Сам термин «датчик» обозначает механизм, предназначенный для измерения какого-нибудь параметра с целью дальнейшей обработки результата измерения. Схема датчика генерирует сигнал в удобной для передачи форме, дальше сигнал преобразуется, обрабатывается или хранится. Без датчиков в некоторых современных сферах промышленности, да и во многом оборудовании разного рода, просто не обойтись.

Электроника позволяет сегодня изготавливать электронные датчики, способные контролировать процессы сразу по нескольким параметрам, что сильно расширяет возможности для построения сложных измерительных и исполнительных приборов.

Датчик обязательно содержит в своей конструкции чувствительный элемент и зачастую — преобразовательную часть. Главными же характеристиками электронных датчиков являются их чувствительность и погрешность измерения.

На сегодняшний день аналоговые и цифровые датчики используются всюду в научных и исследовательских целях, в телеметрии, в системах контроля качества и автоматизированного управления, да и во многих других областях, перечислять которые можно бесконечно. Так или иначе, это всегда те технические сферы, где необходимо получить информацию об измерении какой-нибудь величины.

Целью данной статьи будет дать читателю представление о том, чем принципиально отличаются между собой аналоговые и цифровые датчики. Мы рассмотрим на простом примере то, как одну и ту же величину можно отследить аналоговым и цифровым датчиком, и в каком случае целесообразно применение аналогового датчика, а в каком — цифрового.

Аналоговый датчик генерирует на выходе аналоговый сигнал, значение уровня которого получается функцией времени, и изменение такого сигнала происходит непрерывно, сигнал принимает постоянно какое-нибудь из множества возможных значений.

Так, аналоговые датчики подходят для отслеживания непрерывно изменяющихся физических величие, например напряжение на выводах термопары сигнализирует об изменении температуры, а напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока оказывается в определенный период пропорционально току контролируемой цепи. Микрофон является датчиком изменения давления от звуковой волны и т.д.

Цифровые же датчики, в свою очередь, генерируют на выходе сигнал, который можно записать в форме последовательности цифровых значений, зачастую сигнал двоичный, то есть либо высокий уровень сигнала, либо низкий (нулевой). Когда сигнал цифрового датчика необходимо передать по аналоговому каналу, например по радио, прибегают к применению модуляции.

Цифровые датчики доминируют в системах связи, поскольку их выходные сигналы легко регенерировать в ретрансляторе, даже если присутствует шум. А аналоговый сигнал, в этом смысле, будет шумом искажен, и данные окажутся недостоверными. При передаче информации цифровые датчики более приемлемы.

Цифровые датчики: а — линии, б — температуры и влажности DHT11, в — движения HC-SR501, г — температуры DS18B20. Аналоговые датчики: а — громкости звука, б — света LXD5516 (фоторезистор), в — измерения расстояния SHARP-GP2Y0A02YK0F, г — регулировки сопротивления

Давайте же рассмотрим на конкретных простых примерах сначала аналоговый датчик, затем цифровой, причем измерять эти датчики в нашем примере будут один и тот же параметр — ток.

Аналоговый датчик тока

Аналоговый датчик тока на трансформаторе тока. Почему аналоговый? Потому что в данном случае ток может возрастать, например, от 0 до 5 ампер, при этом напряжение (сигнал) на выходе будет возрастать пропорционально от 0 до 1 вольта. Такой датчик позволить осуществлять контроль величины тока в измеряемой цепи непрерывно.

К примеру, будучи установленным в блок питания с ШИМ, аналоговый датчик тока сформирует аналоговый сигнал обратной связи, и чем выше будет его значение, тем значит больший ток в цепи нагрузки течет в данный момент, и схема регулировки длительности управляющего импульса, построенная на компараторе, станет уменьшать длительность управляющего импульса, приводя ток нагрузки к требуемому номинальному значению, дабы выходная мощность не возрастала неприемлемо высоко.

Цифровой датчик тока

Теперь допустим, что мы имеем дело с резонансным преобразователем электроэнергии, где нужно отслеживать колебания тока в резонансном LC-контуре, и важным параметром будет уже не только и не столько величина тока, сколько его направление.

В этом случае можно использовать так же трансформатор тока, только выход трансформатора тока будет нагружен не на резистор, а на стабилитрон или на ограничительные диоды. Что это даст?

Когда ток течет в одну сторону, напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока будет иметь определенное высокое значение, а когда в другую сторону — определенное низкое. Вот и получается «1» и «0» — цифровой сигнал, а промежуточные значения не нужны, их отслеживает другая схема, аналоговая.

Датчики направления тока могут быть реализованы и на базе эффекта Холла (цифровые датчики Холла), но в нашем примере целью было показать принципиальное различие аналогового и цифрового датчика, поэтому датчик Холла пока оставим в стороне.

Источник

Как определить цифровой датчик или аналоговый

Аналог или цифра? Вот в чем вопрос!

«Какие тензодатчики лучше использовать: аналоговые или цифровые? Для кого они лучше?»
Именно такие вопросы нам задают чаще всего в последнее время. Ответы на эти вопросы имеют все чаще противоположные толкования. Одни специалисты утверждают, что цифровые датчики – незаменимое средство от всех осложнений, возникающих в работе весов, другие — придерживаются мнения, что они являются источником проблем.
Ряды дискутирующих можно разделить на несколько основных групп заинтересованных специалистов, которые создают разные этапы жизненного пути весов:

1. Ими являются разработчики, производители и продавцы тензодатчиков и иных компонентов весовых систем;
2. Разработчики, производители и продавцы непосредственно весов и весоизмерительных систем;
3. Специалисты метрологических центров;
4. Работники ремонтных предприятий;
5. Покупатели (потребители) весовых систем.

Ежедневное общение со всеми группами специалистов, а также бизнес-моделью возглавляемого мною предприятия, которое осуществляет единовременно инновационную, проектную, производственную, коммерческую и эксплуатационную деятельность, обязывает меня одновременно отстаивать интересы всех групп специалистов.
Проанализировав всю информацию от научных работников техуниверситетов, исследовав данные от производителей датчиков, собрав все противоположные мнения в общении с десятками причастных к этому сторон, и, наконец, пропустив эту совокупную информацию через собственный опыт, я готов сделать выводы и поделиться ими с Вами.

В этой публикации я постараюсь раскрыть ключевые характерные особенности использования цифровых и аналоговых датчиков с минимальным употреблением сложной технической информации и технических терминов.
Прежде, чем начать описание всех «за» и «против», предлагаю разобраться в упрощенной форме с принципом работы весовых систем с цифровыми и аналоговыми тензометрическими датчиками.
Зачастую, при использовании в весовых системах аналоговых датчиков применяется ниже представленная упрощенная схема подключения (рассмотрим ее на примере вагонных и автомобильных весов):

Итак, оперативная информация с аналоговых тензодатчиков по кабелю попадает в клемную соединительную коробку. Как правило, коробка оснащена прецизионными резисторами, посредством которых происходит выравнивание чувствительностей каждого из датчиков, а также их аналогового суммирования. Далее суммарный сигнал передается в весовой индикатор. Здесь при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя) сигнал оцифровывается. Также весовой индикатор оснащен программой калибровки весовой системы. Данная программа автоматически присваивает цифровому коду значение в единицах массы (тоннах, килограммах, граммах или других).

Теперь рассмотрим упрощенную схему весовой системы с использованием цифровых датчиков:

Измерение при использовании цифровых тензометрических датчиков происходит в точности как при использовании аналоговых датчиков. Отличие состоит лишь в том, что оцифровка сигнала осуществляется не в весовом индикаторе, а в каждом отдельном датчике и уже далее цифровой код отправляется в весовой индикатор и соединительную коробку либо в компьютер. В случае если весовой индикатор не применяется, то визуализация результатов и калибровка системы происходит посредством специального программного обеспечения на компьютере.
А теперь давайте вместе последовательно разберем главные различия в применении аналоговых и цифровых тензометрических датчиков, а также их преимущества и недостатки.

1. Способ передачи данных от тензометрического датчика в весовую систему (отличие аналогового сигнала от цифрового).

Различия в методиках передачи сигналов цифровыми и аналоговыми тензометрическими датчиками в весовую систему состоит в следующем:
с помощью аналогового сигнала осуществляется передача информации от датчика к весовому прибору, однако при этом числовые значения возникают при осуществлении аналого-цифрового преобразования в цифровом приборе. По этим причинам неинформативные искажения сигналов, которые возникают в тензометрическом кабеле между прибором и датчиком являются низкочастотными (электростатика, температурные и прочие) или высокочастотными (импульсные помехи, электромагнитные шумы). В последствие они суммируются с ним и вносят погрешности в информацию, передаваемую от датчика.
Тензометрические кабели, разработанные ведущими производителями составляющих весовых систем, (НВМ, ZEMIC USA Inc., CAS, MettlerToledo, Flintec, Siemens и прочих) совокупно с методами обработки аналоговых сигналов (фильтрация, шестипроводное подсоединение датчиков) понижают такие погрешности до предельных границ комбинированных погрешностей тензодатчиков. Следственно, в случаях, если весовой индикатор не удален от весового прибора на расстоянии более чем на 200 метров, то влияние температуры и электромагнитных помех можно не принимать во внимание.
От цифрового датчика информативные данные передаются в импульсно-закодированном виде и при воздействии большинства всех перечисленных факторов искажаются. При этом значение самих кодов не искажается, и это воздействует только лишь на устойчивость канала передачи информации. Помехозащищенность и помехоустойчивость цифровых каналов порядком выше аналоговых каналов.
Цифровые тензодатчики все же имеют недостаток: цифровые сигналы последовательно поступают с датчиков в прибор или ПК. Согласитесь, это значительно замедляет процесс измерения. В то же время, если моменты измерения не синхронизированы, то возможно возникновение динамических методических погрешностей измерения.
Не могу сказать, что это имеет огромное значение, но все-таки для некоторых весовых приборов, в особенности для многоканальных систем взвешивания в движении, это может быть важным.

2. Расстояние, на которое может передаваться информация (интервал от тензодатчиков до весового индикатора).

Здесь конечно в приоритете цифровые датчики в сравнении с аналоговыми. Цифровой сигнал передается на расстояние до 1000 – 1200 метров, при этом качество практически не ухудшается, а аналоговый сигнал передается на расстояние до 200 метров. В этом случае необходимо определиться, какое расстояние от датчиков до весового терминала потребуется именно Вам?

3. Бытует мнение, что при замене цифровых тензометрических датчиков нет необходимости в поверке и калибровке весов. Разберемся, так ли это?

Ответ на этот вопрос имеет двоякое значение. Теоретически можно заменить цифровой тензодатчик, и владея данными о необходимых коэффициентах калибровки (о характеристике преобразования, которая указана в сопроводительной документации на тензодатчик), показать их в весах. Этого будет достаточным для восстановления функционирования весовой системы. При этом весы будут работать по среднему классу точности. Но работать на таких весах без калибровки их образцовым грузом противозаконно. Это регламентируется техническими регламентами и ГОСТами. Номера датчиков, которые установлены в автовесы, отмечаются в паспорте. Также в паспорте должна быть подпись и печать поверителя, свидетельствующие о соответствии весов среднему классу точности и готовности их к эксплуатации.
Вы должны помнить, что при замене любого из датчиков в системе следует пользоваться услугами поверителя (метролога) с образцовым грузом и заново осуществлять поверку весовой системы. После этого вносятся изменения в техпаспорт на весы, записывается номер нового установленного датчика.

4. Точность тензодатчиков: какой тензодатчик точнее, аналоговый или цифровой?

Уже изначально это неправильно поставленный вопрос. Точность датчика веса, как и весовой системы в целом, устанавливается границами абсолютных допускаемых погрешностей измерения, которые выражаются в единицах массы через цену поверочного деления (е), не зависимо цифровой это датчик или аналоговый.
Точность датчиков определяется Классом Точности (по OIML это С2, С3, С4, С5) и исчисляется уровнем разработки, метрологическими и технологическими возможностями производителя тензодатчиков. Таким образом, точность аналоговых и цифровых тензодатчиков одинакова, если эти датчики одного класса точности.

5. В каких системах можно увидеть показания каждого отдельного датчика? Для чего это нужно?

Как я отметил выше, информация с аналоговых тензометрических датчиков оцифровывается только после суммирования в соединительной коробке. Это свидетельствует о том, что получить информацию в цифровом виде от каждого датчика нет возможности. Мы можем увидеть лишь цифровой код, а позже вес со всех датчиков вместе, но не по отдельности. В цифровых же датчиках оцифровывание информации происходит непосредственно в тензометрическом датчике, и мы получаем данные от каждого датчика в отдельности.
Для чего это нужно? Если есть необходимость в анализе и сравнении значений веса с каждого отдельного датчика (например, в автомобильных или вагонных весах необходимо установить ровнозагруженность вагона или центр тяжести), то аналоговые тензодатчики без дополнительных устройств в этом случае не подойдут.

6. Взаимозаменяемость тензометрических датчиков от разных производителей. Работа с различными весовыми индикаторами.

Сегодня не существует взаимозаменяемых цифровых тензометрических датчиков, изготовленных разными производителями. По особенности взаимозаменяемости тензодатчиков от разных производителей предпочтительными являются аналоговые датчики.
Если рассматривать цифровые датчики разных производителей, то каждый из них имеет свои протоколы обмена данными, и как следствие, при необходимости замены требуется устанавливать точно такой же датчик. Функционируют такие датчики только с соответствующим фирменным цифровым индикатором либо программным обеспечением.
В аналоговых датчиках все намного проще. Аналоговые датчики практически всех мировых известных производителей являются взаимозаменяемыми. К тому же весовой прибор с ними можно использовать от любого производителя при условии соответствия его техническим характеристикам.

7. Надежность тензометрических датчиков. Аналоговые или цифровые?

Всем нам известно, что чем меньше компонентов в какой-либо системе, тем меньше риск ее поломки и выхода из строя. Дополнительная электронная плата в цифровом тензодатчике допускает вероятность ухудшения его надежности. Но, не смотря на это, надежность встроенных электронных компонентов (процессорных и аналого-цифровых элементов) в сравнении с эксплуатационными характеристиками надежности тензорезисторных структур, электронных плат и упругих элементов настройки аналоговых тензодатчиков, значительно выше.
Поэтому нам остается лишь признать факт того, что надежность цифровых и аналоговых тензодатчиков приблизительно одинакова, при всем том, что в цифровых тензодатчиках применяется намного больше электронных компонентов.

8. Стоимость тензодатчиков.

В большинстве случаев, все компании придерживаются мнения, что стоимость цифровых тензодатчиков значительно выше аналоговых. Они правы, но не в полной мере. При сравнении цены аналогового тензодатчика американского или немецкого производителя с цифровым тензодатчиком китайского производителя существует немалая вероятность того, что китайский цифровой тензодатчик стоит меньше. Однако это не является свидетельством того, что он хуже. В этом случае на стоимость влияют совсем другие факторы, о которых мы рассказывали Вам в других статьях.
А вот при сравнении цены цифрового и аналогового тензодатчиков от одного производителя видно, что стоимость цифрового датчика значительно выше.

В следующем пункте я решил объединить несколько преимуществ цифровых тензодатчиков:

9. Диагностика поломок, удобство настройки весовой системы, сервисное обслуживание.

Давайте поочередно рассмотрим каждое из преимуществ. Начнем с установки тензометрических датчиков в весы. Она осуществляется одинаково для цифровых и аналоговых датчиков потому, что габаритные размеры одинаковых моделей совпадают. Отличие состоит именно в настройке самой весовой системы.
Давайте разберемся вместе, каким образом она осуществляется. После установки всех датчиков в весы необходимо произвести так называемое «выравнивание по углам». Как я описывал выше, в аналоговых датчиках это действие осуществляется посредством резисторов в суммирующей соединительной коробке. При изменении сопротивления одного из резисторов, мы приведем систему к однозначным данным. Это осуществляется с целью одинаковости показаний в любом месте, где бы не находился груз на весовой платформе. В цифровых тензодатчиках эта настройка осуществляется посредством специальных коэффициентов. Их в память весового индикатора вводит настройщик. Вот, пожалуй, и все. Разница заключается именно в этом.
Теперь, что касается диагностики весовой системы. В цифровых тензодатчиках это довольно простая процедура. Весы сами определят, какой тензодатчик поломался, так как происходит автоматический опрос каждого датчика на работоспособность (самодиагностика).
При выходе из строя аналогового тензодатчика возникает необходимость в определении причины поломки. При этом требуется отключать из соединительной коробки по одному тензодатчику либо же отключить полностью всё и по очереди их продиагностировать. Обычно, эта усложненная процедура не займет более получаса у специалиста.
Замена поломанного датчика или сервисное обслуживание осуществляется одинаково. Отличие лишь в том, что при замене аналогового тензодатчика требуется вновь настроить весовую систему посредством резисторов, как писалось мной выше. А в цифровых датчиках необходимо будет ввести коэффициент. После всех нужных процедур следует произвести поверку весового прибора независимо от вида тензодатчика.
Многие специалисты придерживаются мнения, что при поломке одного цифрового тензодатчика автомобильные весы будут продолжать функционировать. Конечно, будут! Однако ни один достойный производитель и метролог не будет утверждать того, что весы функционируют при этом без дополнительной погрешности. А погрешность эта зависит, в большей степени, от расположения груза на платформе весов. Когда большая часть веса груза находится на месте, где расположен неработоспособный тензодатчик погрешность может увеличиваться во много раз.

Без сомнения, с позиции удобства настройки, диагностики и обслуживания цифровые тензодатчики предпочтительнее в использовании. Но лучшими они являются в большей степени для ремонтно-обслуживающих предприятий и производителей. Для покупателей весов заметных преимуществ при эксплуатации весовых систем с цифровыми датчиками в сравнении с аналоговыми не существует.

Главное преимущество аналоговых тензометрических датчиков:

Стоимость. При изготовлении весового прибора либо замене аналоговых тензодатчиков при выходе из строя (перегруз, молния и т.д.) их применение считается более экономичным.

Два основных преимущества цифровых тензометрических датчиков:

1. определение не только суммарного веса объекта взвешивания, но и его распределение, то есть определение разности загрузки тележек ж/д вагона, положения смещения центра масс и прочее. В таких весовых системах с цифровыми тензодатчиками, возможно установить информацию о действующих нагрузках на каждый отдельный датчик.
2. передача информации от тензодатчиков к обрабатывающей электронной аппаратуре при расстоянии до 1200 метров. Связано это с тем, что цифровые каналы передачи информации с позиции сохранения точностных свойств сигналов являются более целесообразными и эффективными.
В заключении давайте рассмотрим гибридные аналого-цифровые системы. Они способны при использовании аналоговых тензодатчиков извлекать потоки информации от каждого тензодатчика в отдельности и в случаях необходимости организовывать цифровые каналы передачи информативных данных в весовых системах. Структурная схема преобразования в таких системах представлена следующим образом:

Осуществление подобных структурных преобразований возможно при использовании многоканальных аналого-цифровых преобразователей (АЦП). По конструкции они не соединены с тензодатчиками и могут находиться как рядом с датчиками (к примеру, под платформой весов) (при этом информация передается на весовую систему в цифровом виде), так и в весовом цифровом индикаторе, и в этом случае информация от каждого отдельного тензодатчика к индикатору передается в аналоговом виде.
Так, преимущества систем можно получить как на аналоговых тензометрических датчиках, так и на цифровых.

Источник