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

Электромагнитная совместимость аналоговых и цифровых датчиков давления

В вопросах электромагнитной совместимости (ЭМС) решающими являются требования конкретной сферы применения. Несмотря на то, что мы живем в «цифровой век», это не означает, что «цифровое» всегда лучшее. Данное утверждение относится и к аналоговым датчикам давления.

Аналоговые датчики давления были созданы в результате промышленной революции более 150 лет назад. За долгое время они практически не претерпели изменений. Современные технологии позволяют создавать более стабильные, более точные и компактные аналоговые датчики давления. Даже появление во второй половине прошлого века цифровых датчиков не смогло вытеснить их аналоговых родственников. Для этого есть веские причины: цифровые датчики давления подходят не везде.

Цифровые и аналоговые датчики: сравнение

Сигнал аналоговых устройств передается в виде импульса тока или напряжения. Чаще всего используется стандартный сигнал 4–20 мА, затем 0–10 В и реже 0,5–4,5 В. Пьезорезистивные датчики измеряют давление по деформации мембраны. Деформация мембраны приводит к изменению сопротивления диффузионных резисторов, соединенных друг с другом измерительным мостом Уитстона. Это изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал.

Компенсация нуля или ошибки диапазона также выполняется с помощью аналоговой схемы.

Цифровые датчики давления используют для передачи измеренных значений цифровые интерфейсы, такие как RS-485 с Modbus. Их можно назвать приборами с промышленной сетью связи. В отличие от аналоговых датчиков давления, здесь электрический сигнал об изменении сопротивления оцифровывается напрямую. Компенсация типичных ошибок, таких как температурная, осуществляется через микропроцессор.

В каких случаях аналоговый датчик ― лучшее решение?

Даже беглое сравнение показывает, что цифровые датчики давления обладают множеством преимуществ. Это практично: сигнал от аналогового датчика необходимо оцифровать, прежде чем его можно будет обработать. А если нужно, чтобы измеренное значение непосредственно отображалось на дисплее, цифровой сигнал ― безусловное преимущество. Кроме того, цифровые датчики ― единственный вариант проведения дистанционных измерений. В автоматизированной системе управления процессом преимущество также за цифровыми датчиками давления.

Как цифровые, так и аналоговые датчики давления могут давать точные результаты. Тем не менее цифровые приборы немного предпочтительнее, особенно там, где требуется высокая точность, ведь все компенсации являются чисто цифровыми. Однако при измерениях в динамических процессах лучшим вариантом зачастую оказываются аналоговые датчики давления.

Несмотря на все преимущества цифровых датчиков, аналоговые приборы имеют свои плюсы. С одной стороны, аналоговые и цифровые датчики различаются по стоимости. Если вам не нужны все преимущества цифровых приборов, то и не стоит переплачивать, приобретая их. Однако это экономическое соображение не единственный довод в пользу аналоговых приборов: в большинстве аналоговых датчиков давления используется стандартный выходной сигнал 4-20 мА, который не подвержен воздействию индукционной связи.

Индуктивные помехи: на что обратить внимание

Аналоговые датчики давления часто наиболее безопасны для использования в условиях высокого напряжения, вызванного магнитными полями. Хотя это не повод полностью отказываться от цифровых датчиков в подобных условиях. Соблюдение мер предосторожности поможет предотвратить или значительно уменьшить помехи от индуктивной связи при установке датчика давления.

В качестве простого примера рассмотрим применение насоса. При его включении мгновенно возникает большой ток, который создает большое магнитное поле. Если соединительная линия датчика давления установлена параллельно насосу, она находится под воздействием этого магнитного поля. Появившееся напряжение вызывает помехи в датчике давления. Возмущения варьируются в зависимости от типа датчика: в аналоговых устройствах появляется «шум» в измеренных значениях, в цифровых передача сигнала может полностью прерваться.

Казалось бы, целесообразно тщательно продумать положение соединительной линии во время монтажа. Однако в некоторых ситуациях выбора может не быть. Тогда нужно экран кабеля надлежащим образом заземлить для отвода сигналов помех в землю.

Источник

Цифровые и аналоговые тензодатчики: преимущества и недостатки

Тензометрические датчики (принятое сокращение «тензодатчик») широко применяются в промышленности и научно-исследовательских работах для измерения физических величин (в частности, напряжённого состояния материала).

Для точного определения физической деформации (растяжения, кручения, сдвига и т.п.) выходной сигнал датчика удобно получать в электрическом виде. Такой принцип реализуется в резистивных тензодатчиках. Если известна зависимость «деформация – величина сигнала», то показания датчика однозначно определяют физическое перемещение материала, что нам и требуется. Тензодатчики также используются в качестве чувствительных элементов в определителях давления, перемещения, акселерометрах и т.п.

Чувствительный элемент, датчик, измерительная система

Прежде чем рассматривать плюсы и минусы цифровых и аналоговых тензодатчиков, следует чётко определить само понятие «датчик».

В общем случае датчиком называется чувствительный элемент, сопряжённый с преобразователем сигнала. Для получения измерительной системы (прибора) нужно дополнить преобразователь шкалой, с помощью которой можно непосредственно считать измеряемый параметр.

Говоря о тензометрических измерительных системах, следует различать чувствительные элементы (тензорезисторы), преобразователи сигнала (подстроечные резисторы) и систему индикации. Отличие цифровых и аналоговых тензодатчиков сводится к типу выходного сигнала и способу его обработки.

• Для аналоговой системы первичный сигнал со всех опрашиваемых датчиков подаётся в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Он присваивает сигналу определённые цифровые значения, которые можно либо непосредственно считать на весовом терминале, либо отправить в дальнейшую обработку (к примеру, в ПК).
• Для цифровой системы каждый датчик самостоятельно преобразует измеряемую величину в дискретный выходной сигнал. Этот сигнал также передаётся в цифровой индикатор (для считывания) или в ПК для дальнейшей обработки.

Плюсы и минусы цифровых и аналоговых тензодатчиков

• Помехоустойчивость цифрового датчика гораздо выше – поскольку сигнал от него к измерительной системе передаётся в дискретном («закодированном») виде. Различные помехи могут ослабить поступающий сигнал, но не искажают сам код. Таким образом, фактическое значение измеряемой величины цифровым датчиком будет передано точнее.
  Однако достоинством аналогового датчика является меньшая инерционность (поскольку опрос цифровых датчиков – особенно последовательный – занимает определённое время) и отсутствие динамических погрешностей при измерении быстропеременных величин.
• Дистанционные измерения предпочтительней вести с помощью цифровых датчиков. Причины описаны выше: если датчики подключаются длинными кабелями, их нагрев, э/м помехи могут значительно исказить аналоговый сигнал на пути к преобразователю. Поэтому максимальное расстояние для подключения аналогового датчика – до 200 метров (для цифрового – до километра).
• Ремонтопригодность. С некоторыми оговорками можно считать, что замена одного цифрового датчика на другой не потребует перекалибровки всей измерительной системы (подстроечные коэффициенты как правило указываются изготовителем датчика и могут быть легко внесены в систему).
  А вот для аналогового датчика эталонная настройка потребуется в любом случае – что усложняет ремонт/модификацию любой измерительной аппаратуры.
• Точность. Тезис о том, что цифровые датчики точнее аналоговых (или наоборот) – полный абсурд! Характеристика датчиков определяется классом точности. Для аналоговых и цифровых датчиков одного класса точность будет одинакова!
• Многоканальность. При измерениях группой датчиков цифровая система позволяет легко получать измеряемую величину с каждого датчика в отдельности. Таким образом можно определить центр тяжести, на сколько равномерно нагружены вагоны (в вагонных весах) и т.п.
  Для аналоговых датчиков такое невозможно – их «безличные» показания сперва нужно преобразовывать. А значит, для каждого датчика нужна отдельная система преобразователей – что усложняет систему в целом.
• Надёжность и стоимость. Несмотря на усложнение конструкции, современные цифровые тензодатчики не уступают в надёжности аналоговым. А вот стоимость «цифровых» естественно выше (хотя это относится только к сравнению цифровых и аналоговых датчиков одного производителя).

Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что цифровые и аналоговые тензодатчики не являются прямыми конкурентами. А значит их сравнение «в лоб» (кто лучше/хуже?) некорректно: каждая система имеет свои плюсы и минусы. И должна применяться сообразно исходным условиям и целям измерений.

Источник