Датчик присутності – електронний прилад, який реєструє безконтактними методами об'єкти певного класу біля свого контролю.

Залежно від результатів реєстрації може комутувати електричні імпульси, за сигналами яких інші пристрої виконують різного роду дії.

Автоматичне включення електросушарки під час піднесення рук, спрацювання деяких типів автомобільних сигналізацій, зупинка конвеєрів у разі заповнення бункерів на промислових підприємствах – приклади функціонування датчиків присутності.

За принципом дії:

1. ультразвукові: бар'єрні, дифузійні;
2. фотоелектричні: бар'єрні (тип Б), рефлекторні (тип Р), дифузійні (тип Д);
3. ємнісні;
4. акустичні;
5. інфрачервоні;
6. датчики навантаження;
7. комбіновані.

За кількістю блоків датчика:

1. однопозиційні;
2. двопозиційні;
3. багатопозиційні.

За способом монтажу:накладні та вбудовувані.

За методом отримання вхідного сигналу:активні та пасивні.

За способом передачі вихідного сигналу:дротові та бездротові.

Розглянемо докладно кожен із видів, визначимо області їх застосування, оцінимо переваги та недоліки.

Ультразвукові датчики присутності

Випускають і приймають хвилі, що не вловлюються людським вухом (частотою близько 200 кГц).

Можливі два режими роботи:

Бар'єрний : між датчиками, розташованими навпроти одного, проходить ультразвукова хвиля. Вона не потрапить у приймач, якщо у зоні дії з'явиться сторонній предмет (бар'єр).

Дифузійний : з використанням датчика, що випромінює хвилю, а потім уловлює її, відбиту від об'єкта, що опинився на шляху променя.

В обох випадках при появі стороннього предметакомутується сигнал, що передається на виконуючі пристрої.

Переваги ультразвукових датчиків у порівнянні з оптичними, що виконують подібні завдання:

• виявлення прозорих об'єктів;
• несприйнятливість до світлових спалахів та відблисків;
• працездатність у складних умовах(Туман, пил, пара).

Недоліки:

• низька дальність (верхній поріг) фіксації;
• ненадійність реєстрації об'єктів з м'яких матеріалів(Тканина, пориста гума);
• наявність "сліпої зони" (нижнього порогу виявлення).

Приклади використання ультразвукових датчиків: паркувальні системи сучасних автомобілів, підрахунок кількості одиниць готової продукції на конвеєрі.

Фотоелектричні датчики присутності

Фотоелектричні датчики Б і Д типу працюють за схожою з ультразвуковими схемою. Відмінність полягає у використанні оптичного випромінювання замість ультразвукового. Це дає такі переваги:

• високий поріг фіксації (до 150 м у бар'єрних датчиків);
• швидкодія;
• відсутність сліпої зони.

Недоліки:

• неможливість реєстрації прозорих об'єктів;
• збої в умовах туману, пилу, при прояві світлових спалахів та відблисків.

У датчиків типу Р приймач та випромінювач змонтовані в одному корпусі. Випущений промінь відбивається від рефлектора (катафота, відбивача), що знаходиться на відстані до 8 метрів, і повертається назад. Прилад подає сигнал, якщо світловий потік переривається контрольним об'єктом.

У порівнянні з типом Б тип Р втрачає в дальності дії, але його переваги - компактність і простота монтажу.

Фотоелектричні датчики використовуються для контролю за пакувальними та виробничими лініями, перевірки рівня наповнення прозорої тари, запобігання несанкціонованому доступу на закриті території, зупинки промислового обладнанняпри попаданні людини у небезпечні зони.

Ємнісні

Конструктивно є циліндричні або плоскопаралельні конденсатори.

З появою об'єкта у зоні дії змінюється їх діелектрична проникність, отже, і ємність, що спрацьовує (див. ).

Прилади застосовуються для контролю за заповненням резервуарів рідинами та сипучими матеріалами, як лічильники одиниць готової продукції та елементи протиугінних систем автомобілів

Переваги ємнісних датчиків – низька інерційність та високий поріг чутливості. Недолік – ймовірність збоїв у роботі під впливом зовнішніх електромагнітних полів.

Акустичні датчики присутності

Вони за допомогою п'єзоелектричних матеріалів відбувається перетворення звукової хвилі в електричний сигнал.

Є мікрофонами, що працюють в діапазоні частот 20-20000 Гц:

• низькоомні (котушки індуктивності з рухомими магнітами);
• високоомні (еквівалентні змінні конденсатори).

Використовуються як звукові датчики світла, що працюють спільно з і економлять електроенергію. У разі перевищення порога шуму в кімнаті відбувається автоматичне включення світла. Якщо настає тиша, через 20-25 секунд лампи вимикаються.

Переваги приладу:

• простота конструкції;
• надійність.

Недоліки:

• необхідність використання підсилювачів;
• ймовірність помилкових спрацьовувань внаслідок зовнішніх та внутрішніх шумів (різкі звуки з вулиці, включення радіо, телефонні дзвінки).

Інфрачервоні датчики присутності

Принцип дії приладів ґрунтується на фіксації змін потоку інфрачервоних (ІЧ) променів у результаті переміщень людини. Його перебування розпізнається за більшою інтенсивністю (порівняно з предметами інтер'єру) випромінювання, яке залежить від температури тіла.

Основні деталі датчика – фотоелементи та мультилінза, що складається з великої кількостісегментів – дрібних лінз. Кожна з них направляє промені, що потрапляють до неї, на фотоелемент.

Рухаючись, людина опиняється у зонах контролю різних сегментів. Світло на фотоелементі зникає, то з'являється, генеруючи електричний сигнал.

У строгому розумінні за принципом дії такий пристрій – а не присутності. До останньої категорії відносять особливо точні прилади з більшим числомдільниць контролю. Вони здатні вловлювати наявність людини, яка перебуває у стані майже повного спокою. Фіксуються дрібні жести: похитування головою, натискання пальцями клавіатури тощо.

Радіус виявлення (R) – основна характеристика пристрою. Його монтаж повинен проводитися так, щоб відстань до найдальших кутів кімнати не перевищувала R. У приміщеннях великої площі потрібна установка кількох датчиків.

Необхідно, щоб по дорозі ІЧ променя був перегородок, навіть скляних, які йому непрозорі.

Неприпустиме попадання на прилад прямого світла ламп, він повинен знаходитись на максимальній відстані від вентиляторів, кондиціонерів та обігрівачів.

Інфрачервоні датчики використовують як засоби, як додатковий і для автоматизації електропостачання, що призводить до економії коштів.

Їх переваги:

• точність регулювання;
• повна безпека для здоров'я через відсутність будь-яких видів випромінювання;
• реакція лише на об'єкти, температура яких перевищує граничну.

Недоліки:

• неточність функціонування на відкритих просторах (вплив опадів, сонячного світла);
• ймовірність хибних включень під впливом теплих потоків повітря;
• перешкоди від об'єктів, що не пропускають інфрачервоне випромінювання;
• низький діапазон робочих температур.

Датчики навантаження

Це конвертери, що перетворюють механічне зусилля на електричний струм.

Конструктивно датчик є тензорезистор у вигляді тонкого дроту, зигзагоподібно, як обігрівач автомобільного скла, закріплений на еластичній підкладці. Як пружний елемент використається тканина, гума, полімерна плівка.

Під дією сили провідник деформується, його опір змінюється, що генерує електричний сигнал, що подається після посилення на виконавчі пристрої.

Використання приладів:

Як датчики присутності пасажира. Штатних – з метою безпеки (індикація пристебнутого ременя та дані для спрацьовування подушок безпеки). Встановлюються індивідуально – контролю за роботою таксі (фіксування стану машини – “вільний/зайнятий”).

В якості елементів стаціонарних і безпеки, що сигналізують про несанкціонований доступ до приміщення.

Перевага тензорезисторних датчиків навантаження - мала товщина, що забезпечує приховану установку (маскування під килимок біля дверей), та легкість монтажу на пасажирські сидіння.

Недоліки:

• необхідність використання підсилювача сигналу;
• схильність до механічних навантажень, що багаторазово повторюються, що призводить до виходу з ладу;
• зниження чутливості при перепадах температури.

Комбіновані датчики присутності

Іноді досягнення поставлених цілей пристрою одного типу недостатньо. У разі їх можна задіяти кілька з різними принципами роботи.

На прикладі розглянемо експлуатацію інфрачервоного датчика присутності у комбінації із датчиком освітленості.

Перший подає сигнал на включення ламп при виявленні ним людини у кімнаті.

Другий – у разі показників освітленості нижче встановленого граничного значення.

Працюючи спільно, вони в автоматичному режимі запалять світильники лише у разі присутності людей у ​​приміщенні у темний час доби.

Такий підхід створює комфортні умови життєдіяльності та призводить до 30-40% економії електроенергії.

При охороні об'єктів датчики з різним принципомдії об'єднують у системи. Це підвищує надійність та зменшує кількість помилкових спрацьовувань.

Влаштування датчиків присутності

Датчики є приладами, що складаються з одного (однопозиційні), двох (двопозиційні) або декількох (багатопозиційні) блоків. Кожен – пристрій у пластиковому корпусі із мікросхемою для відправки, прийому та обробки сигналів.

Їх конструктивна особливість – відсутність деталей, що переміщаються, що відчувають механічні навантаження. Виняток – еластичні підкладки з тензорезисторами у датчиках навантаження.

Як наслідок, можливі несправностіобмежуються виходом з ладу деталей мікросхем та самостійного усунення не підлягають.

Варіанти монтажу датчиків. Залежно від конструктивних особливостейДатчики встановлюються в монтажні коробки або безпосередньо на стіни або стелю (накладні моделі).

Переваг в експлуатації жоден із способів не дає, на вибір можуть вплинути лише дизайнерські рішення.

Способи отримання сигналу. За способом отримання сигналу датчики присутності бувають двох видів:

• активні – випромінюють енергію в довкілля та отримують дані на основі відгуку (ультразвукові, фотоелектричні);
• пасивні – фіксують об'єкти за їх властивостями, попередньо не надсилаючи сигнали (інфрачервоні, акустичні, ємнісні, датчики навантаження).

Передача сигналу датчиками присутності. Отримавши та обробивши інформацію, датчик присутності відправляє сигнал на виконавчі пристрої:

• за допомогою електричних дротів;
• по захищеному радіоканалу.

У другому варіанті відстань між датчиком і блоком, що приймає, досягає 200 м. Використання підсилювачів збільшує цей показник, а перешкоди на шляху - знижують.

При бездротовій передачі сигналу зв'язку з конкретним виконавчим пристроєм датчику задається його код. Це здійснюється шляхом встановлення джамперів (перемичок).

Якщо використовувати прилади з кодом навчання, то потреби в установці перемичок немає: для комутації достатнього одночасного натискання спеціальних кнопок на датчику та блоці, що приймає.

Переваги бездротової передачі сигналу – простота монтажу обладнання та зниження витрат на електричні дроти.

Виробники та моделі датчиків присутності

Розглянемо які моделі датчиків присутності пропонують світові компанії.

Theben AG (Німеччина)

У 1921 році в Штутгарті Пауль Швенк заснував компанію, що виготовляла таймери та аксесуари для годинника.

Дбайливий господар, прагнучи економії, винайшов і в 1930 році запустив у виробництво перший датчик зворотного відліку для управління освітленням, який став хітом продажів.

Успіх стимулював подальше прагнення інновацій, що перетворило Theben AG на європейського лідера у виробництві приладів для ефективного енергозбереження, різних датчиків, “розумних” тощо.

Датчики присутності Theben, що керують системою освітлення:

SPHINX 104-360	SPHINX 104-360/2	SPHINX 104-360 AP
Принцип дії
інфрачервоний	інфрачервоний	інфрачервоний
Спосіб монтажу
стеля, вбудована	стеля, вбудована	стеля, накладна
Кут охоплення
360 про	360 про	360 про
Радіус контролю
7 м	7 м	7 м
Число каналів
1	2	1
Макс. потужність ламп
1800 Вт	1800 Вт	2000 Вт
Рівень освітленості
10-2000 Лк	10-2000 Лк	10-2000 Лк
Затримка вимкнення
1 с-20 хв	1 с-20 хв	1 с-20 хв
Рівень захисту
IP 41	IP 41	IP 41

Всі прилади обладнані вбудованим люксметром, що регулюється, і пультом. дистанційного керування(Див. ).

SPHINX 104-360/2 має другий канал виходу, із затримкою відключення 10 сек – 60 хв, сигнал з якого може подаватися на кондиціонер, радіатор електроопалення, вентилятор.

OMRON (Японія)

Компанія OMRON (м. Кіото), заснована Кадзума Татеїсі у 1933 році. У повоєнні роки вона стала однією з фірм-творців японського економічного дива.

Основний напрямок діяльності – виробництво засобів автоматизації та сенсорних пристроїв. У цій галузі їй належить понад 40% японського ринку. Річний оборот компанії – понад 5 мільярдів доларів.

Фотоелектричні датчики виявлення OMRON:

E3FA/E3FB-B/-V	E3H2	E3T-C
Виявлення об'єкта: максимальна відстань спрацьовування
Бар'єрний режим
20 м	15 м	4 м
Рефлекторний режим
4 м	3 м	2 м
Дифузний режим
1 м	0,3 м	0,3 м
Джерело світла (довжина хвилі)
червоний світлодіод (624 нм)	червоний світлодіод (624 нм)	світлодіоди: інфрачервоний (870 нм), червоний (630 нм)
Напруга живлення
10-30 V постійний струм	10-30 V постійний струм	10-30 V постійний струм

Прилад Е3Н2 обладнаний яскравим світлодіодним індикатором, що спрощує вирівнювання, а габарити Е3Т-С полегшують його монтаж в умовах обмеженого простору.

ESYLUX (Німеччина)

Компанія ESYLUX (м. Аренсбург) розробляє та випускає світильники для аварійного та зовнішнього освітлення, датчики присутності та руху, детектори диму. Підтвердженням високого рівняпродукції є одержаний нею знак якості “German Engineering”. Філії та торгові представництва фірми відкриті у 13 країнах

У таблиці подано зразки датчиків присутності виробництва ESYLUX.

PD 360/8 Basic	PD 360/8 Basic SMB	PD 180i/R
Принцип дії
інфрачервоний	інфрачервоний	інфрачервоний
Спосіб монтажу
стеля, накладна	стеля, вбудована	стіна, вбудований
Кут охоплення

Елементи систем автоматичного керування

Автоматика- галузь науки та техніки про управління різними процесамита контролі їх перебігу, що здійснюються без безпосередньої участі людини.

Управління різними процесами без втручання людини називається автоматичним керуванням, а технічні засоби, за допомогою яких воно здійснюється засобами автоматики.

Параметри виробничого технологічного процесу, які необхідно підтримувати постійно або змінювати за певним законом керованою величиною.

Комплекс технічних засобів, призначених для автоматизації виробничих процесів, є автоматичну систему.

Залежно від виконуваних функцій розрізняють автоматичні системи контролю, управління та регулювання.

Системи складаються з об'єкта керування та автоматичного керуючого пристрою. Якщо вхідними впливами для керуючого пристрою є лише зовнішні дії, система називається розімкнутою(без зворотного зв'язку), якщо зовнішні та внутрішні - замкненою(З зворотним зв'язком).

Залежно від способу формування сигналів управління системи поділяються на безперервніі дискретні(Цифрові).

Системи автоматики складаються з низки пов'язаних між собою елементів, що виконують певні функції та забезпечують у комплексі весь процес управління.

Відповідно до функцій, що виконуються, всі елементи автоматичної системиділяться на три групи:

1) вимірювальна

2) перетворювальна

3) виконавча

Вимірювальнугрупу складають різноманітні датчики.

Перетворювальну- Підсилювальні пристрої, регулятори, цифрові та мікропроцесорні пристрої.

Виконавчу- Електродвигуни, контактори, керуючі клапани та ін.

Елементами автоматикиназиваються конструктивно закінчені пристрої, що виконують певні самостійні функціїперетворення сигналів у системах автоматики.

Кожен елемент перетворює енергію, отриману від попереднього елемента, та передає її наступному. Елементи бувають електричними та неелектричними: гідравлічними, пневматичними, механічними тощо.

Найважливішою вимогою до пристроїв автоматики є висока надійність. Ненадійна робота системи автоматичного управління (відмова чи помилка) може призвести до порушення виробничого процесу та інших тяжких наслідків.

Особливого значення набуває використання автоматичних систем у тих галузях, де можливості людини неспроможна забезпечувати належний рівень контролю за технологічним процесом. Це може стосуватися як швидко протікають (наприклад, зміни напруги), так шкідливих факторів (наприклад, ядерні реакції, хімічне виробництво).

Автоматизація різних технологічних процесів, Управління різними машинами, механізмами вимагають численних вимірювань різноманітних фізичних величин. Інформацію про параметри контрольованої системи або пристрою одержують за допомогою датчиків або по-іншому сенсорів.

Датчик— це пристрій, що перетворює вхідний вплив будь-якої фізичної величини сигнал, зручний для подальшого використання (найчастіше в електричний сигнал).

Т.о. датчики перетворять улюблену величину на електричний сигнал, який зручно передавати, обробляти, виводити на дисплей і т.п.

Датчики, що використовуються, дуже різноманітні і можуть бути класифіковані за різними ознаками:

1) Залежно від виду вхідної (вимірюваної) величини розрізняють: датчики механічних переміщень (лінійних та кутових), пневматичні, електричні, витратоміри, датчики швидкості, прискорення, зусилля, температури, тиску та ін.

В даний час існує приблизно наступний розподіл частки вимірювань різних фізичних величин у промисловості: температура - 50%, витрата (масовий та об'ємний) - 15%, тиск - 10%, рівень - 5%, кількість (маса, обсяг) - 5%, час - 4%, електричні та магнітні величини - менше 4%.

2) За видом вихідний величини, в яку перетворюється вхідна величина, розрізняють неелектричні та електричні датчики. Більшість датчиків є електричними.

3) За принципом дії датчики можна розділити на два класи: генераторні та параметричні (датчики-модулятори). Генераторні датчики здійснюють безпосереднє перетворення вхідної величини електричний сигнал. Параметричні датчики вхідну величину перетворять на зміну будь-якого електричного параметра (R, L або C) датчика, тому для роботи вимагають джерело живлення.

За принципом дії датчики також можна розділити на омічні, термометричні, фотоелектричні, індуктивні, ємнісні та ін.

Розрізняють три класи датчиків:

Аналогові датчики, що виробляють аналоговий сигнал, пропорційно до зміни вхідної величини;

Цифрові датчики, що генерують послідовність імпульсів чи цифровий код;

Бінарні (двійкові) датчики, які виробляють сигнал лише двох рівнів: "ввімкнено/вимкнено" (інакше кажучи, 0 або 1).

Омічні (резистивні)датчики - принцип дії заснований на зміні їх активного опору при зміні довжини l, площі перерізу Sчи питомого опору p, тобто.

R= pl/S (1.1)

Крім того, використовується залежність величини активного опору від температури, контактного тиску та освітленості. Відповідно до цього омічні датчики ділять на: контактні, потенціометричні (реостатні), тензорезисторні, терморезисторні, фоторезисторні.

КонтактніДатчики - це найпростіший вид резисторних датчиків, які перетворюють переміщення первинного елемента в стрибкоподібну зміну опору електричного ланцюга. За допомогою контактних датчиків вимірюють і контролюють зусилля, переміщення, положення, температуру, розміри об'єктів і т.д. електродні датчики, що використовуються в основному для вимірювання граничних рівнів електропровідних рідин.

Недолік контактних датчиків є обмеженим терміном служби контактної системи, але завдяки простоті цих датчиків вони знаходять широке застосування.

Реостатнідатчики являють собою резистор з активним опором, що змінюється. Вхідною величиною датчика є переміщення контакту, а вихідний зміна його опору. Рухомий контакт механічно пов'язані з об'єктом, переміщення (кутове чи лінійне) якого потрібно перетворити.

Найбільшого поширення набула потенціометрична схема включення реостатного датчика, в якій реостат включають за схемою дільника напруги (рис. 1.1). Змінний резистор, що включається за схемою дільника напруги, називають потенціометром.

Вихідною величиною U вих такого датчика є падіння напруги між рухомим та одним з нерухомих контактів. Залежність вихідної напруги від переміщення «х» контакту U вих = f(х) відповідає закону зміни опору вздовж потенціометра.

Малюнок 1.1 - Потенціометрична схема включення реостатного датчика

Зазвичай реостатні датчики застосовують у механічних вимірювальних приладахдля перетворення їх показань в електричні величини (струм або напруга), наприклад, у вимірниках поплавця рівня рідин, різних манометрах і т. п.

Тензометричні датчики служать для вимірювання механічних напруг, невеликих деформацій, вібрації. Дія тензорезисторів заснована на тензоефект, що полягає в зміні активного опору провідникових і напівпровідникових матеріалів під впливом докладених до них зусиль.

Термометричнідатчики (терморезистори) – опір залежить від температури.

Терморези-стори як датчики використовують двома способами:

1) Температура терморезистора визначається довкіллям; Струм, що проходить через терморезистор, настільки малий, що не викликає нагрівання терморезистора. При цьому терморезистор використовується як датчик температури.

2) Температура терморезистора визначається ступенем нагріву постійним за величиною струмом та умовами охолодження. В цьому випадку температура визначається умовами тепловіддачі поверхні терморезистора (швидкістю руху навколишнього середовища- газу або рідини - щодо терморезистора, її щільністю, в'язкістю та температурою), тому терморезистор може бути використаний як датчик швидкості потоку, теплопровідності навколишнього середовища, щільності газів тощо.

Малюнок 1.2 — Застосування резистора, що самонагрівається, як датчик витрати

Наприклад, для вимірювання обсягу споживаного повітря в автомобільних двигунах в повітропроводі встановлюється резистор, що самонагрівається. Опір такого резистора змінюється внаслідок охолодження потоком повітря, у результаті резистор діє як датчик витрати (рис. 1.2).

Індуктивні датчики служать безконтактного отримання інформації про переміщення робочих органів машин, механізмів.

Принцип дії датчика ґрунтується на зміні електромагнітного поляпри попаданні в зону дії датчика металевих об'єктів (неметалічні матеріали датчик не реагує). В основному індуктивні датчики застосовуються як безконтактні вимикачі (не потребують механічного впливу) для визначення положення (кінцеві та колійні вимикачі).

На малюнку 1.3 представлені приклади застосування індуктивних датчиків як датчик положення, кута, швидкості.

Рисунок 1.3 - Приклади використання індуктивного датчика (ВБІ - безконтактний вимикач індукційний)

Недоліками індуктивних датчиків є мала відстань спрацьовування та порівняно невелика чутливість.

Ємнісні датчики - принцип дії заснований на залежності електричної ємності конденсатора від розмірів, взаємного розташуванняйого обкладок та від діелектричної проникності середовища між ними.

Для двообкладного плоского конденсатора електрична ємність визначається виразом:

С = e 0 eS/h (1.2)

де e0 - діелектрична постійна;

e - відносна діелектрична проникність середовища між обкладками;

S - активна площа пластин;

h – відстань між пластинами конденсатора.

Залежність ємності від площі пластин і відстані між ними використовується для вимірювання кутових переміщень, малих лінійних переміщень, вібрацій, швидкості руху і т.д.

Широко ємнісні датчики застосовуються для контролю рівня рідин і сипучих матеріалів. При цьому можна розташовувати датчики поза резервуаром або бункером. Матеріал, потрапляючи в робочу зону датчика, викликає зміну діелектричної проникності e, що змінює ємність і спрацьовує датчик (рис. 1.4).

а)	б)

Малюнок 1.4 - Ємнісний датчик

а) розподіл електричного поляконденсатора,

б) приклад контролю мінімального та максимального рівня

Крім того, на вимірюванні значення діелектричної проникності e працюють датчики товщини шару непровідних матеріалів (товщиноміри) та контролю вологості та складу речовини.

Переваги ємнісних датчиків – простота, висока чутливість та мала інерційність. Недоліки – вплив зовнішніх електричних полів, відносна складність вимірювальних пристроїв.

Індукційнідатчики перетворюють вимірювану величину ЕРС індукції. До цих датчиків відносяться тахогенератори, у яких вихідна напруга пропорційно до кутової швидкості обертання валу генератора. Використовуються як датчики кутової швидкості.

Тахогенератор (рис. 1.5) є електричною машиною, що працює в генераторному режимі. Об'єкт, що контролюється, механічно пов'язаний з ротором тахогенератора і приводить його в обертання. При цьому ЕРС пропорційна швидкості обертання і величині магнітного потоку. Крім того, із зміною швидкості обертання змінюється частота ЕРС.

Малюнок 1.5 - Тахогенератор

а) конструкція; б) діаграми вхідний та вихідний ЕРС

Температурнідатчики є найпоширенішими; широкий діапазон вимірюваних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювань та вимог до них визначають різноманіття засобів вимірювання температури, що застосовуються.

Основні класи датчиків температури для промислового застосуванняКабіна: кремнієві датчики температури, біметалічні датчики, рідинні та газові термометри, термоіндикатори, термопари, термоперетворювачі опору, інфрачервоні датчики.

Кремнієві датчики температури використовують залежність опору напівпровідникового кремнію від температури. Діапазон вимірюваних температур -50 ... +150 0 C. Застосовуються в основному для вимірювання температури всередині електронних приладів.

Біметалічний датчик є пластиною з двох різнорідних металів, що мають різний температурний коефіцієнтлінійного розширення. При нагріванні чи охолодженні пластина згинається, розмикаючи (замикаючи) електричні контакти чи переміщуючи стрілку індикатора. Діапазон роботи біметалічних датчиків -40 до +550 0 C. Використовуються для вимірювання поверхні твердих тіл та температури рідин. Основні сфери застосування - системи опалення та нагрівання води.

Термоіндикатори - це особливі речовини, що змінюють колір під впливом температури. Виготовляються у вигляді плівок.

Термоперетворювачі опору (терморезистори) засновані на зміні електричного опору провідників та напівпровідників залежно від температури.

Зі зростанням температури опір металів зростає. Для виготовлення металевих терморезистори використовується мідь, нікель, платина. Платинові терморезистори дозволяють вимірювати температури в межах від -260 до 1100 0 С.

Напівпровідникові терморезистори мають негативний чи позитивний температурний коефіцієнт опору. Крім того, напівпровідникові терморезистори при дуже малих розмірах мають високі значення опору (до 1 МОм).

Застосовуються зміни температур в діапазоні від -100 до 200 0 З.

Термопари є з'єднання (спай) двох різнорідних металів. Робота заснована на термоелектричному ефекті - за наявності різниці температур спаю Т 1 і кінців термопари Т 0 виникає електрорушійна сила, звана термо-електрорушійна (скорочено термо-ЕРС). У певному інтервалі температур вважатимуться, що термо-ЭДС прямо пропорційна різниці температур ΔT = Т 1 - Т 0 .

Термопари дозволяють вимірювати температуру в діапазоні від -200 до 2200 0 С. Найбільшого поширення для виготовлення термоелектричних перетворювачівотримали платина, платинородій, хромель, алюмель.

Термопари дешеві, простоти у виготовленні та надійні в експлуатації. Вимірювальні мультиметри комплектуються саме термопарами.

Інфрочервоні датчики (пірометри) використовують енергію випромінювання нагрітих тіл, що дозволяє вимірювати температуру поверхні на відстані. Пірометри поділяються на радіаційні, яскраві та кольорові. Дозволяють вимірювати температуру у важкодоступних місцях і температуру об'єктів, що рухаються, високі температуриде інші датчики вже не працюють.

П'єзоелектричнідатчики засновані на п'єзоелектричному ефекті (п'єзоефекті), що полягає в тому, що при стисканні або розтягуванні деяких кристалів на їх гранях з'являється електричний заряд, величина якого пропорційна діючій силі.

Використовуються для вимірювання сил, тиску, вібрації та ін.

Оптичні (фотоелектричні)Датчики працюють або на основі внутрішнього фотоефекту - зміні опору при зміні освітленості, або виробляють фотоЕРС, пропорційну освітленості.

Розрізняють аналоговіі дискретніоптичні датчики У аналогових датчиків вихідний сигнал змінюється пропорційно до зовнішнього освітлення. Основна сфера застосування - автоматизовані системи управління освітленням.

Датчики дискретного типу змінюють вихідний стан на протилежний при досягненні заданого значення освітленості.

Фотоелектричні датчики можуть бути застосовані практично у всіх галузях промисловості. Датчики дискретної дії використовують як своєрідні безконтактні вимикачі для підрахунку, виявлення, позиціонування та інших завдань.

Рисунок 1.6 - Приклади використання фотоелектричних датчиків

Реєструє зміну світлового потокуу контрольованій області, пов'язане зі зміною положення у просторі будь-яких рухомих частин механізмів і машин, відсутності чи присутності об'єктів.

Оптичний безконтактний датчикскладається з двох функціональних вузлів: приймача та випромінювача. Дані вузли можуть бути виконані як в одному корпусі, так і різних корпусах.

Виділяють два методи виявлення об'єкта фотоелектричними датчиками:

1) Перетин променя - у цьому методі передавач та приймач розділені по різних корпусах, що дозволяє встановлювати їх навпроти один одного на робочій відстані. Принцип роботи заснований на тому, що передавач постійно посилає світловий промінь, який приймає приймач. Якщо світловий сигнал датчика припиняється через перекриття стороннім об'єктом, приймач негайно реагує, змінюючи стан виходу.

2) Відображення від об'єкта - у цьому методі приймач і передавач перебувають у одному корпусі. Під час робочого стану датчика усі об'єкти, які потрапляють у його робочу зону, стають своєрідними рефлекторами (відбивачами). Як тільки світловий промінь, відбившись від об'єкта, потрапляє на приймач датчика, той негайно реагує, змінюючи стан виходу.

Домашнє завдання

1) Назвіть якісь типи датчиків і поясніть, чому можуть бути застосовані як датчики положення.

2) Назвіть якісь типи датчиків і поясніть, чому можуть бути застосовані як датчики швидкості.

3) Назвіть якісь типи датчиків і поясніть, чому можуть бути застосовані як датчики - витратоміри.

4) На малюнку зображено індуктивний датчик.

Запишіть, які параметри датчика та в який бік будуть змінюватися під час руху якоря:

1) вгору; 2) вниз; 3) праворуч; 4) вліво.

5) Поясніть призначення зображеного на малюнку датчика (ліворуч).

6) Поясніть призначення зображених на малюнку датчиків (праворуч). Чому використано два датчики?

Найважливішим і найширше використовуваним технічним засобом автоматизації є датчики.

Датчикомназивається первинний перетворювач контрольованої або регульованої величини у вихідний сигнал, зручний для дистанційної передачі та подальшого використання. До складу датчика входять сприймаючий (чутливий) орган та один або кілька проміжних перетворювачів. Досить часто датчик складається тільки з одного органу, що сприймає (наприклад: термопара, термометр опору і т.д.) . Датчик характеризується вхідними та вихідними величинами.

Зміна вихідної величини в залежності від зміни вхідної величини

називається чутливістю датчика;

Зміна вихідного сигналу, що виникає внаслідок зміни внутрішніх

властивостей датчика або зміни зовнішніх умов його роботи – зміни

температури середовища, коливання напруги та ін. називаються похибкою датчика;

Відставання змін вихідної величини від змін вхідної величини

називається інерційністю датчика.

Усі ці показники датчиків необхідно враховувати під час вибору датчиків для автоматизації конкретної машини чи технологічного процесу.

Датчики призначені для вимірювання фізичних (не електричних вхідних величин рівня вологості, щільності, температури та ін) перетворять їх на електричні вихідні величини, що передаються на відстані для впливу на виконавчий механізм.

Датчики поділяються:

- за призначенням- Вимірювання переміщення зусиль, температури, вологості, швидкості

- за принципом дії- електротехнічні, механічні, теплові, оптичні, та

- за способом перетворення- неелектричної величини в електричну -

індуктивні, термоелектричні, фотоелектричні, радіоактивні, активні

опору (потенціометричні, тензометричні, тощо).

Датчики бувають:

- контактні(безпосередньо стикаються);

- безконтактні(не стикаються: фотоелектричні, ультразвукові,

радіоактивні, оптичні та ін.).

ПЕРЕЛІК

використовуваних у будівельному виробництві для автоматизації будівельних машин та технологічних процесів, технічних засобів автоматизації та автоматизованих систем управління.

1. Для контролю та інформації:

1.1 якість ущільнюваного ґрунту (щільність);

1.2 підрахунок об'єму робіт, що виконується (пройдених км, поданої води і т.д.);

1.3 швидкість руху машини;

1.4 наявність рідини в ємності та її кількість;

1.5 кількість сипких матеріалів, що знаходяться в ємності (цемент, пісок, щебінь)

2. Для регулювання:

2.1 підтримка заданої температури при прогріванні бетону;

2.2 термостат охолоджувальної рідини двигуна внутрішнього згоряння;

2.3 тиск рідини у ємності (системі);

2.4 тиск газів (повітря) у системі (ємності);

2.5 вантажопідйомність вантажопідйомних та інших машин;

2.6 висота підйому робочого органу машини (стріли крана, робочого майданчика,

підйомників та ліфтів, завантажувального скіпу, ковша тощо);

2.7 висота підйому вантажу вантажопідйомної машини;

2.8 поворот стріли вантажопідіймального крана;

2.9 обмеження руху машини по коліях (баштовий або бруківка, візки)

2.10 обмеження наближення до проводів, що знаходяться під напругою (стріла та

трос вантажопідіймального крана);

2.11 підтримання заданого рівня та ухилу дна котловану та траншеї при роботі

екскаватора;

2.12 захист від короткого замикання;

2.13 захист від підвищення (зниження) напруги;

2.14 відключення всіх двигунів та закріплення захватами за рейки баштового крана залежно від швидкості вітру.

3. Для локальної автоматизації системи управління:

3.1 режим роботи двигуна залежно від навантаження на робочий орган (бульдозер – заглиблення відвалу, скрепер та грейдер – заглиблення ножа, екскаватор – заглиблення ковша);

3.2 Завдання доз компонентів бетонної сумішівідповідно до рецептури;

3.3 дозування складових матеріалів для виготовлення бетонної суміші;

3.4 визначення тривалості та витримування цієї тривалості при приготуванні бетонної суміші.

4. Для автоматизації системи управління:

4.1 автоматизована системауправління роботою бетонозмішувальної установки;

4.2 автоматизована система управління бульдозером - комплект "АКА-Дормаш", "Комбіплан-10 ЛП", при виконанні робіт по заданих відмітках, ухилу та напрямку;

4.3 автоматизована система керування автогрейдером - "Профіль-20",

”Профіль-30” під час профілювання доріг та планування території;

4.4 автоматизована система управління скрепером - "Копір-Стабіплан-10" при розробці ґрунту або вертикальному плануванні під задану позначку (висотне положення ковша, переміщення задньої стінки ковша, заглиблення (підйом) ножа ковша та регулювання двигуна тягача та його напрямок;

4.5 автоматизована система керування багатоковшовим екскаватором при розробці траншей по заданому напрямку, глибині копання, заданому ухилу дна траншеї та регулювання роботи двигуна.

Для наочного зображення автоматизованої (автоматичної) системи використовуються графічні зображення:

Структурна схема, яка відображає покращену структуру системи та взаємозв'язку між пунктами контролю та управління об'єктами;

Функціональна схема, креслення на якому схематично умовними позначеннями зображені технологічне обладнання, комунікації, органи управління та засоби автоматизації (прилади, регулятори, датчики), вказівкою зв'язків між

технологічним обладнаннямта елементами автоматики. На схемі вказані параметри які підлягають контролю та регулюванню;

А також важливі, монтажні та інші схеми.

Датчик - це мініатюрний, складний пристрій, який перетворює фізичні параметри в сигнал. Подає сигнал у зручній формі. Основною характеристикою датчика є його чутливість. Датчики положення здійснюють зв'язок між механічною та електронною частиною обладнання. Користуються ним автоматизації процесів. Використовуються ці у багатьох галузях виробництва.

Датчики становища можуть бути різними формою. Виготовляють їх для певних цілей. За допомогою приладу можна визначити розташування об'єкта. Причому фізичний стан немає значення. Об'єкт може мати тверде тіло, бути в рідкому стані, І навіть сипучим.

За допомогою приладу можна вирішити різні завдання:

• Вимірюють положення та переміщення (кутове та лінійне) органів у робочих машинах, механізмах. Вимір може поєднуватися з передачею даних.
• В АСУ, робототехніці може бути ланкою зворотного зв'язку.
• Контролює рівень відкриття/закриття елементів.
• Регулювання напрямних шківів.
• Електропривод.
• Визначає дані відстані до предметів без прив'язки до них.
• Перевірку функцій механізмів у лабораторіях, тобто провести випробування.

Класифікація, будова та принцип дії

Датчики положення бувають безконтактні та контактні.

• Безконтактні, це прилади є індуктивними, магнітними, ємнісними, ультразвуковими та оптичними. Вони з допомогою магнітного, електромагнітного чи електростатичного поля утворюють зв'язок з об'єктом.
• Контактні. Найпоширенішим із цієї категорії є енкодер.

Безконтактний

Безконтактні датчики положення або сенсорний вимикач спрацьовують без контакту з рухомим об'єктом. Вони здатні швидко реагувати і часто вмикатися.

За причепом дії безконтактні бувають:

• ємнісними,
• індуктивними,
• оптичними,
• лазерні,
• ультразвукові,
• мікрохвильові,
• магніточутливі.

Безконтактні можуть застосовуватися для переходу на частоту обертання нижче або зупинки.

Індуктивні

Індуктивний безконтактний датчик працює за рахунок змін в електромагнітному полі.

Основні вузли індуктивного датчика виготовлені з латуні чи поліаміду. Вузли пов'язані між собою. Конструкція надійна, здатна витримувати великі навантаження.

• Генератор створює електромагнітне поле.
• Тригер Шмідта переробляє інформацію і передає іншим вузлам.
• Підсилювач здатний передавати сигнал великі відстані.
• Світлодіодний індикатор допомагає контролювати його роботу та відстежувати зміну налаштувань.
• Компаунд – фільтр.

Робота індуктивного пристрою починається з моменту включення генератора, створюється електромагнітне поле. Поле впливає на вихрові струми, що змінюють амплітуду коливань генератора. Але перший генератор реагує на зміни. Коли в поле потрапляє металевий предмет, що рухається, сигнал подається на блок управління.

Після надходження сигналу відбувається його обробка. Величина сигналу залежить від обсягу предмета і від відстані, що розділяє предмет і прилад. Потім відбувається перетворення сигналу.

Ємнісні

Ємнісний датчик зовні може мати звичайний плоский або циліндричний корпус, усередині якого штирьові електроди, та діелектрична прокладка. Одна із пластин стабільно відстежує переміщення предмета у просторі, в результаті змінюється ємність. За допомогою цих приладів вимірюють кутове та лінійне переміщення предметів, їх розміри.

Ємнісні вироби простоти, мають високу чутливість і малу інерційність. Зовнішнє вплив електричних полів впливає чутливість приладу.

Оптичні

• Вимірювати положення, переміщення предметів після кінцевих вимикачів.
• Виконувати безконтактний вимір.
• Виявити становище предметів, що рухаються на великій швидкості.

Бар'єрний

Бар'єрний оптичний датчик позначають латинською літерою "Т". Цей оптичний прилад двоблочний. Використовується для виявлення предметів, що потрапили в зону огляду між передавачем і приймачем. Зона дії до 100м.

Рефлекторний

Літерою "R" позначається рефлекторний оптичний датчик. Рефлекторний виріб вміщує в одному корпусі передавач і приймач. Рефлектор є відображенням променя. Щоб виявити предмет із дзеркальною поверхнею в датчику, встановлюють поляризаційний фільтр. Дальність дії до 8м.

Дифузійний

Датчик дифузійний позначається літерою "D". Корпус приладу моноблочний. Цим приладам не потрібне точне фокусування. Конструкція розрахована працювати з предметами, що знаходяться на близькій відстані. Дальність дії 2 м.

Лазерні

Лазерні датчики мають високою точністю. Вони можуть визначити місце, де відбувається рух та дати точні розміриоб'єкт. Ці прилади невеликих габаритів. Споживання енергії приладами мінімальне. Виріб моментально здатний виявити чужого і одразу включити сигналізацію.

Основа роботи лазерного приладу – виміряти відстань до предмета за допомогою трикутника. Випромінюється лазерний промінь із приймача з високою паралельністю, потрапляючи на поверхню предмета, що відбивається. Відображення відбувається під певним кутом. Розмір кута залежить від відстані, де знаходиться предмет. Відбитий промінь повертається до приймача. Зчитує інформацію інтегрований мікроконтролер – він визначає параметри об'єкта та його розташування.

Ультразвукові

Ультразвукові датчики – це сенсорні прилади, які використовуються для перетворення електричного струму на хвилі ультразвуку. Їхня робота заснована на взаємодії коливань ультразвуку з контрольованим простором.

Працюють прилади за принципом радара — вловлюють об'єкт за відображеним сигналом. Звукова швидкість стала величина. Прилад здатний обчислити відстань до об'єкта відповідно до часу, коли вийшов сигнал і повернувся.

Мікрохвильові

Мікрохвильові датчики руху випромінюють високочастотні електромагнітні хвилі. Виріб чутливий до зміни хвиль, що відображаються, які створюються об'єктами в контрольованій зоні. Об'єкт може бути теплокровним, живим, чи навіть предметом. Важливо, щоб об'єкт відображав радіохвилі.

Використовуваний принцип радіолокації дозволяє виявити об'єкт і обчислити швидкість його переміщення. Під час руху спрацьовує прилад. Це ефект Доплера.

Магніточутливі

Цей вид приладів виготовляють двох видів:

• на основі механічних контактів;
• на основі ефекту Холла.

Перший може працювати при змінному та постійному струмідо 300V або при напрузі близько до 0.

Виріб на основі ефекту Холла чутливим елементом відстежує зміну характеристик дії зовнішнього магнітного поля.

Контактний

Контактні датчики – це вироби параметричного типу. Якщо спостерігаються трансформації механічної величини, вони змінюються електричний опір. У конструкції виробу два електроди, які забезпечують контакт входу приймача з ґрунтом. Ємнісний перетворювач складається з двох металевих пластин, тримають вони два оператори, встановлених на віддаленні один від одного. Однією пластиною може бути корпус приймача.

Контактний кутовий датчик називають енкодер, використовується для визначення кута повороту предмета, що обертається. Нейтральний відповідає за режим роботи двигуна.

Ртутний

Ртутні датчики положення мають скляний корпус і за розмірами схожі на неонову лампу. Є два виведення-контакту з крапелькою ртутної кульки всередині скляної вакуумної, запаяної колби.

Використовується автомобілістами для контролю кута нахилу підвіски, відкриття капота, багажника. Використовують його та радіоаматори.

Сфери застосування

Області використання мініатюрних пристроїв великі:

• Використовують у машинобудуванні для збирання, тестування, пакування, зварювання, заклепки.
• У лабораторіях застосовують контролю, виміру.
• Автомобільної техніки, транспортної промисловості, рухомої техніки. Найбільш популярним є датчик нейтральної передачі для МКПП. У багатьох системах керування автомобілів присутні датчики. Вони є в механізмі кермового керування, клапана, педалі, в підкапотних системах, у системах керування дзеркалами, кріслами, відкидними дахами.
• Застосовують їх у конструкціях роботів, у науковій сфері та сфері освіти.
• медичної техніки.
• Сільське господарство та спецтехніка.
• Деревообробна промисловість.
• Металообробної області, у верстатах металорізальних.
• Дротовому виробництві.
• Конструкції прокатних станів, у верстатах з програмним керуванням.
• Системи стеження.
• У охоронних системах.
• Гідравлічні та пневматичні системи.

Насамперед необхідно внести розмежування між поняттями «сенсор» та «датчик». Під датчиком традиційно розуміється пристрій, здатний перетворити вхідний вплив будь-якої фізичної величини сигнал, зручний для подальшого використання. Сьогодні існує низка вимог, що висуваються до сучасних датчиків:

• Однозначна залежність вихідної величини від вхідної.
• Стабільні показання незалежно від часу використання.
• Високий показникчутливість.
• Невеликі розміри та мала маса.
• Відсутність впливу датчика на контрольований процес.
• Можливість роботи у різних умовах.
• Сумісність із іншими пристроями.

Будь-який датчик включає такі елементи: чутливий елемент і сигналізатор . У ряді випадків можуть додаватися підсилювач та селектор сигналів, але часто потреба в них відсутня. Складові частини датчика зумовлюють і принцип подальшої роботи. У той момент, коли в об'єкті спостереження відбуваються зміни, їх фіксує чутливий елемент. Відразу після цього зміни відображаються на сигналізаторі, дані якого є об'єктивними та інформативними, але не можуть бути оброблені автоматично.

Мал. 22.

Прикладом найпростішого датчика може бути ртутний термометр. Як чутливий елемент використовується ртуть, температурна шкала виконує роль сигналізатора, а об'єктом спостереження є температура. При цьому важливо розуміти, що показання датчика є набір даних, а не інформацію. Вони не зберігаються у зовнішню або внутрішню пам'ятьта не придатні для автоматизованої обробки, зберігання та передачі.

Усі датчики, що використовуються різними технологічними рішеннями зі сфери Інтернету речей, можна поділити на кілька категорій. Підставою однієї з найзручніших класифікацій є призначення пристроїв.

• датчики присутності та руху;
• детектори положення, переміщення та рівня;
• датчики швидкості та прискорення;
• датчики сили та дотику;
• датчики тиску;
• витратоміри;
• акустичні датчики;
• датчики вологості;
• детектори світлових випромінювання;
• датчики температури;
• хімічні та біологічні датчики.

Робота сенсорів значно відрізняється від роботи датчиків. Насамперед необхідно зупинитися на визначенні поняття «сенсор». Під сенсором розуміється пристрій, здатний перетворити зміни, що відбулися в об'єкті спостереження, в інформаційний сигнал, придатний для подальшого зберігання, обробки та передачі.

Схема роботи сенсора близька до ланцюжка, характерного датчика. У певному сенсі сенсор може трактуватися як покращений датчик, оскільки його структура може бути виражена у вигляді складові елементи датчика + вузол обробки інформації. Функціональна схема сенсора виглядає так.

Мал. 23.

При цьому класифікація сенсорів за призначенням еквівалентна такій же класифікації датчиків. Нерідко сенсори і датчики можуть вимірювати ту саму величину в одного і того ж об'єкта, але датчики демонструватимуть дані, а сенсори - ще й перетворювати їх на інформаційний сигнал.

Крім того, існує особливий тип сенсорів, які мають сенс розглянути для розуміння концепції Інтернету речей. Це так звані «розумні» сенсори, функціональна схемаяких доповнюється наявністю алгоритмів первинної обробки зібраної інформації. Таким чином, звичайний сенсор здатний обробити дані і надати їх у вигляді інформації, а «розумний» сенсор здатний робити будь-які дії із самостійно захопленою інформацією із зовнішнього середовища.

У майбутньому очікується серйозного розвитку ЗО-сенсорів, здатних з високою точністю сканувати навколишній простір і будувати його віртуальну модель. Так, зараз сенсор Capri 3D здатний визначати рухи людей та їх метричні характеристики.

теристики. Крім того, даний сенсор може відсканувати об'єкт зовнішнього середовища та зберегти інформацію в САЕ-файлі для подальшого надсилання на друк на ЗЕ-принтері.

Мал. 24. Сенсор Capri 3D, підключений до Samsung Nexus 10

На особливу увагу заслуговує розвиток пристроїв, що поєднують у собі відразу кілька сенсорів різного типу. Як йшлося у пункті 2.2.1, для отримання знання потрібна інформація про різних характеристикахоб'єкт. А використання різних сенсорів дозволяє отримати потрібну інформацію. У певному сенсі такі пристрої справді можуть пізнавати людей. Прикладом такого пристрою може бути бездротовий контролер Kinekt, що використовується в сучасних відеоіграх.

IR Emitter Color Sensor

Microphone Ar ray

Мал. 25. Пристрій безпроводового контролера Kinekt 57

Контролер Kinekt містить у собі відразу кілька компонентів: інфрачервоний випромінювач; інфрачервоний приймач; кольорова камера;

набір з 4 мікрофонів та обробника звукового сигналу; засіб корекції нахилу.

Принцип роботи контролера Клпек! досить простий. Промені, що вийшли з інфрачервоного випромінювача, відбиваються і потрапляють до інфрачервоного приймача. За рахунок цього вдається отримати інформацію про просторове становище людини, яка грає у відеогру. Камера здатна зафіксувати різні колірні дані, а мікрофони здатні вловлювати голосові команди гравця. У результаті контролер виявляється в змозі зібрати достатній обсяг інформації про людину, щоб вона могла керувати грою за допомогою рухів або голосових команд.

У певному значенні контролер Ктек! відноситься до сфери технологій Інтернету речей. Він здатний ідентифікувати гравця, зібрати інформацію про нього та передати іншим пристроям ( ігровій приставці). Але подібний набір сенсорів потенційно може використовуватися і в інших перспективних для концепції Інтернету речей областях, включаючи розгортання технологій «розумного» будинку.