Основные соображения при выборе правильного датчика

28.02.2023

Установленные на плате или вне блоков и модулей, датчики являются важным компонентом любой интеллектуальной электронной системы. Они получают и интерпретируют физические данные из окружающего мира и преобразуют их в стандартный выходной сигнал. С их помощью автоматизированные системы могут работать с большей эффективностью за счет повышения надежности, точности и оптимизации производительности.

Инженеры будут рады услышать, что при эффективном использовании датчиков компаниям, студентам и любителям в равной степени предоставляется возможность перейти к более проактивной модели, создавая тем самым более полезные продукты для конечного потребителя.

Ассортимент датчиков, доступных на рынке, весьма разнообразен. В результате, попытка выбрать подходящий датчик для конкретной цели может оказаться непосильной задачей. Чтобы разобраться в этом, специалисты должны руководствоваться следующим:

9 ключевых моментов

1. Тип датчика

Выбор датчика будет определяться составом и свойствами обнаруживаемого материала (металл, твердое тело, жидкость, газ и т. д.). Это основной фактор, который определит, подходит ли конкретный датчик для данного приложения. Обычно используемые датчики включают в себя:

Датчики температуры

Датчики температуры доступны в различных формах, включая термисторы, термопары и резистивные температурные устройства. Они широко используются в компьютерах, мобильных телефонах, автомобилях и системах кондиционирования воздуха. Посмотрите наш ассортимент датчиков температуры, перейдя по ссылке.

Датчики приближения

Датчик приближения - это бесконтактный датчик, определяющий присутствие объекта. Их можно использовать, среди прочего, для оптических, ультразвуковых методов контроля и как датчики Холла. Датчики приближения используются в промышленности, в мобильных приложениях, например, как датчики парковки в автомобилях и т.п.

Инфракрасные (ИК) датчики

Есть два типа ИК-датчиков - излучающие и отражающие.

Излучающие датчики: ИК-передатчик и ИК-приёмник расположены лицом друг к другу, так что датчик обнаруживает объект, когда он проходит между ними.

Отражающий тип датчика: передатчик и приёмник расположены рядом друг с другом, лицом к объекту, так что датчик обнаруживает объект, когда он находится перед датчиком. Часто передатчик и приёмник изготавливают в одном корпусе. В некоторых типах фотодачиков в качестве приёмника используется простой отражатель.

Датчики давления

Можно измерить три типа давления: манометрическое, абсолютное и дифференциальное.

1) Манометрический датчик измеряет давление относительно атмосферного давления окружающей среды. Этот датчик может быть полезен для измерения уровня жидкости в вентилируемом резервуаре с использованием разницы в атмосферном давлении окружающей среды и гидростатическом давлении.

2) Абсолютный датчик измеряет давление относительно абсолютного вакуума. Датчики абсолютного давления могут использоваться для измерения атмосферного давления для определения высоты. Другое использование - в системах контроля давления в шинах.

3) Дифференциальный датчик измеряет разницу давления между двумя точками. Эти датчики часто используются для определения разницы давлений по обе стороны от объекта. Ярким примером этого может быть мониторинг воздушного потока в системах кондиционирования воздуха.

Датчики света

Есть несколько типов световых датчиков, включая фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы.

Фоторезисторы - это компоненты, чувствительные к свету. Когда на них падает свет, их сопротивление меняется. Это наиболее часто используемые фотодатчики, и ярким примером их использования является автоматика уличных фонарей.

Фотодиоды - это светочувствительные полупроводники, небольшие, легкие и недорогие. Они могут измерять оптическую мощность от пиковатт до милливатт, они очень чувствительны и имеют короткое время отклика. Фотодиоды часто используются в самых разнообразных приложениях: датчики открывания дверей, детекторы дыма, измерители сахара в крови для диабетиков и т.п.

Фототранзисторы по сути представляют собой комбинацию фотодиода и транзистора усиления. Они преобразуют световую энергию в электрическую и вырабатывают, как ток, так и напряжение. Фототранзисторы используются в системах безопасности, кодировщиках и для управления освещением.

Датчики расхода и уровня

Датчики потока измеряют массовый и объемный расход. Эти датчики часто используются в респираторных устройствах, концентраторах кислорода и кондиционерах воздуха. Датчик уровня - это устройство, которое определяет количество / уровень жидкости, протекающей в открытой или закрытой системе. Существует два типа измерения уровня: непрерывный и точечный. Датчики постоянного уровня измеряют до определенного предела, обеспечивая точные результаты, в то время как датчики точечного уровня только определяют, высокий или низкий уровень жидкости.

2. Предполагаемое применение

Перед выбором датчика необходимо учесть все требования к применению. Сюда могут входить такие факторы, как:

• Расстояние до предмета - это даст представление о требуемой чувствительности датчика и требуемом диапазоне, чтобы убедиться, что он подходит для данной цели.
• Расположение датчика - среда, в которой размещается датчик, определит соответствующий размер датчика и укажет количество вариантов монтажа.
• Независимо от того, насколько эффективным может быть датчик, важно учитывать среду, в которой он находится.

3. Точность и прецизионность

Точность часто является критически важным параметром, которому должен соответствовать продукт. В маркетинге датчиков точность и прецизионность обычно используются как взаимозаменяемые, но в действительности представляют собой две разные вещи. Крайне важно понимать разницу между ними при принятии решения, какая спецификация является приоритетной.

Точность относится к тому, насколько близко показание выходного сигнала датчика к истинному значению, в то время как прецизионность относится к способности датчика обнаруживать незначительные изменения. Более прецизионный датчик имеет более узкое распределение, в то время как более точный датчик ближе к фактическому значению.

4. Долговечность

При выборе датчика важно учитывать факторы, связанные с его долговечностью. Вопросы для рассмотрения включают:

• Насколько надёжен датчик?
• Долго ли он прослужит без замены?
• Выдержит ли он суровые условия окружающей среды?

Каждый датчик имеет конечный срок службы, который часто определяется сроком эксплуатации, сроком хранения или сроком годности датчика. Факторы, которые могут повлиять на долговечность датчика, включают: конструкция, материал, производственный процесс, измеренные уровни концентрации и условия окружающей среды вокруг датчика.

Например, некоторые датчики, которые чувствительны к таким материалам, как кислород или глюкоза, вероятно, будут иметь очень короткий срок службы, в то время как другие датчики, обычно датчики температуры, имеют срок службы более 10 лет. Однако стоит отметить, что даже датчики с большим сроком службы могут со временем стареть, теряя чувствительность и, в результате, снижая точность. Долговечность важна для обеспечения рентабельности датчиков, их соответствия назначению и снижения вероятности дрейфа. Хотя дрейф (который происходит, когда датчик подвергается воздействию условий, снижающих его точность) неизбежен со временем, его можно минимизировать, учитывая окружающую среду и ресурс датчика.

5. Типы вывода

Есть три основных типа выходного сигнала:
1) Аналоговое напряжение (ток)
2) ШИМ
3) Последовательный цифровой код

Часто предпочтение отдается цифровым, а не аналоговым сигналам, поскольку на последний обычно влияет внешний шум. Это может привести к ошибкам в выходном сигнале. Кроме того, цифровой выход можно считать более совершенным из-за его совместимости с компьютерными программами. Однако это не относится ко всем приложениям, поскольку некоторые данные можно интерпретировать без помощи компьютерной программы. Кроме того, с помощью аналого-цифрового преобразователя можно преобразовать выход аналогового датчика в цифровой выход.

Многие управляющие датчики используют токовые петли 4–20 мА, где 4 мА представляет собой низкий аналоговый сигнал, а 20 мА - высокий. Это часто используется для передачи данных, поскольку токовые петли нечувствительны к электрическим помехам.

6. Время отклика

У большинства датчиков время отклика измеряется в миллисекундах, хотя некоторые (часто датчики газов и утечек) могут измеряться в секундах или минутах. Оптимальное время отклика часто определяется полученными данными.

7. Повторяемость

Важно учитывать, можно ли постоянно определять измеряемую переменную в одной и той же точке. Повторяемость относится к стабильности датчика, определяя, будет ли он снова и снова обеспечивать один и тот же результат при одних и тех же условиях. Это значение часто связано с точностью, однако датчик может быть неточным и все же способен на хорошую повторяемость.

8. Стоимость

Датчики обычно работают в пределах более крупной инфраструктурной сети. Таким образом, при рассмотрении возможностей развития и масштабируемости, стоимость датчика является важным фактором. Хотя датчики часто являются важным компонентом любой инфраструктуры, их цена должна быть пропорциональна финансовым масштабам всего проекта, который они поддерживают.

9. Особые требования

При работе оборудования могут быть особые требования, специфические для конкретного датчика или его использования, которые необходимо учитывать. Такие требования могут включать высокие температуры, влажность или близость к сварочным или другим возмущающим процессам, что может сделать датчик непригодным для конкретного использования.

Датчики будущего

Разработки в области микротехнологий и нанотехнологий все больше определяют будущее сенсоров, позволяя использовать их более творчески и универсально. Спрос на датчики меньшего размера увеличился в результате их использования в смартфонах и носимых устройствах. Ярким примером этого является использование акселерометров в мобильных телефонах, чтобы гарантировать, что дисплей на телефоне всегда находится в правильном положении независимо от поворота устройства. Кроме того, когда эти микродатчики сочетаются с цифровой электроникой и механическими компонентами (микро-электромеханическими системами - МЭС), они могут использоваться для управления более широкими приложениями IoT и, таким образом, могут найти более широкое применение в автоматизации технологических процессов.

Кроме того, разрабатываются технологии, включающие интеллектуальные системы, которые все больше действуют как живые существа. К таким технологиям относятся самоконтроль, самокоррекция и самомодификация, часто с возможностью видеть, чувствовать, обонять, слышать и общаться благодаря быстрому прогрессу в развитии сенсоров. Интеллектуальные датчики, которые работают, таким образом, неизбежно будут более эффективно выполнять свою роль и уменьшат необходимость вмешательства человека, что приведет к более удобному взаимодействию для потребителей. Стремление к разработке датчиков для сокращения трудозатрат стало очевидным при разработке датчиков радиочастотной идентификации (RFID).

Датчики RFID позволили создать систему безбумажных счетов в смартфонах и улучшили процедуры безопасности за счет использования автоматических систем открывания дверей. Датчики RFID также оказали влияние на мировой рынок цифровой упаковки, поскольку они позволяют ускорить обработку, транспортировку и доставку. Это очень выгодно для отраслей, которым необходимо доставлять товары в сжатые сроки, таких, например, как скоропортящиеся товары в пищевой промышленности и производстве напитков.

Еще одним недавним достижением в сенсорной технологии стало более широкое использование сочетания датчиков. Когда одновременно используется комбинация датчиков, сильные стороны каждого датчика компенсируют слабые стороны другого. Это приводит к созданию более эффективных устройств, которые извлекают выгоду из комбинированных атрибутов нескольких датчиков. Огромное количество приложений извлекли выгоду из объединения датчиков, включая мониторинг состояния здоровья, транспортные системы, индустрию развлечений и прогнозирование погоды, и это лишь некоторые из них. Эта способность обнаруживать несколько качеств, получать интеллектуальные данные и инициировать действия является революционной для широкого круга отраслей. С учетом этих разработок и соображений, рассмотренных в этом руководстве, выбор лучшего датчика для требуемого приложения теперь должен быть менее сложной задачей. Обширный диапазон датчиков, доступных на рынке, является перспективным для будущих технологий, поскольку возможен больший инновационный прогресс.