Датчиком называется устройство, преобразующее измеряемую или контролируемую величину в сигнал, удобный для передачи, дальнейшего преобразования или регистрации

С несколькими датчиками мы уже знакомы. Например, когда вы пальпаторно измеряете частоту пульса, датчиками являются нервные окончания подушечек пальцев (рецепторы), которые преобразуют изменение давления в лучевой артерии в электрический сигнал, идущий по вашим нервам в мозг. Когда сигнал достигает мозга, вы говорите «раз». Сопоставляя этот «раз» с секундомером, вы и производите измерение. Это самый простой пример, когда рецепторный аппарат организма выступает в роли датчика.

Другими датчиками, которые вы уже изучали, является термопара и фотоэлемент. Например, термопара позволяет преобразовать температуру любого объекта в электрический сигнал. Далее этот сигнал можно увидеть и измерить с помощью гальванометра. Фотоэлемент позволяет преобразовать изменения светового потока в изменения электрических параметров цепи, которые также можно фиксировать различными приборами.

Еще один пример. Изменение давления крови приводит к возникновению выпуклости на артерии. Эта выпуклость может приводить к изгибу пластинки пьезоэлектрика, если ее прижать к артерии. Но изгиб пьезоэлектрика приводит к возникновению на его поверхности разности потенциалов, которую легко фиксировать. Далее, если на пути распространения звуков сердца поставить микрофон, то эти волны будут изгибать мембрану микрофона, она будет давить на угольный порошок, который находится за ней, и тем самым изменять его электрическое сопротивление. Это изменение сопротивления также очень легко измерить с помощью электрических приборов. Итак, можно констатировать, что при конструировании очень многих датчиков используются те или иные эффекты из области электричества.

Чтобы усвоить принципы классификации датчиков, сравним работу термопары и микрофона. В первом случае в датчике возникает термоЭДС, (электродвижущая сила), которая и заставляет течь ток в термопаре. Возникновение ЭДС можно в некотором смысле сравнить с созданием электрической батарейки, которую мы далее можем использовать для создания тока в цепи и его измерения. В микрофоне уже имеется батарейка, создающая ток в цепи. Что же меняется? В данном случае меняется сопротивление цепи. Изменяется сопротивление в цепи, по закону Ома, изменяется ток в цепи. Если в первом случае происходит генерация ЭДС при заданных параметрах электрической цепи, то во втором случае изменяются параметры цепи при заданной ЭДС. Датчики, которые в результате внешнего воздействия генерируют ЭДС, называются генераторными. К ним относятся пьезоэлектрические, термоэлектрические, фотоэлектрические, индукционные и т.д.. Датчики, которые в результате воздействия на них приводят к изменению параметров цепи, называются параметрическими (емкостные, индуктивные, реостатные и т.д.). Интересно отметить, что одна и та же функция организма может измеряться различными датчиками. Так, например, температура может измеряться термопарой (генераторный датчик) и терморезистором (параметрический датчик, в котором изменение внешней температуры приводит к изменению его электрического сопротивления).

Датчики можно также классифицировать по виду энергии, на которую они реагируют. Так, можно выделить механические, акустические, температурные, оптические и другие датчики.

Общая схема включения датчиков и электродов в измерительную цепь представлена на рис.1.

Рис. 1. Схема включения электродов и датчиков в измерительную цепь.

Для более ясного представления о работе датчиков рассмотрим подробнее принцип работы индуктивных, емкостных и резистивных датчиков. Для этого представим себе электрическую цепь, состоящую из последовательно включенных катушки индуктивности, плоского конденсатора и активного сопротивления (рис. 2).

Рис. 2. Схема электрической цепи переменного тока

Рассмотрим, какие параметры могут изменяться. Общее сопротивление цепи, представленной на рис. 2, называется импедансом, обозначается буквой Z и задается формулой:

(1),

Здесь: R – омическое сопротивление, X_L – индуктивное сопротивление, X_C – емкостное сопротивление. Часто R называют активным сопротивлением, а (X_L - X_C) – реактивным сопротивлением. Соответственно,

(2), а (3),

где L – индуктивность катушки (в генри), С – емкость конденсатора (в фарадах), - циклическая частота изменения напряжения в цепи. В свою очередь , где - частота изменения напряжения в герцах. Например, как известно, частота в нашей сети равна 50 Гц.

Индуктивность катушки L определяется следующей формулой:

(4),

где k – коэффициент размагничивания, зависящий от отношения длины катушки l к диаметру витков катушки d; – магнитная постоянная; – относительная магнитная проницаемость среды; N – число витков катушки; S – площадь поперечного сечения катушки.

Из формулы (4) становится очевидным, что если катушка уже сделана, то мы не можем изменить ни один параметр, кроме . Чтобы изменить , необходимо изменить среду внутри катушки. Это достигается с помощью введения в катушку металлического стержня. Таким образом, вводя стержень в катушку на разную глубину, мы будем получать различные значения L – индуктивности катушки. Но индуктивное сопротивление катушки равно , значит, вводя стержень и тем самым изменяя индуктивность L, мы изменяем сопротивление катушки, а следовательно, ток в цепи! Это изменение тока мы можем фиксировать. Таким образом, катушку индуктивности можно рассматривать как датчик, преобразующий движение стержня в изменение тока (или напряжения).

Итак, индуктивным датчиком принято называть устройство, которое в результате воздействия изменяет свою индуктивность.

Теперь рассмотрим, как определяется емкость С плоского конденсатора.

(5),

здесь - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость среды; S – площадь пластин конденсатора; d – расстояние между пластинами. В данном случае параметров, легко поддающихся изменению, больше. Вводя между пластин конденсатора диэлектрик, мы будем изменять , приближая или удаляя пластины друг от друга, мы будем изменять d; смещая пластины относительно друг друга, мы можем изменять площадь перекрытия пластин, т.е. изменять S в формуле (5). Изменяя все эти параметры, мы изменяем емкость конденсатора. Но емкость конденсатора входит в формулу расчета сопротивления конденсатора переменному току: , следовательно, изменяя любой из параметров, мы изменяем ток в цепи, что и может быть зафиксировано.

Таким образом, конденсатор может служить датчиком, преобразующим любое внешнее воздействие, приводящее к изменению одного из перечисленных выше параметров в изменения электрического тока в цепи. Следовательно, емкостным датчиком называется устройство, которое в результате внешнего воздействия изменяет свою электрическую емкость.

Последним элементом цепи на схеме рис. 2 является активное сопротивление R. При постоянной температуре его можно рассчитать по формуле: (6), где - удельное сопротивление, определяемое материалом из которого сделано сопротивление; l – длина сопротивления; S – поперечное сечение. Наиболее просто в данном случае менять с помощью реостата длину l, поэтому датчики, основанные на изменении сопротивления за счет изменения длины, часто называются реостатными. Таким образом, резистивным датчиком называется устройство, которое в результате внешнего воздействия изменяет свое электрическое сопротивление.

Практическая часть

Упражнение №1. Изучение работы индуктивного датчика.

В данном упражнении студентам предлагается изучить работу индуктивного датчика. Для этого собирается схема, представленная на рис. 3. Генератор низкой частоты (ГНЧ) генерирует переменное электрическое напряжение с частотой . Это напряжение подается на катушку индуктивности. Амперметр А фиксирует ток в цепи. Как отмечалось выше, вводя в катушку металлический стержень, мы изменяем – относительную магнитную проницаемость среды и, следовательно, по формуле (4), изменяем индуктивность катушки. Согласно формуле (2), изменение индуктивности катушки приводит к изменению сопротивления катушки, что, в свою очередь, ведет к изменению тока в цепи, которое регистрируется амперметром А.

Рис 3. Схема, демонстрирующая работу индуктивного датчика

(ГНЧ – генератор низкой частоты. А – амперметр).