5.1.1. Понятие датчика
Физическая величина m, характеризующая объект измерений (температуру, давление, и др.), называется измеряемой величиной [1, 2].
Датчик – это устройство, которое, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины m, выдает эквивалентный сигнал 
, обычно электрической природы, являющийся функцией измеряемой величины (см. рисунок 5.1).
 |
Характеристика такого преобразования может быть в формальном виде представлена соотношением
(5.1)
где - выходная величина датчика;
- входная величина.
Для всех датчиков характеристика преобразования - соотношение (5.1) – в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки, что позволяет построить градуированную кривую. Для этого при известных значениях физической величины m снимают соответствующие показания датчика: 
и строят зависимость .
Рисунок 5.2 поясняет алгоритм получения характеристики преобразования датчика.
А по известной характеристике датчика и его показаниям легко получить значения физической величины: 
На практике стремятся, чтобы существовала линейная зависимость между малыми приращениями выходной 
и входной 
величин да датчика
. (5.2)
Здесь - чувствительность датчика. Обеспечение линейности означает 
.
В общем случае на практике обеспечение постоянства является проблемой.
5.1.2. Классификация датчиков
Датчики с точки зрения вида сигнала на выходе могут быть:
активными – генератором, выдающим заряд, напряжение или ток, либо
пассивными – с выходным сопротивлением, индуктивностью или емкостью, изменяющимися в соответствии с входной величиной.
Активные датчики
Принцип действия активного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряемой величины в электрическую форму.
В таблице 5.1 приведены физические эффекты, наиболее часто используемые для построения активных датчиков.
Таблица 5.1. Измеряемые датчиками величины и физические эффекты, используемые при построении активных датчиков
| Измеряемая величина | Используемый эффект | Выходная величина датчика |
| Температура | Термоэлектрический эффект (термопара) | Напряжение |
| Сила, давление, ускорение | Пьезоэлектрический эффект | Заряд |
| Скорость | Электромагнитная индукция | Напряжение |
Вкратце рассмотрим перечисленные в таблице эффекты.
1. Термоэлектрический эффект
Схема, поясняющая этот эффект, представлена на рисунке 5.3.
На рисунке M1, M2 – два проводника различного химического состава; их спаи, находящиеся при температурах T1, T2, являются местом возникновения термо-э.д.с. e: e = e (T1, T2). Термо-э.д.с. пропорциональна измеряемой разнице температур (T1 - T2): e ~ e (T1 - T2).
2. Пьезоэффект
Пьезоэффект проявляется в том, что при изменении механического напряжения в кристалле пъезоэлектрика, например, кварца (см. рисунок 5.4) под действием приложенной к нему силы F приводит к деформации, которая вызывает появление на противолежащих поверхностях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака, и, следовательно, появление электрического напряжения v: 
.
При этом существует очевидное соотношение v ~ F.
Таким образом, измерение силы F или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения v между зажимами пьезоэлектрика.
3. Эффект электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле с вектором магнитной индукции возникает э.д.с. e, пропорциональная магнитному потоку, и, следовательно, скорости перемещения. Соответствующая схема, поясняющая данный эффект, приведена на рисунке 5.5, где W - скорость вращения проводящего контура.
Зависимость между скоростью W, магнитной индукцией B и э.д.с. e может быть получена из выражения 
.
Пассивные датчики
В пассивных датчиках некоторые параметры выходного импеданса могут меняться под воздействием измеряемой величины.
Импеданс датчика, с одной стороны, обусловлен геометрическими размерами его элементов, а с другой – свойствами материалов: удельным сопротивлением r, магнитной проницаемостью m, и диэлектрической постоянной e
В таблице 5.2 приведены физические принципы преобразования величин и материалы, используемые для построения пассивных датчиков.
Таблица 5.2. Физические принципы преобразования величин и материалы, используемые для построения пассивных датчиков
| Измеряемая величина | Электрическая характеристика, изменяющаяся под действием измеряемой величины | Тип используемых материалов |
| Температура | Сопротивление | Металлы, полупроводники |
| Деформация | Сопротивление | Сплавы никеля, легированный кремний |
| Перемещение | Сопротивление | Магниторезистивные материалы |
| Плотность | Сопротивление | Хлористый литий, окись алюминия |
Импеданс пассивного датчика и его изменения можно измерить не иначе, как включая датчик в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала.
Комбинированные датчики
При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину.
В этих случаях осуществляется двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины в промежуточную, которую затем преобразуют в электрическую.
 |
Блок схема комбинированного датчика в общем случае можно представить в виде, приведенном на рисунке 5.6.
