность.

Чаще всего с линейными энкодерами используются оптические технологии считывания данных. Тем не менее, есть энкодеры, которые работают на основе магнитных, емкостных и индуктивных технологий. Оптические энкодеры обеспечивают максимальную точность и разрешение. Однако следует внимательно следить за отсутствием загрязнений, поскольку они могут отрицательно сказаться на работе датчика.

Линейные энкодеры имеют как аналоговый, так и цифровой выходы. С системами Dewesoft лучше использовать цифровые выходы, поскольку они передают выходные сигналы A и B, что схоже с инкрементальными поворотными энкодерами, описанными в предыдущем разделе.

Датчики положения зуба зубчатого колеса

Этот угловой датчик состоит из зубьев, расположенных по окружности, а также своеобразного датчика приближения, расположенного таким образом, чтобы засекать зубья при их прохождении рядом с датчиком. Как правило, используется датчик приближения, работающий по принципу эффекта Холла, но возможны и другие варианты. Зубчатое колесо устанавливается на тестируемый вращающийся вал.

Зубчатое колесо с датчиком приближения

Датчик Холла обнаруживает отклонения в индукции, возникающей в воздушных карманах между магнитом и проходящими металлическими зубьями колеса. В современных системах сигнал преображается в бинарный прямоугольный импульс, который не зависит от требований к ориентации. Сигнал производится до полной остановки зубчатого колеса и продолжается с проходом первого зубца сразу же после подачи питания.

Многие датчики Холла могут обнаруживать не только проходящие близко зубья зубчатого колеса, но также использоваться для обнаружения отверстий в дисках и пластинах, металлических элементов (например, болтов), добавленных в различные диски и пластины, надсечек на валах привода и распределительных валах.

Области применения цифровых датчиков

  • Датчики приближения: подсчет числа оборотов в минуту вращающегося вала (функция тахомера); подсчет деталей, проходящих через производственную линию; обнаружение прохождения автомобилей (погруженный в дорогу)

  • Поворотные энкодеры: измерение скорости моторов, конвейеров, систем наполнения, систем перемещения и позиционирования; измерение скорости, положения станков и расстояния (текстильная, бумажная промышленность, металлургия)

  • Линейные энкодеры: станки с ЧПУ; струйные принтеры; лазерные сканеры; системы перемещения и позиционирования на производстве; робототехника

  • Датчики положения зуба зубчатого колеса: измерение числа оборотов в минуту вращающегося вала; анализ сгорания двигателя; изучение вибраций при кручении и вращении

Плюсы и минусы цифрового датчика

Тип датчикаПреимущества цифровых датчиковНедостатки цифровых датчиков
Proximity sensorsДатчики приближения: высокая надежность; низкая стоимость; емкостные типы также можно использовать для измерения толщины; индуктивные типы не боятся воды, грязи и пр.Датчики приближения: ограниченные расстояния для обнаружения (~70 мм); требуется внешний источник питания
Rotary encodersПоворотные энкодеры: высокая скорость/низкая задержка; высокое разрешение; высокая надежность и точностьПоворотные энкодеры: в магнитных энкодерах возможны радиочастотные и электромагнитные помехи; в оптических энкодерах возможны световые помехи
Linear encodersЛинейные энкодеры: см. поворотные энкодерыЛинейные энкодеры: см. поворотные энкодеры
Gear Tooth sensorsДатчики положения зуба зубчатого колеса: как правило, имеют высокий уровень защиты, прочные; низкие начальные и эксплуатационные расходыДатчики положения зуба зубчатого колеса: ограниченное расстояние для обнаружения; ограниченное угловое разрешение по сравнению с энкодерами, которые обеспечивают сотни или тысячи шагов вращения вала на 360°.

Выводы

Мы надеемся, что теперь у вас сложилось более полное представление о том, что из себя представляют датчики, как они работают и как применяются для решения по-настоящему огромного количества задач в сфере мониторинга и испытаний. Технологии не стоят на месте: датчики становятся все лучше, ведется поиск новых, более эффективных способов проведения точных и повторяющихся измерений. Сама технология применения датчиков постоянно развивается.

Признаем, в этой статье мы затронули лишь малую часть этой обширной темы. В наши дни существует огромное многообразие датчиков, в том числе ультразвуковые датчики, которые используют отраженные ультразвуковые волны для измерения расстояния, химические датчики, обнаруживающие газы и пары, и многое другое.

Подробные сведения о различных датчиках