Сенсори, перетворювачі та датчики

1. ОСНОВИ СЕНСОРИКИ

1 СЕНСОРИ,
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТА
ДАТЧИКИ

2. СЕНСОРИ, ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТА ДАТЧИКИ

• Предметом вивчення навчальної дисципліни
„Основи сенсорики” є ґрунтовні знання з фізики та
електроніки, без яких неможлива майбутня
повноцінна професійна діяльність в областях
математичного моделювання, інженерного
проектування, тощо.
• Закони та явища фізики є основою сучасної
електроніки, фундаментом для різних галузей
науки і техніки.
• Їхнє вивчення під час лекційних, лабораторних і
практичних занять дасть змогу опанувати багато
інших важливих курсів.

3. СЕНСОРИ, ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТА ДАТЧИКИ

• Вимірювання та техніка вимірювань є важливим
фактором прогресу у всіх галузях сучасного
виробництва, науці і, навіть в побуті.
• Вимірювальні системи дають можливість
контролювати практично будь–які фізичні,
біологічні та інші процеси в режимі реального часу
та широкому діапазоні їх змін.
• Будь–яке відкриття в науці, кожна нова
закономірність призводить до створення нових
засобів вимірювань, що у свою чергу веде до
нових відкриттів та наукових досягнень.
• Можна сказати, що всі фізичні закони, які
встановлюють залежність між властивостями
різних величин, були сформульовані завдяки
удосконаленню техніки вимірювань.

4. Класифікація сенсорів

• Жодна електронна система не може працювати без
інформації про стан об’єкта управління і його
реакції на вплив управління.
• Елементом систем, що забезпечує отримання такої
інформації, є вимірювальний перетворювач.
• Вимірювальним перетворювачем називають засіб
вимірювальної техніки, що реалізує вимірювальне
перетворення (засіб вимірювальної техніки,
призначений для вироблення сигналу
вимірювальної інформації у формі, зручній для
передачі, для подальшого перетворення ,
оброблення та зберігання, але непридатній для
безпосереднього сприйняття спостерігачем).

5. Класифікація сенсорів

• Спеціалісти з мікроелектронних пристроїв та систем
частіше використовують терміни “первинний, або
вимірювальний перетворювач”, “сенсор”, або “датчик
(давач)”.
• В подальшому термін “первинний перетворювач” буде
використовуватися в разі опису принципу дії того або
іншого вимірювального пристрою, а термін “сенсор”, або
“датчик” – для його структурного, функціонального,
схемотехнічного та конструктивного виконання.
• Треба зауважити, що в ДСТУ 2681 – 94 „Метрологія:
терміни та визначення” терміна „сенсор” немає.

6. Терміни та визначення

• Таким чином дамо наступне
визначення:
– Сенсор – пристрій, що забезпечує
перетворення зовнішнього впливу
(енергії) будь–якого виду (фізичного,
хімічного, біологічного та ін.) в
електричний сигнал (струм, напруга,
частота, фаза), зручний для обробки,
зберігання, подальших перетворень,
індикації та передачі.

7. Узагальнена структура сенсора

Зовнішній
вплив
Вихідний
сигнал
Первинний
перетворювач
Схема
Обробки,
Або Перетворювач
Сигналу

8. Вимірювання в сучасному світі

• Автоматизація виробничих процесів, наукових експериментів і
дослідів, навіть побутових процесів потребує все більшого об’єму
вимірювань різноманітних фізичних величин.
– Про їх кількість можна робити висновки, розглядаючи систему одиниць
СІ, яка містить більше 120 фізичних одиниць.
• Кількість типів вимірювальних перетворювачів значно перебільшує
число вимірюваних величин, оскільки одну і ту ж фізичну величину
можна вимірювати різними методами і сенсорами різних
конструкцій.
• Для більшості первинних вимірювальних перетворювачів (ПВП, або
ПП) характерно вимірювання електричними методами не тільки
електричних і магнітних, але й інших фізичних величин.
• Ці вимірювання здійснюються попереднім перетворенням
неелектричної величини в електричну.
• Такий підхід обумовлено перевагами електричних вимірювань, в
першу чергу тим, що електричні сигнали можна легко і швидко
передавати на великі відстані, перетворювати в цифровий код,
окрім того вони дозволяють забезпечити високу точність і
чутливість.

9. Функція вимірювання та ПП

• Необхідно відмітити, що не завжди вимірювальний
перетворювач виконує безпосередньо функції
вимірювання.
• В ряді випадків ПП можна використовувати в
якості перетворювача однієї фізичної величини в
іншу, найчастіше з неелектричної в електричну.
• Наприклад, при вимірюванні рівня рідини
поплавок в ємкості може бути зв’язаний за
допомогою важеля з реостатним перетворювачем,
ввімкненим в електричне коло.
• В цьому випадку зміна рівня, яка вимірюється
переміщенням поплавка, буде перетворюватись в
зміну електричного сигналу (напруги, струму)

10. Вимоги до сенсорів

• Для ефективного функціонування сенсори повинні
відповідати ряду вимог, основні з яких:
– висока статична і динамічна стабільність роботи, що
забезпечує формування вихідного сигналу з мінімальними
викривленнями;
– висока селективність – сенсор повинен реагувати тільки
на зміну тієї величини, для вимірювання якої він
призначений;
– стабільність характеристик у часі; відсутність впливу
навантаження у вихідному колі на режим вхідного кола;
висока надійність при роботі в несприятливих умовах
зовнішнього середовища;
– повторюваність характеристик (взаємозамінність);
– простота і технологічність конструкції;
– зручність монтажу та обслуговування;
– низька вартість.

11. Терміни та визначення Трактування

• Загальні тенденції до мініатюризації і
комп’ютеризації торкнулися і області сенсорики.
• Сьогодні все частіше застосовуються сенсори зі
складною системою обробки сигналів,
–
–
–
–
можливостями самодіагностики,
попереднього програмування робочих характеристик,
зміни діапазону, розрядності і точності вимірювань,
а також із стандартним цифровим інтерфейсом системи
управління.
• Є певна тенденція розширеного трактування та
перенесення цього терміна на вимірювальні
прилади, що з’явилися значно раніше масованого
використання датчиків, а також за аналогією – на
об’єкти іншої природи, наприклад біологічні.

12. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• Сьогодні існує багато різних за принципом дії та
призначенням ПП.
• Безперервний розвиток науки і технологій
призводить до появи все нових перетворювачів.
• Розроблені класифікації частково допомагають
розібратись в цьому різноманітті.
• Створити універсальну класифікацію, яка буде
відповідати потребам всіх можливих користувачів
конкретної предметної області, задача практично
неможлива.
fixed plate
Vi
movable plate
l
x Vo

13. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• Розробника електронних систем більш за все
влаштовує класифікація сенсорів за родом
вимірюваної фізичної величини, коли в довіднику
він може знайти необхідний пристрій і
ознайомитись з його основними характеристиками.
• Для розробника ПП, що вивчає конструкції і
технології виготовлення приладів нано– та
мікроелектронних систем, більш доцільна
класифікація перетворювачів за принципом їх дії.
• Тому зазвичай будь–яка класифікація
багатовимірна, тобто предмет класифікації
розглядається за рядом ознак.
• При цьому чим більше ознак, тим більш глибоке
уявлення можна отримати про предмет.

14. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• В якості класифікаційних ознак ПП можна прийняти більшість
характеристик перетворювачів: вид функції перетворення,
вид вхідної і вихідної енергії, принцип дії, конструктивне
виконання і т.д.
• За видом енергії, що використовується, ПП можна поділити
на електричні, механічні, пневматичні і гідравлічні.
• За співвідношенням між вхідною і вихідною енергією
(сигналами): неелектричних величин в електричні –
найбільш багато чисельна і розповсюджена група
перетворювачів, якій буде приділено найбільше уваги а
також перетворювачі електричних величин в неелектричні –
в основному прилади мікро електромеханічних систем.
Остання група перетворювачів більш суттєво розглядаються
при вивченні дисциплін “Мікросистемна техніка”.
• В залежності від виду вихідного сигналу: аналогові,
дискретні, релейні (логічні), цифрові з природним і
нормалізованим вихідним сигналом.

15. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• За видом функції перетворення:
– масштабні, такі, що змінюють у визначене число разів
розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи;
– функціональні, що виконують однозначне функціональне
перетворення вхідної величини зі зміною її фізичної
природи або без зміни;
– операційні, що виконують над вхідною величиною
математичні операції вищого порядку – диференціювання,
інтегрування за часовими параметрами та інше.
• За видом структурної схеми перетворювача:
–
–
–
–
прямого однократного перетворення;
послідовного прямого перетворення;
диференціальні;
зі зворотним зв’язком (компенсаційна схема).

16. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• За видом вимірюваної фізичної величини:
–
–
–
–
лінійних і кутових переміщень,
тиску,
температури,
концентрації речовин і т.д.
• За характером перетворення вхідної
величини в вихідну:
–
–
–
–
параметричні,
генераторні,
частотні,
фазові.

17. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• За фізичними явищами, покладеними в основу
принципу дії, в державній системі приладів та
засобів автоматизації (ДСП) прийнята така
класифікація:
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
механічні – з пружним чутливим елементом,
дросельні,
ротаметричні (лічильник рідини, газу),
об’ємні,
поплавкові,
швидкісні;
електромеханічні – тензорезистивні (tensus —
напряжённый ),
термоелектричні,
термомеханічні,
термокондуктометричні (conductivity — проводимость),
манометричні;

18. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

– потенціометричні,
– полярографічні;
– оптичні – фотоколометричні (вимірювання ступеню поглинання або
пропускання немонохроматичного світла),
– рефрактометричні,
– оптико–акустичні,
– нефелометричні (вимірюванні інтенсивності світлового потоку,
розсіяного завислими частинками речовини, що досліджується);
– електронні та іонізаційно – індукційні,
– хроматографічні (розділення, аналіз та дослідження властивостей
сполук),
– радіоізотопні,
– магнітні.
• За динамічними характеристиками ПП
розподіляються у відповідності з видом функції
перетворення.
• Згідно з напрямом підготовки, нас першочергово
інтересують перетворювачі зовнішнього впливу в

19. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• Також можна вести класифікацію за наступними факторами:
1. За вимірюваним параметром:
– датчики тиску (абсолютного тиску, надлишкового тиску, розрідження,
тиску–розрідження, різниці тиску, гідростатичного тиску);
– датчики розходу (механічні, ультразвукові, електромагнітні, коріолісові,
вихрові лічильники розходу, вимірювачі перепаду);
– рівня (поплавкові, ємнісні, радарні, ультразвукові);
– температури (термопари, термометри опору, пірометри);
– датчики концентрації (кондуктометри);
– датчики радіоактивності, також іменуються детекторами радіоактивності
або випромінювань (іонізаційна камера, датчик прямого заряду,
напівпровідникові датчики);
– датчики переміщення (абсолютний шифратор, відносний шифратор,
LVDT–датчик (Linear Variable Differential Transformer, диференційний
трансформатор для вимірювання лінійних переміщень));
– датчики положення (контактні, безконтактні);
– фотодатчики (фотодіод, фоторезистор);
– датчики кутового положення (сельсин, перетворювач кут–код, RVDT–
датчик (Rotary Variable Differential Transformer, Диференційний
трансформатор для визначення кутового переміщення));
– датчики вібрації (п'єзоелектричний, вихрострумовий);
– датчики механічних величин (відносного або абсолютного розширення).

20. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

2. За принципом дії:
–
–
–
–
–
–
–
–
оптичні датчики;
Рухома
магнітоелектричні датчики;
пластина
п'єзоелектричні датчики;
тензометричні перетворювачі;
Нерухома
ємнісні датчики
акустичні датчики;
потенціометричні датчики;
індуктивні датчики…
–
–
–
–
дискретні датчики;
аналогові датчики;
цифрові датчики;
імпульсні датчики.
3. За характером вихідного сигналу:
+
vin(t) P
–
A
d
+
S1
–
+
S2
Феритовий сердечник
vout(t)

21. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

4. За середовищем передачі інформації:
– дротові датчики;
– бездротові датчики.
5. За кількістю вхідних величин:
– одномірні датчики;
– багатовимірні датчики.
6. За технологією виготовлення:
– дискретні датчики;
– інтегральні датчики.
7. Параметричні та генераторні первинні
вимірювальні перетворювачі.

22. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• Оскільки основним елементом засобів вимірювання
неелектричних величин є первинний
вимірювальний перетворювач, то зміна вхідної
величини може призвести до зміни його
характеристичного параметру (опору, ємності,
індуктивності, струму або напруги).
• Тому первинні перетворювачі поділяють на дві
основні групи: генераторні та параметричні.
• До генераторних ПП відносять ті, які під впливом
дії неелектричної величини (швидкість повітря,
сонячна радіація, концентрація розчину
електроліту, температура тощо) змінюють свій
вихідний параметр – струм або напругу.

23. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

• До параметричних відносять ПП, які під впливом
дії неелектричної величини (температура,
вологість повітря, концентрація розчину,
запиленість тощо) змінюють свій характеристичний
параметр.
• Особливістю роботи таких перетворювачів є
необхідність додаткового джерела енергії, що
надходить від електричної схеми збудження.
• Параметричні вимірювальні перетворювачі
поділяють на резистивні, ємнісні та індуктивні.

24. Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів

25.

26. Контрольні запитання і завдання

Що таке вимірювальний перетворювач, сенсор, датчик?
Дайте визначення. Пояснить, яка різниця в формулюваннях?
Узагальнена структура сенсора. Основні вимоги до сенсорів?
Класифікація первинних вимірювальних перетворювачів.
Які особливості критеріїв класифікації розробника
електронних систем і розробника ПП?
Які характеристики прийняті в якості класифікаційних ознак
ПП?
Класифікація ПП за вимірюваним параметром.
Класифікація ПП за принципом дії, характером вихідного
сигналу.
Класифікація ПП за середовищем передачі інформації,
кількістю вхідних величин і технологією виготовлення.
Параметричні і генераторні первинні вимірювальні
перетворювачі.