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.

Data acquisition system schematicДатчик, 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.

Thermometer sensor for measuring temperature

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

There are many types of sensorsЕсть множество видов датчиков
Источник изображения: Electronics Hub (
ссылка)

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.

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.

Dewesoft DAQ Systems

Термодатчики

Самые распространенные и популярные датчики для измерения температуры:

  • термопары,
  • термисторы, 
  • резистивные датчики температуры,
  • а также инфракрасные термодатчики.

Different type of temperature sensors - thermistor, thermocouple and RTDРазные 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 датчика Термистор Резистивный датчик температуры (РТД) Термопара
Температурный диапазон (типичный) -100...325°C -200...650°C 200...1750°C
Точность (типичная) 0,05...1,5°C 0,1...1°C 0,5...5°C
Долговременная стабильность при 100°C 0,2°C/год 0,05°C/год Переменная
Линейность Экспонента Довольно линейная Нелинейная
Требуемое питание Постоянное напряжение или ток Постоянное напряжение или ток Встроенный источник питания
Время отклика Быстрое
0,12–10 с
Обычно медленное
1–50 с
Быстрое
0,10–10 с
Чувствительность к электрическим шумам Низкая чувствительность
Только высокое сопротивление
Низкая чувствительность Чувствительный/компенсация влияния температуры холодного спая
Стоимость Низкая или умеренная Высокая Низкая

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.

Подробнее о Dewesoft и измерении температуры с помощью термопары:

Измерение температуры с помощью термопары

Курсы PRO Training от Dewesoft > Измерение температуры

 

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

  Преимущества Недостатки Наиболее подходящая область применения
Термопара
  • Широкий диапазон измерений
  • Встроенный источник питания
  • Простота установки
  • Защищенный корпус
  • Низкая стоимость
  • Нелинейность
  • Требуется эталонный сигнал компенсации холодного спая
  • Встроенная изоляция не предусмотрена
  • Тысячи различных задач на производстве, в технологическом процессе и при промышленном мониторинге температур
  • Автомобильные испытания в условиях, моделирующих эксплуатационные
  • Испытания двигателя внутреннего сгорания и гибридного двигателя
  • Испытания электрических моторов и турбин
  • Здравоохранение, мониторинг медицинских показателей
  • Испытания двигателей и систем управления в аэрокосмической отрасли
РДТ
  • Максимальная стабильность
  • Максимальная точность
  • Большая линейность (в сравнении с термопарой)
  • Высокая стоимость
  • Требуется источник тока
  • Низкое сопротивление
  • Малое абсолютное сопротивление
  • Самонагревание
  • Погрешности, связанные с сопротивлением проволочного вывода
  • Время отклика
  • Виброустойчивость
  • Размер
  • Фармацевтика, производство лекарств
  • Пищевая промышленность
  • Точные научные измерения
Термистор
  • Мощный выходной сигнал
  • Быстрый отклик
  • Простая установка
  • Крайне низкая стоимость
  • Выходное значение необходимо перевести из значения изменения сопротивления в значение измерения температуры
  • Диапазон ограничен ~200°C
  • Хрупкость
  • Мониторинг электрических цепей
  • Автомобильные двигатели
  • Бытовая электроника
  • Пожарные сигнализации
  • Терморегуляция

Подробнее об измерении температур:

Курсы PRO Training от Dewesoft -> Измерение температуры

 

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.

Typical single foil strain gage sensorТипичный фольговый тензодатчик
Источник изображения: Cristian V. [CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/ by/4.0)]

Области применения тензодатчиков

  • Измерения деформации и механического напряжения
  • Измерения веса и нагрузки
  • Измерения силы
  • Измерения ударных нагрузок и вибрации

Преимущества тензодатчиков

  • Сами датчики стоят недорого
  • В равной степени хорошо ведут себя при статических и динамических измерениях
  • Можно применять для широкого спектра задач

Недостатки тензодатчиков

  • Установка требует специализированных знаний
  • Довольно сложная схема преобразования сигналов
  • Температура может влиять на результаты измерений

Подробнее о тензодатчиках и измерении деформации:

Как измерить деформацию и давление с помощью тензодатчиков
Как измерить вес с помощью датчиков нагрузки
Курсы PRO Training от Dewesoft -> Измерение 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.

Typical bending beam load cellТипичный датчик нагрузки со сгибающейся балкой
Daraceleste [CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

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

Преимущества датчиков нагрузки

  • Точность и повторяемость измерений
  • Доступны как для крайне малых нагрузок, так и для нагрузок в сотни тысяч кг
  • Доступно множество форм и размеров для многочисленных областей применения

Недостатки датчиков нагрузки

  • На результаты измерений может повлиять температура окружающей среды
  • Требуется относительно дорогой преобразователь сигналов для тензодатчиков

Подробнее о датчиках нагрузки и измерении веса:

Как измерить вес с помощью датчиков нагрузки

 

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.

Cross-section of a typical LVDT sensorРазрез типичного датчика LVDT
Источник: Викисклад

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

Преимущества LVDT

  • Высокая точность и повторяемость измерений
  • Долгий срок службы благодаря эксплуатации практически без трения
  • 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

Недостатки LVDT

  • На результаты измерений может повлиять температура окружающей среды
  • Требуется возбуждение перем. током 

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

Преимущества акселерометров

  • Простое подключение
  • Доступны модели как для динамического, так и для статического измерения
  • Доступно множество типов и размеров для разных областей применения
  • Для датчиков заряда не требуется внешний источник энергии
  • Датчики IEPE позволяют задействовать кабели большей длины, более дешевые кабели и преобразователи сигналов

Недостатки акселерометров

  • Датчики можно сильно повредить электрическим разрядом
  • Для датчиков заряда требуются более дорогие по сравнению с датчиками IEPE преобразователи сигналов
  • Монтаж датчиков требует специальных знаний

Подробнее об измерении вибраций:

Измерение ударных нагрузок и вибрации с помощью акселерометров

Курсы PRO Training от Dewesoft -> Измерение вибрации

 

Звуковые датчики: микрофоны

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

Typical sound measuring microphone from GRAS instrumentsТипичный 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

Преимущества микрофонов

  • Простое подключение: используются готовые и доступные кабели BNC 50 Ом
  • Доступно множество типов для разных областей применения
  • Простая установка

Недостатки микрофонов

  • Относительно дорогой датчик
  • При падении или неправильном обращении возможны повреждения
  • Для 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.

Current transducers from DewesoftТокоизмерительные клещи от Dewesoft

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

Преимущества преобразователей тока

  • Модели с зажимами просто прикреплять к кабелям переменного тока
  • Гибкие модели Роговского легко подключать в труднодоступных местах
  • Клещи с питанием и без питания для задач с переменным током
  • Долгий срок службы

Недостатки преобразователей тока

  • Относительно дорогой датчик
  • Клещи пост. тока, катушки Роговского и индукционные датчики требуют подключения к внешнему источнику энергии

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.

Typical Potential TransformerТипичный 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.

ABB outdoor voltage transformerТрансформаторы напряжения 36 и 200 кВ внешнего исполнения
Фото предоставлено ABB
https://bit.ly/2uO97xa

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

Преимущества трансформаторов напряжения

  • Обеспечивают безопасность испытателей и техников
  • Просты в эксплуатации
  • Для большинства моделей не требуется внешний источник питания
  • Долгий срок службы

Недостатки трансформаторов напряжения

  • Стоимость может быть высокой

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.

Typical photocell sensor

Типичный фотоэлемент
Автор: Levan jgarkava — собственная работа, открытый источник,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7726138

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.

Typical photodetectorТипичный фотодатчик компакт-диска
Jacopo Werther/CC BY-SA (
https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

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.

 

Fiber Optic cable construction

Строение оптоволоконного кабеля
Источник фото: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Fiber-optic-construction.png

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

Преимущества оптических датчиков

  • Передача по оптоволокну происходит с крайне большой скоростью и нечувствительна к электромагнитным помехам и прочим внешним силам
  • Бесконтактные оптические датчики служат дольше
  • Большинство оптических датчиков отличается низкой стоимостью и малыми размерами

Недостатки оптических датчиков

  • Фотоэлементы (или фоторезисторы) относительно медленно реагируют на изменения света

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.

Industrial high-speed video camera from DewesoftПромышленная 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 и цифровых данных с видео https://youtu.be/RwSPUk7yK9U

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.

Photron high speed camerasАссортимент 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

Преимущества видеокамер

  • Промышленные камеры: защита от воздействия окружающей среды IP67, синхронизация выходных сигналов, скорость до 600 кадров в секунду, прямое сравнение данных датчиков с изображениями тестируемых объектов, сменные объективы
  • Инфракрасные камеры: бесконтактное измерение температуры, прямое сравнение данных датчиков с термической картиной в реальном времени
  • Высокоскоростные камеры: захват изображений до 500 000 кадров в секунду

Недостатки видеокамер

  • Промышленные камеры: более дорогостоящие по сравнению с веб-камерами 
  • Инфракрасные камеры: дорогие, не могут работать через стекло
  • Высокоскоростные камеры: очень 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.

Typical proximity sensorТипичный 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.

Typical rotary encoder

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.

Typical linear encoderЛинейный энкодер
Изображение предоставлено
Heidenhain

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.

Gear tooth with proximity sensorЗубчатое 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

Преимущества цифровых датчиков

  • Датчики приближения: высокая надежность; низкая стоимость; емкостные типы также можно использовать для измерения толщины; индуктивные типы не боятся воды, грязи и пр.
  • Поворотные энкодеры: высокая скорость/низкая задержка; высокое разрешение; высокая надежность и точность
  • Линейные энкодеры: см. поворотные энкодеры
  • Датчики положения зуба зубчатого колеса: как правило, имеют высокий уровень защиты, прочные; низкие начальные и эксплуатационные расходы

Недостатки цифровых датчиков

  • Датчики приближения: ограниченные расстояния для обнаружения (~70 мм); требуется внешний источник питания
  • Поворотные энкодеры: в магнитных энкодерах возможны радиочастотные и электромагнитные помехи; в оптических энкодерах возможны световые помехи
  • Линейные энкодеры: см. поворотные энкодеры
  • Датчики 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°.

Подробнее о цифровых счетчиках, энкодерах:

Как измерить количество оборотов в минуту, угол и скорость с помощью цифровых датчиков, счетчиков и энкодеров

Курсы PRO Training от Dewesoft -> Цифровые счетчики

Курсы PRO Training от Dewesoft -> Измерение угла

 

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

Более подробные данные о каждом из основных типов датчиков представлены в следующих статьях:

Тип датчика Ссылка на статью
Тензодатчики Измерение деформации и давления с помощью тензодатчиков
Датчики нагрузки Измерение веса с помощью датчиков нагрузки
Акселерометры Измерение ударных нагрузок и вибрации с помощью акселерометров
Термопары Измерение температуры с помощью термопар
Резистивные датчики температуры **СКОРО** Измерение температуры с помощью резистивных датчиков температуры
Термисторы **СКОРО** Измерение температуры с помощью термисторов
Преобразователи напряжения **СКОРО** Измерение высокого напряжения с помощью преобразователей напряжения
Токовые датчики **СКОРО** Измерение силы тока с помощью токовых датчиков
LVDT **СКОРО** Измерение расстояния с помощью датчиков LVDT
Энкодеры Измерение числа оборотов в минуту, угла и скорости с помощью счетчиков и энкодеров

Список крупнейших поставщиков датчиков по типу датчика

СКОРО: см. статью «Список производителей датчиков по типам».

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.

Dewesoft DAQ Systems