Датчики, преобразователи

Датчики и преобразователи — это обширная категория технических устройств, являющихся основой систем автоматизации, контроля, измерения и управления.

В широком смысле эти устройства служат для получения информации о состоянии объекта или протекании процесса.

Определения

Датчик (сенсор) — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь. Это элемент технической системы, который воспринимает контролируемую физическую величину (температуру, давление, освещенность, перемещение, концентрацию вещества) и преобразует ее в сигнал.
Преобразователь — устройство, предназначенное для изменения вида, формы или масштаба сигнала. Если датчик выдает информацию в неудобном для дальнейшей обработки виде (например, мизерное изменение сопротивления), преобразователь приводит его к стандартизированному формату (например, токовой петле 4–20 мА или цифровому протоколу Modbus).

Часто эти понятия объединяются: любой датчик по своей природе является первичным преобразователем, так как трансформирует неэлектрическую величину в электрическую.

Принцип работы Основная задача этих устройств — превратить физическое воздействие в удобный для передачи, хранения и анализа сигнал. В качестве выходного сигнала могут выступать:

Электрические параметры (напряжение, ток, сопротивление, частота).
Оптические сигналы (интенсивность света, длина волны).
Пневматические сигналы (давление воздуха).
Цифровой код].

Классификация датчиков и преобразователей Устройства этой категории классифицируются по нескольким признакам:

Признак	Категории
По типу входной величины	Датчики температуры (термопары, термосопротивления), давления, расхода, уровня, положения, концентрации газов, вибрации, силы тока и напряжения.
По принципу действия	Оптические (фотодиоды, фоторезисторы); Магнитоэлектрические (включая датчики на эффекте Холла для бесконтактного измерения тока и магнитных полей); Пьезоэлектрические; Термоэлектрические; Тензоэлектрические (тензорезисторы); Емкостные, индуктивные и потенциометрические (датчики перемещения).
По месту в измерительной цепи	Первичные (непосредственно контактируют со средой), промежуточные, передающие (для дистанционной передачи данных), масштабные.
По характеру выходного сигнала	Аналоговые (непрерывный сигнал) и цифровые (дискретный код). Также существуют специализированные аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Примеры конкретных групп устройств

Измерительные преобразователи тока: Предназначены для бесконтактного или прямого измерения параметров электрического тока (постоянного, переменного, импульсного) в диапазоне от миллиампер до десятков килоампер с выдачей унифицированного сигнала. Бывают стационарными и разъемными (устанавливаются на шину без разрыва цепи).
Ультразвуковые преобразователи: Делятся на передатчики (электричество $→\rightarrow$ ультразвук), приёмники (ультразвук $→\rightarrow$ электричество) и трансиверы. Применяются в дальномерах, системах парковки, анемометрах (измерение скорости ветра) и уровнемерах жидкости.
Приемники оптического излучения: Вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ), полупроводниковые фотодиоды и фототранзисторы. Их чувствительность зависит от длины волны падающего света.

Области применения

Промышленная автоматизация: управление станками, роботами, конвейерами.
Энергетика: мониторинг состояния сетей, учет электроэнергии, релейная защита.
Автомобилестроение: датчики кислорода, коленвала, ABS, ESP.
Бытовая электроника: сенсоры в смартфонах (акселерометр, гироскоп), умный дом (детекторы дыма, протечки).
Медицина: пульсоксиметры, глюкометры, аппараты ИВЛ.
Экология и научные исследования: метеостанции, газоанализаторы, лабораторное оборудование.