Сензорите – осезанието на интелигентните машини

Автор: Костадинов
Дата: 13.10.2010
Коментари: 1 Коментар »

В съвременния живот сме заобиколени от различни уреди, машини и апарати, устройства, които ни помагат да произвеждаме повече, да живеем по-добре  и да се забавляваме. Всички тези уреди и машини трябва да усещат какво, как и колко се променя около тях и вътре в тях – трябва им осезание .

За това служат така наречените сензори (от англ. Sensor ) -  датчици или първични преобразователи . Те преобразуват физическите или химическите  параметри на процесите и характеристиките на околната среда в удобен за използване вид – сигнал, който може да се обработва – например : електрически ток. Сензорите са задължителна част за всяка от системите с автоматизирано управление . ( съществуването на  термините сензор/датчик и измервателен елемент е равнопоставено, тъй като не съществуват единни признати дефиниции за разликите им ).

Сензорите са вградени (интегрирани) във всички устройства от нашето всекидневие като например : мобилни телефони (чувствителен на допир сензорен дисплей ) , електроуреди (сензор за температурата на нагряване), охранителни системи ( сензор за движение)  и т.н. Възможните сфери приложения на датчиците са практически неограничени.

Обикновено сензорите се свързват с измерителната техника и измерителните прибори, например : термометър, барометър, и др., но обобщаващият термин сензор (датчик) е свързан с развитието на автоматизираните системи за управление на промишленото производство, като съставна част на веригата: датчик - устройство за управление - изпълнително устройство - обект на управление. Така например в съвременните автомобили се осигурява безопасността на пътниците – чрез въздушни възглавници . Там  при възникване на екстремна (аварийна) ситуация – удар, датчикът за ускорение подава сигнал към устройството за управление и въздушната възглавница се  отваря. В други случаи датчиците се използват в автоматичните системи за регистрация на параметри, например: в медицината – апаратите за измерване на кръвно налягане, автоматичните станции в метеорологията , в системите за научни изследвания на земята и в космоса .

Терминът СЕНЗОР(датчик) . Съществуват две основни значения на термина:

1) единичен чувствителен елемент, преобразуващ параметрите на средата или процеса  в удобен за по-нататъшно използване сигнал, обикновено електрически сигнал, макар че може и да е друг вид: например - пневматичен сигнал.

2) завършено изделие съдържащо чувствителния елемент, което може и да включва според целите на приложението : устройства за усилване на сигнала, елементи за филтриране , за калибровка, аналого-цифрово преобразуване и интерфейс за интеграция в системата за управление .

Тези две значения съответстват на разпространеното в практиката използване на термина от производителите и от потребителите. В първия случай датчикът е единичен елемент – обикновено монолитен електронен прибор (електронен елемент) като например:  резистор, диод , пиезопластина и други,  който се използва самостоятелно или в по-сложни електронни прибори. Във втория случай това е завършен функционален прибор, който се свързва пряко , или чрез някой от известните стандартни интерфейси към система за автоматично управление или регистрация. Например  чрез фотодиодите от матрицата във факс-апарата  изображението от листа се преобразува в електрически сигнал и се предава по телефонната линия ; сензорът за движение комбиниран с фотосензор включва осветлението  в помещението само ако има посетители и др.

Класификация

Сензорите могат да бъдат класифицирани според принципа на преобразуване, според областта на приложение, използвания метод на преобразоване-принцип на действие, или по технологията на производство.

В зависимост от това как сензорът преобразува входящата величина, съществуват активни и пасивни сензори.

Пасивните сензори съдържат електрически компоненти, чиито параметри се променят под влияние на измерваната величина, например съпротивление. Чрез допълнителна (външна ) електронна схема изменението на параметрите  се преобразува в електричски сигнал. За да функционират тези сензори използват външно (допълнително) електрическо захранване.

Активните сензори преобразуват физичната величина директно в електричен сигнал. Тези сензори не се нуждаят от допълнитена електрична енергия , тъй като функционират на електродинамичен принцип (например:тахогенератор )  или пиезоелектричен принцип , те измерват само промени на измерваната величина. Тези сензори по принцип са обратими – при подаване на електрическа енергия , те могат да извършват въздействие върху контролирания обект (или среда).

Видове сензори според областта на приложение:

За битови цели. Сензори с ограничени възможности и дълготрайност.За тях е важно да са с ниска цена за сметка на дълготрайността и точността .Условията в които работят не поставят специални изисквания  .

Индустриални сензори . За тези видове  определяща е надеждността, точността и  работата в индустриалния диапазон на температура, влажност и други фактори на околната среда. Тези сензори трябва да отговарят на международно признатите стандарти.

-          с общо предназначение са най-широко разпространените  .

-          специално изпълнение : за среда с повишена температура, или за високо налягане, за химически агресивна среда , радиация и комбинация между тези неблагопрятни фактори..

-          за потенциално опасни среди – изпълнение Еxза използване в производства с взривоопасни или пожароопасни материали и продукти ( минното дело , бензиностанции , нефтодобивни и преработвателни предприятия , бояджийски цехове и др.).Тези сензори се проверяват и сертифицират от лицензирани лаборатории според действащите международни и национални стандарти.

-          за защита на здравето и живота на персонала. Особен клас датчици ,които се използват за контол на достъпа и работната зона при машини и процеси с висок риск за здравето и живота – например: преси, гилотини , роботизирани линии и други. Тези сензори се проверяват за съответствие и се сертифицират от лицензирани лаборатории според действащите международни и национални стандарти.

-          за хранително-вкусова промишленост и фармация. Материалите , използвани при направата им задължително трябва позволяват контакт с хранителни продукти – например тефлон, хром-никелови стомани и др.

- за медицински цели . Определяща е устойчивостта им  на специфичните химически условия при контакт с живи организми. Обвивката им (корпусът) трябва да  не е химически активен и да позволява третиране с дезинфеционни препарати.

-          за научни-изследователски , аерокосмични и други цели . Изискванията към тях са специфични – да издържат работа при температури близки до абсолютната нула,  дълбок вакуум ,  космическа радиация и други.

Видове сензори според взаимодействието с обекта :

Според това дали сензорът ( датчикът ) влиза в контакт с обекта  се различават:

Контактни сензори – сензорът е в непосредствен контакт с обекта (предмета). Например: живачният термометър или термосондата е в контакт със средата (тялото) чиято температура се измерва (отчита ); Енкодерът (растеровият преобразувател) е закрепен към вала на машината, чиято позиция отчита.

Безконтактни сензори – при тях контакт на сензора и обекта отсъства. Например датчикът на ХОЛ отчита наличието на магнитно поле , фотодатчиците преобразуват светлинния поток , капацитивните сензори отчитат наличието на обект по промяната на електричното поле, без да е необходим пряк контакт с обекта .

Видове сензори според принципа на действие:

Обикновено сензорите се състоят от чувствителен елемент, електронна схема за преобразуване  и интерфейс – съгласуваща електрическа схема , осигуряваща подходящ сигнал към системите за управление на процесите.

Индуктивни сензори .Съдържат индуктивност , чиито параметри се променят в зависимост от наличието на метал – феромагнит  в зоната на действие .Обикновено работят на принципа на вихровите токове. Характеризират се с висока надеждност .Могат да работят при екстремни условия – прах, влага , висока температура , налягане . Широко се използват се в промишлената автоматизация.

Индукционни сензори . Работят на трансформаторен принцип. Използват се за прецизни измервания в ограничен диапазон от разстояния.

Капацитивни сензори. Доближаването на всякакъв обект до чувствителния елемент променя електрическия капацитет . Специфично е влиянието на околната среда – влажност и температура , които непосредствено променят и диелектичните показатели на обектите, така че може да се с тези сензори може да се измерва и влажност.

Магнитни сензори .Регистрират наличието на магнитно поле. Използва се ефектът на ХОЛ ( HALL )  и магнитоуправляеми контакти – REED  . ХОЛ- сензорите са полупроводникови прибори с неограничен живот,  за разлика от REED , съдържащи механичен контакт с живот ограничен на няколко милиона цикъла. От друга страна ридконтактите имат основното преимущество ,че не се нуждаят от електрическо захранване . Имат специфично приложение поради относително малките си размери и висока чувствителност.

Оптоелектронни сензори . Съдържат източник на светлина и съответният приемник. Имат особено широко приложение в промишлената автоматизация – за регистриране наличието на обекти върху поточните линии, фино позициониране по маркировка, изграждане на предпазни бариери за защита на здравето на персонала и  други . Характеризират се с висока скорост на реакция, но не работят добре при наличието на прах .

Лазерни сензори . С усвояването на полупроводниковите лазери се разшири употребата им за решаване на специфични задачи като : измерване на големи разстояния с особено висока точност (лазерна рулетка ) , светлинни бариери за разстояние до няколко стотин метра, бар-код четяши устройства  . Основнот им предимство е точността , а недостатък – опасността за зрението при некомпетентна употреба .

Ултразвукови сензори .Приципът на действие се основава на пиезоефекта. Излъчените от сензора ултразвукови вълни се отразяват от обекта и се връщат в приемната част, като времето за закъснение на сигнала лесно може да се преобразува във подходяща величина. Намират приложение за измерване на разстояние , ниво, измерване скоростта на поток , контрол на достъп в определено простанство.Характеризират се с добра точност . Много от съвременните автомобили ползват системи за паркиране с ултразвукови сензори.

Фотосензори .Преобразуват количество светлина в електрически сигнал . Например CCD-матрицата в съвременните фотоапарати съдържа хиляди фотосензори, които реагират на интензивността и дължината на вълната на приеманата светлина. Съществуват сензори , чувствителни към  светлина  във видимия спектър, в инфрачервения , ултравиолетовия и в рентгеновия диапазон . Измерването на темппература от разстояние (безконтактно) се извърша с този клас сензори .

Терморезисторни сензори . Терморезисторите използуват зависимостта на проводимостта на материалите  от температурата – най-широко разпространени са платинените термосъпротивления (Pt100) с обхват на експлоатация от -60ОC до +400ОC.

Термодвойки . При контакт на два разнородни метала възниква напрежение, което се променя в зависимост от температурата. Тези сензори имат малка чувствителност, но различните видове  могат да работят от температури -200 ОC до над +2000 ОC .

Резистивни тензометрични сензориИзползва се промяната на съпротивлението при промяна на дебелината на свърхтънък  метален проводник. Намират широко разпространение за измерванети на деформации и тегло .

Йонизационни сензори,  химични сензори,  биологични сензори се използват  за контрол на специфични параметри на процесите , пожароизвестяването  и в научните изследвания.

Видове сензори според технологията.

Съвременните технологии позволяват обединяване в един корпус на самия сензорен елемент и  устройствата за преобразуване и усилване на сигнала. Това са  интегралните сензори . Те  се характеризират с миниатюрни размери , с висока надеждност и сравнително ниски цени. При тях е възможно оптимизиране на параметрите с оглед на необходимото приложение. Така например чрез вход за програмиране на датчика за налягане може да се  зададе  необходимият диапазон на измерване , както и да се промени при промяна на предназначението.

При дискретните (единичните) сензори функциите на усилване и обработка на сигнала са разделени физически в друг блок . Това води до увеличаване на размерите на датчика като цяло и веднъж изработен, неговите параметри трудно може да се променят.

Настоящата публикация не претендира за изчерпателност, но може да бъде въведение в широкото многообразие на съвременните сензори.

Полезни връзки към Оптика, Електроника!
и още
Полезни връзки към Сензори, конектори, датчици, предпазители!
и още
Сензори, конектори, датчици, предпазители от Farnell – BUSINESS.bg!

СЕНЗОРИТЕ – ОСЕЗАНИЕ НА ИНТЕЛИГЕНТНИТЕ МАШИНИ

Етикети: , , ,

Посещения: 3 648

Един коментар по “Сензорите – осезанието на интелигентните машини”

  1. irochi казва:

    много ми харесва-бравооооооооооо

Вашият коментар

Трябва да влезете, за да публикувате коментар.