Похожие
Текст
Encyclopedia of
Electronic
Components
Volume 3
Charles Platt and Fredrik Jansson
(Umakermedia
^■r SAN FRANCISCO, CA
Чарльз Платт
Фредрик Янссон
Энциклопедия
электронных
компонентов
Датчики местоположения - присутствия -
ориентации -вибрации -жидкости -газа -
света -тепла -звука -электричества
Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»
2017
УДК 621.3
ББК 32.85
П37
Платт, Ч.
П37 Энциклопедия электронных компонентов. Том 3. Датчики местоположения, присутствия, ориента-
ции, вибрации, жидкости, газа, света, тепла, звука, электричества: Пер. с англ./ Ч. Платт, Ф. Янссон. —
СПб.: БХВ-Петербург, 2017. — 288 с: ил.
ISBN 978-5-9775-3766-7
В третьем томе энциклопедии приведена основная информация о датчиках различного назначения,
определяющих пространственные, механические, электрические, оптические и акустические характе-
ристики, а также характеристики текучих сред. Каждая статья представляет собой законченное описа-
ние какого-либо датчика или группы родственных датчиков. Подробно описано назначение, принцип
действия, основные параметры, варианты изготовления и области применения датчиков, а также при-
ведены примеры типовых схем их включения. Материал сопровождается фотографиями, схемами и диа-
граммами.
Для радиолюбителей
УДК 621.3
ББК 32.85
Группа подготовки издания:
Главный редактор Екатерина Кондукова
Зам. главного редактора Игорь Шишигин
Зав. редакцией Екатерина Капалыгина
Перевод с английского Михаила Райтмана
Редактор Леонид Кочин
Компьютерная верстка Людмилы Гауль
Корректор Зинаида Дмитриева
Оформление обложки Марины Дамбиевой
©BHV-St.Petersburg,2017
Authorized Russian translation of the English edition of Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 3, ISBN 978-1-449-33431-4
© 2016 Charles Platt, published by Maker Media, Inc.
This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same.
Авторизованный русский перевод английской редакции книги Make: Encyclopedia of Electronic Components Volume 3,
ISBN 978-1-449-33431-4 © 2016 Charles Platt, изданной Maker Media, Inc.
Перевод опубликован и продается с разрешения O'Reilly Media, Inc., собственника всех прав на публикацию и продажу издания.
Подписано в печать 31.01.17.
Формат 84x1087i6. Печать офсетная. Усл. печ. л. 30,24.
Тираж 1000 экз. Заказ № 445
«БХВ-Петербург», 191036, Санкт-Петербург, Гончарная ул., 20.
Отпечатано в АО «Первая Образцовая типография»
Филиал «Чеховский Печатный Двор»
142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1
Сайт: www.chpd.ru, E-mail: sales@chpd.ru, тел. 8(499)270-73-59
ISBN 978-1-449-33431-4 (англ.) © 2016 Charles Platt
ISBN 978-5-9775-3766-7 (рус.) © Перевод, оформление, издательство «БХВ-Петербург», 2017
Брайану Джепсону
Чарльз Платт
Энциклопедия
электронных
компонентов
ТОМ 1
Резисторы, конденсаторы, катушки
индуктивности, переключатели,
преобразователи, реле, транзисторы
ТОМ 2
Тиристоры, аналоговые
и цифровые микросхемы, светодиоды,
ЖК-дисплеи, аудиокомпоненты
томз
Датчики местоположения, присутствия,
ориентации, вибрации, жидкости,
газа, света, тепла, звука, электричества
Подробная: содержит информацию, отобранную
из сотен источников
Структурированная: части и главы четко
организованы по типу компонентов
Авторитетная: фактические сведения проверены
экспертами для гарантии актуальности и точности
информации
Методичная: более последовательный источник
информации по сравнению с онлайн-ресурсами,
техническими описаниями и руководствами
производителей
Инструктивная: каждое описание компонента
содержит подробную информацию о вариантах его
замены, распространенных проблемах и путях их
решения
Всеобъемлющая: первый том охватывает компоненты
по производству, распределению, коммутации,
накоплению и преобразованию электрической
и электромагнитной энергии, а также
полупроводниковые приборы, во втором томе
рассмотрены интегральные микросхемы, источники
света и звука, третий том целиком посвящен
датчикам
Чарльз Платт
Идеальная для преподавателей, инженеров, студентов и любителей всех возрастов энциклопедия предоставит
надежную и проверенную информацию, когда потребуется вспомнить сведения о каком-либо электронном
компоненте или впервые начать работать с ним. Начинающие быстро усвоят основные понятия, а более опыт
ные пользователи найдут подробности, необходимые для своих проектов.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Об авторах XXIII
Предисловие XXV
Цель книги XXV
Структура книги XXVI
Проблемы классификации датчиков XXVI
Содержание томов энциклопедии XXVII
Том1 XXVII
Том 2 XXVII
ТомЗ XXVIII
Методология книги XXIX
Справочник — в сравнении с учебником XXIX
Теория и практика XXIX
Выходной сигнал датчика XXIX
Глоссарий XXX
Выделение терминов в тексте XXX
Синтаксис математических формул XXX
Условные обозначения на схемах XXX
Единицы измерения и фон на фотографиях XXXI
Доступность компонентов XXXI
Ошибки и опечатки XXXII
Мы информируем вас XXXII
Вы информируете нас XXXII
Вы спрашиваете нас XXXII
Публичные ресурсы XXXII
Библиотека Safari* Books Online XXXIII
Благодарности XXXIII
Электронный архив XXXIV
> ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ
Статья 1. Датчик GPS 1
Описание 1
Условное обозначение на схемах 1
Сегменты системы GPS 1
Оглавление VII
Принцип действия 2
Варианты изготовления 2
Параметры GPS-датчиков 3
Использование 4
Выходной сигнал с частотой 1 Гц 4
Что может пойти не так? 5
Электростатический разряд 5
Некачественное заземление 5
Непропаянное соединение 5
Ограниченная доступность 5
Невозможность обнаружения спутников 5
Превышение максимальной скорости или высоты 5
Статья 2. Магнитометр 7
Описание 7
Условное обозначение 7
Гиростабилизатор 8
Варианты применения 8
Устройство и принцип действия 8
Магнитные поля 8
Земные оси 9
Индукционный магнитометр 10
Эффект Холла и магниторезистивный эффект 11
Варианты изготовления 11
Использование 11
Что может пойти не так? 12
Искажения 12
Неправильный монтаж 12
> ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
>> НАЛИЧИЕ ОБЪЕКТА
Статья 3. Датчик присутствия объекта 13
Описание 14
Обозначение на схемах 14
Типы датчиков 14
Оптическое обнаружение 15
Оптические датчики, работающие на просвет 16
Световозвращающие оптические датчики 17
Магнитные датчики 19
Герконовый переключатель 19
Разновидности герконовых переключателей 20
VIII Оглавление
Параметры герконового переключателя 21
Как использовать геркон 21
Датчик Холла 22
Как работает датчик Холла 22
Разновидности датчиков Холла 23
Другие варианты применения 23
Параметры датчиков Холла 23
Подключение датчика Холла 24
Конфигурация датчиков присутствия объекта 24
Линейное перемещение 24
Детектирование за счет прерывания 25
Угловое перемещение 25
Сравнение датчиков присутствия 25
Преимущества оптических датчиков присутствия 25
Недостатки оптических датчиков присутствия 25
Преимущества герконов 25
Недостатки герконов 26
Преимущества датчиков Холла 26
Недостатки датчиков Холла 26
Что может пойти не так? 26
Проблемы оптических датчиков 26
Проблемы герконовых переключателей 27
Статья 4. Пассивный инфракрасный датчик 29
Описание 29
Обозначение на схемах 29
Варианты применения 30
Устройство и принцип действия 30
Пироэлектрический детектор 30
Чувствительные элементы 30
Линзы 32
Варианты изготовления 34
Что может пойти не так? 35
Чувствительность к температуре 35
Уязвимость окошка датчика 35
Воздействие влаги 35
> ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > РАССТОЯНИЕ
Статья 5. Датчик приближения 37
Описание 38
Обозначение на схемах 38
Варианты применения 38
Оглавление IX
Разновидности датчиков приближения 38
Ультразвуковой датчик 38
Инфракрасный датчик 39
Сравнительные преимущества различных датчиков 39
Образцы ультразвуковых датчиков 39
Датчики других производителей 40
Отдельные пьезоизлучатели 41
Образцы инфракрасных датчиков 41
Тенденции развития инфракрасных датчиков 42
Емкостный датчик приближения 43
Варианты применения 44
Устройство емкостного датчика 44
Источники ошибок 44
Параметры емкостных датчиков 45
Что может пойти не так при использовании оптических
и ультразвуковых датчиков приближения 45
Объект расположен слишком близко 45
Взаимные помехи 45
Неподходящие поверхности 45
Влияние окружающей среды 45
Ухудшение рабочих характеристик светодиодов 46
Статья 6. Датчик линейного положения 47
Описание 47
Варианты применения 47
Обозначение на схемах 48
Устройство и принцип действия 48
Линейный потенциометр 48
Магнитные линейные энкодеры 49
Оптические линейные энкодеры 50
Варианты применения линейных энкодеров 51
Линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы 51
Что может пойти не так? 52
Механический износ 52
Ограниченный срок службы светодиода 52
> ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > ОРИЕНТАЦИЯ
Статья 7. Датчик углового положения 53
Описание 53
Варианты применения 53
Условное обозначение на схемах 54
Потенциометры 54
Поворотный потенциометр с дуговой дорожкой 54
X Оглавление
Концевые ограничители 55
Многооборотный потенциометр 55
Магнитный датчик углового положения 55
Микросхемы для определения углового положения 56
Поворотные энкодеры 56
Оптические поворотные энкодеры 57
Образцы поворотных энкодеров 58
Устройство компьютерной мыши 59
Скорость вращения 60
Датчики абсолютного углового положения 60
Код Грея 60
Магнитные поворотные энкодеры 61
Использование поворотных энкодеров 62
Что может пойти не так? 63
Неправильное подключение 63
Неподходящая программа обработки 63
Неоднозначность терминологии 63
Статья 8. Датчик наклона 65
Описание 66
Условное обозначение на схемах 66
Устройство и принцип действия 66
Упрощенная конструкция датчика наклона 67
Варианты применения 68
Варианты изготовления 68
Ртутные переключатели 68
Маятниковый переключатель 69
Датчик с намагниченным шариком 69
Детекторы наклона 69
Двухосевые детекторы наклона 70
Параметры датчиков наклона 71
Использование датчиков наклона 72
Что может пойти не так? 72
Эрозия контактов 72
Помехи в неустановившемся режиме 72
Угроза для окружающей среды 72
Необходимость наличия силы тяжести 73
Требовательность к устойчивости 73
Статья 9. Гироскоп 75
Описание 75
Обозначение на схемах 75
Гиростабилизатор 75
Варианты применения 76
Оглавление XI
Устройство и принцип действия 76
Вибрационный гироскоп 76
Варианты изготовления 78
Гиростабилизаторы 78
Параметры гироскопа 79
Особенности использования многофункциональных
датчиков 79
Что может пойти не так? 80
Температурный дрейф 80
Механическое напряжение 80
Внешняя вибрация 80
Место размещения 80
Статья 10. Акселерометр 81
Описание 81
Гиростабилизатор 81
Обозначение на схемах 82
Варианты применения 82
Устройство и принцип действия 82
Сила тяжести и свободное падение 83
Вращение акселерометра 84
Расчет ускорения 84
Варианты изготовления 84
Параметры акселерометров 86
Что может пойти не так? 86
Механическое напряжение 86
Другие проблемы 86
> МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > КОЛЕБАНИЯ
Статья 11. Датчик вибрации 87
Описание 87
Обозначение на схемах 87
Варианты конструкции 88
Штырь с пружиной 88
Пьезоэлектрическая пластинка 89
Пьезоэлектрические микросхемы 89
Конструкция типа «мышеловки» 89
Магнитный переключатель 90
Ртутный переключатель 90
Параметры датчиков вибрации 90
Первичные переменные 90
Динамические характеристики 91
XII Оглавление
Особенности использования датчиков вибрации 91
Что может пойти не так? 92
Большая длина кабеля 92
Помехи 92
Неправильное заземление 92
Усталостное разрушение 92
> МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > СИЛА
Статья 12. Датчик усилия 93
Описание 94
Варианты применения 94
Условное обозначение на схемах 94
Устройство и принцип действия 94
Измеритель деформации 95
Схема с мостом Уитстона 95
Уменьшение погрешности моста Уитстона 97
Усиление сигнала в измерителе деформации 97
Другие модули для измерения деформации 97
Датчики усилия на основе пластиковой пленки 98
Датчики деформационной силы 98
Самодельные резистивные датчики 98
Использование датчиков усилия 99
Резистивные датчики усилия с пластиковой пленкой 99
Параметры датчиков усилия 100
Сенсорные датчики усилия на основе пленки 100
Характеристики датчиков усилия на основе пленки 101
Измерители деформации 101
Что может пойти не так? 101
Повреждение при пайке 101
Неправильно приложенная нагрузка 101
Повреждение при проникновении влаги 102
Чувствительность к температуре 102
Чрезмерно длинные выводы 102
> МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > ВВОД ДАННЫХ ЧЕЛОВЕКОМ
Статья 13. Сенсорный датчик касания 103
Описание 104
Варианты применения 104
Обозначение на схемах 104
Устройство и принцип действия 104
Оглавление XIII
Использование сенсорных датчиков 105
Где взять сенсорные панели 106
Одиночный сенсорный датчик 106
Сенсорные диски и линейки 106
Особенности конструкции сенсорных датчиков 107
Что может пойти не так? 108
Нечувствительность к перчаткам 108
Невозможность использования стилуса 108
Электропроводящий краситель 108
Статья 14. Сенсорный экран 109
Описание 109
Обозначение на схемах 109
Варианты конструкции 109
Резистивное считывание 109
Емкостное считывание 110
Экраны, предлагаемые в качестве компонентов 111
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКУЧИХ СРЕД
> > ЖИДКОСТЬ
Статья 15. Датчик уровня жидкости 113
Описание 113
Обозначение на схемах 113
Варианты применения 114
Устройство и принцип действия 114
Поплавковый датчик с двоичным выходом 114
Поплавковый датчик с аналоговым выходным сигналом 115
Поплавковый датчик с инкрементным выходным сигналом 116
Вытеснительные датчики уровня 116
Ультразвуковые датчики уровня 117
Измерение веса резервуара 117
Определение давления 117
Что может пойти не так? 118
Турбулентность 118
Влияние наклона 119
Статья 16. Датчик скорости потока жидкости 121
Описание 121
Обозначения на схемах 122
Датчики с лопастным колесом 122
Турбинные датчики 123
Ограничения лопастных колес и турбин 123
XIV Оглавление
Датчик с нагретой массой 124
Реле расхода со скользящей муфтой 124
Реле расхода с подвижным поршнем 124
Ультразвуковой датчик скорости жидкости 125
Магнитный датчик скорости жидкости 125
Датчик скорости потока жидкости на основе перепада
давления 126
Что может пойти не так? 126
Влияние загрязнений и коррозии материалов 126
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКУЧИХ СРЕД
> > ГАЗ/ЖИДКОСТЬ
Статья 17. Датчик давления газа/жидкости 127
Описание 127
Обозначения на схемах 127
Варианты применения 128
Особенности конструкции 128
Единицы измерения давления 128
Устройство и принцип действия 128
Виды чувствительных элементов 129
Измерение относительного давления 129
Варианты изготовления 130
Давление окружающего воздуха 130
Измерение высоты над уровнем моря 131
Датчики давления газа 131
Что может пойти не так? 132
Уязвимость к загрязнениям, влаге и химически активным
материалам 132
Чувствительность к свету 132
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕКУЧИХ СРЕД
>>ГАЗ
Статья 18. Датчик концентрации газа 133
Описание 133
Обозначение на схемах 134
Полупроводниковые датчики газа 134
Датчики кислорода 135
Датчики влажности 136
Датчик точки росы 136
Датчики абсолютной влажности 137
Датчики относительной влажности 137
Выходной сигнал датчика влажности 138
Оглавление XV
Аналоговый датчик влажности 138
Особенности монтажа датчиков влажности 139
Цифровой датчик влажности 139
Что может пойти не так? 140
Повреждение датчика 140
Необходимость периодической калибровки 140
Неправильная пайка 140
Статья 19. Датчик скорости потока газа 141
Описание 141
Варианты применения 141
Обозначение на схемах 142
Устройство и принцип действия 142
Анемометр 142
Датчики массового расхода газа 143
Варианты применения датчиков массового расхода 144
Единицы измерения массового расхода 144
Измерение больших объемов 145
Вид выходного сигнала 145
Что может пойти не так? 145
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
> > СВЕТ
Статья 20. Фоторезистор 147
Описание 147
Обозначение на схемах 147
Устройство и принцип действия 148
Конструкция 148
Варианты изготовления 148
Фоторезистор в составе оптрона 148
Параметры фоторезистора 149
Сравнение с фототранзистором 149
Использование фоторезисторов 150
Подключение фоторезистора 150
Что может пойти не так? 151
Превышение предельных параметров 151
Перегрузка по напряжению 151
Отсутствие маркировки 151
Статья 21. Фотодиод 153
Описание 153
Обозначение на схемах 153
Варианты применения 153
XVI Оглавление
Устройство и принцип действия 153
Варианты изготовления 154
PIN-фотодиоды 154
Лавинные фотодиоды 154
Корпус 154
Диапазон длин волн 154
Фотодиодные матрицы 155
Виды выходного сигнала 155
Специализированные компоненты 155
Параметры фотодиодов 156
Использование фотодиода 157
Что может пойти не так? 158
Статья 22. Фототранзистор 159
Описание 159
Обозначения на схемах 159
Варианты применения 160
Устройство и принцип действия 160
Варианты изготовления 160
Подключение базы 160
Фотодарлингтон 161
Полевой фототранзистор 161
Параметры фототранзистора 161
Сравнение с другими фотодатчиками 162
Подбор параметров 162
Использование фототранзистора 162
Расчет выходного сигнала 163
Что может пойти не так? 164
Неправильное определение типа компонента 164
Выходной сигнал выходит за пределы рабочего диапазона 164
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
> > ТЕПЛО
Статья 23. Термистор с отрицательным
температурным коэффициентом 165
Описание 165
Обозначения на схемах 166
Варианты применения 166
Устройство термистора с отрицательным температурным
коэффициентом 166
Преобразование выходного сигнала для определения температуры... 167
Подбор резистора в схеме делителя 168
Оглавление XVII
Включение термистора в схему моста Уитстона 168
Определение температуры 169
Ограничение пускового тока с помощью термистора 169
Повторное включение 170
Параметры термистора 170
Обозначения и сокращения 170
Опорная температура 171
Опорное сопротивление 171
Коэффициент рассеивания мощности 171
Температурный коэффициент 171
Постоянная времени нагрева 171
Допуск 172
Температурный диапазон 172
Ток переключения 172
Ограничение по мощности 172
Взаимозаменяемость 172
Что может пойти не так? 172
Самонагрев ♦ 172
Рассеивание тепла 172
Влияние внешней температуры 172
Сравнение датчиков температуры 172
Термистор с отрицательным температурным
коэффициентом (NTC) 173
Термистор с положительным температурным
коэффициентом (РТС) 173
Термопара 173
Резистивный температурный датчик 173
Полупроводниковый датчик температуры 174
Статья 24. Термистор с положительным
температурным коэффициентом 175
Описание 175
Обозначение на схемах 176
Обзор РТС-термисторов 176
РТС-термисторы для измерения температуры 176
Отличие от резистивного датчика температуры 177
Нелинейные РТС-термисторы 178
Защита от перегрева 178
Защита от чрезмерного тока 178
Ограничение броска тока с помощью РТС-термистора 179
Сильноточные РТС-термисторы 180
РТС-термистор для балласта в осветительных приборах 181
РТС-термистор в качестве нагревательного элемента 181
XVIII Оглавление
Что может пойти не так? 181
Самонагрев 181
Нагрев других компонентов 181
Статья 25. Термопара 183
Описание 183
Обозначение на схемах 184
Варианты применения термопар 184
Устройство и принцип действия 185
Подробнее о термопарах 186
Использование термопар 186
Типы термопар '. 187
Коэффициент Зеебека 187
Микросхемы для работы с термопарами 188
Термобатарея 189
Что может пойти не так? 190
Полярность 190
Электрические помехи 190
Усталость металла и окисление 190
Неправильный тип термопары 190
Тепловое повреждение при создании термопары 190
Статья 26. Резистивный датчик температуры 191
Описание 191
Свойства резистивного датчика температуры 192
Обозначение на схемах 192
Варианты применения 192
Устройство и принцип действия 193
Варианты изготовления 193
Электрическое подключение 194
RTD-зонд 194
Обработка сигнала RTD-датчика 195
Что может пойти не так? 195
Самонагрев 195
Влияние нагрева на изоляцию проводов 195
Неподходящий чувствительный элемент 195
Статья 27. Полупроводниковый датчик температуры ....197
Описание 197
Варианты применения полупроводникового датчика
температуры 198
Обозначение на схемах 198
Достоинства и недостатки полупроводникового датчика
температуры 199
Оглавление XIX
Устройство и принцип действия 199
КМОП-датчики 199
Преимущество использования нескольких транзисторов 199
Схема Брокау 200
Варианты изготовления 201
Датчики с аналоговым выходным напряжением 201
Датчики с аналоговым выходным током 203
Датчики с цифровым выходным сигналом 204
Датчики температуры на основе КМОП 206
Что может пойти не так? 207
Различные температурные шкалы 207
Помехи в кабельной проводке 207
Время задержки 207
Время обработки сигнала 207
Статья 28. Инфракрасный датчик температуры 209
Описание 209
Варианты применения бесконтактных датчиков температуры 210
Обозначение на схемах 210
Устройство и принцип действия 211
Термоэлемент 212
Измерение температуры 212
Варианты изготовления 213
Датчики для поверхностного монтажа 214
Матрицы из датчиков 214
Параметры инфракрасных термодатчиков 214
Диапазон температур 214
Поле зрения 215
Что может пойти не так? 215
Неподходящее поле зрения 215
Отражающие объекты 215
Стеклянные преграды 215
Несколько источников тепла 215
Перепады температур 215
> ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
> > ЗВУК
Статья 29. Микрофон 217
Описание 217
Обозначение на схемах 217
Устройство и принцип действия 218
Угольный микрофон 218
Микрофон с подвижной катушкой 218
XX Оглавление
Конденсаторный микрофон 219
Электретный микрофон 219
Микрофон с использованием микроэлектромеханических
систем 220
Пьезоэлектрический микрофон 220
Параметры микрофонов 220
Чувствительность 220
Диаграмма направленности 221
Частотная характеристика 221
Импеданс 222
Суммарный коэффициент гармонических искажений 222
Отношение сигнал/шум 223
Что может пойти не так? 223
Наводки в кабеле 223
Помехи от источника питания 223
> ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
>>ТОК
Статья 30. Датчик тока 225
Описание 225
Варианты применения 225
Амперметр 225
Обозначение на схемах 226
Подключение амперметра 226
Расчет тока через измерение напряжения 227
Резисторы для измерения тока 227
Измерение напряжения 229
Измерение тока с помощью эффекта Холла 229
Что может пойти не так? 230
Неподходящий тип тока 230
Магнитные помехи 230
Неправильное электрическое подключение амперметра 230
Ток, выходящий за рабочий диапазон 230
> ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
> > НАПРЯЖЕНИЕ
Статья 31. Датчик напряжения 231
Описание 231
Варианты применения 231
Щитовой вольтметр 231
Обозначение на схемах 232
Подключение вольтметра 232
Оглавление XXI
Особенности использования вольтметра 233
Неточность, вызванная наличием нагрузки 233
Гистограммный индикатор 234
Что может пойти не так? 235
Неподходящий тип тока 235
Высокий импеданс цепи 235
Напряжение, выходящее за рабочий диапазон 235
Вольтметр с заземленным входом 235
Приложение 1. Выходной сигнал датчика 237
Аналоговый выходной сигнал 238
1. Аналоговый выход: напряжение 238
2. Аналоговый выход: сопротивление 240
3. Аналоговый выход: открытый коллектор 240
4. Аналоговый выход: ток 241
5. Двоичный выход: высокое/низкое состояние 242
6. Двоичный выход: ШИМ-сигнал 242
7. Двоичный выход: изменяющаяся частота 243
8. Цифровой выход: протокол I2C 243
9. Цифровой выход: протокол SPI 243
Глоссарий 245
Предметный указатель 249
XXII Оглавление
ОБ АВТОРАХ
Чарльз Платт — автор книг Make: Electronics и Make: More Electronics. В прошлом был
ведущим автором в журнале Wired, а сейчас сотрудничает с журналом Маке:, где ве-
дет колонку об электронике.
Фредрик Янссон — физик из Финляндии, он получил степень доктора философии
(PhD) в университете Abo Akademi University. В настоящее время живет в Нидерлан-
дах, где в научной группе Амстердамского университета проводит исследования по
робототехнике и имитации поведения морских животных. Фредрику всегда нрави-
лось разбирать на запчасти вышедшую из строя бытовую технику. Он также имеет
радиолюбительский позывной OH1HSN. Фредрик проверил справочные сведения
в предыдущей книге Чарльза Платта — Make: More Electronics.
Об авторах XXIII
ПРЕДИСЛОВИЕ
Третий, последний том «Энциклопедии элек-
тронных компонентов» посвящен исключитель-
но датчикам.
Существенные изменения, происшедшие в сфе-
ре датчиков начиная с 80-х годов прошлого века,
вызваны двумя причинами. Во-первых, такие
устройства, как антиблокировочные тормозные
системы, подушки безопасности и регуляторы
выхлопа стимулировали разработку недоро-
гих датчиков для применения в автомобилях.
Многие из таких датчиков представляют собой
микроэлектромеханические системы (МЭМС),
изготовленные по интегральной технологии на
основе кремния.
Во-вторых, с 2007 года МЭМС-датчики стали все
шире применять в смартфонах. Современный
смартфон может содержать с десяток датчиков
разного типа, причем их размеры и стоимость
уменьшились до такой степени, какую невоз-
можно было представить 20 лет назад.
Теперь МЭМС-датчики так же дешевы, как и
обычные полупроводниковые компоненты вро-
де стабилизатора напряжения или логической
микросхемы, и их легко сочетать с микрокон-
троллерами. В данной энциклопедии мы отвели
существенное место этому сегменту рынка в на-
дежде на то, что выбранные нами конкретные
марки датчиков останутся популярными и до-
ступными, по крайней мере, в течение следую-
щего десятилетия.
Кроме того, мы не обошли вниманием и старые
проверенные временем компоненты.
Цель книги
Хотя многие сведения, приведенные в настоя-
щем томе энциклопедии, можно отыскать в тех-
нической документации, в учебниках, на Web-
сайтах и в источниках, поддерживаемых про-
изводителями, мы полагаем, что есть реальная
необходимость в надежном справочнике, где
собраны вместе все разрозненные данные, кото-
рые проверены и должным образом упорядоче-
ны, причем иногда упомянуты такие подробно-
сти, которые трудно найти где-либо еще.
Эта книга может оказаться полезной также по-
тому, что в ней предпринята попытка класси-
фикации очень разнородных компонентов. Так,
например, отличается ли датчик присутствия
объекта от датчика приближения} Одни произ-
водители считают их одинаковыми, другие же
относят к разным группам датчиков. Понимание
различий, а также принципов, положенных в
основу работы компонентов, может оказаться
важным, когда вы решаете, какой датчик вы-
брать.
Терминология датчиков может также вводить в
заблуждение. Приведем еще один пример. Чем
отличаются отражающий прерыватель, от-
ражающий датчик присутствия объекта, от-
ражающий оптический датчик, отражающий
фотопрерыватель и датчик} Все эти термины
встречаются в различных технических описани-
ях и обозначают компоненты, которые являются
световозвращающими датчиками. Понимание
разнообразных вариантов терминологии может
стать существенным, когда вы всего лишь пыта-
етесь отыскать что-либо в каталоге продукции.
Предисловие
XXV
Структура книги
Данный том, как и предыдущие два, организован
по предметному принципу. Так, например, если
вы желаете измерить температуру, то обратитесь
к статьям о термисторе и о термопаре, которые
расположены рядом в разделе, посвященном из-
мерению тепла. Это позволит сравнить возмож-
ности устройств и выбрать компонент, который
подойдет вам лучше всего.
Сверху на первой странице каждой статьи ука-
зан предметный путь для каждого датчика.
Например, для датчика скорости потока газа
путь будет таким:
Характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
Заметьте, что понятие «текучая среда» охваты-
вает как газы, так и жидкости.
Проблемы
классификации датчиков
К сожалению, некоторые датчики нелегко клас-
сифицировать. Встречаются четыре типа про-
блем.
1. Что именно обнаруживает датчик?
Микросхема датчика GPS является радиопри-
емником, принимающим сигналы от спутников.
Означает ли это, что ее следует отнести к катего-
рии датчиков радиоизлучения? Нет, поскольку
ее назначение — определение вашего местопо-
ложения. Поэтому она отнесена к датчикам по-
ложения. Отсюда следует первое основное пра-
вило: датчики классифицируются по их основ-
ному назначению. Вторичное назначение можно
отыскать в предметном указателе.
2. Сколько сенсоров содержится в датчике?
Многие микросхемы для поверхностного монта-
жа выполняют несколько измерительных функ-
ций. Так, например, датчик-гиростабилизатор
может содержать три гироскопа, три акселеро-
метра и три магнитометра. К какой же катего-
рии следует отнести подобный датчик?
В результате гиростабилизатор упоминается
в нескольких статьях данной энциклопедии, по-
скольку он выполняет несколько функций, но
нет отдельного раздела, посвященного гироста-
билизатору, т. к. каждая статья в энциклопедии
описывает какую-либо одну функцию датчика.
Естественно, названия микросхем с несколь-
кими датчиками включены в предметный ука-
затель.
3. Сколько различных входных сигналов
может обнаруживать датчик?
Какой-либо чувствительный элемент может ис-
пользоваться в датчиках разных типов. Самый
известный пример — датчик Холла, который
можно найти в магнитометрах, датчиках при-
сутствия объекта, датчиках скорости, тока и во
множестве других. В современных автомоби-
лях датчики Холла можно встретить практиче-
ски всюду, начиная с системы зажигания и за-
канчивая механизмом блокировки багажника.
Если в вашем компьютере есть жесткий диск
с вращающимися пластинами, то он, вероятно,
содержит датчик Холла, предназначенный для
слежения за скоростью вращения. Даже в обыч-
ной компьютерной клавиатуре каждое нажатие
клавиши обнаруживается с помощью датчика
Холла.
Если принять все это во внимание, то как тогда
классифицировать датчик Холла? И в каком раз-
деле описать принцип его работы?
Было принято такое решение: когда компонен-
ты различного типа содержат один и тот же чув-
ствительный элемент, в статьях о каждом из этих
компонентов приведена перекрестная ссылка на
общий раздел, в котором данный чувствитель-
ный элемент описывается подробно. Такой раз-
дел выбран исходя из функционального назна-
чения. Так, датчики Холла рассмотрены в статье
о датчиках присутствия объекта, поскольку
XXVI
Предисловие
это их основная функция. И хотя датчик Холла
работает за счет детектирования магнитного
поля, такое его применение не самое распро-
страненное.
4. Слишком много датчиков!
В онлайн-справочнике «Википедия» приведено
более сотни типов датчиков (bitly/lWJ9P12),
но даже этот перечень, вероятно, неполный.
В результате нам пришлось прибегнуть к отбо-
ру. Некоторые решения могут показаться произ-
вольными, но все они были приняты на основе
практических соображений. Мы руководство-
вались следующими тремя принципами, когда
определяли, что включить в книгу, а что нет.
1. Компонент ли это? Нас больше интересуют
компоненты для монтажа на плате, а не
готовые изделия, которые содержат датчи-
ки. Например, термопара часто помеща-
ется внутрь стальной трубки-щупа, а про-
вода подключаются к специальному изме-
рительному прибору, который отображает
температуру. И хотя в книге приведена фо-
тография такого щупа, нам важно в пер-
вую очередь объяснить устройство самой
термопары.
2. Какова стоимость компонента? Промыш-
ленный ультразвуковой датчик, который
отслеживает изделия на заводском кон-
вейере, размещен внутри герметично закры-
того блока и снабжен защищенным от влаги
кабелем — все это прекрасно, но не очень
доступно по цене. В данной энциклопедии
описаны небольшие компоненты, которые
монтируются на плате и стоят в десять раз
дешевле.
3. Скольким людям мог бы понадобиться
компонент? Наличие датчиков каждого
типа проверялось на сайтах поставщиков
этих компонентов. Если какой-либо датчик
отсутствовал на складе или была упомянута
лишь пара вариантов, мы делали вывод,
что вследствие ограниченного спроса такой
компонент не следует включать в эту книгу.
Например, датчик ускорения Феррариса
реагирует на вихревые токи во вращаю-
щемся вале электродвигателя, что позво-
ляет измерить вибрацию вала. Это дейст-
вительно весьма интересное устройство, но
вряд ли многие захотят его приобрести.
Содержание
томов энциклопедии
Объяснив структуру этой книги и принципы, на
основе которых были добавлены или исключе-
ны различные компоненты, приведем теперь
обзор содержимого всех трех томов энциклопе-
дии.
Том 1
Электрическая и электромагнитная энергия
и полупроводниковые приборы.
Категория электрическая энергия содержит ис-
точники электроэнергии и методы ее распре-
деления, накопления, коммутации и преобра-
зования; категория электромагнитная энергия
содержит устройства, которые создают усилие
в линейном направлении, а также устройства,
создающие вращательное движение; категория
полупроводниковые приборы содержит основные
типы диодов и транзисторов.
Состав первого тома приведен в табл. 1.
Том 2
Тиристоры (триодные тиристоры, динисторы и
симисторы), интегральные микросхемы, источ-
ники света, индикаторы и дисплеи, источники
звука.
Категория полупроводниковые приборы включает
рассмотрение тиристоров; категория интеграль-
ные микросхемы разделена на аналоговые и циф-
ровые компоненты; категория источники света,
индикаторы и дисплеи охватывает отражатель-
ные дисплеи, одиночные источники света, а так-
же дисплеи, испускающие свет; источники звука
Предисловие
XXVII
разделены на зуммеры, генерирующие простой
тон, и на устройства, воспроизводящие звуко-
вой сигнал.
Состав второго тома приведен в табл. 2.
Таблица 1. Предметно-ориентированная организация кате-
горий и разделов в томе 1 энциклопедии
Таблица 2, Предметно-ориентированная организация кате-
горий и разделов в томе 2 энциклопедии
Первичная
категория
Электрическая
энергия
Электромагнитная
энергия
Полупроводнико-
вые приборы
Вторичная
категория
Производство
Коммутация
Распределение
Преобразование
Стабилизация
Линейное
движение
Вращательное
движение
Один р-п-переход
Несколько
р-п-переходов
Тип компонента
Химический
источник тока
Перемычка
Предохранитель
Кнопка
Переключатель
Галетный
переключатель
Поворотный
энкодер
Реле
Резистор
Потенциометр
Конденсатор
Переменный
конденсатор
Катушка
индуктивности
Трансформатор
Источник питания
AC-DC
Конвертер DC-DC
Инвертор DC-AC
Стабилизатор
напряжения
Электромагнит
Соленоид
Электродвигатель
постоянного тока
Электродвигатель
переменного тока
Серводвигатель
Шаговый
двигатель
Диод
Однопереходный
транзистор
Биполярный
транзистор
Полевой
транзистор
Первичная
категория
Полупроводнико-
вые приборы
Интегральные
микросхемы
Источники света,
индикаторы или
дисплеи
Источники звука
Вторичная
категория
Тиристоры
Аналоговые
Цифровые
Отражающие
Одиночные
источники
Несколько
источников
или панель
Зуммеры
Воспроизво-
дящие
устройства
Тип компонента
Триодный тиристор
Динистор
Симистор
Твердотельное реле
Оптрон
Компаратор
Операционный
усилитель
Цифровой
потенциометр
Таймер
Логический элемент
Триггер
Сдвиговый регистр
Счетчик
Шифратор
Дешифратор
Мультиплексор
ЖК-индикатор
Лампа накаливания
Неоновая лампа
Люминесцентная лампа
Лазер
Индикаторный
светодиод
Светодиод
для освещения
Светодиодный дисплей
Вакуумно-люминес-
центный дисплей
Электролюминесцент-
ное устройство
Звуковой
преобразователь
Звуковой
извещатель
Наушники
Динамик
ТомЗ
Все наиболее распространенные типы датчиков,
включая такие, которые определяют положе-
ние, присутствие объекта, приближение, ори-
ентацию, колебания, силу, нагрузку, вводимые
человеком данные, свойства жидкостей, тип
XXVIII
Предисловие
и концентрацию газа, давление, скорость по-
тока, свет, тепло, звук и электричество.
Состав третьего тома приведен в табл. 3.
Таблица 3. Предметно-ориентированная организация кате-
горий и разделов в томе 3 энциклопедии
Первичная
категория
Пространст-
венные
характерис-
тики
Механичес-
кие характе-
ристики
Характе-
ристики
текучих
сред
Характе-
ристики
излучения
Электричес-
кие характе-
ристики
Вторичная
категория
Местоположе-
ние
Наличие
объекта
Расстояние
Ориентация
Колебания
Сила
Ввод данных
человеком
Жидкость
Газ/жидкость
Газ
Свет
Тепло
Звук
Ток
Напряжение
Тип датчика
Датчик GPS
Магнитометр
Датчик присутствия объекта
Пассивный инфракрасный
датчик
Датчик близости объекта
Датчик линейного положе-
ния
Датчик углового положения
Датчик наклона
Гироскоп
Акселерометр
Датчик вибрации
Датчик усилия
Сенсорный датчик
Сенсорный экран
Датчик уровня жидкости
Датчик скорости потока
жидкости
Датчик давления
Датчик концентрации газа
Датчик скорости потока газа
Фоторезистор
Фотодиод
Фототранзистор
Термистор с отрицательным
температурным коэффи-
циентом
Термистор с положительным
температурным коэффици-
ентом
Термопара
Резистивный датчик
температуры
Полупроводниковый датчик
температуры
Инфракрасный датчик
температуры
Микрофон
Датчик тока
Датчик напряжения
Методология книги
Справочник — в сравнении
с учебником
Как подразумевает название этой книги, она яв-
ляется справочником, а не учебником. В учебни-
ках, например, Make: Electronics1, изложение на-
чинается с элементарных понятий, от которых
идет последовательный переход к более слож-
ным вещам. Справочник же можно открыть на
любой странице, выяснить то, что необходимо,
а затем отложить книгу в сторону. Если вы ре-
шите читать ее от начала до конца, то местами
обнаружите повторы, поскольку каждая статья
должна быть самодостаточной, с минимальным
количеством ссылок на другие разделы.
Теория и практика
Эта книга ориентирована в большей степени
на практику, чем на теорию. Подразумевается,
что читатель желает узнать главным образом
об использовании электронных компонентов,
а не о том, почему они работают именно так,
а не иначе. Вследствие этого в книгу не включе-
ны доказательства формул, а также определения
из теории электричества.
Выходной сигнал датчика
В каждой статье первого и второго томов данной
энциклопедии приводились советы по исполь-
зованию компонентов. Однако многие датчики
обладают похожими типами выходного сигна-
ла, который обрабатывается одинаково. Чтобы
избежать повторов, общее руководство по об-
работке основных типов выходного сигнала по-
мещено в приложении 1.
Так, например, многие датчики выдают анало-
говый выходной сигнал, представляющий собой
напряжение, которое меняется в зависимости
1 На русском языке книга Ч. Платта «Make: Electronics»
вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под названием
«Электроника для начинающих» (http://www.bhv.ru/
books/196345). - Ред.
Предисловие
XXIX
от характеристик измеряемого явления. В при-
ложении 1 приведены рекомендации по выбору
диапазона выходного сигнала и преобразованию
его в цифровой формат при помощи аналого-
цифрового преобразователя. Вы найдете также
сравнение различных последовательных прото-
колов, таких как I2C и SPI, которые широко ис-
пользуются для обмена данными по шине между
микроконтроллером и цифровым датчиком.
Глоссарий
В мире датчиков многие термины встречаются
неоднократно, например, гистерезис или МЭМС.
Чтобы не расшифровывать по нескольку раз та-
кие термины, их краткие определения собраны
в глоссарии. Когда вам встретится какой-либо
незнакомый термин, загляните в глоссарий. Во
многих случаях термины, выделенные в тексте
курсивом, присутствуют в глоссарии.
Выделение терминов в тексте
В каждом разделе полужирным шрифтом
выделено первое упоминание названия какого-
либо компонента, которому посвящена отдель-
ная статья. Другие важные термины электрони-
ки и названия компонентов выделены курсивом.
Названия компонентов, а также категорий, к
которым они относятся, набраны строчными
буквами, кроме тех случаев, когда термин со-
держит прописные буквы, поскольку является
аббревиатурой, представляет торговую марку
или включает имя собственное. Термин эффект
Холла, например, содержит прописную букву,
поскольку он назван так в честь человека с фа-
милией Холл. Термин GPS состоит из пропис-
ных букв, поскольку это аббревиатура. Однако
сокращение psi (которое означает «фунты на
квадратный дюйм») пишется строчными буква-
ми, поскольку такой вариант написания более
распространенный.
Ситуация меняется, когда речь идет о единицах
измерения, которые названы в честь первопро-
ходцев-исследователей электричества. Полное
название таких единиц записывают строчными
буквами. Так, единица силы из Международной
системы единиц носит название «ньютон». Од-
нако для сокращенной записи таких единиц
применяют прописные буквы: Н — ньютон,
Гц — герц, Па — паскаль, А — ампер.
Синтаксис математических формул
Математические формулы написаны в стиле,
который характерен для языков программи-
рования. Символ звездочки (*) указан вместо
знака умножения, а слэш (/) означает деление.
Если какие-либо величины заключены в скоб-
ки, то начинать вычисления следует с них. Когда
пары скобок вложены друг в друга, то наиболее
глубоко расположенная пара указывает на опе-
рации, которые нужно выполнить первыми. Вот
пример такой формулы:
А = 30 / (7 +
2)).
Вычисления следует начать с умножения 4 на 2
(получится 8), после чего прибавить 7 (получит-
ся 15), а затем поделить 30 на полученный ре-
зультат, чтобы получить значение а, равное 2.
Условные обозначения на схемах
На рис. 1 показаны обозначения, в соответствии
с которыми выполнены все схемы, приведенные
в этой книге. Черная точка всегда обозначает
соединение и, чтобы исключить двусмысленное
толкование, вместо обозначения, приведенно-
го справа вверху, применяется вариант, изо-
браженный вверху в центре. Провода, в месте
пересечения которых нет точки, не образуют
соединения. Варианты, показанные справа вни-
зу, иногда можно встретить в других книгах, но
здесь они не используются.
В оригинальном издании книги все схемы рас-
положены на светло-синем фоне. Это позволяет
выделить белым цветом такие компоненты, как
переключатели, транзисторы и светодиоды, при-
влекая внимание к ним и уточняя границы ком-
понента. Другого смысла у белых областей нет.
XXX
Предисловие
Чтобы показать наличие подключения:
Чтобы показать отсутствие подключения:
Рис 1. Условные обозначения на схемах в этой книге
Единицы измерения
и фон на фотографиях
Поскольку в США традиционно указывают раз-
меры в дюймах, то в книгах, предназначенных
для американской аудитории, тоже предпочти-
тельны дюймы. С учетом этого в томах 1 и 2 эн-
циклопедии по большей части не применялись
метрические единицы длины. Однако наши кни-
ги переводят в самых разных странах, где дюй-
мы выглядят как анахронизм.
Учитывая, что теперь наша аудитория является
международной, в этом томе мы практически
везде придерживались метрической системы
(за весьма редкими исключениями, например,
на фотографии американской водопроводной
арматуры, которая предназначена для труб диа-
метром 3/4 дюйма). Для читателей, которые
с трудом воспринимают метрическую систему,
приводим некоторые единицы длины и приня-
тые для них сокращения:
• 1 нанометр (нм)
• 1 микрометр (мкм или цм) = 1000 нм
• 1 миллиметр (мм) = 1000 мкм
• 1 сантиметр (см) = 10 мм
• 1 метр (м) = 100 см = 1000 мм
Для микрометра используется также название
микрон.
Основной коэффициент для перевода метров
в дюймы равен 0,0254, следовательно:
• 1 дюйм = 2,54 см = 25,4 мм
• 1/1000 дюйма = 25,4 мкм
Иногда тысячную долю дюйма называют ми-
лом.
На многих снимках компонентов присутствует
фоновая сетка. Сторона квадрата на ней имеет
размер 1 мм.
Во избежание недоразумений, пожалуйста, пом-
ните о том, что некоторые фотографии таких
же компонентов встречались и в других книгах,
например в Make: More Electronics2, но там шаг
фоновой сетки был равен 0,1 дюйма. В подписи
к фотографиям в этом томе есть напоминание
о том, что теперь использованы миллиметры.
Цвет фона на снимках подбирался для контраста
с цветом компонентов или для лучшего зритель-
ного восприятия. Другого смысла он не несет.
Доступность компонентов
Мир датчиков меняется быстро, и нельзя за-
ранее предвидеть, будет ли в дальнейшем вы-
пускаться какой-либо компонент. Рекомендуем
проверять доступность компонентов у следую-
щих поставщиков, к ресурсам которых мы часто
обращались при подготовке этой книги:
• Mouser Electronics (www.mouser.com);
• Jameco Electronics (www.jameco.com);
• SparkFun Electronics (www.sparkfiin.com);
• Adafruit (www.adafruit.com).
2 На русском языке книга Ч. Платта «Make: More Elec-
tronics» вышла в издательстве «БХВ-Петербург» под
названием «Электроника: логические микросхемы,
усилители и датчики для начинающих» (http://www.
bhv.ru/books/1932S7). - Ред.
Предисловие
XXXI
При поиске устаревших компонентов или от-
дельных экземпляров, в том числе бывших в
употреблении, может быть полезен интернет-
магазин eBay. Кроме того, новые компоненты,
которые подходят взамен устаревших, часто
приводятся на сайте www.mouser.com.
Ошибки и опечатки
Есть три ситуации, когда читателю и автору мо-
жет понадобиться пообщаться друг с другом.
• Нам может потребоваться сообщить вам о
том, что книга содержит серьезные ошибки.
Это обратная связь «Мы информируем вас».
• Вам может понадобиться сообщить нам
о том, что вы нашли ошибку в книге. Это
обратная связь «Вы информируете нас».
• У вас могут возникнуть проблемы, когда вы
пытаетесь заставить что-либо работать, и
вы не знаете, кто из нас допустил ошибку.
Вам может потребоваться помощь. Это
обратная связь «Вы спрашиваете нас».
Объясним, что делать в каждой ситуации.
Мы информируем вас
Если вы уже зарегистрированы для общения по
книгам Make: Electronics (второе издание) или
Make: More Electronics, то регистрироваться сно-
ва для получения обновлений по этой энцикло-
педии не нужно. Если вы еще не зарегистриро-
ваны, то имейте в виду следующее.
Единственная возможность уведомить вас об
ошибке в книге зависит от того, укажете ли
вы контактную информацию. Если у нас будет
адрес вашей электронной почты, то вы получите
уведомление в двух случаях:
• при обнаружении каких-либо серьезных
ошибок в этой книге (будет выслан также
исправленный вариант);
• при выходе нового издания этой книги, кни-
ги Make: Electronics или любой другой книги
Чарльза Платта. Такие уведомления будут
очень редкими.
Ваша контактная информация не будет ис-
пользована ни в каких других целях. Просто
отправьте пустое письмо (или, если желаете, с
комментариями) по адресу: make.electronics®
gmail.com. Пожалуйста, укажите в теме письма
REGISTER («Регистрация»).
Вы информируете нас
Если вы всего лишь намерены сообщить об об-
наруженной ошибке, лучше воспользоваться
системой «список опечаток», которую поддер-
живает издатель. Он учитывает информацию об
опечатках для исправления ошибок в обновле-
ниях книги. Если вы уверены, что обнаружили
ошибку, пожалуйста, перейдите по ссылке:
bitly/encydopedia_electronic_components_v3.
На странице будет рассказано, как сообщить об
опечатке3.
Вы спрашиваете нас
Очевидно, что мы не в состоянии ответить на
все письма, но если у вас есть конкретный во-
прос, то, возможно, на него можно ответить
быстро. Для этой цели вы можете отправить
письмо на адрес make.electronics@gmail.com.
Пожалуйста, укажите слово HELP («Помощь»)
в теме сообщения.
Публичные ресурсы
Существуют десятки онлайн-форумов, на кото-
рых вы можете обсудить эту книгу и рассказать
о проблемах, с которыми вы столкнулись, но,
пожалуйста, осознайте силу, которой вы облада-
ете как читатель, и применяйте ее должным об-
разом. Единственный негативный отклик может
3 Оставить свои комментарии к русскому переводу
этой книги можно на посвященной ей странице сайта
издательства «БХВ-Петербург» по адресу www.bhv.ru. —
Ред.
XXXII
Предисловие
создать намного больший эффект, чем вы ожи-
дали. Он легко может перевесить полдюжины
положительных отзывов.
Большинство отзывов, оставленных ранее, по-
ложительные, хотя в редких случаях люди при-
ходили в досаду от мелких недочетов, например,
от невозможности найти компонент в онлайн-
источниках. Если вам требуется помощь в таких
ситуациях, то вы можете получить ее, отправив
запрос по адресу make.electronics@gmail.com.
Библиотека
Safari Books Online
Safari Books Online представляет собой онлайн-
библиотеку с выдачей материалов по запросу,
которая предлагает книги и видеоматериалы,
созданные ведущими авторами в сферах техно-
логии и бизнеса.
Специалисты в области технологий, разработ-
чики ПО, Web-дизайнеры, бизнесмены и люди
творческих профессий используют библиотеку
Safari Books Online как основной ресурс для ис-
следований, решения проблем, обучения и сер-
тификационных тренингов.
Библиотека Safari Books Online предлагает ши-
рокий набор планов и тарифов для предпри-
нимателей, правительственных организаций,
учебных заведений и частных лиц.
Пользователи сервиса получают доступ к тыся-
чам книг, обучающим видеоматериалам и к го-
товящимся к публикации рукописям в обширной
базе с возможностью поиска от таких издате-
лей, как O'Reilly Media, Prentice Hall Professional,
Addison-Wesley Professional, Microsoft Press,
Sams, Que, Peachpit Press, Focal Press, Cisco Press,
John Wiley & Sons, Syngress, Morgan Kaufmann,
IBM Redbooks, Packt, Adobe Press, FT Press,
Apress, Manning, New Riders, McGraw-Hill, Jones
& Bartlett, Course Technology и сотен других. Для
получения более детальной информации посе-
тите сайт Safari Books Online.
Группа МАКЕ объединяет, воодушевляет, ин-
формирует и поддерживает растущее сообще-
ство творческих людей, которые создают свои
изумительные проекты во дворах и подвалах
своих домов, или в гаражах. Группа МАКЕ при-
ветствует ваше право подстраивать, изменять
и использовать любую технологию в соответ-
ствии с вашим желанием. Аудитория МАКЕ
продолжает расти в качестве культурного сооб-
щества, которое верит в улучшение самих себя,
окружающей среды и системы образования -
всего нашего мира в целом. Это намного больше,
чем просто объединение людей, это всемирное
движение, во главе которого находится груп-
па Make — мы называем его Maker Movement
(«Движение творцов»).
Чтобы получить дополнительную информацию
о движении МАКЕ, посетите нас онлайн:
• журнал МАКЕ: http://makezine.com/mag-
azine/,
• выставка Maker Faire: http://makerfaire.
com;
• сайт Makezine.com: http://makezine.com;
• магазин Maker Shed: http://makershed.com/.
Чтобы оставить комментарий или задать по
этой книге вопросы технического характера, от-
правьте электронное письмо по адресу
bookquestions@oreilly.com.
Благодарности
Техническая документация и руководства, пре-
доставляемые производителями компонентов,
рассматривались при подготовке этой книги
в качестве онлайн-источников, наиболее заслу-
живающих доверия. В дополнение к ним исполь-
зована информация от поставщиков компонен-
тов, из учебных пособий, справочных ресурсов,
создаваемых пользователями, а также сведения,
опубликованные на сайтах любителей констру-
ирования. Весьма информативными оказались
следующие книги:
Предисловие
XXXIII
Boylestad, Robert L. and Nashelsky, Louis: Electronic
Devices and Circuit Theory, 9th edition. Pearson
Education, 2006.
Braga, Newton C: CMOS Sourcebook. Sams
Technical Publishing, 2001.
Hoenig, Stuart A.: How to Build and Use Electronic
Devices Without Frustration, Panic, Mountains of
Money, or an Engineering Degree, 2nd edition. Little,
Brown, 1980.
Horn, Delton Т.: Electronic Components. Tab Books,
1992.
Horn, Delton Т.: Electronics Theory, 4th edition. Tab
Books, 1994.
Horowitz, Paul and Hill, Winfield: The Art of
Electronics, 2nd edition. Cambridge University
Press, 1989.
Ibrahim, Dogan: Using LEDs, LCDs, and GLCDs in
Microcontroller Projects. John Wiley & Sons, 2012.
Kumar, A. Anand: Fundamentals of Digital Circuits,
2nd edition. PHI Learning, 2009.
Lancaster, Don: TTL Cookbook. Howard W. Sams &
Co, 1974.
Lenk, Ron and Lenk, Carol: Practical Lighting Design
with LEDs. John Wiley & Sons, 2011.
Lowe, Doug: Electronics All-in-One for Dummies.
John Wiley & Sons, 2012.
Mims III, Forrest M.: Getting Started in Electronics.
Master Publishing, 2000.
Mims III, Forrest M.: Electronic Sensor Circuits &
Projects. Master Publishing, 2007.
Mims III, Forrest M.: Timer, Op Amp, & Optelectronic
Circuits and Projects. Master Publishing, 2007.
Predko, Mike: 123 Robotics Experiments for the Evil
Genius. McGraw-Hill, 2004.
Scherz, Paul: Practical Electronics for Inventors, 2nd
edition. McGraw-Hill, 2007.
Williams, Tim: The Circuit Designer's Companion,
2nd edition. Newnes, 2005.
Три человека оказали нам особую поддержку.
Наш редактор, Брайан Джепсон (Brian Jepson)
чрезвычайно помог мне в написании этой кни-
ги, Филипп Марек (Philipp Marek) проверил
текст на наличие ошибок, а Эрико Нарита (Erico
Narita) оказал содействие при создании иллю-
страций в программе Photoshop.
Электронный архив
Учитывая, что русское издание книги выходит
в черно-белом варианте, в отличие от ориги-
нального цветного, что может сказаться на пра-
вильности восприятия цветных компонентов на
имеющихся в ней иллюстрациях, издательство
«БХВ-Петербург» разместило все иллюстрации
книги в электронном архиве, доступном для за-
качки с FTP-сервера издательства по ссылке
ftp://ftp.bhv.ru/9785977S37667.zip или со
страницы книги на сайте www.bhv.ru. Кроме
того, наиболее важные для понимания материа-
ла книги иллюстрации снабжены префиксом
«ЦВ» в тексте и вынесены на цветную вклейку.
XXXIV
Предисловие
пространственные характеристики > местоположение > датчик GPS
ДАТЧИК GPS
1
Аббревиатура GPS расшифровывается как система глобального по-
зиционирования (Global Positioning System). В нее входят спутники
и наземные станции управления. Тем не менее, собственно датчик
GPS состоит из микросхемы для поверхностного монтажа, которая
принимает сигналы от спутников с помощью небольшой прямо-
угольной антенны, расположенной часто на верхней стороне GPS-
микросхемы.
GPS-модуль обычно представляет собой небольшую плату, на кото-
рой установлены GPS-датчик и дополнительные компоненты. GPS-
приемник — это устройство, которое помимо GPS-модуля содержит
также дисплей для вывода информации и выполняет другие функ-
ции, например записывает данные в память. Когда говорят о GPS, то
обычно речь идет о GPS-приемнике.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• магнитометр (см. статью 2)
Описание
Система глобального позиционирования — это
навигационное средство, которое было разрабо-
тано Министерством обороны США совместно
с Министерством транспорта США, а поддер-
живается военно-воздушными силами США.
Сигналы от GPS-спутников могут быть приняты
и обработаны с помощью модулей, входящих
в состав различных устройств, начиная с лета-
тельных аппаратов и заканчивая наручными
часами. Эти сигналы содержат данные о место-
положении, а также могут использоваться для
точной привязки по времени.
Условное обозначение на схемах
Для GPS-микросхемы нет специального симво-
ла. Скорее всего, она будет изображена в виде
прямоугольника, содержащего аббревиатуры,
которые разъясняют назначения выводов, по-
добно любой другой интегральной микросхеме.
Сегменты системы GPS
Система глобальной навигации GPS состоит из
трех сегментов.
Космический сегмент. Изначально было 24 спут-
ника связи, а в 2011 году их число увеличили до
27, чтобы обеспечить лучшее покрытие земной
поверхности. По состоянию на август 2015 года
фактически задействован 31 спутник, причем
«резервные» могут быть активизированы при не-
обходимости. Орбиты этих спутников расположе-
ны на высоте 20 200 км над поверхностью Земли,
что позволяет каждому облететь планету дважды
за 24 часа. Спецификации системы доступны он-
лайн (http://www.gps.gov/technical/ps/).
Датчик GPS
1
Принцип действия
пространственные характеристики > местоположение > датчик GPS
Управляющий сегмент. В него входят: главная
наземная станция управления, резервная стан-
ция управления, 12 антенн для отправки команд
и управления, а также 16 станций слежения, ко-
торые обслуживаются военно-воздушными си-
лами США.
Пользовательский сегмент состоит из прини-
мающих устройств, в число которых входят
принадлежащие как государству, так и частным
лицам.
Принцип действия
Каждый спутник снабжен несколькими атом-
ными часами, которые поддерживают точное
время, а также генератором псевдослучайных
чисел, реализованным в виде сдвигового реги-
стра с линейной обратной связью (см. том 2).
GPS-приемник способен различить сигналы по
меньшей мере от четырех спутников, сравнивая
последовательности псевдослучайных битов, и
вычислить расстояния до каждого из спутников,
сравнивая моменты поступления сигналов.
Когда спутник появляется над горизонтом, он
сначала приближается к приемнику, а затем по-
сле пролета через верхнюю точку удаляется. Это
движение вызывает появление доплеровского
смещения, которое должно быть учтено в элек-
тронной схеме приемника.
Спутники системы GPS передают сигналы од-
новременно на нескольких частотах. Частота
1575,42 МГц предназначена для гражданских
целей и обозначается L1. Частота 1227,6 МГц
обозначается L2 и зарезервирована для воен-
ных нужд.
Варианты изготовления
Как правило, GPS-микросхема обрабатывает
входной сигнал от антенны и выдает выходной
сигнал через соответствующие выводы. Часто
Рис. 1.1. Датчик GPS. Микросхема для поверхностного
монтажа находится под металлическим экраном
Рис. 1.2. Плата расширения (предлагаемая компанией
Adafruit) содержит встроенный GPS-датчик
антенна встроена в виде керамического квадра-
та или прямоугольника в верхнюю часть микро-
схемы, однако многие микросхемы способны
также работать с внешней антенной. На рис. 1.1
показана GPS-микросхема с металлическим
экранированием, которое легко принять за ан-
тенну. Датчик GPS на рис. 1.2 действительно со-
держит встроенную антенну.
Некоторые GPS-микросхемы обладают флэш-
памятью для хранения данных, но такая функ-
ция не является стандартной.
Статья 1
пространственные характеристики > местоположение > датчик GPS
Параметры GPS-датчиков
Такие поставщики, как Adafruit и Sparkfun, пред-
лагают GPS-модули, смонтированные на пла-
тах расширения для облегчения подключения
к другим компонентам (см. рис. 1.2). Некоторые
платы расширения допускают также резервное
питание от «пуговичного» элемента.
Поддержка GPS практически всегда присутствует
в современных смартфонах и планшетах. Суще-
ствуют портативные GPS-навигаторы, предна-
значенные для пешеходов, а также устройства,
устанавливаемые на транспортных средствах.
В автомобилях GPS-навигация доступна как до-
полнительная функция на встроенном экране.
GPS-трекер — это устройство, которое может
не иметь дисплея. Оно всего лишь регистриру-
ет свое местоположение и заносит эти данные
во внутреннюю память, откуда впоследствии их
можно загрузить в компьютер. Многие портатив-
ные GPS-приемники старого образца снабжены
разъемом, обеспечивающим доступ через после-
довательный порт или через USB, а их данные за-
писаны в том же формате (NMEA), который при-
меняют GPS-модули, рассматриваемые далее.
После того как система GPS стала широко ис-
пользоваться, появились другие конкурирую-
щие спутниковые системы навигации. В их число
входят европейская система Galileo, российская
система GLONASS (название является аббре-
виатурой от Global Navigation Satellite System,
«Глобальная навигационная спутниковая си-
стема») и китайская система Beidou. К 2015 году
система GLONASS стала полноценно действую-
щей. Некоторые приемники, включая те, кото-
рые встроены в сотовые телефоны, сравнивают
сигналы от спутников GPS и GLONASS, чтобы
обеспечить большую точность.
Параметры GPS-датчиков
Чувствительность указывается обычно в дБм.
Эта логарифмическая единица означает отно-
шение измеренной мощности сигнала к одному
милливатту (мВт).
Время до первой засечки (TTFF, Time to First
Fix) — интервал времени до получения первого
сигнала от спутника.
Количество каналов — это число спутников,
которое GPS-приемник способен отслеживать
одновременно. Ранние модели GPS-приемников
могли работать лишь с четырьмя каналами.
Число каналов в современных модулях достига-
ет 22.
Потребление мощности может быть измерено
в милливаттах. Так, например, для автономного
GPS-модуля марки FGPMMOPA6H, выпускае-
мого компанией G.top, заявлено потребление
мощности 82 мВт во время приема спутниковых
сигналов и 66 мВт при дальнейшем отслежива-
нии. При типичном постоянном напряжении
4 В такая микросхема будет потреблять ток 20
и 17 мА соответственно.
Примечание
Следует помнить, что при поиске и захвате сигна-
лов от спутника энергопотребление GPS-датчика
более высокое.
Форм-фактор. Это размеры микросхемы, кото-
рые зачастую определяются размерами встро-
енной антенны. Они могут составлять 15x15 мм
или больше.
Частота обновления. Количество измерений ме-
стоположения в секунду. Зачастую хватает все-
го одного обновления в секунду, но некоторые
микросхемы осуществляют обновления чаще.
Частота обновления выражается в герцах.
Тип выхода. Часто это последовательный ТТЛ-
выход с форматом данных по протоколу NMEA.
Скорость передачи данных может быть разной и
зачастую допускает выбор.
Напряжение питания. Часто менее 5 В.
Датчик GPS
Использование
пространственные характеристики > местоположение > датчик GPS
Использование
Для работы GPS-модуля необходим лишь источ-
ник постоянного напряжения. Модуль начнет
выдавать данные, как только идентифицирует
спутники, которые в текущий момент находятся
в пределах доступа.
GPS-модуль выдает данные в формате довольно
медленного и примитивного протокола NMEA
на основе набора символов ASCII. Этот прото-
кол был разработан Национальной ассоциаци-
ей морской электроники. Каждый блок данных
называется сообщением. Синтаксический анализ
каждого сообщения можно выполнить независи-
мо от предыдущих или последующих. Скорость
передачи данных по умолчанию составляет
4800 бит/с. Для идентификации ASCII-символа
предусмотрено 8 битов, без контроля по четно-
сти, а также один стоповый бит. Тем не менее,
в некоторых GPS-модулях реализована после-
довательная передача на скорости 9600 бит/с и
больше.
Сообщение начинается с двухбуквенной аббре-
виатуры, описывающей тип устройства, для ко-
торого оно предназначено. Для GPS-устройства
аббревиатура выглядит как GP. Далее в сообще-
нии идут три или более символов, описываю-
щих тип передаваемых данных, для корректной
их интерпретации.
Остальная часть сообщения состоит из букв
и цифр в ASCII-кодировке, причем значения
разделены запятыми. Сообщение не может со-
держать более 80 символов. Оно включает ин-
формацию о широте, долготе и высоте GPS-
приемника, а также момент времени, когда эти
значения были получены на основе спутнико-
вых сигналов. Некоторые участки данных в со-
общениях определены производителем для соб-
ственных целей, они начинаются с буквы Р.
Чтобы преодолеть ограничение на длину сооб-
щения (80 символов), GPS-устройство может
отправлять подряд несколько сообщений раз-
ных типов. Каждому сообщению будет пред-
шествовать идентификатор. Типы сообщений
и содержащиеся в них данные указывает произ-
водитель в техническом паспорте.
Выходной сигнал GPS-микросхем может быть
совместимым с микроконтроллером. Плата рас-
ширения для GPS-микросхемы обычно снаб-
жена встроенным стабилизатором напряжения
и почти наверняка будет совместимой с микро-
контроллером. Микроконтроллер может по-
лучать последовательно передаваемые данные
от GPS-микросхемы, может останавливать ее
с помощью вывода включения, а также начи-
нать или завершать процесс занесения данных
во флэш-память микросхемы, если у нее есть та-
кая функция.
В онлайн-доступе можно отыскать библиотеки
программ для микроконтроллера, позволяющие
принимать и интерпретировать последователь-
ные данные от GPS-устройства.
Выходной сигнал с частотой 1 Гц
Поскольку GPS-позиционирование зависит от
вычисления расстояний, которые определяются
на основе длительности прохождения радио-
сигнала, необходимо наличие точного отсчета
времени. Когда GPS-приемник получает данные
о своем местоположении, он получает также ин-
формацию о моменте времени. Это позволяет
использовать GPS-приемники в качестве стан-
дартов времени и частоты. Большинство GPS-
модулей наряду с местоположением сообщают
точное время. Многие вырабатывают также
специальный выходной сигнал с частотой 1 Гц,
который синхронизирован с сигналами от спут-
ников, находящихся в пределах видимости.
С помощью сигнала точного времени, который
выдает GPS-приемник, можно настроить внеш-
ний кварцевый генератор. При этом частоту ге-
нератора сравнивают с эталонной частотой от
GPS-приемника, а затем регулярно подстраи-
вают частоту генератора, чтобы она оставалась
стабильной.
Статья 1
пространственные характеристики > местоположение > датчик GPS
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Проблемы встречаются по большей части у ми-
кросхем и модулей, а не у самих GPS-устройств.
Электростатический разряд
Антенна, смонтированная на верхней стороне
GPS-микросхемы, подключается через радио-
частотный вход. Если на антенну подействует
электростатический разряд, микросхема может
выйти из строя. Подобным же образом можно
повредить ее, если разряд будет приложен к са-
мому радиочастотному входу, например, через
жало паяльника. Перед началом любых опера-
ций, затрагивающих радиочастотный вход, не-
обходимо заземлить микросхему.
Некачественное заземление
Вывод заземления на микросхеме или на плате
расширения необходимо подключить до подачи
напряжения на остальные выводы.
Непропаянное соединение
Антенна, смонтированная на верхней стороне
GPS-микросхемы, может играть роль теплоот-
вода, что увеличивает риск возникновения не-
пропаянных соединений при установке микро-
схемы на плате.
Ограниченная доступность
Нормативные акты США ограничивают экспорт
некоторых GPS-устройств, которые обеспечи-
вают быстрое обновление данных и могут быть
использованы в военных летательных аппара-
тах или в реактивных снарядах. Поставщики
могут быть непоследовательны в плане продажи
подобных устройств за пределы Соединенных
Штатов.
Невозможность обнаружения
спутников
Любое GPS-устройство может перестать прини-
мать сигналы от спутников при наличии каких-
либо препятствий. Через оконное стекло при-
ем сигналов обычно возможен. Толстые стены,
крыша, плотно растущие деревья и другие есте-
ственные преграды могут сделать сигнал недо-
ступным.
Превышение максимальной
скорости или высоты
По соображениям безопасности возможность
работы GPS-устройств ограничена высотой
18 000 м и скоростью около 2000 км/ч. При пре-
вышении указанных пределов GPS-устройство
перестанет передавать данные. Это важно учи-
тывать при применении таких устройств в лю-
бительском ракетостроении или в высотных
аэростатах.
Датчик GPS
пространственные характеристики > местоположение > магнитометр
МАГНИТОМЕТР
2
В этой статье рассмотрены только такие датчики, которые реагиру-
ют на магнитное поле Земли. Небольшие датчики магнитного поля,
например вездесущий датчик Холла, могут быть использованы для
различных целей, таких как определение положения или скорости
вращения механических компонентов. При этом по существу опре-
деляется присутствие объекта (см. статью 3).
В прошлом магнитометры были довольно громоздкими изме-
рительными приборами, снабженными ручками управления или
какими-либо другими средствами регулировки, а также дисплеем.
И хотя данный термин до сих пор употребляется по отношению к по-
добным устройствам, далее будут рассмотрены только датчики на
основе микросхем.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
акселерометр (см. статью 10)
гироскоп (см. статью 9)
• датчик GPS (см. статью 1)
Описание
Традиционный компас состоит из тонкой на-
магниченной металлической стрелки, которая
балансирует на вертикальной оси. В результате
эта стрелка ориентируется вдоль магнитного
поля Земли.
Скалярный магнитометр измеряет общую на-
пряженность магнитного поля. Векторный маг-
нитометр способен измерять напряженность
поля в определенном направлении. В частности,
он может выдавать цифровой сигнал, который
описывает величину угла между осью измери-
тельного устройства и магнитной осью Земли.
Магнитометры на основе микросхем обычно
являются векторными и содержат датчики, ко-
торые расположены ортогонально друг к другу,
т. е. каждый из них находится под углом 90° к
двум другим. Соответствующее программное
обеспечение способно обработать аналоговые
данные от этих датчиков, чтобы определить на-
правление на северный или южный магнитный
полюс независимо от угла, под которым распо-
лагается инструмент относительно поверхности
земли.
Условное обозначение
Для магнитометра нет специального условного
обозначения на схемах.
Магнитометр
Устройство и принцип действия пространственные характеристики > местоположение > магнитометр
Гиростабилизатор
Гироскоп измеряет скорость вращения объек-
та, в котором он размещен. Этот параметр назы-
вается угловой скоростью. Гироскоп будет также
реагировать на изменения скорости вращения.
Он не измеряет линейное перемещение или ста-
тический угол ориентации.
Акселерометр измеряет линейное перемеще-
ние, а также статическую ориентацию по отно-
шению к направлению силы тяжести. При вра-
щении объекта на угловую скорость акселеро-
метр не реагирует.
Если акселерометр и гироскоп объединить вну-
три одного корпуса, добавив по желанию маг-
нитометр, то получится устройство, называемое
гиростабилизатором. Оно обеспечивает получе-
ние данных, которые необходимы для маневра
летательного или космического аппарата, а так-
же для судна, в особенности, если недоступны
сигналы системы GPS.
Варианты применения
Магнитометры присутствуют в таких порта-
тивных устройствах, как цифровые компасы,
видеокамеры и мобильные телефоны. Обычно
это микросхемы для поверхностного монтажа,
которые выпускаются массово и могут работать
в сочетании с микроконтроллерами. В проектах
радиолюбителей или при разработке экспери-
ментальной продукции для упрощения магни-
тометр может быть установлен на плате расши-
рения. На рис. 2.1 показана такая плата с магни-
тометром Honeywell HMC5883L.
Устройство и принцип
действия
Чтобы объяснить работу магнитометров, необ-
ходимо привести основные сведения о магне-
тизме.
Магнитные поля
Магнитное поле часто представляют в виде си-
ловых линий, которые показывают величину и
направление этого поля. Силовые линии, созда-
ваемые простым постоянным магнитом, показа-
ны на рис. 2.2, причем величина напряженности
или плотность потока в любой точке характе-
ризуется промежутками между линиями, а на-
правление определяется касательной к линии.
(Более подробное рассмотрение вопросов маг-
нетизма приведено в томе J, в статье, посвящен-
ной электромагнитам.)
Рис. 2.1. Трехосевой магнитометр Honeywell HMC5883L,
смонтированный на плате расширения. Фоновая сетка
в миллиметрах
Рис. 2.2. Силовые линии, соответствующие магнитному по-
току, создаваемому стержневым магнитом. Величина проме-
жутка между линиями обратно пропорциональна плотности
потока. В реальности картина трехмерная, и на более точной
иллюстрации силовые линии располагались бы вокруг оси
магнита. С — северный, Ю — южный полюса магнита
8
Статья 2
пространственные характеристики > местоположение > магнитометр Устройство и принцип действия
Плотность потока магнитного поля обычно обо-
значают буквой В. Она измеряется в Н/А-м, ко-
торые чаще называют тесла (Тл). Прежней еди-
ницей измерения был гаусс (Гс), 1 Тл = 10 000 Гс,
В некоторых технических паспортах все еще
приводят значения в гауссах.
Считается, что магнитное поле Земли являет-
ся результатом конвекции во внешней жидкой
части земного ядра. Напряженность этого поля
изменяется от 25 до 65 мкТл (0,25-0,64 гаусс) в
зависимости от места измерения. В очень гру-
бом приближении Земля ведет себя подобно
гигантскому стержневому магниту, который со-
единяет северный и южный магнитные полюса
(рис. 2.3).
Примечание
Существует одно недоразумение из-за того, что
в действительности северный магнитный полюс
Земли ведет себя подобно южному полюсу магни-
та, а южный магнитный полюс — подобно север-
ному полюсу магнита. Если позволить постоян-
ному магниту свободно вращаться, то его север-
ный полюс будет сориентирован в направлении
так называемого северного магнитного полюса
Земли, несмотря на то, что обычно притягивают-
ся противоположные полюса. Поэтому северный
магнитный полюс Земли можно представлять
как полюс, который притягивает северный конец
стрелки компаса.
Земные оси
Планета Земля вращается вокруг воображае-
мой оси, называемой осью вращения. Эта линия
проходит рядом (но не совпадает) с магнитной
осью, которая соединяет северный магнитный
полюс и южный магнитный полюс, как показа-
но на рис. 2.4.
Рис. 2.3. Магнитное поле Земли приближенно напоминает
поле вокруг стержневого магнита
Заметьте, что в северных и в южных широтах
силовые линии постепенно приближаются к
земной поверхности, а у экватора они почти па-
раллельны ей. Вследствие этого магнитометр,
который располагается по касательной к по-
верхности Земли, измерит более сильное гори-
зонтальное поле у экватора по сравнению с по-
лем у полюсов.
Переменный угол, который составляет каса-
тельная к силовым линиям относительно Земли,
называется магнитным наклонением. Различия в
напряженности поля позволяют приблизитель-
но определить местоположение, хотя система
GPS (Спутниковая глобальная система навига-
ции) обеспечивает более точные данные.
Рис. 2.4. Угол между магнитной осью и осью вращения Земли
приблизительно равен 11°
Магнитометр
Устройство и принцип действия пространственные характеристики > местоположение > магнитометр
Магнитное склонение - это воспринимаемый
наблюдателем угол между направлениями на
магнитный и географический северный полю-
са. Этот угол будет различным в зависимости от
местоположения наблюдателя.
Вследствие этого явления направление магнит-
ной силы будет меняться в зависимости от ши-
роты и долготы, как показано на рис. ЦВ-2.5,
где красными линиями изображены магнитные
меридианы, вертикальными зелеными — гео-
графические меридианы, а горизонтальными зе-
леными — параллели. Магнитные меридианы
показывают направление магнитной силы, а
географические меридианы проходят от одного
конца оси вращения Земли до другого. И хотя
между этими линиями есть приблизительное
соответствие, в некоторых областях, в особен-
ности вблизи северного и южного полюсов, рас-
хождение может достигать более 40°.
Существуют стандартные таблицы, которые со-
держат значения магнитного склонения для раз-
личных мест Земли. Эти величины необходимо
прибавить к показаниям компаса (магнитоме-
тра) или же вычесть из этих показаний для того,
чтобы определить направление на географиче-
ский север. В навигационных системах направ-
ление движения транспортного средства или
судна обычно указывают относительно геогра-
фического севера, как показано на рис. 2.6.
Индукционный магнитометр
Ток, протекающий через провод, создает маг-
нитное поле с плотностью потока, которая
прямо пропорциональна силе тока в амперах.
И наоборот, переменное магнитное поле будет
индуцировать ток в проводе. На этом принци-
пе построен индукционный магнитометр, кото-
рый способен обнаруживать скрытые предметы,
когда катушка индуктивности перемещается над
ними. Магнитометр с вращающейся катушкой
индуктивности может определять напряжен-
ность магнитного поля, оставаясь в неподвиж-
ном положении. Но в таком магнитометре ка-
тушка должна быть довольно большой.
Рис. ЦВ-2.5. Красными линиями обозначены направления,
вдоль которых компас показывал бы на магнитный полюс.
Вертикальные зеленые линии соединяют географические по-
люса планеты. (Заимствовано из Wikimedia Commons.)
Рис. 2.6. Курс — это угол, который обычно измеряют по отно-
шению к географическому северному полюсу, который ино-
гда называют «истинным севером»
ю
Статья 2
пространственные характеристики > местоположение > магнитометр
Варианты изготовления
Эффект Холла
и магниторезистивный эффект
В современных портативных устройствах маг-
нитометр обычно основан либо на эффекте
Холла (см. раздел «Датчик Холла» статьи 3),
либо на магниторезистивном эффекте, который
рассмотрен здесь.
Магниторезистивный эффект — это явление, при
котором электрическое сопротивление материа-
ла частично меняется при воздействии магнит-
ного поля. Хотя точность магниторезистивных
датчиков может быть выше, чем датчиков на эф-
фекте Холла, но они дороже последних.
Ортогонально расположенные датчики внутри
микросхемы ориентированы вдоль осей, обо-
значенных буквами X, Y и Z. Это аналоговые
устройства, показания которых переводятся в
цифровой вид при помощи встроенного аналого-
цифрового преобразователя (АЦП). Полученные
значения хранятся в регистрах, которые доступ-
ны для других устройств, часто через протокол
ПС, широко применяемый в микроконтролле-
рах.
Как правило, для каждой оси предусмотрено два
восьмиразрядных регистра: первый из них хра-
нит старший, а второй — младший байт цифро-
вого значения. На деле в АЦП используется от
10 до 13 битов, а оставшиеся не задействованы.
Варианты изготовления
Микросхема FXMS3110, выпускаемая компа-
нией Freescale Semiconductor, представляет со-
бой типичный компонент, который содержит
трехосевой датчик-магнитометр. Многие совре-
менные микросхемы-датчики дополнительно
содержат трехосевой акселерометр. Как пример
можно привести микросхему LSM303, которая
производится компанией STMicroelectronics и
поставляется на плате расширения компанией
Adafruit (рис. 2.7). Акселерометры рассмотрены
в статье 10.
Ш^ЖМщ г-4
Рис. 2.7. Микросхема LSM3O3 производится компанией
STMicroelectronics. Здесь она показана на плате расширения,
выпускаемой компанией Adafruit
Устройство MPU-9250, выпускаемое компанией
InvenSense, — это чрезвычайно сложный гиро-
стабилизатор, который содержит трехосевые
гироскоп, магнитометр и акселерометр.
Блок обработки данных в устройстве MPU-9250
обеспечивает согласование девяти переменных,
а тактовая частота цифрового выходного сиг-
нала, соответствующего протоколам I2C или
SPI, достигает 1 МГц. Микросхема заключена
в корпус размером менее 3 мм. Дополнительные
подробности о работе гироскопа приведены
в статье 9.
Использование
Простой трехосевой магнитометр, такой как
HMC5883L, может работать совместно с микро-
контроллером, который будет извлекать данные
из регистров по протоколу I2C. Это довольно
просто реализовать в среде Arduino, которая
разработана с учетом совместимости с протоко-
лом I2C.
Для микросхемы HMC5883L выпускаются раз-
личные платы расширения. На многих платах
есть стабилизатор напряжения, который позво-
ляет подключить источник питания на 5 В, хотя
Магнитометр
11
Что может пойти не так?
пространственные характеристики > местоположение > магнитометр
сама микросхема датчика обычно рассчитана на
напряжение питания 2,5 В.
Помимо питания платам расширения требуются
лишь два подключения для передачи данных по
протоколу I2C: к выводам SCL (тактовый вход)
и SDA (ввод/вывод последовательных данных).
Если в микроконтроллере установлено базовое
ПО для работы с протоколом I2C, он будет счи-
тывать цифровые данные из регистров магни-
тометра. С помощью дополнительного ПО эти
данные можно конвертировать в значения плот-
ности магнитного потока в микротесла для осей
X, Y и Z. В онлайн-источниках широко представ-
лены библиотеки программного кода для этих
целей.
Для таких же целей подойдет и более сложная
микросхема InvenSense MPU-9250, но она вы-
дает для обработки дополнительные данные.
Примеры программ опять-таки можно найти в
онлайн-источниках. Предыдущая версия датчи-
ка - микросхема MPU-9150 доступна на плате
расширения у поставщика Sparkfun.
Что может пойти не так?
Искажения
Магнитометры чувствительны к окружающей
среде, которая может приводить к возникнове-
нию двух типов искажений в магнитометре.
Искажения твердого железа вызваны, главным
образом, намагниченным материалом, который
находится в устройстве, содержащем магнито-
метр. Поскольку этот эффект обычно является
неизменным, его довольно легко компенсиро-
вать. Искажения мягкого железа возникают при
взаимодействии вариаций окружающего маг-
нитного поля с материалами внутри магнитоме-
тра, которые могут быть намагничены.
Типичный пример проявления искажений мяг-
кого железа — линии электропередач, которые
создают магнитное поле, способное повлиять на
радиоуправляемые летательные аппараты, со-
держащие магнитометры для навигации.
Неправильный монтаж
Очень важно правильно выбрать место разме-
щения микросхемы магнитометра на монтаж-
ной плате. Следует принимать во внимание маг-
нитные поля, создаваемые трансформаторами
или реле. Даже низкое напряжение и небольшой
ток в печатном проводнике платы способны соз-
дать магнитное поле, которого будет достаточно
для нарушения работы микросхемы-датчика.
Под местом размещения микросхемы не должно
быть никаких проводящих дорожек ни в одном
из слоев платы. Магнитометр не следует монти-
ровать внутри корпуса из ферромагнитного ма-
териала.
12
Статья 2
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
ДАТЧИК ПРИСУТСТВИЯ
ОБЪЕКТА
3
Датчик присутствия объекта называют также датчиком обнаруже-
ния объекта или детектирующим датчиком.
Для этого компонента может применяться термин приближение,
однако в данной энциклопедии датчик приближения обладает воз-
можностью определения расстояния до объекта (см. статью 5).
Датчик присутствия объекта всего лишь определяет, находится ли
какой-либо объект внутри заданных границ, и не сообщает дополни-
тельную информацию.
В этой статье описываются и сравниваются оптические и магнитные
датчики присутствия объекта. Ультразвуковые датчики рассмотре-
ны в статье, посвященной датчикам приближения, поскольку они
обычно служат для определения расстояния, а не для простого об-
наружения объекта. Другие методы обнаружения объекта, исполь-
зующие емкостные датчики, доплеровский эффект, индуктивность,
радары и сонары, не включены в данную энциклопедию.
Датчики, обнаруживающие объект при помощи приема света, кото-
рый им отражен, отнесены к категории отражательных датчиков и
рассмотрены в статье 5.
Примечание
Если какое-либо устройство наряду с источником содержит также де-
тектор света, то его правильнее отнести к категории датчиков собрат-
ным отражением света, хотя такой термин не всегда корректен.
Датчик, который обнаруживает объект, прерывающий луч света, яв-
ляется датчиком прохождения и включен в эту статью. Он может быть
назван также датчиком на основе прерывания луча или оптическим
прерывателем.
Датчик, который реагирует на перемещение объекта, излучающего
в инфракрасном диапазоне, является пассивным инфракрасным
датчиком перемещения и в англоязычной литературе обозначается
аббревиатурой PIR (passive infrared). Его часто называют также просто
датчиком перемещения. Такой датчик описан в статье 4.
Датчик присутствия объекта 13
Описание
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
В качестве чувствительных элементов в датчиках присутствия могут
использоваться фототранзисторы и фотодиоды. Этим компонентам,
как датчикам света, посвящены отдельные статьи (см. статьи 22 и 2/).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик приближения (см. статью 5)
• пассивный инфракрасный датчик (см. статью 4)
Описание
Типы датчиков
Датчик присутствия объекта проверяет нали-
чие или отсутствие какого-либо объекта внутри
определенной области, при этом измерение рас-
стояния до объекта или скорости его перемеще-
ния не является обязательным. Иногда подоб-
ный объект называют целью.
Определение наличия объекта часто необходимо
для проверки правильности работы автомати-
зированных систем, например, при размещении
деталей на ленте конвейера. Подобные датчики
пригодны также для подсчета перемещающихся
мимо них объектов.
Некоторые системы охранной сигнализации со-
держат датчики присутствия и включают сирену,
когда злоумышленник пересекает световой луч.
Такие датчики пригодны также для проверки,
закрыта ли дверь или окно. Они могут работать
и в качестве концевого выключателя, который
управляет электродвигателем.
Чтобы помочь читателю при сравнении различ-
ных возможностей определения наличия объек-
та, эта статья содержит два основных типа дат-
чиков: оптические и магнитные.
Оптические датчики подразделяются на рабо-
тающие на просвет и отражательные (вклю-
чая световозвращающие). Магнитные датчики
подразделяются на герконовые переключатели
и датчики Холла. Классификация датчиков при-
ведена на рис. 3.2. Существуют и другие типы
датчиков присутствия объекта, но они менее
распространены и не включены в статью.
Обозначение на схемах
На схемах оптический датчик присутствия мо-
жет обозначаться символом для светодиода,
к которому добавлены символ фототранзис-
тора, а также две соединительные стрелки, как
показано слева вверху на рис. 3.1. Волнистые
стрелки могут означать инфракрасное соедине-
ние. Вместо фототранзистора может быть фо-
тодиод, как показано справа вверху на рис. 3.1.
Магнитный датчик может быть изображен при
помощи символа для датчика Холла, показанно-
го внизу на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Вверху: два возможных обозначения оптического
датчика присутствия с фототранзистором (слева) или фотоди-
одом (справа). Возможны и другие варианты. Внизу: условное
обозначение датчика Холла, который широко применяется
в магнитных датчиках присутствия
14
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Оптическое обнаружение
Рис. 3.2. Классификация датчиков присутствия объекта,
рассмотренных в данной статье
Оптическое обнаружение
Оптический датчик, работающий на просвет,
который называют также датчиком с прерыва-
нием луча, фактически представляет собой два
компонента, один из которых излучает свет,
а второй принимает его. Датчик срабатывает,
если объект прерывает или же отражает луч све-
та, как показано на рис. 3.3.
Вариант датчика, работающего на просвет, с
разнесенными излучателем и фотодетектором
иллюстрирует рис. 3.3-1.
Если излучатель света и приемник обращены
рабочими сторонами друг к другу и разделены
небольшим промежутком, их можно поместить
в общий блок (обычно снабженный щелью), как
показано на рис. 3.3-2. Такое устройство часто
называют оптическим прерывателем (кото-
рый не следует путать с полупроводниковыми
Рис. 3.3. Различные варианты оптических датчиков присутст-
вия объекта
переключателями, используемыми в телеком-
муникациях). Иногда его называют также фо-
топрерывателем.
Отражательный оптический датчик также со-
стоит из излучателя света и его приемника, но
они размещены рядом, а их рабочие поверхно-
сти обращены в одну сторону. Если они смонти-
рованы в виде модуля, как часто бывает, то та-
кое устройство называется световозвращающим
датчиком.
Датчик присутствия объекта
15
Оптическое обнаружение
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
В любом случае эта комбинация компонентов
может срабатывать одним из двух способов:
• Объект, который перемещается перед лу-
чом света, отражает его на детектор. Объект
должен отражать свет естественным обра-
зом (например, стеклянная тара или белые
коробки на конвейере), либо на нем должна
присутствовать отражающая метка. Если
объект не обладает хорошей отражающей
способностью, то источник света должен
быть достаточно ярким. Такая конфигурация
показана на рис. 3.3-3.
• Напротив излучателя света можно уста-
новить неподвижный отражатель. В этом
случае детектор, который располагается ря-
дом с излучателем, срабатывает, если объект
прерывает отраженный луч света. Эта кон-
фигурация показана на рис. 3.3-4.
Оптические датчики,
работающие на просвет
Источник света и детектор могут поставляться
как отдельные компоненты, которые образуют
Рис. 3.4. Согласованная пара из источника и фотодетектора
в качестве оптического датчика, работающего на просвет.
Фоновая сетка в миллиметрах
согласованную пару. В качестве примера мож-
но привести датчик марки Vishay TCZT8020,
показанный на рис. 3.4. Размер этих компонен-
тов небольшой, не более 5x3 мм каждый. Они
предназначены для размещения на расстоянии
всего в несколько миллиметров друг от друга.
Источник света — инфракрасный светодиод, а
детектором является фототранзистор (инфор-
мацию о фототранзисторах см. в статье 22),
Источник света и фотодетектор рассчитаны на
подачу постоянного напряжения 5 В. Выход
фототранзистора реализован по схеме с откры-
тым коллектором. Коллекторный ток не должен
превышать 50 мА и его следует ограничить при
помощи нагрузочного резистора номиналом не
менее 100 Ом. Ток источника излучения не дол-
жен превосходить 60 мА, его тоже следует огра-
ничить с помощью соответствующего последо-
вательно включенного резистора.
Примечание
Подробности об использовании выхода с откры-
тым коллектором можно найти в приложении 1
(см. рис. П4).
Серия датчиков Omron EE-SX содержит раз-
личные конфигурации источника света и фото-
детектора, которые разделены зазором в 5 мм и
расположены в одном модуле. Источник света -
инфракрасный светодиод, а детектором являет-
ся фототранзистор.
Компоненты, выпускаемые компанией Omron,
поддерживают широкий диапазон питающего
напряжения (от 5 до 24 В), при этом для свето-
диода не требуется последовательный резистор.
Выход с открытым коллектором фототранзисто-
ра способен выдерживать ток от 50 до 100 мА,
в зависимости от конкретной марки датчика.
Когда какой-либо объект перегораживает зазор
в датчике, загорается красный светодиодный
индикатор. На выходе одних датчиков уровень
сигнала высокий, если зазор свободен, в то вре-
мя как у других датчиков выходной сигнал вы-
сокий при перекрытом зазоре. Из-за наличия
16
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Оптическое обнаружение
различных функций такие датчики сравнитель-
но дороги.
Более дешевый оптический прерыватель — дат-
чик марки Everlight ITR9606, изображенный на
рис. 3.5. Он рассчитан на питание от источника
5 В и обладает выходом с открытым коллекто-
ром. Датчику необходим токоограничивающий
резистор для светодиода и нагрузочный резис-
тор для выхода с открытым коллектором. В про-
даже есть множество подобных детекторов.
Для обнаружения объектов на больших рас-
стояниях инфракрасный фотоприемник может
быть смонтирован отдельно от инфракрасного
светодиода. Датчик TSSP77038, выпускаемый
компанией Vishay, детектирует инфракрасное
излучение на расстоянии до 50 см и в ответ пере-
водит открытый коллектор в низкое состояние.
Свет должен быть модулированным на частоте
38 кГц.
Компания Polulo Robotics and Electronics по-
ставляет весьма доступную по цене плату
Рис. 3.6. Датчик Vishay TSSP77038 установлен вместе с под-
ходящим источником света на плате расширения, которую
выпускает компания Polulo Robotics and Electronics
расширения (рис. 3.6), которая содержит фото-
приемник TSSP77038 в сочетании с инфракрас-
ным светодиодом, который модулируется при
помощи таймера 555. Поскольку здесь имеется
как источник света, так и фотодетектор, этот
датчик фактически является световозвращаю-
щим.
Для расстояний, которые превышают 1 м, может
понадобиться лазер в сочетании с фототранзи-
стором, экранированным от рассеянного света.
Рис. 3.5. Недорогой датчик, работающий на просвет, извест-
ный также как оптический прерыватель. Фоновая сетка в мил-
лиметрах. Ширина зазора датчика составляет около 5 мм
Световозвращающие
оптические датчики
Как и в случае с обнаружением объекта, который
пересекает луч света, поставщики могут назы-
вать световозвращающие датчики оптическими
прерывателями. В технических паспортах встре-
чаются также термины отражательный преры-
ватель, отражательный датчик присутствия
объекта, отражательный оптический датчик,
отражательный фотопрерыватель, пассивный
оптический датчик и (отражательный) микро-
фотодатчик. Стандартизированная термино-
логия отсутствует, что создает проблемы при
онлайн-поиске подобных устройств. Остается
неясным, почему для одного компонента суще-
ствует так много различных названий.
Цатчик присутствия объекта
17
Оптическое обнаружение
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Многие световозвращающие датчики присут-
ствия объекта выпускаются в корпусах размера-
ми от 5x5 мм до 10x10 мм. Почти все эти моду-
ли представляют собой аналоговые устройства
с инфракрасным светодиодом в качестве ис-
точника света и фототранзистором с открытым
коллектором в качестве детектора. (Дополни-
тельную информацию о фототранзисторах см.
в статье 22)
Если подобрать подходящий нагрузочный ре-
зистор, то выходное напряжение будет обратно
пропорционально расстоянию. Пусть v — на-
пряжение, d - расстояние, а к — коэффициент
пересчета, тогда
V = к * ( 1 / d) .
Большинство модулей предназначено для по-
верхностного монтажа, но у некоторых есть
штырьковые выводы, как показано на рис. 3.7.
Существенное ограничение подобных мало-
габаритных компонентов — очень небольшой
рабочий зазор (как правило, менее 5 мм). Такие
датчики подойдут, например, для управления
технологическим процессом, в котором разме-
щение объекта строго контролируется и пред-
сказуемо.
Еще один пример световозвращающего датчи-
ка — устройство Optek OPB606A, показанное на
рис. 3.8.
Датчик марки Vishay TCRT5000, изображенный
на рис. 3.9, является световозвращающим мо-
дулем, светодиод и фототранзистор которого
снабжены линзами для фокусировки исходяще-
го и поступающего лучей.
Рис. 3,8. Датчик Optek OPB606A. Фоновая сетка в милли-
метрах
Рис. 3.7. Миниатюрный датчик присутствия объекта Rod an
RT-530 с ограниченной дальностью действия, которая типич-
на для подобных световозвращающих компонентов. Фоновая
сетка в миллиметрах
Рис. 3.9. Световозвращающий модуль Vishay TCRT5000. Фоно-
вая сетка в миллиметрах
18
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Магнитные датчики
Световозвращающие модули с увеличенным ра-
бочим зазором обычно больше по размерам, ме-
нее распространены и дороже. Популярную се-
рию таких датчиков выпускает компания Sharp.
Вот некоторые модели и рабочий диапазон
расстояний: GP2Y0D805Z0F (от 5 мм до 5 см),
GP2Y0D810Z0F (от 2 до 10 см) и GP2Y0D815Z0F
(от 5 мм до 15 см). На рис. 3.10 изображен датчик
GP2Y0D810Z0F, смонтированный на небольшой
плате расширения, которую выпускает компа-
ния Polulo Robotics and Electronics. Такая плата
удобна, поскольку штырьковые выводы датчика
расположены на расстоянии всего 1,5 мм друг
от друга. Размеры этой платы составляют около
8x20 мм.
В технических паспортах каждый датчик при-
сутствия из этой серии назван компанией Sharp
как «датчик, измеряющий расстояние», хотя
фактически они его не измеряют. В исходном со-
стоянии уровень на выходе нормально высокий
и он становится логически низким, когда объект
оказывается внутри рабочего зазора. Компания
Sharp называет это «цифровым» выходом, хотя
на самом деле он двоичный, и его не следует пу-
тать с цифровым буфером у более сложного дат-
чика приближения, который содержит аналого-
цифровой преобразователь и обеспечивает вы-
дачу численного значения.
Рис. 3.10. Датчик присутствия Sharp GP2Y0D810Z0F, смонти-
рованный на плате, выпускаемой компанией Polulo Robotics
and Electronics. Иллюстрация выполнена на основе фото ком-
пании Adafruit Industries
Важно отличать указанные датчики присутст-
вия, выпускаемые компанией Sharp, от ряда дат-
чиков приближения, описанных в статье 5.
Датчики приближения больше по размерам, и
большинство из них выдает аналоговый вы-
ходной сигнал, изменяющийся в зависимости от
расстояния до объекта.
Магнитные датчики
Готовые модули с магнитными детекторами из-
готавливаются в самых разных вариантах, как
для промышленного, так и для военного при-
менения. И хотя они могут называться «магнит-
ными датчиками», рассмотрение таких модулей
выходит за рамки данной энциклопедии. Здесь
мы рассмотрим только компоненты, устанавли-
ваемые на монтажной плате. Почти всегда в ка-
честве чувствительных элементов в них исполь-
зуется либо герконовый переключатель, либо
датчик Холла.
Герконовый переключатель
Герконовый переключатель (геркон) — это ме-
ханический переключатель, приводимый в дей-
ствие магнитным полем. Он состоит из двух
металлических контактов, помещенных внутри
небольшого корпуса, который обычно пред-
ставляет собой стеклянную капсулу. Контакты
являются магнитными и способны перемещать-
ся под действием магнитного поля. Для актива-
ции переключателя служит постоянный магнит.
Два герконовых переключателя показаны на
рис. 3.11.
Герконовый переключатель обладает неболь-
шим гистерезисом, поскольку напряженность
магнитного поля для преодоления механиче-
ского сопротивления пружинящих контактов
больше напряженности поля для удержания их
в замкнутом состоянии.
В очень маленьких электромагнитных реле, ко-
торые коммутируют слабые токи, герконы могут
Датчик присутствия объекта
19
Герконовый переключатель
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Рис. 3.11. Два однополюсных герконовых переключателя на
одно направление. Несмотря на то, что контакты выглядят со-
прикасающимися, на самом деле они разделены небольшим
зазором. Эти переключатели относятся к типу нормально
разомкнутых. Фоновая сетка в миллиметрах
Рис. 3.12. Типичный датчик охранной сигнализации, который
срабатывает при открывании двери или окна. В ближнем мо-
дуле находится магнит, в дальнем — геркон
Рис. 3.13. Пунктирными белыми линиями показано магнит-
ное поле, которое замыкает контакты герконового переклю-
чателя
активироваться с помощью катушки индуктив-
ности. Подобный компонент рассматривается
в качестве реле, а не как датчик. Дополнительная
информация о реле приведена в томе 1.
Самое распространенное повседневное приме-
нение геркона — система охранной сигнализа-
ции, которая срабатывает при проникновении
злоумышленника в помещение. Магнит в герме-
тичном пластиковом корпусе закреплен на две-
ри или на окне, а герконовый переключатель,
также находящийся в другом герметичном пла-
стиковом корпусе, прикреплен к раме вблизи от
магнита. Типичные компоненты подобного рода
показаны на рис. 3.12. Схема, иллюстрирующая
принцип действия такой герконовой пары, при-
ведена на рис. 3.13.
До тех пор пока дверь или окно, которые вклю-
чили сигнализацию, остаются открытыми,
магнит будет активировать герконовый пере-
ключатель. Если дверь или окно открывают,
расположенный на них магнит удаляется от гер-
кона и его контакты размыкаются. Обычно для
такого применения необходим переключатель
нормально разомкнутого типа, который удер-
живается магнитом в замкнутом состоянии. Это
позволяет создать цепь из нескольких последо-
вательно соединенных герконов. Если один из
них размыкается, цепь разрывается и срабаты-
вает сигнализация.
Разновидности герконовых
переключателей
Большинство герконовых переключателей -
это однополюсные устройства, действующие на
одно направление (SPST). Они либо нормально
разомкнуты, либо нормально замкнуты, хотя
более распространены нормально разомкнутые
варианты. Некоторые переключатели являются
однополюсными на два направления (SPDT),
впрочем, такой вариант встречается довольно
редко. Образец однополюсного геркона на два
направления показан на рис. 3.14.
20
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Герконовый переключатель
Рис. 3.14. Однополюсный герконовый переключатель на
одно направление. Фоновая сетка в миллиметрах
Размер геркона приблизительно пропорцио-
нален силе тока, для коммутации которого он
предназначен. Герконовые переключатели чаще
всего выпускаются с аксиальными выводами.
Небольшая доля переключателей предназна-
чена для поверхностного монтажа. Некоторые
герконы дополнительно заключены в пласти-
ковый футляр, который защищает стеклянную
капсулу.
Параметры герконового
переключателя
В техническом паспорте геркона, скорее всего,
будут приведены следующие величины.
Магнитодвижущая сила срабатывания: мини-
мальная напряженность магнитного поля, кото-
рое необходимо для срабатывания переключа-
теля; часто измеряется в ампер-витках.
Магнитодвижущая сила отпускания: макси-
мальная напряженность магнитного поля, при
которой контакты переключателя размыкают-
ся; часто измеряется в ампер-витках. Значение
магнитодвижущей силы срабатывания будет
больше, чем значение магнитодвижущей силы
отпускания.
Максимальный ток переключения. Несмотря на
то, что некоторые промышленные герконы спо-
собны коммутировать ток силой до 100 А, такие
устройства встречаются редко и они дороги.
Типичное значение этого параметра для герко-
нового переключателя длиной около 15 мм со-
ставляет 500 мА.
Максимально допустимый ток. Если этот па-
раметр указан, то он будет больше, чем макси-
мальный ток переключения.
Максимальная переключаемая мощность.
Поскольку герконовый переключатель можно
использовать в цепях переменного тока, его ком-
мутационная способность может выражаться в
ваттах или в вольт-амперах (вольтах, умножен-
ных на амперы). Типичное значение — 10 В • А.
Максимальное напряжение. Несмотря на то что
герконы чаще всего работают при низком на-
пряжении, некоторые рассчитаны на коммута-
цию до 200 В.
Как использовать геркон
В отличие от оптического датчика присутствия,
который может объединять в одном корпусе ис-
точник света и фотоприемник, для геркона всег-
да требуется активирующий магнит, который
устанавливается отдельно. Для надежного функ-
ционирования максимальное расстояние между
переключателем и магнитом обычно ограничи-
вают несколькими миллиметрами.
Ориентация магнита, который вызывает сраба-
тывание геркона, несущественна, но она будет
влиять на чувствительность переключателя.
Чтобы получить сведения об оптимальном вза-
имном положении геркона и магнита, необходи-
мо свериться с техническим паспортом.
Как и в других механических переключателях,
контакты геркона при его размыкании и замы-
кании кратковременно вибрируют. Это явление
называется дребезгом контактов, и оно может
быть неправильно воспринято цифровыми
Датчик присутствия объекта
21
Датчик Холла
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
логическими микросхемами или микрокон-
троллером как последовательность отдельных
сигналов. Может потребоваться аппаратное
или программное (в микроконтроллере) устра-
нение дребезга. См. статью о переключателях
в томе 1.
Датчик Холла
Датчик Холла реагирует на магнитное поле и
вырабатывает небольшое напряжение, которое
обычно усиливается транзистором, располо-
женном в корпусе датчика.
Когда датчик Холла находится в выключенном
состоянии (при отсутствии магнитного поля),
сопротивление между коллектором внутреннего
л-/?-л-транзистора и шиной заземления велико.
Поскольку напряжение к коллектору приложе-
но через нагрузочный резистор, то сигнал на вы-
ходе будет высоким.
Когда датчик включен, его сопротивление сни-
жается, напряжение, подаваемое на коллектор
от нагрузочного резистора, шунтируется зазем-
лением, а выходной сигнал становится низким.
Общее правило:
• у сработавшего датчика Холла выходной
сигнал низкий;
• у неактивного датчика Холла выходной
сигнал высокий.
Примечание
Информация об использовании выхода с от-
крытым коллектором находится в приложении 1
(см. рис. П4).
Стабильный выходной сигнал, надежность, не-
большие размеры и малая стоимость датчиков
Холла привели к тому, что они применяются в
столь разных устройствах, как жесткие диски
компьютера, видеокамеры, клавиатуры и ав-
томобили. Они удобны практически в любой
ситуации, в которой датчик должен определять
Рис. 3.15. Три датчика Холла с штырьковыми выводами.
Фоновая сетка в миллиметрах
механическое действие, происходящее на не-
большом пространстве. На рис. 3.15 показаны
три датчика Холла для установки в отверстия
печатной платы. Компоненты для поверхност-
ного монтажа намного меньше по размерам.
Как работает датчик Холла
Когда ток протекает по проводу, а магнитное поле
прикладывается перпендикулярно направлению
тока, это поле создает силу, которая вынуждает
электроны и дырки асимметрично скапливаться
на противоположных сторонах проводника. Это
явление известно как эффект Холла.
Разность потенциалов между зоной, которая
насыщена электронами, и зоной, которая насы-
щена дырками, называется холловским напря-
жением. Его величина прямо пропорциональна
магнитному полю и обратно пропорциональ-
на плотности свободных электронов в данном
материале. Поэтому эффект Холла легче всего
наблюдать в полупроводниках, у которых плот-
ность электронов или дырок низка.
В число компонентов датчика Холла помимо
чувствительного элемента входит электриче-
ская схема усилителя. Как правило, применяет-
ся выход с открытым коллектором, а также ком-
паратор или триггер Шмитта для обеспечения
небольшого гистерезиса.
22
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Датчик Холла
Разновидности датчиков Холла
Широко распространены четыре основных ва-
рианта датчика Холла.
Униполярный датчик Холла
Этот датчик срабатывает, когда внешнее маг-
нитное поле превышает пороговое значение.
Когда напряженность поля снижается, датчик
выключается. Униполярные датчики активиру-
ются либо северным магнитным полюсом, либо
южным.
Биполярный датчик Холла
Включается при приближении какого-либо из
магнитных полюсов. Выключается с приближе-
нием противоположного магнитного полюса.
При отсутствии магнитного поля такой датчик
остается в своем текущем состоянии (включен-
ном или выключенном).
Омниполярный датчик Холла
Включается при появлении сильного магнитно-
го поля любой полярности. Выключается при
исчезновении магнитного поля. Омниполярный
датчик можно представить как пару униполяр-
ных датчиков, которые направлены в противо-
положные стороны, а их выходы (с открытым
коллектором) соединены. Этот компонент ра-
ботает подобно геркону, хотя ему, конечно же,
необходим источник электропитания.
Линейный датчик Холла
Называется также аналоговым датчиком Холла.
Его выходное напряжение меняется пропор-
ционально напряженности внешнего магнит-
ного поля, а не переключается между высоким
и низким состояниями. Когда магнитное поле
отсутствует, величина напряжения на выходе
составляет половину напряжения питания дат-
чика. В ответ на магнитное поле с какой-либо
полярностью выходной сигнал может снизиться
практически до нуля. Магнитное поле с проти-
воположной полярностью может увеличить вы-
ходное напряжение почти до значения напряже-
ния питания.
Выходной сигнал от линейного датчика обыч-
но снимается с эмиттера внутреннего п-р-п-
транзистора, а не с коллектора. Между выходом
и шиной заземления следует подключить рези-
стор с номиналом не менее 2,2 кОм.
Переменный выходной сигнал может служить
мерой расстояния между датчиком и магнитом.
В таком режиме датчик Холла работает как дат-
чик приближения. Однако обычно он не спо-
собен измерять расстояния больше 10 мм.
Другие варианты применения
Датчики Холла часто входят в состав других
компонентов, например, в магнитометры.
Примечание
Дополнительную информацию о датчиках Холла,
а также примеры электрических схем можно най-
ти в книге Make: More Electronics, из которой были
взяты некоторые иллюстрации.
Параметры датчиков Холла
Магнитное поле в рабочей точке — это мини-
мальное поле, которое необходимо для перевода
датчика во включенное состояние. Измеряется в
тесла или гауссах, обозначается аббревиатурой
Вор-
Магнитное поле в точке выключения — это мак-
симальное поле, которое обеспечивает выклю-
чение датчика. Измеряется в тесла или гауссах,
обозначается аббревиатурой BRP.
Диапазон магнитного поля может указываться
для линейных (аналоговых) датчиков Холла.
Напряжение питания может составлять от 3 до
20 В или же быть заключено в пределах от 3 до
5,5 В. Внимательно сверяйтесь с техническими
паспортами.
Нагрузочная способность выхода с открытым
коллектором обычно составляет 20 мА.
Датчик присутствия объекта
23
Конфигурация датчиков присутствия объекта
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекте
Подключение датчика Холла
Датчики Холла часто выпускают в корпусах с
тремя штырьковыми выводами. Компоненты
для штырькового монтажа обычно изготовлены
из черного пластика и выглядят подобно тран-
зисторам в корпусе ТО-92, но немного меньше
по размерам. Широко применяются также вари-
анты для поверхностного монтажа.
Типичный датчик Холла для штырькового мон-
тажа имеет одну поверхность со скошенными
краями и плоскую поверхность с противопо-
ложной стороны. Поверхность со скошенными
краями может быть названа в техническом па-
спорте «лицевой». Датчик срабатывает, когда
магнитное поле с соответствующей напряжен-
ностью оказывается вблизи его лицевой поверх-
ности.
Маркировка компонента, которая нанесена на
лицевой поверхности датчика, может содержать
три цифры. Расположенный под ними код обыч-
но указывает дату производства.
Простейшая схема включения датчика Холла
напоминает типичную схему для фототранзи-
стора. Положительное напряжение питания и
отрицательное заземление прикладываются к
двум из трех выводов. Положительное напряже-
ние подается также через нагрузочный резистор
на третий вывод, который является выходом с
открытым коллектором (кроме линейного дат-
чика Холла). От выходного контакта делается
отвод, к которому может быть подключен ком-
понент, потребляющий ток не более 20 мА.
Конфигурация датчиков
присутствия объекта
Несмотря на то, что приводимые далее рекомен-
дации относятся главным образом к датчикам
Холла, некоторые общие принципы применимы
и для оптических датчиков.
Линейное перемещение
Датчик присутствия можно активизировать, ког-
да запускающий его источник (например, свет
или магнит) непосредственно приближается к
нему. Такой режим часто называют фронталь-
ным режимом. В качестве альтернативы можно
обеспечить срабатывание при перемещении ис-
точника мимо датчика. Такой режим часто на-
зывают проходным режимом. Два этих режима
проиллюстрированы на рис. 3.16.
Проходной режим может быть предпочтитель-
нее, поскольку он устраняет риск повреждения
датчика, которое может произойти во фронталь-
ном режиме при избыточном входном сигнале.
Рис. 3.16. Режимы работы датчика присутствия: фронтальный
(вверху); проходной (внизу)
Рис. 3.17. В проходном режиме два магнита с противополож-
ной полярностью можно разместить рядом, обеспечив очень
точное срабатывание биполярного датчика Холла
24
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Сравнение датчиков присутствия
В проходном режиме с применением биполяр-
ного датчика Холла можно разместить рядом
два магнита с противоположной полярностью,
обеспечив очень плавный переход суммарного
магнитного поля. Это минимизирует риск не-
точного срабатывания. При использовании не-
одимовых магнитов точку срабатывания мож-
но настроить с точностью в 0,01 мм и меньше
(рис. 3.17).
Детектирование
за счет прерывания
Оптический прерыватель чувствителен к появ-
лению объекта между источником света и дат-
чиком. Подобную схему можно собрать и на
основе датчика Холла или геркона, но только
если прерывающий объект тонкий и содержит
железо. Такое устройство известно как прерыва-
тель с железной вставкой.
Обратите внимание на то, что магнит будет при-
кладывать к железной вставке существенное
усилие. Это проявляется как недостаток в таких
датчиках, где механическая сила ограничена,
например, в датчиках бумагопроводящего трак-
та копировального аппарата.
Дополнительную информацию об обнаружении
и измерении характеристик движущихся объек-
тов можно найти в разделе, описывающем дат-
чики линейного положения (см. статью 6).
Угловое перемещение
Один или несколько магнитов в комбинации с
датчиком Холла позволят определить угловое
перемещение, относительное или абсолютное
угловое положение вращающегося узла. На
основе этих данных можно вычислить скорость
вращения. Некоторые методы достижения этой
цели приведены в разделе, описывающем датчи-
ки углового положения (см. статью 7).
Сравнение датчиков
присутствия
Преимущества оптических
датчиков присутствия
• Не подвержены влиянию магнитных полей,
которые могут нарушить работу датчика
Холла или геркона.
• Могут быть размещены в небольшом кор-
пусе, содержащем все компоненты.
• Некоторые оптические датчики способны
работать на расстоянии свыше 50 см.
• Очень хорошо подходят для обнаружения
объектов, которые блокируют источник
света (конфигурация оптопрерывателя).
Недостатки оптических датчиков
присутствия
• Должна быть обеспечена хорошая ви-
димость объекта и/или отражателя.
• Рабочие характеристики могут снизиться
при накоплении пыли или загрязнении.
• Срок службы светодиода ограничен.
• Могут случайно сработать при наличии
внешней засветки или быть повреждены не-
которыми источниками рассеянного света.
• Часто требуют наличия токоограничиваю-
щих резисторов для светодиода, а также для
выхода с открытым коллектором.
• Диапазон допустимого напряжения пита-
ния обычно узкий.
Преимущества герконов
• Отсутствует полярность.
• Не требуются дополнительные компоненты,
кроме магнита.
• Могут работать при переменном или пос-
тоянном токе.
• В некоторых случаях способны коммути-
ровать напряжение до 200 В.
Датчик присутствия объекта
25
Что может пойти не так?
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
• Могут неограниченно долго удерживаться
магнитом в разомкнутом или в замкнутом
состоянии, не потребляя при этом мощ-
ность.
• Многие компоненты способны коммути-
ровать ток до 500 мА, доступны также ва-
рианты для более сильных токов.
• Могут быть активизированы сквозь немаг-
нитные материалы (пластик, бумага).
• Почти не подвержены влиянию пыли или за-
грязнений, которые могут снизить рабочие
характеристики оптического датчика.
Недостатки герконов
• Требуют наличия отдельного магнита (место
размещения которого следует тщательно
выбрать, чтобы избежать влияния на другие
компоненты).
• Не могут быть миниатюризованы в такой
же степени, что и микросхема для поверх-
ностного монтажа.
• Стеклянную оболочку легко повредить.
• Между контактами может возникать искре-
ние.
• Работают не вполне надежно, если магнит
находится на расстоянии больше, чем не-
сколько миллиметров от переключателя.
• Могут случайно сработать от посторонних
магнитных полей.
• Объект, который появляется между герко-
ном и магнитом, обязательно должен со-
держать железо.
• Необходимо устранение дребезга контактов
при подключении к логической микросхеме
или к контроллеру.
Преимущества датчиков Холла
• Надежные твердотельные компоненты.
• Могут быть миниатюризованы для поверх-
ностного монтажа.
• Очень низкая стоимость.
• Быстрый отклик.
• Отсутствие дребезга контактов.
• Чрезвычайно прочные, с практически не-
ограниченным сроком службы.
• В слабой степени подвержены влиянию пы-
ли или загрязнений, которые могут снизить
рабочие характеристики оптического дат-
чика.
Недостатки датчиков Холла
• Требуют наличия отдельного магнита (место
размещения которого следует тщательно
выбрать, чтобы избежать влияния на дру-
гие компоненты).
• Выходной сигнал открытого коллектора
обычно не превышает 20 мА или меньше.
• Могут быть подвержены влиянию магнит-
ных полей.
• Объект, который появляется между датчи-
ком и магнитом, обязательно должен со-
держать железо.
Что может пойти не так?
Проблемы оптических датчиков
Ухудшение характеристик светодиодов
Большинство датчиков присутствия объекта за-
висят от инфракрасных светодиодов, которые
являются источниками излучения. У светодио-
да множество достоинств (они рассмотрены в
томе 2), однако с течением времени их свето-
отдача постепенно снижается. В таких устрой-
ствах, как фотокопировальный аппарат, кото-
рый работает лишь время от времени и может
обладать «экономичным» или «ждущим» ре-
жимом, отключающим питание большинства
компонентов, датчики на основе светодиодов
прослужат почти неограниченно долго. В дру-
гих устройствах, где на светодиоды постоянно
подается электропитание, их световая отдача
26
Статья 3
пространственные характеристики > наличие объекта >
датчик присутствия объекта
Что может пойти не так?
существенно снизится через промежуток време-
ни от 3 до 5 лет. Принимая сказанное во внима-
ние, оптический датчик следует выбирать так,
чтобы он работал не на пределе своих возмож-
ностей.
Слишком близкое расположение объекта
Некоторые оптические и ультразвуковые детек-
торы выполняют триангуляцию объекта; при
этом излучатель света и его приемник немного
не параллельны друг другу (см. рис. ЦВ-3.3).
Выходной сигнал от этого датчика будет мак-
симальным при таком расстоянии до объекта,
когда излучатель и приемник фокусируются
в одной точке. Вследствие этого выходное на-
пряжение будет снижаться, когда объект при-
ближается, что может привести к обманчивому
впечатлению об удалении объекта. Во избежа-
ние неверных показаний детекторы не следует
применять для объектов, которые расположены
ближе, чем минимальное расстояние, указанное
производителем датчика.
Проблемы герконовых
переключателей
Механические повреждения
При изгибе аксиальных выводов геркона сте-
клянную оболочку легко расколоть. С этими ком-
понентами необходимо обращаться аккуратно.
Дребезг контактов
Если геркон подключен к входу логической ми-
кросхемы или микроконтроллера, то дребезг
контактов, возникающий при замыкании или
размыкании контактов переключателя, может
быть неправильно истолкован как несколько
событий переключения. Потребуется устране-
ние дребезга либо при помощи дополнительных
компонентов, либо путем вставки небольшого
интервала задержки в программный код микро-
контроллера.
Искрение
При коммутации высокого напряжения или
больших токов может возникать кратковремен-
ное искрение между контактами переключате-
ля, чаще всего при их перемещении из замкну-
того состояния в разомкнутое. Искра разрушает
контакты переключателя. Индуктивная нагруз-
ка еще больше усугубляет проблему искрения.
Если коммутируемое напряжение меньше 5 В,
искрение обычно не возникает, и срок службы
переключателя продлевается.
Дотчик присутствия объекта
27
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
ПАССИВНЫЙ
ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК
4
В разговорной речи термин датчик перемещения обычно означает
пассивный инфракрасный датчик перемещения.
В англоязычной литературе употребляется аббревиатура PIR {passive
infrared), которая всегда записывается прописными буквами, без то-
чек.
Датчикам присутствия объекта и датчикам приближения необхо-
дим активный источник магнитного поля, ультразвука или инфра-
красного излучения. Пассивному инфракрасному датчику не нужны
дополнительные излучатели, поскольку он реагирует на собствен-
ное тепловое излучение обнаруживаемого объекта.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик присутствия объекта (см. статью 3)
• датчик приближения (см. статью 5)
Описание
Пассивный инфракрасный датчик перемеще-
ния детектирует тепловое излучение) (излучение
черного тела), которое свойственно всем объек-
там, а его величина является функцией темпе-
ратуры, измеренной относительно абсолютного
нуля. Датчик реагирует на инфракрасное излу-
чение с длиной волны около 10 мкм (10 микрон
или 10 000 нм), которое характерно для челове-
ка и животных.
Слово «пассивный» в термине «пассивный ин-
фракрасный» описывает поведение детектора,
который воспринимает инфракрасное излуче-
ние. Датчики приближения должны активно
генерировать собственное инфракрасное из-
лучение, которое прерывается или отражается
близлежащими объектами (см. статью 5).
Обозначение на схемах
Символы для обозначения пассивного инфра-
красного датчика перемещения показаны на
рис. 4.1.
Рис. 4.1. Символы, которые могут представлять пассивный
инфракрасный датчик перемещения. Ориентация (направлен-
ность влево или вправо) произвольна. Последовательность
выводов может быть различной
Пассивный инфракрасный датчик
29
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
Варианты применения
Наружное освещение, которое срабатывает при
появлении человека, почти всегда основано на
пассивных инфракрасных датчиках. Подобным
же образом охранная сигнализация может вклю-
чать сирену или активизировать видеокамеру,
когда такой датчик обнаружит присутствие че-
ловека.
Системы наблюдения за дикими животными
также содержат пассивные инфракрасные дат-
чики для включения видеокамеры, которая
затем работает в течение заданного интервала
времени.
Для автомобилей разработаны предупреждаю-
щие системы с пассивными инфракрасными
датчиками для обнаружения пешеходов.
В системах освещения на производстве могут
использоваться пассивные инфракрасные дат-
чики, которые автоматически включают свет,
когда люди входят в помещение, а затем выклю-
чают освещение (после некоторой задержки),
когда людей в комнате нет. Это позволяет пре-
дотвратить потери электроэнергии, вызванные
тем, что служащие забывают выключать свет.
Устройство
и принцип действия
Модуль на основе пассивного инфракрасно-
го датчика содержит несколько компонентов.
Заметнее всего матрица из 15 небольших линз,
которые фокусируют инфракрасное излучение
из разных участков окружающего пространства
на пироэлектрический детектор, который назы-
вают также пироэлектрическим датчиком. Сиг-
нал от детектора поступает на усилитель, к вы-
ходу которого подключено электромеханичес-
кое или твердотельное реле (см. том 2). Реле,
в свою очередь, управляет внешним устройством,
например, освещением или сигнализацией.
С помощью дополнительной электронной схе-
мы пользователь может регулировать чувстви-
тельность инфракрасного модуля, а также ин-
тервал времени, в течение которого реле оста-
ется замкнутым. Также можно задавать время
суток, когда инфракрасный модуль будет акти-
вен. В дневное время можно отключать инфра-
красный модуль при помощи дополнительного
фототранзистора. Если присутствует фото-
транзистор, то его чувствительность также мож-
но настроить. Дополнительную информацию
о фототранзисторах см. в статье 22.
Пироэлектрический детектор
Пироэлектрический детектор представляет со-
бой разновидность пьезоэлектрических уст-
ройств. Его основу составляет пластина из тан-
талата лития, которая вырабатывает небольшое
напряжение в ответ на поступающее тепловое
излучение. Однако подобно другим пьезоэлек-
трическим компонентам он не реагирует на
установившийся входной сигнал, а должен быть
активирован каким-либо динамическим про-
цессом. Это отличает такой датчик от световых
датчиков других типов, таких как инфракрасный
фотодиод, у которых на выходе постоянно при-
сутствует сигнал, зависящий от интенсивности
излучения на входе. Сравнение откликов пиро-
электрического детектора и фотодиода приведе-
но на графиках рис. 4.2.
Пироэлектрический детектор в инфракрасном
модуле монтируется внутри герметичного ме-
таллического корпуса, как показано на рис. 4.3.
Прямоугольное окошко датчика обычно изго-
товлено из кремния, который не пропускает ви-
димый свет, но прозрачен для длинноволнового
инфракрасного излучения.
Чувствительные элементы
Пироэлектрический детектор, используемый в
инфракрасных датчиках, содержит, по меньшей
мере, два чувствительных элемента с противо-
положной полярностью, которые соединены
30
Статья 4
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
Устройство и принцип действия
Зависимость входного сигнала
от времени
Зависимость выходного сигна,
от времени
Рис. 4.3. Пироэлектрический детектор, смонтированный на
небольшой плате внутри пассивного инфракрасного датчика
Зависимость выходного
сигнала от времени
s
ф ф
о Ш
Два пироэлектрических
элемента противоположной
полярности подвергаются
одновременному воздействию
Рис. 4.2. Интенсивность инфракрасного излучения (вверху);
выходной сигнал фотодиода (в центре) и пироэлектрического
детектора (внизу)
Два пироэлектрических
элемента противоположной
полярности подвергаются
воздействию один за другим
последовательно. Если внезапное изменение
температуры воздействует на оба элемента в рав-
ной степени, отклик одного из них будет ском-
пенсирован откликом другого. Следовательно,
такой датчик игнорирует изменения темпера-
туры окружающей среды. Если же какой-либо
источник инфракрасного излучения с соответ-
ствующей длиной волны будет воздействовать
на один элемент раньше, чем на другой, датчик
выдаст два импульса с противоположной поляр-
ностью (рис. 4.4).
°1
Рис. 4.4. При одновременном воздействии на два чувстви-
тельных элемента с разной полярностью выходной сигнал
пироэлектрического датчика отсутствует (вверху); если один
из элементов срабатывает раньше другого, то на выходе дат-
чика появляется сигнал (внизу)
Пассивный инфракрасный датчик
31
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
Линзы
Линзы служат для того, чтобы чувствительные
элементы срабатывали один за другим. Каждая
линза направлена в сторону одной из целевых
зон. Когда источник инфракрасного излучения
перемещается из одной зоны в другую, это при-
водит к поочередному срабатыванию элементов
и генерации выходного сигнала.
В некоторых пассивных инфракрасных датчи-
ках применяют четыре элемента вместо двух
для обеспечения лучшей зоны покрытия. Такие
Рис. 4.5. Устройство линзы Френеля
пары датчиков могут быть соединены последо-
вательно или же параллельно, но принцип дей-
ствия остается тем же.
Линзы запрессованы в полиэтиленовый колпак,
который часто бывает белого цвета и накрывает
пироэлектрический датчик. Снаружи этот кол-
пак выглядит гладким, однако на его внутренней
стороне расположены концентрические гребни.
Это линзы Френеля, производство которых го-
раздо проще, чем обычных оптических линз, и
к тому же они намного дешевле, меньше и легче.
Линзы Френеля вносят некоторую дисторсию и
аберрацию, но такие искажения несущественны
для пассивных инфракрасных датчиков.
На рис. 4.5 проиллюстрирован принцип работы
простой линзы Френеля. Сверху показана обыч-
ная оптическая линза, у которой одна сторона
плоская, а другая выпуклая. Удаленный объект
излучает практически параллельные лучи ин-
фракрасного света, который фокусируется та-
кой линзой. Посредине изображена та же самая
линза, разделенная на сегменты, которые раз-
мещены без промежутков между ними. Они ве-
дут себя в точности так же, как исходная линза.
Внизу ширина каждого сегмента уменьшена, но
поскольку геометрия оптических поверхностей
сохранена, они будут выполнять ту же функцию,
несмотря на то, что из-за уменьшения ширины
добавится небольшая дисторсия.
Примечание
Линзу Френеля издавна использовали в маяках,
поскольку она позволяла существенно умень-
шить вес очень больших стеклянных линз, фоку-
сирующих луч света.
Этот же принцип можно применить и к линзам,
у которых обе поверхности выпуклые, как пока-
зано на рис. 4.6. На практике у изображения по-
является еще больше недостатков, хотя часть из
них можно компенсировать, подобрав точную
форму линзы.
На рис. 4.7 показаны три изогнутые линзы
Френеля, которые расположены бок о бок, если
32
Статья 4
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
Устройство и принцип действия
Рис. 4.6. Принцип линзы Френеля применен к обычной линзе
с двумя выпуклыми поверхностями
смотреть сверху. На рис. 4.7-1 инфракрасные
лучи от удаленного объекта фокусируются пер-
вой линзой на правом элементе пироэлектриче-
ского датчика. На рис. 4.7-2 внешний источник
сместился в сторону, и теперь луч фокусируется
на левом элементе. На рис. 4.7-3 источник пере-
местился в зону, которая охвачена центральной
линзой Френеля, фокусирующей луч снова на
правом элементе. Меняющийся входной сигнал
приведет к срабатыванию датчика.
Пассивный инфракрасный датчик может со-
четать линзы Френеля различными способа-
ми. На рис. 4.8 показана равномерная мозаика,
которая подойдет для датчика перемещения,
Рис. 4.7. Фрагменты 1, 2 и 3 показывают, как линзы Френеля
фокусируют инфракрасное излучение от внешнего источника
на отдельных элементах пироэлектрического датчика
Рис. 4.8. Равномерная мозаика из линз Френеля
Пассивный инфракрасный датчик
33
Варианты изготовления
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
установленного на потолке и направленного
вниз. На рис. 4.9 изображен вариант, подходя-
щий для бокового перемещения и обладающий
меньшей чувствительностью к перемещениям
вверх или вниз относительно первичной коль-
цевой зоны.
Рис. 4.9. Мозаика, предназначенная для обнаружения бо-
кового перемещения. Видны бороздки на поверхности линз
Френеля
Рис. 4.10. Пассивный инфракрасный датчик, смонтированный
на небольшой плате вместе с основными компонентами
Варианты изготовления
Модули с пассивными инфракрасными датчика-
ми монтируют на небольших платах, подобных
показанной на рис. 4.10 (производится компа-
нией Parallax, Inc.). Диапазон обнаружения от 5
до 10 м, его можно выбрать при помощи пере-
мычки на плате. Три штырьковых вывода, кото-
рые видны на фотографии, предназначены для
подключения источника питания (от 3 до 6 В),
заземления и выходного сигнала. Ток на выходе
может достигать 23 мА при источнике питания
напряжением 5 В. Данный модуль потребляет
ток всего 130 мкА в режиме ожидания или 3 мА,
когда модуль активен, но не нагружен.
Для такой платы по-прежнему необходимы до-
полнительные компоненты, чтобы определять
рабочее время суток для источника излучения
или для сигнализации, а также чтобы выклю-
чить датчик в дневные часы. Доступны различ-
ные конфигурации линз, их можно приобрести
отдельно.
Пассивный инфракрасный датчик можно при-
обрести в виде отдельного компонента, кото-
рый содержит два чувствительных элемента и
полевые транзисторы для усиления сигнала. Су-
ществуют варианты для поверхностного и для
штырькового монтажа, типичное напряжение
питания лежит в пределах от 3 до 15 В.
Если покупать пассивный инфракрасный датчик
в виде отдельного компонента, то для него пона-
добится довольно сложная внешняя схема, в ко-
торую входят компараторы или операционные
усилители. Разработка такой схемы является
нетривиальной задачей, поскольку здесь воз-
никают такие проблемы, как чувствительность
операционных усилителей к скачкам напряже-
ния при срабатывании реле, подключенного
к общему источнику питания.
Более простое решение — устройство «все-
в-одном», которое содержит сенсор, линзу и
управляющую схему, как в датчике Panaso-
nic AMN31111, предназначенном для установки
34
Статья 4
пространственные характеристики > наличие объекта >
пассивный инфракрасный датчик
Что может пойти не так?
на плате. Выходного тока в 100 мкА достаточно
для срабатывания твердотельного реле. Похо-
жие датчики Panasonic обладают различными
рабочими диапазонами, чувствительностью и
напряжением питания.
Датчик AMN31111 принадлежит к серии AMN
компании Panasonic. В этой серии присутству-
ет множество комбинаций с аналоговым или
с цифровым выходом, различными формами
линз, а также с черными или с белыми линзами.
На рис. 4.11 представлен ряд линз различной
формы, взятых из технического паспорта.
Стандартный
тип
Узконаправленный
Для обнаружения
небольших
перемещений
Для обнаружения
на расстоянии
до 10 м
Что может пойти не так?
Чувствительность к температуре
В теплую погоду объекты в поле зрения пассив-
ного инфракрасного датчика будут «выглядеть»
теплее, а разность между их температурой и
температурой человеческого тела уменьшится.
Это может ухудшить рабочие характеристики
пассивного инфракрасного датчика.
Уязвимость окошка датчика
Прозрачное окошко датчика восприимчиво к
наличию загрязнений. Не прикасайтесь к этому
компоненту, если он не защищен линзами.
Воздействие влаги
Вода поглощает ближнее инфракрасное излуче-
ние. Из-за этого при конденсации влаги на лин-
зах или на детекторе рабочие характеристики
могут ухудшиться. В сильный дождь или снег
пассивный инфракрасный датчик может вообще
перестать работать.
Рис. 4.11. Четыре линзы для пассивных инфракрасных датчи-
ков из серии AMN компании Panasonic
Пассивный инфракрасный датчик
35
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
ДАТЧИК ПРИБЛИЖЕНИЯ
5
В этой статье описаны только инфракрасные, ультразвуковые и ем-
костные датчики. В данную энциклопедию не включены датчики при-
ближения, использующие изменение магнитного поля, индуктивно-
сти или другие методы определения расстояния.
Иногда датчики приближения называют датчиками расстояния.
Ультразвуковой датчик приближения также может быть назван даль-
номером или локатором»
Высокотехнологичные ультразвуковые датчики приближения по-
ставляются в виде крупногабаритных герметичных модулей, снаб-
женных кабелем, они способны отслеживать состояние производ-
ственных процессов. Подобные промышленные блоки выходят за
рамки данной энциклопедии.
Датчик, который определяет наличие какого-либо объекта, но не из-
меряет расстояние до него, рассматривается в отдельной статье как
датчик присутствия объекта (см. статью 3). Многие устройства,
которые продаются в качестве датчиков приближения или датчиков
расстояния, на самом деле не обеспечивают выдачу надежных дан-
ных о расстоянии и поэтому в данной энциклопедии рассматривают-
ся вместе с датчиками присутствия объекта.
Фототранзисторы и фотодиоды могут применяться в качестве чув-
ствительных элементов в датчиках приближения. Этим компонентам,
как датчикам света, посвящены отдельные статьи (см. статьи 22
и21).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик присутствия объекта (см. статью 3)
• пассивный инфракрасный датчик (см. статью 4)
Датчик приближения
37
Описание
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Описание
Датчик приближения измеряет расстояние до
физического объекта, который иногда называ-
ют целью. Выходной сигнал такого датчика мо-
жет быть аналоговым (напряжение), представ-
лен последовательными данными или сигналом
с широтно-импульсной модуляцией. Его можно
передать с помощью последовательного прото-
кола, такого как SPI, TTL или I2C, и сохранить в
цифровой форме в регистре, доступ к которому
осуществляет микроконтроллер по протоколу
I2C. Дополнительные подробности об этом про-
токоле приведены в приложении 1.
Обозначение на схемах
Любой из символов, изображенных на рис. 5.1,
может соответствовать датчику приближения,
но общепринятого условного обозначения нет.
Датчик может быть обозначен прямоугольни-
ком, который содержит текст с описанием его
функции.
Рис. 5.1. Два способа обозначения датчика приближения на
схеме
Варианты применения
В робототехнике датчик приближения способен
предотвратить столкновение робота с объектом
или с препятствием на его пути. Некоторые усо-
вершенствованные датчики приближения вы-
дают достаточный объем информации для того,
чтобы составить карту всего окружающего про-
странства, но подобные устройства не рассма-
триваются в этой статье.
Датчики приближения могут быть полезны в си-
стемах сигнализации, при определении уровня
жидкости в резервуарах хранения, а также в ав-
томобилях, где они подают звуковой сигнал,
когда автомобиль приближается задним ходом
к препятствию (хотя подобные устройства обыч-
но дополняют видеокамерами заднего обзора).
В портативных устройствах датчики приближе-
ния служат для определения близости руки или
лица пользователя, например для того, чтобы
отключить дисплей, когда пользователь при-
ближает телефон к лицу для разговора.
Разновидности датчиков
приближения
Этот раздел содержит три подраздела, в которых
рассмотрены датчики приближения, исполь-
зующие ультразвук, инфракрасное излучение
и электрическую емкость.
Ультразвуковой датчик
Принцип работы ультразвукового датчика при-
ближения основан на излучении коротких им-
пульсов ультразвука с последующим приемом
эхо-сигналов от объектов, расположенных пе-
ред датчиком.
Звук может создаваться при помощи пьезо-
электрического преобразователя (см. том 2)
на частоте от 30 до 50 кГц, которая находится
далеко за пределами слышимости человеческо-
го уха. Такой преобразователь может выполнять
двойную работу (как передатчик и как прием-
ник), попеременно излучая и улавливая звук.
Рядом с излучателем на небольшой монтажной
плате может быть также установлен второй пре-
образователь, который работает только как ми-
крофон. Недорогой ультразвуковой датчик при-
ближения HC-SR04 довольно популярен среди
любителей робототехники, он надежно работа-
ет в диапазоне расстояний от 2 см до 5 м.
38
Статья 5
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Образцы ультразвуковых датчиков
Плата, на которой монтируется датчик, может
содержать микроконтроллер для измерения ин-
тервала времени между испусканием импульса
и приемом эхо-сигнала. Расстояние до отра-
жающего звук объекта рассчитывается затем на
основе скорости звука в воздухе на уровне моря
(приблизительно 340 м/с).
Инфракрасный датчик
Инфракрасному датчику приближения необхо-
дим луч инфракрасного излучения от светодио-
да, который может быть встроен в детектирую-
щий модуль или смонтирован отдельно. Свет
отражается от объекта и улавливается фото-
транзистором или фотодиодом. Исходя из
величины угла, под которым приходит отражен-
ный свет, встроенная электронная схема спо-
собна вычислить расстояние до цели, исполь-
зуя метод, который известен как триангуляция
(рис. 5.2). Описанный принцип несколько упро-
щен. В реальном датчике определение величины
угла, под которым возвращается луч света, мо-
жет осуществляться с помощью линейки фото-
диодов.
Сравнительные преимущества
различных датчиков
Ультразвуковые устройства
• Как правило, более пригодны для обнару-
жения объектов, расположенных на удале-
нии более чем 1 м.
• Не подвержены влиянию прямого солнеч-
ного света, света от люминесцентных ламп,
а также от других источников, которые могут
помешать работе инфракрасных устройств.
• Более точные, зачастую способны опреде-
лять размещение объектов в пределах 5 мм.
• Способны измерять расстояние до жидких
и до прозрачных объектов, которые непрос-
то обнаружить с помощью инфракрасных
датчиков.
Инфракрасные устройства
• Конструктивно меньше по размерам, в осо-
бенности варианты для поверхностного
монтажа.
• Способны измерять расстояние до рыхлых
объектов, которые нелегко обнаружить
с помощью ультразвука.
• Более пригодны для слежения за объектами,
расположенными на расстоянии до 10 мм.
• Более доступны по цене.
Рис. 5.2. Инфракрасный датчик приближения определяет
расстояние до объекта, измеряя величину угла, под которым
отражается свет
Чтобы уменьшить риск ложного срабатывания,
свет от светодиода содержит лишь узкий инфра-
красный диапазон длин волн. Кроме того, он
модулирован по амплитуде с частотой, которую
распознает детектирующий контур в модуле.
Образцы ультразвуковых
датчиков
Датчик приближения, показанный на рис. 5.3,
недорогой и довольно популярный среди лю-
бителей робототехники. Он выпускается компа-
нией MaxSonar и снабжен одиночным пьезоэле-
ментом для излучения и для приема сигнала. По
утверждению производителя, устройство спо-
собно обнаруживать дюбель размером 6 мм на
расстоянии 1,8 м непосредственно перед собой
Датчик приближения
39
Образцы ультразвуковых датчиков
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
или дюбель размером 9 см на расстоянии 3,3 м.
Такие характеристики превосходят возможно-
сти практически всех инфракрасных датчиков.
Компания MaxSonar предлагает различные дат-
чики, которые внешне выглядят очень похоже,
но обладают различными характеристиками.
Каждый из них имеет три выхода, доступ к ко-
торым возможен одновременно: выход после-
довательных данных со скоростью передачи
9600 бит/с, выход аналогового напряжения и вы-
ход сигнала с широтно-импульсной модуляцией.
Данные на последовательном выходе имеют
формат протокола RS232 и состоят из буквы R,
за которой следуют четыре цифры в кодировке
ASCII, представляющие измеренное расстояние
в миллиметрах. Так, значение R1000 соответ-
ствует объекту, который расположен на расстоя-
нии 1 м.
Аналоговое напряжение изменяется линейно:
от 293 мВ для объекта на расстоянии 300 мм до
4885 мВ для объекта на расстоянии 5000 мм.
Выход с широтно-импульсной модуляцией вы-
дает импульсы в диапазоне от 300 мс для объек-
та на расстоянии 300 мм до 5000 мс для объекта
на расстоянии 5 м.
Описанный модуль содержит встроенный термо-
датчик, который учитывает уменьшение плот-
ности воздуха при увеличении температуры.
Доступны также датчики, которые защищены от
атмосферных влияний. Электропитание — сгла-
женное постоянное напряжение 5 В.
Датчики других производителей
Некоторые зарубежные поставщики предлага-
ют миниатюрные сдвоенные ультразвуковые
модули по весьма низкой цене. Примером яв-
ляется датчик HC-SR04, который выпускает-
ся в Малайзии компанией Cytron Technologies
(рис. 5.4).
Заявленная диаграмма направленности для пре-
образователя составляет ±15°, а указанный диа-
пазон измерений — не более 4 м. Для этого мо-
дуля необходим запускающий входной импульс
длительностью не менее 10 мс. Он вызывает ге-
нерацию восьми коротких ультразвуковых сиг-
налов на частоте 40 кГц. Модуль измеряет время
отклика, а затем выдает выходной импульс на-
пряжением высокого уровня и длительностью,
которая пропорциональна измеренному рас-
стоянию. Внешний микроконтроллер должен
определить эту длительность, а затем поделить
Рис. 5.3. Датчик МВ1003, выпускаемый компанией MaxSonar,
способен обнаруживать крупные монолитные объекты на
расстоянии до 5 м (Иллюстрация сделана на основе изобра-
жения, предложенного компанией Adafruit)
Рис. 5.4. Очень дешевый импортный датчик HC-SR04 спосо-
бен обеспечить приемлемую функциональность, когда при-
меняется с внешним микроконтроллером
40
Статья 5
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Образцы инфракрасных датчиков
ее значение на коэффициент 58, чтобы получить
расстояние в сантиметрах.
Многие онлайн-источники предлагают биб-
лиотеки с простыми программами для микро-
контроллеров Arduino или PICAXE для работы
в сочетании с датчиком HC-SR04.
Отдельные пьезоизлучатели
У многих поставщиков доступны также от-
дельные ультразвуковые пьезоизлучатели типа
приведенных на рис. 5.5. Пользователю необ-
ходимо добавить к ним электронную схему для
генерации высокочастотного импульса малой
длительности, усиления сигнала от микрофона,
измерения задержки по времени и вычисления
расстояния.
Датчик GP2Y0A60SZLF выпущен совсем недав-
но и его технический паспорт впечатляет силь-
нее прочих. На рис. 5.6 показан датчик марки
GP2Y0A21YK0F.
Компания Sharp описывает эти датчики как
устройства с аналоговым выходом. Напряжение
на выходе обратно пропорционально измеряе-
мому расстоянию. Эта зависимость проиллю-
стрирована на графике (рис. 5.7), заимство-
ванном из технического паспорта для датчика
GP2Y0A02YK0F.
Рис. 5.5. Эти компоненты онлайн-поставщик Jameco называет
«комплектующими для ультразвукового датчика 40TR12B-R».
Они могут стать основой самодельного ультразвукового дат-
чика приближения
Рис 5.6. Инфракрасный датчик приближения GP2Y0A21YKOF,
выпускаемый компанией Sharp. Фоновая сетка в миллиме-
трах
Образцы инфракрасных
датчиков
Компания Sharp выпускает четыре варианта ин-
фракрасных датчиков приближения, которые
считаются точными и простыми в применении.
Они популярны среди любителей робототехни-
ки. Приводим марки датчиков и рабочие диапа-
зоны дальности измерения:
• GP2Y0A51SK0F (от 20 до 150 мм);
• GP2Y0A21YK0F(oTl0flo80cM);
• GP2Y0A02YK0F(oT20flol50cM);
• GP2Y0A60SZLF (от 10 до 150 см).
Напряжение на выходе
ультразвукового
датчика приближения
20
40
60
80
100
120 140
Рис. 5.7. Зависимость между выходным напряжением и рас-
стоянием до цели для инфракрасного датчика приближения,
выпускаемого компанией Sharp (график заимствован из тех-
нического паспорта устройства)
Датчик приближения
41
Образцы инфракрасных датчиков
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Датчики компании Sharp способны работать от
источника напряжением 5 В и потребляют ток
около 30 мА (кроме GP2Y0A60SZLF, потребля-
ющего меньший ток). Поскольку инфракрас-
ные светодиоды функционируют в импульсном
режиме, производитель рекомендует защитить
другие компоненты, питаемые от того же ис-
точника, при помощи конденсатора емкостью
10 мкФ, подключенного к выводам подачи пи-
тания на датчик.
Тенденции развития
инфракрасных датчиков
Как и на многие другие типы датчиков, на дат-
чики приближения сильно повлияло развитие
огромного рынка портативных устройств.
Применение датчиков в мобильных устройствах
привело к следующим четырем последствиям:
• Миниатюризация — теперь инфракрасные
датчики приближения широко распростра-
нены в виде микросхем для поверхностного
монтажа размерами 5x3 мм и меньше.
• Встроенная обработка сигнала — состояние
фотосенсора может быть обработано мик-
роконтроллером, который находится в той
же микросхеме, для того чтобы определить,
что именно детектирует датчик. При такой
оценке дополнительно учитывается входной
сигнал от встроенного датчика рассеянного
света.
• Снижение стоимости - одновременно с уве-
личением сложности датчиков приближе-
ния на основе микросхем резко снизилась
их стоимость. Теперь они намного дешевле,
чем более простые устройства типа описан-
ных ранее аналоговых датчиков Sharp.
• Усложнение алгоритма функционирова-
ния — современные датчики должны быть
запрограммированы на выполнение разно-
образных сложных инструкций, а кодиро-
ванный сигнал на выходе должен интерпре-
тироваться отдельным микроконтроллером,
который запускает собственную программу.
Компенсируется ли эта сложность низкой
ценой и дополнительными функциями, -
решать разработчику или экспериментатору.
Серия микросхем Silicon Labs Sill45/46/47
обладает усовершенствованными возможно-
стями, которые необходимы для портативных
устройств. Внешний микроконтроллер обмени-
вается данными с датчиком по протоколу I2C
и способен передавать инструкции для уточ-
нения рабочего диапазона дальностей (от 1 до
50 см), для настройки аналого-цифрового пре-
образования и для распределения потребления
тока внешними светодиодами (в количестве до
3 шт.). В эту микросхему встроена возможность
обнаружения ультрафиолетового излучения
и рассеянного света. Обмен данными по про-
токолу I2C может осуществляться на скорости
до 3,4 Мбит/с. Поскольку световой сигнал при
силе тока 180 мА представляет собой импульсы,
которые длятся всего 25,6 мкс и разделены ин-
тервалом 800 мс, среднее потребление составля-
ет всего 9 мкА при питании от источника напря-
жением 3,3 В.
Примечание
Дополнительные подробности о протоколах, на-
пример о I2C, см. в приложении 1.
Производители указывают на возможность при-
менения таких датчиков не только в портатив-
ных устройствах, но и для слежения за частотой
сердцебиения, насыщением крови кислородом,
а также для управления фоновой подсветкой
дисплея. Для подобных целей необходима лишь
часть функций, заложенных в датчик, однако
его цена настолько низкая, что затраты окупят-
ся, даже если многие из возможностей окажутся
неиспользованными.
Датчики приближения, обладающие сходными
характеристиками, выпускают многие фирмы-
производители. В качестве примеров можно на-
звать модели Vishay VCNL4040 и Avago HSDL-
9100. На рис. 5.8 показаны датчики Silicon Labs
SI1145 (слева) и Avago HSDL-9100 (справа).
42
Статья 5
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Емкостный датчик приближения
При работе с подобными датчиками следует
придерживаться определенных рекомендаций.
Первая и самая очевидная такова: если исполь-
зуется внешний светодиод, то его длина волны
должна соответствовать фотодиоду в датчике.
Светодиод желательно размещать как можно бли-
же к фотодиоду, поскольку при уменьшении рас-
стояния между этими компонентами возрастает
чувствительность; однако при этом необходимо
минимизировать перекрестные помехи между
фотодиодом и светодиодом. Обычно с этой целью
между ними ставят тонкую перегородку, которая
чуть выше самого высокого компонента.
Если излучатель света и/или фотоприемник за-
щищены прозрачным стеклом или пластиковой
панелью, такая защита должна слабо влиять
в инфракрасном диапазоне волн, а ее толщину
следует выбирать в соответствии с указаниями
технического паспорта датчика. Чтобы предот-
вратить проникновение света, который отража-
ется от тыльной части панели, между светодио-
дом и панелью можно поместить тонкую мато-
вую трубку.
Датчик такого типа может быть настроен при
помощи «схемы обнаружения», т. е. при помощи
указания верхнего и нижнего пороговых уров-
ней чувствительности, которые соответствуют
вероятному объекту. Эти значения определяют-
ся методом подбора.
Емкостный датчик
приближения
Это устройство называют также емкостным
датчиком линейного перемещения. Его не следует
путать с емкостным сенсорным датчиком каса-
ния, устройством, которое предназначено для
ввода данных человеком и которому посвящена
статья 13.
Емкостный датчик приближения измеряет
расстояние до объекта, который должен обла-
дать электрической проводимостью. В отличие
от оптических или ультразвуковых датчиков
положения, для него не требуются дополнитель-
ные источники светового, звукового или друго-
го излучения. В отличие от магнитного датчика
положения, ему не нужен внешний постоянный
магнит. Он всего лишь измеряет электрическую
емкость относительно объекта.
Высокоточные емкостные датчики приближе-
ния используются главным образом в промыш-
ленном управлении процессами. Менее точные
варианты намного дешевле и могут применять-
ся в качестве датчиков присутствия объекта,
для того чтобы определять наличие какого-либо
предмета в указанных пределах. Типичный мак-
симальный радиус действия составляет 10 мм.
Для больших расстояний лучше применять
оптические или ультразвуковые датчики. На
рис. 5.9 показан ряд цилиндрических датчиков-
щупов.
Рис. 5.8. Два усовершенствованных датчика приближения,
которые предназначены для поверхностного монтажа и об-
ладают цифровым выходом. Слева: модель Silicon Labs S11145.
Справа: модель Avago HSDL-9100. Фоновая сетка в миллиме-
трах
Рис. 5.9. Несколько высокоточных емкостных датчиков пе-
ремещения, выпускаемых компанией Lion. Они помещены
внутрь цилиндрических щупов диаметром от 3 до 18 мм
Датчик приближения
43
Емкостный датчик приближения
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Варианты применения
Высокоточные варианты емкостных датчиков
широко используются при производстве различ-
ных миниатюрных устройств, например диско-
водов. Они способны также измерять вибрацию
вращающегося металлического узла, например,
вала электродвигателя, а также выполнять авто-
матическую фокусировку микроскопа.
Датчики с меньшей точностью подойдут для та-
ких задач, как подсчет объектов на конвейере.
В качестве измерителей толщины материала эти
датчики находят применение для проверки тор-
мозных роторов автомобилей, а также для кон-
троля толщины кремниевых подложек.
Устройство емкостного датчика
Если две пластины из электропроводящего ма-
териала разместить напротив друг друга, то об-
разуется конденсатор и возникает электрическая
емкость. Это означает, что пластины обладают
свойством накапливать электричество за счет
притока противоположных электрических заря-
дов к каждой из них.
Емкость конденсатора прямо пропорциональна
площади пластин и обратно пропорциональна
расстоянию между ними. На нее влияет среда,
которая находится между обкладками и называ-
ется диэлектриком.
Если площадь обкладок и диэлектрик остают-
ся постоянными, то единственным фактором,
который влияет на емкость, будет расстояние
между пластинами. Следовательно, это расстоя-
ние можно вычислить, измерив емкость.
Такое измерение можно осуществить, оценив
ток смещения, который протекает через ди-
электрик от одной обкладке к другой при подаче
импульса напряжения. Отсюда происходит ан-
глийское название такого датчика — Capacitive
displacement sensor (буквально «датчик емкост-
ного смещения»).
Примечание
Подробное объяснение понятия тока смеще-
ния включено во второе издание книги Make:
Electronics.
Сам датчик представляет собой одну из обкла-
док конденсатора, а объект играет роль проти-
воположной обкладки. Переменный ток подает-
ся в виде последовательности импульсов, а ток,
который протекает между обкладками, пропор-
ционален расстоянию между ними.
В идеальном случае объект следует заземлить.
Но, поскольку используется переменный ток,
возможно также применение емкостной связи
между объектом и источником тока, при усло-
вии, что дополнительный конденсатор обладает
емкостью не менее 0,1 мкФ.
Источники ошибок
Для увеличения точности измерений электри-
ческое поле датчика необходимо сфокусировать
на объекте, хотя некоторое рассеивание все же
останется. Датчик и объект должны соответство-
вать друг другу. Как правило, поверхность объ-
екта должна быть плоской, причем ее площадь
больше, чем площадь поверхности датчика.
На рабочие характеристики подобного датчика
может влиять влажность, поскольку она изме-
няет параметры диэлектрика. Температура так-
же может повлиять на работу датчика, отчасти
потому, что возникают небольшие изменения
размеров датчика и объекта.
Поверхности датчика и объекта должны быть
строго параллельны, поскольку в противном слу-
чае возникнет искажение силовых линий поля.
Изгиб и неровности поверхности изменяют ем-
кость, что отражается на точности измерений.
Датчики этого типа способны также измерять
толщину непроводящего материала, если такой
материал представляет собой тонкий лист, кото-
рый можно поместить между двумя датчиками.
44
Статья 5
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
Что может пойти не так при использовании
оптических и ультразвуковых датчиков приближения
В этом режиме материал листа играет роль ди-
электрика, а его толщина будет влиять на пере-
менный ток, который протекает через него.
И хотя емкостные датчики перемещения, об-
ладающие низкой точностью, не очень распро-
странены, они потенциально могут работать
как сравнительно недорогие и простые датчики
присутствия объекта, при условии, что объект
проводит электрический ток и не повреждается
при подаче слабого переменного тока с низким
напряжением.
Параметры емкостных датчиков
Высокоточный емкостный датчик приближения
обычно способен измерять расстояния от 0,25
до 10 мм с точностью не хуже 0,05 мм. Подача
высокого напряжения не рекомендуется, самое
распространенное значение — положительное
или отрицательное напряжение 15 В.
Чувствительный элемент, который часто на-
зывают зондом, обычно подключается к специ-
ально разработанному управляющему моду-
лю, который переводит измеренную величину
емкости в переменное выходное напряжение.
Чувствительность датчика выражается в милли-
метрах на вольт. Следовательно, если напряже-
ние меняется на 5 В для расстояния 1 мм, такой
датчик обеспечивает чувствительность, равную
0,2 мм/В.
Что может пойти не так при
использовании оптических
и ультразвуковых
датчиков приближения
Объект расположен слишком
близко
Поскольку оба типа датчиков приближения (уль-
тразвуковые и инфракрасные) могут содержать
излучатели, которые развернуты так, чтобы от-
слеживать область в пределах своего рабочего
диапазона, они могут «не увидеть» объект, ко-
торый находится ближе. Вследствие этого дат-
чик либо не сработает, либо может обнаружить
другой объект, который расположен дальше.
В любом случае, если такой датчик установлен
на движущемся устройстве, это устройство мо-
жет столкнуться с необнаруженным близким
объектом.
Взаимные помехи
Если два или несколько датчиков и излучателей
работают одновременно, их суммарные сигналы
могут взаимодействовать друг с другом и приво-
дить к неточным показаниям.
Неподходящие поверхности
Ультразвуковые датчики приближения предна-
значены для распознавания одиночного объ-
екта, который расположен ближе, чем другие
объекты в пределах узкого луча рассеивания.
Наличие нескольких объектов, поверхности со
сложной структурой, мягкие поверхности (на-
пример, одежда или мебель), а также необычная
конфигурация стенных перегородок могут при-
водить к неточным показаниям.
Инфракрасные датчики неспособны «увидеть»
жидкие или прозрачные объекты, а также мо-
гут по-разному оценивать расстояние в зависи-
мости от свойств поверхности. Так, например,
кожа человека является плохим отражателем,
поскольку она поглощает часть инфракрасного
излучения.
Влияние окружающей среды
Излучающая диафрагма ультразвукового пре-
образователя очень маленькая и подвижная.
Подобно любой системе, содержащей движу-
щиеся детали, она будет уязвима к воздействию
сырости или избыточной влажности, и поэтому
может потребоваться защита.
Датчик приближения
45
Что может пойти не так при использовании
оптических и ультразвуковых датчиков приближения
пространственные характеристики > расстояние >
датчик приближения
После сборки и проверки устройства в поме-
щении с контролируемыми условиями окру-
жающей среды оно может повести себя совсем
иначе, когда окажется на открытом воздухе, где
температура существенно отличается.
Ухудшение рабочих
характеристик светодиодов
Как отмечалось в разделе, посвященном дат-
чикам присутствия (см. статью 3), у светодио-
дов с течением времени постепенно снижается
световая отдача. Рабочие характеристики ин-
фракрасного датчика приближения могут ухуд-
шиться в течение нескольких лет в зависимости
от интенсивности его использования.
46
Статья 5
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО
ПОЛОЖЕНИЯ
6
Датчик линейного положения может называться также датчиком
линейного смещения или преобразователем линейного положения.
Иногда его относят к категории датчиков приближения, но в данной
энциклопедии датчики приближения характеризуются испусканием
сигнала и приемом эхо-сигнала для измерения расстояния до объ-
екта. В сравнении с ними, датчик линейного положения определя-
ет позицию объекта, который перемещается внутри неподвижного
корпуса.
Датчик присутствия объекта можно рассматривать как вариант
датчика линейного положения, однако, он всего лишь реагирует на
присутствие объекта, не измеряя его положение.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик приближения (см. статью 5)
• датчик присутствия объекта (см. статью 3)
• датчик углового положения (см. статью 7)
Описание
Для управления каким-либо механическим
устройством может требоваться точная и сво-
евременная информация о положении его под-
вижной части. Для этого можно использовать
датчик линейного положения.
Могут представлять интерес следующие три ха-
рактеристики объекта:
• положение;
• направление движения;
• скорость движения.
Как правило, датчик линейного положения из-
меряет только первый параметр. Дополнитель-
ная электронная схема может определить второй
и третий параметры, взяв за основу отсчеты для
нескольких положений объекта. Так, весьма ве-
роятно, что датчик скорости будет основан на
датчике положения, и поэтому в данной энцикло-
педии нет отдельной статьи о датчиках скорости.
Варианты применения
Среди многочисленных вариантов применения
можно назвать позиционирование роботизиро-
ванного манипулятора, изменение положения
крыла и руля направления летательного аппа-
рата, управление производственными станками
с помощью компьютера, печать на ЗБ-принтере,
а также регулировку положения сидений в авто-
мобиле.
Датчик линейного положения
47
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
Обозначение на схемах
На схемах датчик линейного положения может
быть обозначен с помощью символов, которые
предназначены для обозначения чувствитель-
ных элементов, расположенных внутри него (по-
тенциометр, светодиод, фототранзистор и др.).
Устройство и принцип
действия
В данной статье рассматриваются линейные
потенциометры, магнитные линейные энкоде-
ры, оптические линейные энкодеры и линейно-
регулируемые дифференциальные трансформа-
торы. Существуют также и другие варианты
датчиков, но они являются более специализиро-
ванными и поэтому не включены в эту статью.
В аудиотехнике применяются ползунковые по-
тенциометры, сопротивление которых может
меняться логарифмически в зависимости от
положения движка. Но компонент такого типа
обычно не используется в качестве датчика по-
ложения.
Потенциометр, работающий в качестве датчика,
обычно защищен при помощи продолговато-
го корпуса или трубки, внутри которых на гер-
метизированных подшипниках перемещается
стержень (рис. 6.2).
Малогабаритные линейные потенциометры для
определения положения выпускает компания
Bourns. Длина датчика, показанного на рис. 6.3,
составляет около 20 мм, а ход стержня, кото-
рый перемещается внутри него, — около 10 мм.
Данный компонент выпускается со значениями
Линейный потенциометр
Полное описание потенциометров приведено
в томе 1 энциклопедии.
Линейный потенциометр, который часто назы-
вают ползунковым потенциометром, содержит
электрический резистивный элемент, выпол-
ненный в виде прямой дорожки. Эта дорожка
может быть изготовлена из резистивного поли-
мера или (реже) может состоять из изолятора с
намотанной вокруг него обмоткой из нихромо-
вой проволоки.
В измерительных целях такой потенциометр
подключается как делитель напряжения, а к
концам резистивного элемента прикладывается
фиксированный потенциал (рис. 6.1).
Движок скользит вдоль дорожки и снимает на-
пряжение, которое меняется линейно в зависи-
мости от положения движка. Выходной сигнал с
движка можно напрямую подать на аналоговый
стрелочный измерительный прибор или же об-
работать с помощью аналого-цифрового преоб-
разователя.
Рис. 6.1. Линейный потенциометр может состоять из непод-
вижной дорожки, к концам которой приложено известное
напряжение, и перемещающегося движка
Рис. 6.2. Линейный потенциометр, заключенный в трубку
с герметизированными подшипниками
48
Статья 6
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
Устройство и принцип действия
Рис. 6.3. Миниатюрный линейный потенциометр. Длина кор-
пуса около 20 мм
Рис. 6.4. Когда полоска с чередующимися магнитными полю-
сами перемещается мимо датчика, он создает серию импуль-
сов, которую можно декодировать для определения относи-
тельного положения полоски
сопротивления от 1 до 50 кОм, а его номиналь-
ная мощность равна 0,125 Вт. Производитель
утверждает, что ожидаемый срок службы этого
устройства составляет 500 000 циклов.
Линейный потенциометр является простым, не-
дорогим и компактным устройством, для кото-
рого не требуется много дополнительных ком-
понентов. На дорожку обычно нанесен какой-
либо смазочный материал, однако в результате
перемещений движка неизбежно возникает из-
нос механизма. Срок службы сократится при на-
личии вибрации, а также при загрязнении или
проникновении влаги.
Примечание
Линейный потенциометр изредка могут называть
линейным потенциометрическим датчиком.
Чувствительный элемент можно назвать счи-
тывающей головкой. Если установить две голов-
ки, разделенные промежутком, который равен
половине интервала между соседними север-
ным и южным полюсами магнитной полоски,
то разность фаз между создаваемыми сериями
импульсов от этих датчиков будет сообщать ин-
формацию о направлении, в котором перемеща-
ется намагниченная полоска. Этот принцип про-
иллюстрирован на рис. ЦВ-6.5.
Магнитные линейные энкодеры
Стержень или полоску, которые содержат же-
лезо, можно намагнитить так, чтобы северные
и южные полюса располагались поочередно.
Когда такой элемент перемещается мимо оди-
ночного биполярного датчика Холла, возникает
последовательность импульсов, которую можно
обработать для получения информации о поло-
жении. Принцип действия такого компонента
показан на рис. 6.4.
Примечание
Существуют также магнитные угловые энкодеры
(см. статью 7).
Рис. ЦВ-6.5. Последовательности импульсов от датчиков
Холла А и Б показаны зеленым цветом. Зная разность фаз
между ними, можно выяснить направление перемещения
намагниченной полоски
Датчик линейного положения
49
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
Формируемая в результате последовательность
импульсов называется квадратурой, поскольку
возможны четыре варианта: А и Б оба в высо-
ком состоянии; А и Б оба в низком состоянии;
А в высоком состоянии, а Б в низком; А в низком
состоянии, а Б в высоком. Аналогичный прин-
цип используется в оптическом угловом датчике
положения (см. рис. 7.6).
Подобный датчик линейного положения часто
называют магнитным энкодером, подразумевая
то, что позиция скользящего элемента коди-
руется в виде последовательности импульсов.
Можно достичь довольно высокого разреше-
ния, поскольку северные и южные полюса на
полоске из железосодержащего материала могут
располагаться с интервалом в 2 мм. Похожий
принцип может лежать в основе оптических ли-
нейных энкодеров (см. раздел «Оптические ли-
нейные энкодеры»).
Такой датчик можно встроить в модуль, содер-
жащий аналого-цифровой преобразователь,
который будет выдавать цифровой выходной
сигнал, определяющий позицию считывающей
головки.
В абсолютном магнитном энкодере оцифро-
ванное значение положения при отключении
питания устройства может храниться в энерго-
независимой памяти. Инкрементный магнит-
ный энкодер не хранит подобную информацию
и ему требуется хотя бы один дополнительный
датчик исходного положения, чтобы определять
достижение любого из концов рабочего хода
энкодера. При подаче питания процедура ини-
циализации обеспечивает перемещение намаг-
ниченной полоски до тех пор, пока не сработает
датчик исходного положения.
Примечание
Подробности о датчиках Холла см. в разделе «Дат-
чик Холла» статьи 3.
Оптические линейные энкодеры
Принципы функционирования оптического и
магнитного линейных энкодеров почти иден-
тичны. Но в оптическом энкодере используется
дифракционная решетка в сочетании с источни-
ком света и таким приемником, как фототран-
зистор или фотодиод, который играет роль
считывающей головки. Этот принцип проиллю-
стрирован на рис. 6.6. Дифракционную решетку
могут называть кодирующей дорожкой.
Рис. б.б. В оптическом линейном энкодере использован тот
же принцип, что и в магнитном
Подробные сведения о фототранзисторах приве-
дены в статье 22, о фотодиодах — в статье 21.
Как пример недорогого оптического линейного
энкодера можно назвать серию датчиков Avago
HEDS-9, которые состоят из подковообразно-
го модуля, в одном плече которого расположен
светодиод, а в другом — матрица из фотодиодов.
Когда между ними перемещается кодирующая
дорожка, модуль вырабатывает две последова-
тельности импульсов от внутренних компара-
торов. Эти последовательности различаются по
фазе на 90°, что позволяет определить направ-
ление перемещения кодирующей дорожки.
Ширина корпуса описанных датчиков составля-
ет около 10 мм, и они предназначены для считы-
вания штрихов, чередующихся с частотой от 1,5
до 7,87 линий на миллиметр. Частота сигнала на
выходе может достигать 20 кГц. Нагрузочный
резистор не нужен, поскольку в датчик встроен
резистор 2,5 кОм.
50
Статья 6
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
Устройство и принцип действия
Примечание
В подобных датчиках может применяться коди-
рующий диск, и в этом случае модуль регистри-
рует вращение вместо линейного перемещения.
Это подробно описано в разделе, посвященном
датчикам углового положения (см. статью 7).
Варианты применения
линейных энкодеров
Оптические или магнитные линейные энкодеры
можно встретить в лабораторном оборудовании,
станочных системах и промышленных роботах.
Средняя наработка на отказ может составлять
от 100 000 до 1 000 000 часов. Оптические энко-
деры следует герметизировать для обеспечения
хорошей защиты от пыли и загрязнений.
Центральная катушка индуктивности является
первичной обмоткой, на которую подается пе-
ременный ток с частотой от 2 до 50 кГц в зави-
симости от варианта применения. (Эта частота
должна быть, по меньшей мере, в 10 раз боль-
ше максимальной частоты перемещения яко-
ря.) Железный якорь крепится на немагнитном
стержне. Выходной сигнал датчика снимается
с вторичных обмоток.
И хотя возможны различные варианты подклю-
чения, самая распространенная электрическая
схема приведена на рис. 6.8. Вторичные обмот-
ки соединены встречно. В результате фаза вы-
ходного сигнала при перемещении якоря через
весь диапазон рабочего хода меняется на 180°.
Линейно-регулируемые
дифференциальные
трансформаторы
Датчики этого типа, который в англоязычной
литературе часто сокращают до LVDT (Linear
Variable Differential Transformer), обычно при-
меняют в промышленных условиях, когда не-
обходима высокая надежность в тяжелых усло-
виях эксплуатации. Как пример можно привести
паровые клапаны или устройства, управляющие
ядерным реактором. Благодаря надежной кон-
струкции и отсутствию трения возможны и дру-
гие варианты использования, а также производ-
ство под специальные нужды.
На рис. 6.7 проиллюстрирован принцип дейст-
вия подобного датчика. Три катушки индуктив-
ности намотаны друг за другом на трубку из
немагнитного материала, которая помещена
внутрь другой трубки, из такого же материала.
Эти катушки выступают в роли обмоток транс-
форматора с переменным коэффициентом пе-
редачи по напряжению, который задается по-
ложением сплошного железного якоря, сколь-
зящего внутри трубки.
Рис. 6.7. Внутреннее устройство линейно-регулируемого
дифференциального трансформатора. Напряжение, возника-
ющее во вторичных обмотках, зависит от положения скользя-
щего железного якоря
Датчик линейного положения
51
Что может пойти не так?
пространственные характеристики > расстояние >
датчик линейного положения
Что может пойти не так?
овыи
лктор
выходной
сигнал
постоянного тока
:>атор
Механический износ
В любом механизме, где есть скольжение, будет
возникать трение, в результате которого проис-
ходит изнашивание, приводящее к появлению
зазоров и снижению точности. Оптические си-
стемы, кроме того, уязвимы к пыли и загрязне-
ниям.
Рис. 6.8. Типичная электрическая схема включения линейно-
регулируемого дифференциального трансформатора
Фазовый детектор реагирует на разность фаз и
вырабатывает выходной сигнал постоянного
тока, величина которого изменяется при пере-
мещении якоря. Все функции, которые пока-
заны на схеме, выполняет одна интегральная
микросхема.
Образец линейно-регулируемого дифференци-
ального трансформатора показан на рис. 6.9.
Ограниченный срок службы
светодиода
Если светодиод постоянно находится во вклю-
ченном состоянии, то через несколько лет его
световая отдача снизится. Это уменьшит срок
службы датчика.
.ptgf
Рис. 6.9. Внешний вид линейно-регулируемого дифференци-
ального трансформатора
52
Статья 6
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
ДАТЧИК УГЛОВОГО
ПОЛОЖЕНИЯ
7
Альтернативные термины для датчика углового положения —
датчик вращения (rotary sensor), датчик положения при вращении
(rotational position sensor), датчик угла поворота (angular position sen-
sor) и датчик угла (angle sensor).
Англоязычные термины, относящиеся к вращению (rotary и rotation-
al), взаимозаменяемы. В данной статье употребляется тот термин,
который наиболее распространен для определенного применения.
Например, «датчик положения при вращении» ("rotary position sensor)
и «поворотный энкодер» (rotational encoder).
Существует ряд датчиков, которые измеряют скорость вращения, но,
как правило, датчик скорости вращения получает информацию от
датчика углового положения. Поэтому в данной энциклопедии нет
отдельной статьи об измерении скорости вращения.
Поворотный энкодер также можно использовать как датчик углово-
го положения. Он вкратце упомянут здесь, а более подробно описан
в томе 1 энциклопедии в статье, посвященной переключателям.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик линейного положения (см. статью 6)
Описание
Для управления механическим устройством
может потребоваться точная и своевременная
информация об ориентации вращающегося
узла устройства. Для этого предназначен датчик
углового положения.
Такой датчик способен измерить три характери-
стики:
• угловое положение;
• направление вращения;
• скорость вращения.
Обычно датчик углового положения измеряет
только первую характеристику. Для вычисле-
ния второй и третьей характеристик требуется
дополнительная электронная схема, которая
обрабатывает несколько показаний углового
положения. Таким образом, датчик скорости
будет основан на датчике положения, и поэтому
в энциклопедии нет отдельной статьи о датчи-
ках скорости.
Варианты применения
В робототехнике датчик углового положе-
ния широко используется для определения
Датчик углового положения
53
Потенциометры
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
ориентации манипулятора или опорной стоики.
Он может служить также концевым выключате-
лем в электроприводе.
В число специализированных вариантов при-
менения входят: позиционирование солнечных
батарей, дистанционное управление пилотируе-
мыми аппаратами, наведение на курс и навига-
ция, регулировка направления антенны, а также
управление ветряным двигателем.
Импульсы от датчика углового положения по-
зволяют измерять скорость вращения в транс-
портных средствах, промышленных процессах
и авиации. Миниатюрные датчики скорости
вращения встроены в такие устройства, как вен-
тиляторы охлаждения и компьютерные жесткие
диски.
Условное обозначение на схемах
На электрических схемах датчик углового поло-
жения может быть представлен символами чув-
ствительных элементов, которые расположены
внутри него (потенциометр, светодиод, фото-
транзистор и др.).
Потенциометры
В датчиках углового положения могут исполь-
зоваться обычные и многооборотные потенцио-
метры. Основную информацию о потенцио-
метрах можно найти в томе 1 энциклопедии
в статье, описывающей эти компоненты.
Поворотный потенциометр
с дуговой дорожкой
Поворотный потенциометр с дуговой дорожкой
часто называют просто потенциометром, по-
скольку такой тип компонента более распро-
странен, чем многооборотный или линейный.
При работе в качестве датчика он может изме-
рять угол, не превышающий 360°.
Этот компонент содержит резистор в форме
дуги, которую называют дорожкой. Она может
представлять собой полоску резистивного поли-
мера или (реже) состоять из изолятора, вокруг
которого намотаны витки нихромовой прово-
локи.
В измерительных целях этот потенциометр под-
ключают как делитель напряжения, подавая
фиксированный потенциал к концам дорожки,
как показано на рис. 7.1. Движок скользит по
дорожке, снимая напряжение, которое линейно
меняется в зависимости от углового положе-
ния движка. Выходной сигнал с движка можно
подать напрямую на аналоговый стрелочный
измерительный прибор или обработать с по-
мощью аналого-цифрового преобразователя.
В аудиоустройствах поворотный потенциометр
с дуговой дорожкой может обладать сопротив-
лением, которое изменяется логарифмически
в зависимости от положения движка. Однако
компонент такого типа обычно не используют
в качестве датчика положения.
Недорогие потенциометры традиционно при-
менялись в стереосистемах в качестве регулято-
ров громкости или тембра. Если потенциометр
предназначен для работы в качестве датчика,
I r
Рис. 7.1. Потенциометр с дуговой дорожкой состоит из непод-
вижной дорожки в виде дуги, к концам которой приложено
известное напряжение, а также из перемещающегося движка
54
Статья 7
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Магнитный датчик углового положения
он будет сконструирован более прочно и луч-
ше защищен от воздействия пыли, загрязнений
и влаги. Его преимущества — простота, низкая
стоимость, компактность и малое количество
дополнительных компонентов.
Главный недостаток заключается в том, что,
несмотря на наличие смазочного вещества на
дорожке, постепенно возникает некоторый из-
нос в результате трения движка. Срок службы
снижается еще сильнее при наличии вибрации,
а также воздействии пыли или влаги.
Концевые ограничители
Потенциометр с дуговой дорожкой обычно
снабжен концевыми ограничителями, чтобы
предотвратить проскакивание движка за преде-
лы дорожки. Как правило, эти ограничители
допускают вращение в пределах приблизитель-
но 300°.
Некоторые потенциометры с дуговой дорожкой
допускают вращение без ограничения. Как при-
мер можно назвать серию Bourns 6639, хотя при
этом движок все равно проходит через «мертвую
зону» в 20° между началом и концом дорожки.
Потенциометр такого типа подойдет в качестве
датчика углового положения флюгера.
Рис. 7.2. Многооборотный потенциометр. Каждая пара ле-
пестков для пайки подключена внутри к одному из концов
спиральной дорожки. Меньший лепесток, расположенный
в дальнем конце, подключен к движку
печатной плате, чтобы обеспечить возможность
настройки или калибровки, часто во время про-
изводства, тоже представляет собой разновид-
ность многооборотного. Подстроечные рези-
сторы такого типа содержат червячную переда-
чу, которая входит в зацепление с прямозубой
цилиндрической зубчатой передачей внутри
компонента. Движок установлен на прямозубой
передаче. Этот компонент не применяется как
датчик, но упомянут здесь, чтобы избежать не-
ясности, поскольку именно его обычно называ-
ют «многооборотным потенциометром».
Многооборотный потенциометр
Если дорожку потенциометра выполнить в виде
спирали (которая напоминает обмотку катуш-
ки), то движок при вращении сможет совершить
несколько оборотов. Движок вращается внутри
дорожки и следует по ее контуру. Потенциометр
такого типа тоже калибруется в градусах, следо-
вательно, 10-оборотный компонент может обе-
спечить электрический ход около 3600°.
Внешний вид многооборотного потенциометра
показан на рис. 7.2.
Обычный подстроечный резистор — небольшой
потенциометр, который можно смонтировать на
Магнитный датчик
углового положения
Современный магнитный датчик углового по-
ложения внешне может выглядеть во многом
подобно потенциометру с дуговой дорожкой.
Внутри же к основанию вала прикреплен по-
стоянный магнит, а непосредственно под ним
в нижней части корпуса на небольшой печатной
плате монтируется один или несколько датчи-
ков Холла. Конструкция устройства схематично
приведена на рис. 7.3. Дополнительную инфор-
мацию о датчиках Холла можно найти в разделе
«Датчик Холла» статьи 3.
Датчик углового положения
55
Поворотные энкодеры
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
службы устройства составляет 50 миллионов по-
воротов вала. Недостаток — слаботочный выход,
ограниченный значением 10 мА. Максимальная
скорость вращения вала составляет 120 оборо-
тов в минуту.
Рис 7.3. Упрощенная конструкция магнитного датчика угло-
вого положения
Магнитный датчик углового положения отно-
сится к бесконтактным датчикам. Два изобра-
жения одного датчика приведены на рис. 7.4.
Датчик AMS22, изображенный на рис. 7.4, выда-
ет аналоговый сигнал с номинальным напряже-
нием от ОД до 4,9 В при питающем напряжении
5 В. Бесконтактный датчик такого типа будет
стоить в три-четыре раза дороже, чем обычный
потенциометр, но у него есть главное преиму-
щество — по утверждению производителя срок
Микросхемы для определения
углового положения
Микросхемы, установленные в магнитном дат-
чике углового положения, продаются в виде
отдельных компонентов, причем многие из
них обладают дополнительными функциями.
Так, например, угловой магнитный энкодер
АМ8192В, выпускаемый компанией RLS, пред-
ставляет собой 44-контактную микросхему для
поверхностного монтажа, которая содержит
датчики Холла, определяющие ориентацию по-
стоянного магнита над или под микросхемой.
На различных выходах микросхемы присут-
ствует такая информация, как синус или косинус
угла поворота, инкрементные импульсы, а так-
же оцифрованный выходной сигнал в формате
интерфейса SPI.
Рис. 7.4. Два изображения магнитного датчика углового
положения Bourns AMS22
Поворотные энкодеры
Многие датчики углового положения выдают
значение угла поворота в виде выходного сигна-
ла, состоящего из последовательности импуль-
сов или закодированного каким-либо образом.
Такие датчики называются поворотными это-
дерами. (Линейные энкодеры тоже существуют;
см. раздел «Магнитные линейные энкодеры»
статьи 6.)
Простейший вариант этого компонента — ме-
ханический энкодер, который состоит из двух
небольших электромеханических переключа-
телей, которые попеременно замыкаются по-
средством зубчатого колеса, установленного на
вращающемся вале. Этот компонент подробно
описан в томе 1 энциклопедии, где он отнесен
к одной из разновидностей переключателя.
Благодаря низкой стоимости и простоте такой
56
Статья 7
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Поворотные энкодеры
энкодер часто применяется в качестве органа
управления в автомобильных магнитолах и не-
больших стереосистемах. Однако срок службы
его переключателей ограничен, и к тому же он
создает «зашумленный» выходной сигнал, для
которого необходимо устранение дребезга кон-
тактов, если к датчику подключается логиче-
ская микросхема или микроконтроллер. Как
правило, в программном коде микроконтрол-
лера заложена пауза длительностью до 50 мс,
чтобы позволить контактам переключателя
«успокоиться» (хотя некоторые производители
утверждают, что для этого хватает всего 5 мс).
Часто поворотным энкодером называют только
механическое устройство, несмотря на суще-
ствование оптических и магнитных энкодеров,
рассмотренных далее. Можно принять за общее
правило, что компонент, который назван про-
сто поворотным энкодером, вероятно, содержит
электромеханические переключатели.
Оптические поворотные
энкодеры
Компонент такого типа работает по тому же
принципу, что и оптический линейный энкодер,
рассмотренный в разделе «Оптические линейные
энкодеры» статьи 6. Отличие состоит в том, что
в нем вместо кодирующей полоски установлен ко-
дирующий диск. Как правило, кодирующий диск
поставляется производителем того компонента,
для которого он предназначен. Просветный ко-
дирующий диск показан на рис. 7.5. Расстояние
между источником света и приемником увели-
чено для наглядности схемы.
В некоторых оптических поворотных энкоде-
рах используется отражательный кодирующий
диск. В этом случае на диске чередуются секции,
которые поглощают свет или отражают его, а ис-
точник света и приемник располагаются с одной
стороны по отношению к диску.
При наличии только одного источника и при-
емника света последовательность импульсов от
Рис. 7.5. Работающий на просвет кодовый диск, который при-
меняется в оптическом поворотном энкодере
датчика позволяет выяснить, на сколько шагов
повернулся диск относительно своего предыду-
щего положения.
Одиночный датчик не может указывать направ-
ление вращения, но если добавить вторую пару
«источник-приемник», отстоящую по фазе на
90° от первой, то микроконтроллер по разно-
сти фаз между последовательностями импуль-
сов сможет определить направление вращения
диска. Этот принцип проиллюстрирован на
рис. 7.6. Одна пара «источник-приемник» на-
ходится в положении А, а другая - в положе-
нии Б. Результирующие последовательности
импульсов для вращения диска по часовой
стрелке и против часовой стрелки показаны
зеленой линией. Такая комбинация последова-
тельностей импульсов называется квадратурой,
поскольку в ней присутствуют четыре возмож-
ных варианта состояний: А и Б оба высокие;
А и Б оба низкие; А высокое, а Б низкое; А низ-
кое, а Б высокое.
Примечание
Аналогичный принцип проиллюстрирован на
рис. 6.5 для магнитного датчика линейного по-
ложения.
Датчик углового положения
57
Поворотные энкодеры
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Рис, 7.6. Когда две пары «источник-приемник» установлены
в положениях А и Б, разность фаз между их последователь-
ностями импульсов содержит информацию о направлении
вращения диска
В альтернативной системе с квадратурным вы-
ходом для оптического поворотного энкодера
на диске выполнены две дорожки с одинаковым
числом секций, но смещенные относительно
друг друга на половину интервала.
Следует помнить, что любая система, которая
определяет относительное вращение диска, но
не может измерить его абсолютное угловое по-
ложение, является инкрементным датчиком.
Образцы поворотных энкодеров
В высокотехнологичных оптических поворот-
ных энкодерах могут применяться диски, на
которых находится до 600 непрозрачных и про-
зрачных сегментов, что обеспечивает исклю-
чительно высокую точность. Такие устройства
в данной энциклопедии не рассматриваются.
По умеренным ценам доступны оптические эн-
кодеры, которые приводятся в действие с по-
мощью вала, внешне они очень напоминают
потенциометры. Обычно они снабжены четырь-
мя контактами: одна пара предназначена для
подачи питания и заземления, а вторая - для
квадратурного выхода от двух внутренних дат-
чиков, обозначаемых в технических паспортах
буквами А и В. Некоторые энкодеры содержат
также выключатель, который срабатывает при
нажатии на вал; в этом случае будут присутство-
вать два дополнительных контакта.
Компания Bourns — ведущий производитель эн-
кодеров такого типа. В качестве примера можно
привести модель ЕМ14, которая смонтирова-
на внутри прямоугольного корпуса размером
14 мм. Устройство питается от источника на-
пряжением 5 В и выдает импульсы, амплитудой
не менее 4 В, разделенные интервалами с на-
пряжением не более 0,8 В. Выпускаются вари-
анты с числом импульсов на оборот от 8 до 64.
Энкодер такого типа предназначен для аудио-
устройств и обладает максимальной скоростью
вращения 120 оборотов в минуту.
Образец оптического поворотного энкодера, вы-
пускаемого в Германии, показан на рис. 7.7. Его
разрешение составляет 25 импульсов на оборот.
Размеры корпуса приблизительно 19x25 мм.
Напряжение питания может составлять 3,3 или
5 В.
Оптические поворотные энкодеры такого типа
стоят (на момент написания книги) приблизи-
тельно в пять раз дороже механических, однако
их долговечность и стабильные выходные сиг-
налы делают их привлекательной альтернати-
вой, а цена может со временем снизиться.
Энкодеры, подобные компонентам из серии
Avago HEDS-9, поставляются без корпуса и для
58
Статья 7
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Поворотные энкодеры
Рис. 7.7. Компактный инкрементный оптический поворотный
энкодер из серии MRB25, выпускаемой компанией Megatron
ElektronikAG&Co
Устройство компьютерной мыши
Первоначальная конструкция компьютерной
мыши с резиновым шариком содержала два
оптических поворотных энкодера, расположен-
ных под прямым углом друг к другу. В каждом из
них был установлен просветный кодовый диск.
Вращающийся шарик поворачивал кодовые
диски при перемещении мыши по поверхности
рабочего стола, а расположенная внутри мыши
электронная схема преобразовывала выход-
ные сигналы энкодеров в последовательность
импульсов, которую интерпретировал компью-
тер. На рис. 7.9 показаны эти основные компо-
ненты.
них необходима сборка на основе кодового дис-
ка, поставляемого производителем. Дополни-
тельная информация приведена на рис. 6.6.
Более простой оптический поворотный энко-
дер, показанный на рис. 7.8, выпускается ком-
панией Cytron Technologies в виде комплекта из
оптического прерывателя, смонтированного на
небольшой плате, и отдельного кодового диска с
выемками. Этот недорогой датчик предназначен
для применения в самодельной робототехнике.
Дополнительную информацию об оптических
прерывателях можно найти в статье 3 в разде-
ле, посвященном датчикам присутствия объ-
екта (см. рис. 3.3).
Рис. 7.9. Устройство компьютерной мыши. Цифрами обозна-
чены: 1 — направление вращения шарика; 2 — валик, при-
касающийся к шарику; 3 — оптический кодовый диск с от-
верстиями; 4 — инфракрасный светодиод, который светит
сквозь второй кодовый диск; 5 — датчик, регистрирующий
импульсы света (Автор рисунка — Jeremy Kemp, источник —
ресурс Wikimedia Commons)
Рис. 7.8. Составные части оптического энкодера для приме-
нения в самодельной робототехнике
Оптическая мышь устроена по-другому: в ней
монохромное изображение поверхности стола
проецируется на оптическую матрицу, которая
работает подобно датчику-фотокамере с очень
низким разрешением. Электронная схема реги-
стрирует смещение изображения при перемеще-
нии мыши.
Датчик углового положения
59
Поворотные энкодеры
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Скорость вращения
Инкрементные поворотные энкодеры, которые
выдают лишь относительные значения, под-
ходят для многих ситуаций, в особенности при
измерении скорости вращения, когда микро-
контроллер сравнивает последовательность
импульсов от датчика с эталонной частотой
и может обеспечить обратную связь, чтобы
управлять скоростью вращения электродвига-
теля. Это удобно, если используется шаговый
двигатель или когда электродвигатель постоян-
ного тока управляется посредством широтно-
импульсной модуляции (см. статьи об элек-
тродвигателях в томе 1).
Зубчатые колеса или намагниченные диски
широко применяются для измерения скорости
вращения самых разных устройств, начиная
от автомобильной трансмиссии и заканчивая
жесткими дисками компьютеров. И хотя можно
добавить второй датчик для определения на-
правления вращения, информацию об абсолют-
ной ориентации узла таким способом получить
не удастся.
Датчики абсолютного углового
положения
Если датчик оснащен энергонезависимой па-
мятью, то в ней можно хранить данные о поло-
жении диска в период от одной рабочей сессии
до другой. Этого вполне достаточно для простых
задач, например, для регулятора громкости в ав-
томобильной магнитоле или в стереосистеме.
В альтернативном варианте дополнительное
окошко в оптическом диске может обеспечивать
срабатывание датчика исходного положения.
При подаче питания на устройство диск повора-
чивается до тех пор, пока не срабатывает датчик
исходного положения; с этого момента ориента-
ция диска становится известной и поступающие
затем импульсы от датчиков вращения будут до-
бавляться к угловой величине или вычитаться
из нее.
Импульс, который генерируется датчиком ис-
ходного положения, может называться в техни-
ческих паспортах опорным или индексным сигна-
лом. На заре развития персональных компьюте-
ров каждая дискета диаметром 5,25 дюйма была
снабжена индексным отверстием именно для
этой цели.
Код Грея
Для повышения надежности при определении
абсолютного положения оптического диска его
можно разделить на несколько концентрических
дорожек, каждая из которых содержит различ-
ную кодовую последовательность и предназначе-
на для своего источника света и фотодетектора.
Детекторы располагаются вдоль радиуса, чтобы
сканировать диск при его вращении. Поскольку
каждый детектор либо выдает сигнал, либо нет,
выходной сигнал от группы детекторов можно
представить в виде двоичного числа.
На рис. 7.10 показаны двоичные коды от 0000 до
1111, которые соответствуют десятичным чис-
лам от 0 до 15. Белый квадрат обозначает цифру
«1», а черный соответствует цифре «0».
На рис. 7.11 изображен пример разметки кодо-
вого диска. Красными кружками обозначено
размещение четырех неподвижных детекторов
света, которые начинают работу со считывания
Рис. 7.10. Двоичные коды от 0000 до 1111; белым цветом обо-
значены единицы, а черным — нули
60
Статья 7
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Поворотные энкодеры
числа 0000, поскольку они находятся напро-
тив непрозрачных участков диска. Если теперь
диск совершит 1/16 часть от полного поворота
в направлении, указанном стрелкой, детекторы
зарегистрируют число 0001. Если диск продол-
жит вращение, детекторы будут вести отсчет
в двоичной системе вплоть до числа 1111, а за-
тем последовательность повторится.
Проблема такой конструкции заключается в том,
что небольшие погрешности при производстве,
а также другие изъяны могут привести к тому,
что некоторые детекторы света будут при вра-
щении диска откликаться чуть раньше других.
Это будет происходить в тех переходных зонах
диска, где два или несколько соседних сегментов
меняют прозрачность. Так, например, при пере-
ходе от ООН к 0100 возможны промежуточные
значения 0010,0001,0111, ОНО или 0101. И хотя
эти значения появятся на очень короткое время,
они могут привести к срабатыванию электрон-
ных схем.
Чтобы устранить эту проблему, можно восполь-
зоваться другой кодовой последовательностью,
в которой при переходе к следующему значению
разрешается изменение состояния только для
одного из четырех датчиков. Такая последова-
тельность называется кодом Грея, он свободен
от ошибок, вызванных одновременными пере-
ходами. Код Грея показан на рис. 7.12.
Рис. 7.11. Двоичная последовательность применена к раз-
метке кодового диска в виде непрозрачных и прозрачных об-
ластей. Красными кружками обозначены детекторы света
Рис. 7.12. Код Грея, который допускает изменение лишь
одной двоичной цифры при переходе от одного значения
к следующему
Магнитные поворотные энкодеры
Если железосодержащий диск обладает магнит-
ной поляризацией в нескольких областях, то его
вращение можно регистрировать с помощью
датчика Холла во многом подобно тому, как ра-
ботают излучатели и приемники света с диском,
разграниченным на прозрачные и непрозрачные
участки. Это проиллюстрировано на рис. 7.13,
где голубыми и пурпурными полосками обо-
значены, соответственно, северные и южные
магнитные полюсы. Сведения о датчиках Холла
приведены в разделе «Датчик Холла» статьи 3.
Можно добавить еще один датчик Холла, по-
местив его со сдвигом по отношению к первому,
как показано на рис. 7.14. И снова разность фаз
между последовательностями импульсов мож-
но использовать для определения направления
вращения.
Как альтернативный вариант можно применить
зубчатое колесо, показанное на рис. 7.15.
Датчик углового положения
61
Использование поворотных энкодеров
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Рис. 7.13. Датчик Холла может определять вращение диска,
который разграничен на несколько областей с северными и
южными магнитными полюсами
Еще один вариант — установить два магнита
на немагнитном диске, поместив датчик Холла
в его центре. Если такой датчик выдает анало-
говый сигнал, то напряжение будет плавно ме-
няться между положительными и отрицатель-
ными значениями относительно напряжения
питания. Как вариант можно использовать би-
полярный датчик Холла, чтобы обеспечить дво-
ичный выход. Этот принцип проиллюстрирован
на рис. 7.16. Преимущество такой конфигурации
состоит в том, что она дает приблизительную
информацию об абсолютном положении диска.
Два таких магнита будут выдавать линейные
выходные сигналы в диапазоне вращения при-
близительно 30°. За счет дополнительных маг-
нитов или датчиков можно сформировать более
сложный выходной сигнал, который подать на
микроконтроллер для дальнейшей обработки.
Рис. 7.14. Направление вращения диска можно узнать из раз-
ности фаз между последовательностями импульсов от двух
датчиков Холла
Использование
поворотных энкодеров
Оптический поворотный энкодер прекрасно
подходит для подключения к микроконтролле-
ру, программное обеспечение которого может
Рис. 7.15. Датчики Холла срабатывают при вращении зубча-
того колеса с намагниченными зубьями
62
Рис. 7.16. Датчик Холла может определять угол поворота
кольца, в котором установлены два магнита
Статья 7
пространственные характеристики > ориентация >
датчик углового положения
Что может пойти не так?
считать импульсы, сравнивать последовательно-
сти или интерпретировать код Грея. После этого
микроконтроллер выполняет соответствующее
действие. Если, например, поворотный энкодер
служит для управления коэффициентом уси-
ления в аудиоусилителе, то микроконтроллер
определит направление и угол поворота энкоде-
ра, а затем изменит сопротивление цифрового
потенциометра (см. том 1).
Существуют интегральные микросхемы, кото-
рые переводят последовательность квадратур-
ных сигналов в двоичный сигнал, что позволяет
избежать непростой работы по созданию про-
граммы для микроконтроллера. Как пример
можно назвать микросхему LS7183, выпускае-
мую компанией LSI Computer Systems.
Что может пойти не так?
Неправильное подключение
Если для определения направления вращения
поворотного энкодера используются два дат-
чика, причем их выходы случайно поменяли
местами, то такой компонент будет работать,
но определенное им направление вращения ока-
жется противоположным истинному.
Неподходящая программа
обработки
Программа микроконтроллера, которая интер-
претирует квадратурные сигналы, должна ра-
ботать достаточно быстро, чтобы успевать за
потоками импульсов. Если микроконтроллер
выполняет другие задачи, может понадобиться
прерывание на обработку данных о вращении.
Существенных проблем не возникает, если дан-
ные поступают сравнительно медленно (на-
пример, от регулятора, поворачиваемого чело-
веком). Однако для энкодера, который приво-
дится в действие электродвигателем, лучшей
альтернативой может стать аппаратный подсчет
импульсов.
Неоднозначность терминологии
Поворотные энкодеры часто называют прос-
то энкодерами, поскольку они более распрост-
ранены, чем линейные энкодеры. При поиске
какого-либо энкодера тщательно сверяйтесь
с документацией, чтобы уяснить, с каким типом
устройства вы имеете дело.
Датчик углового положения
63
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
ДАТЧИК НАКЛОНА
Термин датчик наклона применяется в данной статье для электроме-
ханического переключателя, а детектором наклона назван компо-
нент, который содержит электронную схему. Далее описаны устрой-
ства обоих типов.
Опрокидывающийся переключатель очень похож на датчик накло-
на и основан на тех же принципах. Поэтому он включен в данную
статью.
Некоторые производители в технических паспортах называют датчи-
ки наклона датчиками уклона. Иногда в каталогах поставщиков из
Азии датчики наклона названы breakover switches.
Акселерометр также способен измерять угол относительно направ-
ленной вниз силы притяжения, но он обладает дополнительными
возможностями. Поэтому в данной энциклопедии ему отведена от-
дельная статья.
Уклономер (или инклинометр) измеряет уклон, или положительный
наклон от точки наблюдения до вершины такого объекта, как, напри-
мер, здание или дерево. Зная этот угол, можно определить высоту
объекта. Клинометр способен также измерять отрицательный на-
клон. Эти измерительные устройства являются многофункциональ-
ными по сравнению с датчиками и не включены в данную энцикло-
педию.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
акселерометр (см. статью 10)
датчик вибрации (см. статью 11)
8
Датчик наклона 65
Описание
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Описание
Существуют три основных типа датчиков на-
клона.
1. С одной осью и одиночным выходом. Этот
датчик реагирует на наклон вокруг одной
оси, горизонтальной относительно направ-
ленной вниз силы гравитации.
2. С двумя осями и двойным выходом. Этот
датчик содержит два чувствительных эле-
мента, расположенных под углом 90° друг
к другу. Выходной сигнал каждого из них
определяется углом наклона по вертикали
относительно оси.
3. С двумя осями и одиночным выходом. Оди-
ночный датчик реагирует на отклонение от
вертикали относительно любой горизон-
тальной оси.
Датчик наклона обычно принадлежит к третье-
му типу и определяется здесь как устройство,
содержащее электромеханический или элек-
тронный переключатель, который размыкает
или замыкает соединение. Большинство таких
переключателей являются однополюсными на
одно направление, нормально разомкнутыми
или нормально замкнутыми. Меньшая часть —
двухполюсные переключатели на два направ-
ления.
Рис 8.1. Датчик наклона CW1300, выпускаемый компанией
Comus Global
Опрокидывающийся переключатель принадле-
жит к типу датчиков наклона, рассчитанных на
сильный ток; он отключает подачу питания от
такого устройства, как электронагреватель, ког-
да опрокидывается.
В данной энциклопедии детектором наклона на-
зывается электронный компонент, в противопо-
ложность электромеханическому. Это различие
часто соблюдается и в технических паспортах,
но не всегда.
Условное обозначение на схемах
Ни для одного из вариантов датчика наклона нет
общепринятого условного графического обо-
значения. На схемах он может быть представлен
символом переключателя.
Устройство
и принцип действия
Поскольку датчик наклона является более про-
стым устройством, чем детектор, он будет рас-
смотрен в первую очередь.
Самая распространенная конструкция такого
переключателя состоит из цилиндрического
корпуса, изготовленного из металла или пласти-
ка, часто размером 5x15 мм, который содержит
два стальных шарика, которые могут быть нике-
лированными или позолоченными. Когда пере-
ключатель наклоняется, шарики скатываются
вниз, причем расположенный ниже замыкает
электрическое соединение между двумя кон-
тактами или между одиночным контактом и ме-
таллическим корпусом переключателя. Второй
шарик добавлен для увеличения веса и гашения
вибрации первого шарика.
На рис. 8.1 показан переключатель, выпускае-
мый компанией Comus Global, с рабочим то-
ком 0,25 А при максимальном напряжении 60 В
переменного или постоянного тока. Корпус
переключателя имеет размеры около 10x5 мм,
66
Статья 8
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Устройство и принцип действия
Рис. 8.2. Устройство переключателя CW1300. Иллюстрация
выполнена на основе чертежа, приводимого производите-
лем. Нижний вывод приварен к оболочке датчика. Выводы
могут быть вставлены в отверстия печатной платы
а сам переключатель срабатывает, когда угол
наклона становится равным -10° относитель-
но горизонтали. При угле наклона +10° пере-
ключатель возвращается в исходное состояние.
Внутреннее устройство такого датчика приведе-
но на рис. 8.2.
На рис. 8.3 показаны три распространенные
конструкции типичного датчика наклона. Верх-
ний переключатель снабжен аксиальными вы-
водами и имеет металлическую оболочку для
замыкания цепи. Вариант в центре выполнен
с радиальными выводами и заключен в пла-
стиковую оболочку. Внизу изображен датчик
с радиальными выводами, один из которых под-
ключен к металлической оболочке для замыка-
ния цепи. На рис. 8.4 показаны части разобран-
ного переключателя.
Рис. 8.3. Три варианта конструкции типичного датчика
наклона на основе шариков. Фоновая сетка в миллиметрах
Упрощенная конструкция
датчика наклона
Когда размер несущественен, можно сконструи-
ровать простейший датчик наклона, прикрепив
тяжелый поворотный рычаг к небольшому мик-
ропереключателю.
Рис. 8.4. Датчик наклона в сборе (справа). Датчик со снятым
корпусом (слева); видны два шарика, которые осуществляют
замыкание контактов. Фоновая сетка в миллиметрах
Датчик наклона
67
Варианты изготовления
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Варианты применения
Термостат старого образца (без электронных
компонентов) может содержать датчик накло-
на, прикрепленный к концу биметаллической
пластинки, которая свернута в виде спирали.
Когда эта пластина изгибается при снижении
температуры, контакты переключателя замы-
каются и срабатывает реле, которое включает
нагреватель. Если температура повышается,
дополнительные контакты того же реле могут
включить кондиционер. В старых термостатах
датчик наклона в стеклянной трубке может со-
держать ртуть, с которой следует обращаться
осторожно.
Датчик наклона может обнаруживать открыва-
ние двери или окна в простой системе охранной
сигнализации. В автомобилях подобные пере-
ключатели включали освещение багажного от-
деления, когда поднята его крышка.
Нормально замкнутый датчик наклона часто ис-
пользуют для прекращения подачи гранулиро-
ванного материала в контейнер, когда он почти
наполнен. В разговорной речи такой переключа-
тель называют «бункерным». В промышленном
варианте такой переключатель снабжен длин-
ным рычагом с шаром на конце. Размеры подоб-
ного переключателя довольно велики (рис. 8.5).
Нормально разомкнутый датчик наклона мо-
жет управлять вентилем или запускать насос,
когда уровень жидкости в резервуаре становит-
ся ниже определенного значения. Если уровень
жидкости определяется с помощью поплавка, то
такой переключатель часто называют поплав-
ковым переключателем. Он рассмотрен в раз-
деле, посвященном датчикам уровня жидкости
(см. статью 15).
Опрокидывающийся переключатель часто имеет
упрощенную конструкцию, состоящую из тяже-
лого рычага, который замыкает микропереклю-
чатель. При работе совместно с комнатным обо-
гревателем такой переключатель должен выдер-
живать существенный ток.
В мотоцикле может присутствовать опрокиды-
вающийся переключатель, который останавли-
вает электрический топливный насос, если мо-
тоцикл падает набок.
Четыре датчика наклона, размещенные в виде
креста на гибком основании можно использо-
вать как простой игровой пульт, если в центре
поместить джойстик.
Варианты изготовления
Три конструкции шарикового датчика накло-
на, показанные на рис. 8.3, являются функцио-
нально взаимозаменяемыми. Можно выбирать
тот вариант, у которого расположение выводов
больше подходит для конкретной электриче-
ской цепи.
Рис. 8.5. Подачу гранулированного материала в бункер мож-
но отслеживать и останавливать с помощью датчика наклона
подобного типа, который часто называют «бункерным»
Ртутные переключатели
Датчики наклона старой конструкции содержа-
ли капельку ртути внутри стеклянной капсулы.
Когда капсула наклоняется, ртуть перетекает
68
Статья 8
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Детекторы наклона
к ее концу и замыкает металлические контакты
внутри капсулы.
Небольшой ртутный переключатель изображен
на рис. 8.6. Устройства такого типа стали менее
распространенными после того, как во многих
странах ртуть отнесли к разряду веществ, кото-
рые представляют угрозу для окружающей сре-
ды, и было ограничено ее применение.
Ртуть хорошо проводит электричество, остает-
ся в жидком состоянии в интервале температур
от -38 до +356 °С и обладает очень сильным
поверхностным натяжением, что позволяет ей
сохранять форму одиночной капли, а не распа-
даться на маленькие шарики. Поскольку свобод-
ное пространство капсулы наполнено инертным
газом для предотвращения окисления электро-
дов, ртутный переключатель может обладать
очень длительным сроком службы. В 70-е годы
прошлого века в США продавались содержащие
ртуть выключатели света, для которых был за-
явлен срок службы 100 лет.
Маятниковый переключатель
Переключатель такого типа сейчас встречается
довольно редко, его можно найти в старых ав-
томатах для игры в пинбол. Он состоит из ма-
ятника длиной около 5 см, который подвешен
внутри стального кольца с внутренним диаме-
тром около 1 см. Если игровой автомат качнулся
достаточно сильно для того, чтобы маятник со-
прикоснулся с кольцом, игра прерывалась и на
дисплее появлялось слово «Tilt» («Наклон»).
В результате такой переключатель стали назы-
вать датчиком наклона, хотя на самом деле он
является разновидностью датчика вибрации
с большим периодом колебаний.
Датчик с намагниченным
шариком
Стальной шарик в некоторых датчиках накло-
на слегка намагничен для того, чтобы он более
прочно удерживался при попадании в круглое
углубление или кольцо. Переключатели такого
типа необходимо наклонять на больший угол
для высвобождения шарика. Следовательно,
при этом будет проявляться более сильный ги-
стерезис.
Рис. 8.6. Миниатюрный ртутный переключатель для номи-
нального тока 0,3 А и постоянного или переменного напряже-
ния 24 В. Ртутные переключатели больших размеров способ-
ны коммутировать значительную мощность; распространен
вариант на 1 А и 230 В. Фоновая сетка в миллиметрах
Детекторы наклона
В отличие от датчика наклона конструкция де-
тектора наклона не содержит электромеханиче-
ских переключателей.
Конструкцию датчика с перекатывающимся ша-
риком можно миниатюризировать, если заста-
вить шарик перекрывать луч света от внутрен-
него светодиода, который освещает фототран-
зистор. Как пример можно привести устройства
серии Panasonic AHF. Встроенная электронная
схема обеспечивает стабильный сигнал вклю-
чения/выключения без дребезга контактов,
являющегося главной проблемой для переклю-
чателей с шариками. Однако такому переклю-
чателю требуется электропитание, а к выходу
Датчик наклона
69
Детекторы наклона
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
с открытым коллектором необходимо подклю-
чить нагрузочный резистор. В сравнении с этим
детектором простой электромеханический пере-
ключатель можно подключать напрямую к тому
устройству, которым он управляет.
На схемах, взятых из технических паспортов
серии Panasonic AHF, изображены три типа
детекторов, которые подходят для вертикаль-
ной, горизонтальной и перевернутой установки
(рис. 8.7). В каждом случае шарик (обозначен
пунктирным кружком) покоится в небольшом
углублении (пунктирная дуга), когда он пере-
крывает луч света от внутреннего светодиода
(не показан). Внешний вид детектора AHF22
показан на рис. 8.8.
Вертикальная
установка
AHF21
у
\
'••'*♦...*•'*
Горизонтальная
установка
AHF22
L
Перевернутая
установка
AHF23
|
L
J
Рис. 8.7. Три типа детекторов наклона, выпускаемых компани-
ей Panasonic. Иллюстрации взяты из технического паспорта
Двухосевые детекторы наклона
Детектор наклона Rohm RPI-1035 является ком-
понентом для поверхностного монтажа. Его раз-
меры около 4 мм и он снабжен двумя фототран-
зисторами, сигналы на выходах которых дают
информацию о том, относительно какой из осей
наклонен детектор. Выходные сигналы можно
интерпретировать как двухразрядное двоичное
число, четыре возможных значения которого
соответствуют вращению детектора вокруг двух
осей, расположенных под углом 90° друг к дру-
гу. Детекторы такого типа были разработаны
для различных устройств бытовой электрони-
ки, например таких, как цифровая видеокамера,
однако более сложные датчики, содержащие ак-
селерометры, уже становятся соизмеримыми по
стоимости.
Двухосевые детекторы наклона для поверхност-
ного монтажа выпускаются на небольших пла-
тах расширения, которые удобны для конструи-
рования. Как пример можно назвать детектор
Parallax 28036, изображенный на рис. 8.9.
Рис. 8.8. Внешний вид детектора наклона Panasonic AHF22.
Фоновая сетка в миллиметрах
Рис. 8.9. Двухосевой детектор наклона, установленный на
плате расширения и выпускаемый компанией Parallax
70
Статья 8
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Параметры датчиков наклона
Поведение шарикового детектора, который ле-
жит в основе этой платы, проиллюстрировано
на рис. 8.10. Корпус детектора снабжен углубле-
нием в виде квадрата, в котором находится ша-
рик, обозначенный кружком. В одном из углов
углубления расположен красный светодиод, а по
углам слева и справа от него помещены фото-
транзисторы, отмеченные буквами А и Б. Когда
детектор располагается так, как показано в левой
верхней части рисунка, со светодиодом вверху и
шариком, который покоится внизу, уровень сиг-
нала на выходах обоих фототранзисторов будет
высоким, поскольку они оба воспринимают из-
лучение светодиода.
На рисунке вверху справа детектор повернут на
90°. Теперь шарик затеняет фототранзистор Б,
в то время как фототранзистор А по-прежнему
освещен. Внизу слева изображена ситуация, ког-
да детектор повернут еще на 90°, и теперь шарик
полностью заслоняет свет и оба фототранзисто-
ра остаются в тени. Внизу справа шарик пере-
крывает фототранзистор А, а фототранзистор Б
освещен.
Сила притяжения Земли
I
Допустим, что этот детектор положен плашмя
на горизонтальную поверхность. Тогда он будет
реагировать на наклон вдоль любой из двух го-
ризонтальных осей. Это оправдывает его описа-
ние как детектора с четырьмя направлениями,
хотя его конструкция и подразумевает, что он
может использоваться и по-другому: вращением
через четыре положения вокруг одной горизон-
тальной оси.
Параметры
датчиков наклона
Датчик наклона для тяжелых режимов работы
может быть рассчитан на ток до 10 А при номи-
нальном напряжении 240 В переменного тока.
Более распространенные датчики наклона дли-
ной около 15 мм способны коммутировать по-
стоянный или переменный ток силой 0,3 А при
напряжении 24 В.
Угол срабатывания — это угол, на который необ-
ходимо повернуть переключатель по отношению
к исходному положению для срабатывания.
Угол возврата — это угол, на который необходи-
мо повернуть переключатель в обратную сторо-
ну, чтобы разомкнуть его. Гистерезис возникает
в результате того, что угол возврата меньше, чем
угол, который активизирует детектор.
Детекторы с выходом с открытым коллектором
будут характеризоваться максимальным пря-
мым током для встроенного светодиода (обыч-
но не более 50 мА), максимальным напряжени-
ем коллектор-эмиттер на выходе (обычно 30 В)
и максимальным током коллектора (зачастую
30 мА). Описание выхода с открытым коллекто-
ром приведено в приложении 1.
Рис. 8*10. Детектор с перекатывающимся шариком внутри
датчика наклона Parallax 28036
Датчик наклона
71
Использование датчиков наклона
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Использование
датчиков наклона
Электромеханический датчик наклона можно
включать напрямую между источником элек-
тропитания и устройством при условии, что
это устройство потребляет ток, не превышаю-
щий номинальный для данного переключателя.
Обратите внимание на то, что такие индуктив-
ные нагрузки, как электродвигатели, создают
начальный бросок тока, который может в два
раза и более превышать рабочее значение. Реле
же будут создавать выброс напряжения при от-
ключении. Все это следует учитывать при выбо-
ре переключателя.
Примечание
Дополнительные сведения по данной теме можно
найти в разделе переключатель в томе 7.
Небольшой датчик наклона можно комбини-
ровать с реле или с транзистором для усиления
сигнала до такой величины, которой достаточно
для управления более мощной нагрузкой.
Если электромеханический датчик наклона под-
ключен к такому электронному устройству, как
микроконтроллер или логическая микросхема,
то к выходному сигналу от переключателя необ-
ходимо применить процедуру устранения дре-
безга, чтобы избежать серии коротких выбросов
напряжения, которые могут привести к ложному
срабатыванию при включении или выключении
переключателя. Подойдет логическая микро-
схема для устранения дребезга либо микрокон-
троллер, программный код которого предусма-
тривает период ожидания длительностью до
50 мс, позволяющий контактам прийти в спо-
койное состояние.
Ртутные переключатели по сравнению с шари-
ковыми намного реже создают зашумленный
выходной сигнал и могут потребовать незначи-
тельного устранения дребезга или обойтись без
него.
В случае если необходимо обнаружение вра-
щения вокруг двух или трех осей, можно ском-
бинировать несколько одноосевых датчиков
наклона. Для обработки сигналов от этих пере-
ключателей с целью определения ориентации
может потребоваться микроконтроллер или ло-
гические элементы.
Что может пойти не так?
Эрозия контактов
Если датчик наклона шарикового типа подверга-
ется действию тока, который превышает номи-
нальное значение, то искрение может привести
к эрозии контактов, и они станут менее надеж-
ными, в особенности если разрушается тонкая
металлическая пленка, которая их покрывает.
Дополнительные сведения об искрении в пере-
ключателях см. в томе 1.
Помехи в неустановившемся
режиме
В течение короткого интервала времени, пока
датчик наклона шарикового типа переворачи-
вается из одного положения в другое, вибра-
ция шарика (или шариков) внутри него может
привести к появлению случайных помеховых
сигналов. Если выходной сигнал этого переклю-
чателя обрабатывается микроконтроллером, то
процедуры устранения дребезга может оказать-
ся недостаточно для игнорирования случайных
сигналов и потребуется дополнительная моди-
фикация программы, чтобы не учитывались сиг-
налы, возникающие в переходный период. Если
переключатель подключен напрямую к реле, то
из-за инерции механизма реле оно обычно не
реагирует на нестационарные сигналы.
Угроза для окружающей среды
Устройства, которые содержат ртутный пере-
ключатель, в будущем, вероятно, потребуется
72
Статья 8
пространственные характеристики > ориентация >
датчик наклона
Что может пойти не так?
реконструировать, если применение таких пере-
ключателей будет ограничено более суровыми
законодательными актами, относящимися к
охране окружающей среды. По этой же причине
в случае выхода из строя ртутного переключате-
ля у пользователя могут возникнуть сложности
с его заменой. Следовательно, в любом проек-
тируемом сейчас устройстве ртутный переклю-
чатель следует заменять переключателем шари-
кового типа.
Необходимость наличия
силы тяжести
Поскольку работа датчика наклона зависит от
силы тяжести, которая вызывает перекатыва-
ние шарика или капли ртути, он не будет функ-
ционировать в таких условиях, где эта сила
уменьшена, равна нулю или противоположно
направлена, например, в ракете, которая нахо-
дится в свободном полете или снижается, или
же в летательном аппарате, который выполняет
фигуры высшего пилотажа. Работа датчика на-
клона, находящегося в транспортном средстве,
которое внезапно ускоряется или замедляется,
может стать неустойчивой. По тем же причинам
его нельзя использовать на небольших лодках.
Требовательность к устойчивости
Датчик наклона будет работать ненадежно, если
он размещен там, где присутствует сильная ви-
брация, или когда устройство, содержащее такой
переключатель, может быть непредсказуемым
образом перевернуто или перемещено пользо-
вателем.
Датчик наклона
73
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
ГИРОСКОП
9
Первоначально гироскоп всегда содержал вращающийся диск.
Некоторые навигационные устройства до сих пор основаны на вра-
щающихся элементах, но они не рассматриваются в данной энцикло-
педии. В этой статье идет речь главным образом о вибрационных
приборах, которые называют также резонаторными гироскопами.
Они являются микроэлектромеханическими системами, выполнен-
ными по интегральной технологии.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
акселерометр (см. статью 10)
• датчик GPS (см. статью 7)
• магнитометр (см. статью 2)
Описание
Гироскоп сопротивляется вращению вокруг
любой оси, расположенной под прямым углом к
его собственной оси вращения или направлению
вибрации. Вследствие этого, если устройство
свободно вращается в кардановом подвесе, ко-
торый помещен в герметичный корпус, то гиро-
скоп будет сохранять ориентацию своей оси при
произвольном вращении корпуса вокруг него.
Если пойти дальше, то можно установить такой
корпус на летательном аппарате, а затем опреде-
лять вращение аппарата относительно двух осей
при помощи гироскопа. Если добавить дополни-
тельные гироскопы, оси которых ортогональны
оси первого, то можно будет определить углы
поворота летательного аппарата относительно
всех трех осей.
Гироскоп не измеряет линейное перемещение в
любом направлении, а также статический угол
ориентации.
Обозначение на схемах
Гироскоп на основе микросхемы, магнитометр
или акселерометр могут быть обозначены на
электрических схемах в виде прямоугольника,
содержащего аббревиатуры, указывающие на
функции выводов (как и в любой интегральной
микросхеме).
Гиростабилизатор
Акселерометр определяет ускорение при ли-
нейном движении, а также собственную стати-
ческую ориентацию объекта относительно силы
тяжести. Если акселерометр вращается вокруг
собственной оси, он не измерит угловую ско-
рость вращения.
Магнитометр измеряет напряженность маг-
нитного поля, которое его окружает, а также мо-
жет обладать чувствительностью, достаточной
для определения ориентации объекта относи-
тельно магнитного поля Земли.
Гироскоп
75
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
Если акселерометр и гироскоп объединены
внутри одного корпуса (иногда вместе с маг-
нитометром), то такое устройство может быть
названо гиростабилизатором (в англоязычных
источниках — IMU, Inertial Measurement Unit,
«инерционный измерительный модуль»). Оно
поставляет данные, которые необходимы для
выполнения маневра самолета, космического
аппарата или судна, в особенности, если недо-
ступны сигналы системы GPS.
Варианты применения
Первый гироскоп с сенсором на интегральной
микросхеме был установлен в 1998 году в авто-
мобиле как датчик рыскания в системе управ-
ления торможением. В дальнейшем гироскопы
нашли применение для управления активной
подвеской автомобиля, в датчиках подушек
безопасности, для обнаружения и предотвраще-
ния переворота, а также в навигационных сис-
темах.
Гироскопы могут быть установлены в артил-
лерийских орудиях для обеспечения обратной
связи на случай несрабатывания встроенной
системы GPS, например, в результате создания
радиопомех.
В ручных пультах управления ЗБ-играми, а так-
же в головных гарнитурах могут применять-
ся гироскопы для управления изображением,
которое отображается перед наблюдателем.
В цифровом фотоаппарате гироскоп может обе-
спечивать стабилизацию изображения. Как пра-
вило, гироскопы можно обнаружить в четырех-
винтовых вертолетах или в радиоуправляемых
летательных аппаратах; они используются так-
же для стабилизации двухколесных транспорт-
ных средств типа гироскутера Segway, а также
в робототехнике.
Устройство
и принцип действия
Традиционный гироскоп представляет собой
вращающийся диск, который сопротивляется
воздействию опрокидывающих сил, направ-
ленных перпендикулярно его оси вращения. На
рис. ЦВ-9.1 в правом нижнем углу буквами X, Y
и Z обозначены три ортогональных направле-
ния. Диск вращается вокруг оси X, как показано
зеленой стрелкой. Он будет оказывать сопро-
тивление любой опрокидывающей силе, дей-
ствующей вокруг оси Y (красные стрелки) или
вокруг оси Z (желтые стрелки).
Рис. ЦВ-9.1. В традиционном гироскопе вращающийся диск
(направление вращения показано зеленой стрелкой) будет
оказывать сопротивление любой опрокидывающей силе (по-
казаны красными и желтыми стрелками), направленной пер-
пендикулярно его оси вращения
Вибрационный гироскоп
Диск можно заменить колеблющимся камер-
тоном. На рис. 9.2 основание камертона закре-
плено, а его зубцы вибрируют, то приближаясь,
то удаляясь друг от друга, как показано двух-
сторонней стрелкой. В гироскопе на основе
76
Статья 9
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
Устройство и принцип действия
Рис. 9.2. Вибрирующий камертон может заменить вращаю-
щийся диск в гироскопе (направление вибрации указано
стрелкой вверху)
микросхемы такая вибрация создается пьезо-
электрическим способом или с помощью стати-
ческого электричества.
Допустим теперь, что опрокидывающая сила
приложена вокруг вертикальной оси к осно-
ванию камертона, как показано стрелкой на
рис. 9.3.
Момент импульса вибрирующих зубцов вынуж-
дает их сопротивляться действию опрокидыва-
ющей силы (показана красной стрелкой), вслед-
ствие чего они изогнутся, как показано желты-
ми стрелками на рис. ЦВ-9.4. Величину изгиба
можно измерить емкостным способом. Такая
система используется во многих гироскопах на
основе микросхем, и ее называют вибрационным
или резонаторным гироскопом.
Рис. 9.3. Опрокидывающая сила приложена к основанию
камертона вокруг вертикальной оси, как показано стрелкой
внизу
Гироскоп
Рис. ЦВ-9.4. При повороте камертона (красная стрелка) его
вибрирующие зубья изгибаются в направлении, показанном
желтыми стрелками
77
Варианты изготовления
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
Сборка, составленная из микроскопических ка-
мертонов, может быть сформирована на крем-
ниевой подложке микросхемы. На рис. 9.5 при-
ведена электронная микрофотография, демон-
стрирующая внутреннее строение такой микро-
схемы. Она содержит три датчика, реагирующих
на вращение вокруг осей X, Y и Z. Эти датчики
откликаются на наклон (вращение вокруг оси X),
переворачивание (вращение вокруг оси У) и ры-
скание (вращение вокруг оси 2).
Датчики камертонного типа являются аналого-
выми устройствами, показания которых пере-
водятся в цифровую форму при помощи встро-
енного аналого-цифрового преобразователя
(АЦП). Значения хранятся в регистрах, которые
доступны для других устройств, как правило, по
широко распространенному протоколу I2C.
Примечание
Подробности о протоколе I2C см. в приложении 7.
Обычно каждой оси будут соответствовать два
8-разрядных регистра. Каждый регистр хранит
Рис. 9.5. Электронная микрофотография вибрационного ги-
роскопа STMicroelectronics LIS331DLH, который установлен в
смартфоне Apple iPhone 4. Параллельные пластины в левой
нижней части действуют подобно пружине, а элементы слева
и справа вверху измеряют емкость, когда ориентация меня-
ется в связи с поворотом. Авторские права на фотографию —
журнал MEMS Journal, публикуемый компанией Chipworks
(www.chipworks.com)
двоичный эквивалент целого числа со знаком,
при этом положительное или отрицательное
значение характеризует направление и степень
отклонения, обычно в градусах на секунду (dps,
degrees per second).
Варианты изготовления
Микросхема L3G420D, выпускаемая компанией
STMicroelectronics, представляет собой трехосе-
вой гироскоп. Обмен данными происходит по
протоколам SPI или I2C. Размеры компонента
около 4 мм и он способен измерять угловые ско-
рости, достигающие величин ±2000°/с.
Датчик Freescale FXAS21002C обладает похожи-
ми характеристиками. Микросхемы подобного
типа, которые выполняют функции гироскопа,
стали стоить настолько дешево, что их цена те-
перь сравнима с ценой таких обычных компо-
нентов, как слаботочные реле или интегральные
усилители.
Гиростабилизаторы
Микросхемы, которые содержат только гиро-
скопы, становятся все менее распространенны-
ми, поскольку снижается стоимость добавления
к ним акселерометров.
Гироскопы и акселерометры дополняют функ-
ции друг друга, поскольку гироскопы нечувстви-
тельны к линейному перемещению и к земному
притяжению, а акселерометры способны изме-
рять линейное ускорение и ориентацию относи-
тельно Земли. Программное обеспечение может
обработать эти данные, чтобы определить фор-
му траектории, которую описывает устройство,
содержащее микросхему, в дополнение к инфор-
мации об изменении скорости движения по этой
траектории.
Микросхема InvenSense MPU-6050 является
распространенным компонентом с тремя гиро-
скопами и тремя акселерометрами. Она также
78
Статья 9
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
Параметры гироскопа
Рис.9.6. Плата расширения, выпускаемая компанией Sparkfun,
обеспечивает работу с микросхемой InvenSense MPU-6050,
в которой объединены три гироскопа и три акселерометра
обладает интерфейсом для подключения внеш-
него трехосевого магнитометра и поддерживает
протоколы передачи данных SPI и I2C. Датчик
MPU-6050 стал популярным среди любителей
электроники, и во множестве источников мож-
но найти программный код для обработки его
данных, который совместим со средой Arduino.
Доступны платы расширения с установленной
на них микросхемой MPU-6050. Один из при-
меров — плата Sparkfun SEN-11028, показанная
на рис. 9.6.
Параметры гироскопа
Скорость вращения рабочего элемента в гиро-
скопе обычно выражается числом градусов в
секунду (dps, degrees per second), а иногда —
числом оборотов в минуту (rpm, rotations per
minute).
В техническом паспорте будет указано количе-
ство осей датчика (обычно их три), напряжение
электропитания (обычно 3,3 В), максимальное
(«низкое») и минимальное («высокое») значе-
ния выходного напряжения, а также потребле-
ние мощности в нормальном и в ждущем режи-
мах. Обычно потребляется ток менее 10 мА.
Динамический диапазон — это максимальная
скорость вращения в прямом и в обратном на-
правлениях, которая обычно не превышает
±2000°/с Более низкие значения могут быть
заданы пользователем. Преимущество выбора
меньшей максимальной скорости заключается
в том, что ее можно с большей точностью пере-
вести в цифровое значение.
Резонансная частота датчика составляет
несколько килогерц. Она должна быть больше
частоты любой вибрации, которую измеряет
датчик.
Протоколом передачи данных обычно является
I2C, a SPI может быть предложен дополнитель-
но, с выбираемой скоростью передачи данных.
Коэффициент температурного смещения описы-
вает влияние температуры на гироскоп.
Разрешение гироскопа определяется числом би-
тов в цифровом выходном сигнале от встроен-
ного АЦП. Обычно их 16.
Особенности
использования
многофункциональных
датчиков
Применяя такую многофункциональную ми-
кросхему, как MPU-6050, разработчик может
воспользоваться ее встроенным цифровым про-
цессором перемещения (DMP, Digital Motion
Processor). Но опять-таки, извлечение инфор-
мации об ориентации на основе содержимого
регистров — непростая задача. Здесь помогут
онлайн-источники и библиотеки программно-
го кода. Книга Make: Sensors содержит примеры
программ для среды Raspberry Pi, а также для
Arduino.
Гироскоп
79
Что может пойти не так?
пространственные характеристики > ориентация > гироскоп
Что может пойти не так?
Температурный дрейф
Вибрирующие элементы, которые находятся
в микросхеме вибрационного гироскопа, веро-
ятно, будут реагировать на изменение темпера-
туры. Как правило, микросхема содержит дат-
чик температуры, на основе показаний которого
можно скорректировать выходной сигнал гиро-
скопа.
Механическое напряжение
Это напряжение может возникнуть при пай-
ке микросхемы для поверхностного монта-
жа на плату. В результате вибрирующие части
микросхемы-гироскопа могут испытывать не-
благоприятное воздействие. В технических па-
спортах будет указана информация о максималь-
но допустимой температуре во время пайки.
Внешняя вибрация
Поскольку функционирование микросхемы-
гироскопа зависит от согласованной работы
внутренних вибрирующих элементов, внеш-
няя вибрация может снизить точность датчи-
ка. Вредное влияние внешней вибрации можно
уменьшить за счет оптимизации конструкции
датчика, однако подробности следует искать
в технической документации.
Место размещения
Гироскоп необходимо размещать на печатной
плате вблизи от места ее жесткого крепления,
где возможный изгиб платы минимален.
80
Статья 9
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
АКСЕЛЕРОМЕТР
10
Акселерометр — это датчик, измеряющий линейное ускорение.
Другие родственные компоненты:
• датчик GPS (см. статью 1)
• гироскоп (см. статью 9)
• датчик наклона (см. статью 8)
• датчик вибрации (см. статью 11)
Описание
Ускорение — это скорость изменения скорости
с течением времени. Если в течение 10 секунд
скорость автомобиля увеличивается с 40 до
50 км/ч относительно дороги, по которой он
перемещается, то его ускорение составляет
в среднем 1 км/ч за каждую секунду. Если затем
скорость автомобиля уменьшается до 40 км/ч
в течение еще одного десятисекундного интер-
вала, то его замедление тоже составляет 1 км/ч
за секунду, хотя фактически замедление явля-
ется отрицательным ускорением.
Когда автомобиль ускоряется, его пассажиры
будут испытывать силу, действующую на них
в горизонтальном направлении и прижимаю-
щую к спинке кресла. Подобным же образом и
космонавт в стартующей ракете будет ощущать
силу, направленную вниз. Согласно принци-
пу эквивалентности, который был предложен
Эйнштейном, силы, возникающие при ускоре-
нии, неотличимы от гравитационной силы.
Вследствие этого датчик, измеряющий ускоре-
ние, способен также определять силу притяже-
ния. Такой датчик является акселерометром.
Его выходной сигнал может быть выражен по
отношению к величине ускорения свободного
падения на поверхности Земли (в англоязыч-
ных источниках употребляется термин gravity -
«сила притяжения»). Эту величину обозначают
буквой g (и ее не следует путать с английским
обозначением G, которое применяется для вы-
ражения напряженности магнитного поля в га-
уссах).
Если три акселерометра установить ортогональ-
но (под углами 90° друг к другу), то с помощью
их показаний можно определить:
• направление, в котором ускоряется движу-
щийся объект;
• пребывает ли объект в свободном падении;
• какой стороной вверх он удерживается
в стационарном положении;
• силу удара при столкновении одного дви-
жущегося объекта с другим.
Гиростабилизатор
Гироскоп измеряет скорость вращения корпу-
са, внутри которого он находится. Эта скорость
называется угловой скоростью. Гироскоп будет
Акселерометр
81
Устройство и принцип действия
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
также реагировать на изменения скорости вра-
щения. Он не измеряет линейное перемещение
или статический угол ориентации.
Магнитометр измеряет напряженность маг-
нитного поля, которое его окружает, и может
быть достаточно чувствителен для определения
своей ориентации по отношению к магнитному
полю Земли.
Если акселерометр и гироскоп размещены вну-
три одного корпуса, иногда вместе с магнитоме-
тром, то такое устройство можно назвать гиро-
стабилизатором (английская аббревиатура —
IMU, Inertial Measurement Unit, «инерционный
измерительный модуль»), который поставляет
необходимые данные для маневра самолета,
космического аппарата или судна, особенно ког-
да недоступны сигналы системы GPS.
Обозначение на схемах
Акселерометр в интегральном исполнении мо-
жет изображаться на схемах как прямоугольник,
содержащий аббревиатуры функций его контак-
тов, подобно любой микросхеме. Ни для одного
из указанных компонентов нет общепринятого
условного графического обозначения.
Варианты применения
В прошлом акселерометры были громоздкими
лабораторными устройствами, которые вы-
полняли калибровку характеристик автомоби-
лей, самолетов и других транспортных средств.
Одним из вариантов применения было измере-
ние способности автомобильных покрышек вы-
держивать силу, возникающую при поворотах.
Миниатюризация элементов акселерометра, а
также радикальное снижение их стоимости по-
зволили устанавливать эти датчики в различных
электронных устройствах, например, в смартфо-
нах или компьютерных жестких дисках.
В смартфоне или в цифровом фотоаппарате
акселерометры позволяют определить, какой
стороной вверх пользователь держит устрой-
ство. Фотоаппарат способен соответствующим
образом повернуть изображение, а информация
об ориентации может быть сохранена вместе с
изображением.
Во внешних жестких дисках, содержащих вра-
щающиеся диски, акселерометры могут защи-
щать головки чтения-записи, быстро выполнив
их парковку за ту долю секунды, которая прохо-
дит с момента начала падения со стола до удара
жесткого диска об пол.
Акселерометры могут быть установлены в 3D-
мыши или в головной гарнитуре виртуальной
реальности, чтобы определять их ориентацию и
перемещение. При этом видеоизображение об-
новляется соответствующим образом. Так, на-
пример , игровой контроллер Nintendo Wii Remote
выпускается с акселерометром ADXL330.
В автомобиле акселерометр может иницииро-
вать раскрытие подушки безопасности, когда
замедление, вызванное столкновением, превы-
шает пороговое значение.
Устройство
и принцип действия
Простейшая обобщенная модель акселерометра
представляет собой груз, который прикреплен к
одному из концов пружины. Другой конец пру-
жины прикреплен к объекту, ускорение которо-
го измеряется. Груз может перемещаться только
вдоль той же оси, что и пружина.
На рис. 10.1 показаны три изображения упро-
щенного акселерометра, выполненного в виде
закрытой трубки, обозначенной темным прямо-
угольным контуром, с пружиной и грузом (изо-
браженным в виде серого квадрата) внутри. На
изображении в центре акселерометр находится
в состоянии покоя. Вверху показан отклик гру-
за на ускорение трубки слева направо. Внизу
показано замедление трубки (или отрицатель-
ное ускорение, справа налево). Если пружина
82
Статья 10
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
Устройство и принцип действия
идеальна, то перемещение груза будет пропор-
ционально величине ускорения (в разумных
пределах). Величину перемещения можно изме-
рить оптическим или емкостным способом.
Обратите внимание на то, что состояние покоя
возобновляется, когда ускорение прекращается,
независимо от наличия постоянного перемеще-
ния в любом направлении. Акселерометр изме-
ряет только изменение скорости. Он не реагиру-
ет на постоянную скорость.
Акселерометр не способен измерить вращение
вокруг собственной оси. Следовательно, его це-
лесообразно сочетать с гироскопом, который
измеряет угловую скорость.
Сила тяжести и свободное
падение
Если устройство, которое содержит описанный
упрощенный акселерометр, покоится на земле и
установлено так, как показано на рис. 10.2 слева,
то сила тяжести, действующая на груз, приведет
к воздействию силы на один конец пружины,
в то время как второй ее конец зафиксирован.
Акселерометр измерит направленное вниз уско-
рение величиной lg.
Если устройство уронить так, чтобы оно свобод-
но падало под действием силы тяжести, то оно
будет пребывать в свободном падении, ускоряясь
приблизительно на 9,8 м/с за секунду. Обычно
величину ускорения свободного падения записы-
вают как 9,8 м/с2 или обозначают символами lg.
Акселерометр в свободном падении будет фик-
сировать нулевое ускорение, как показано спра-
ва на рис. 10.2, поскольку теперь все части ак-
селерометра в равной степени ускоряются под
действием силы тяжести.
Рис. 10.1. Упрощенное изображение акселерометра, состоя-
щего из закрытой трубки, к левому торцу которой крепится
пружина. Небольшой груз прикреплен к правому концу пру-
жины. Этот груз реагирует на ускорение трубки
Акселерометр
Рис. 10.2. Акселерометр, покоящийся на земле, измеряет
ускорение величиной \д, поскольку сила тяжести прижимает
груз вниз (слева). При свободном падении акселерометр по-
кажет нулевое ускорение
83
Варианты изготовления
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
Если три акселерометра установить ортого-
нально, один из них расположить вертикально,
а само устройство удерживать неподвижно по
отношению к Земле, то вертикальный датчик
будет показывать ускорение lg, а два других —
нулевые значения. Если устройство уронить, то
все датчики покажут нулевое ускорение.
Вращение акселерометра
Если устройство, содержащее три акселероме-
тра, поворачивается и не находится в свобод-
ном падении, то ортогонально расположенные
датчики будут показывать отсчеты, которые за-
висят от их расположения по отношению к силе
тяжести.
Расчет ускорения
Сила, действующая на объект, вызовет его уско-
рение, которое можно вычислить согласно вто-
рому закону Ньютона, при условии, что объект
перемещается свободно и не подвергается воз-
действию других дополнительных сил, таких
как сила тяжести. Если f — это сила, m - масса
объекта, а — его ускорение, то
F = m * а.
Следовательно,
а = F / т.
Если груз удерживается пружиной, сжатие или
растяжение которой происходит приблизитель-
но линейно по отношению к приложенной к ней
силе, то ускорение можно рассчитать как функ-
цию от линейного перемещения груза.
Примечание
Эти выражения игнорируют релятивистские эф-
фекты, которые несущественны, если не нужны
сверхточные измерения времени и величины
перемещения.
В реальных акселерометрах перемещение гру-
за необходимо каким-либо образом амортизи-
ровать, чтобы предотвратить его колебания.
Варианты изготовления
Стоимость акселерометров существенно снизи-
лась после 2010 года. В целях сохранения порта-
тивности производители снабжают микросхемы
дополнительными функциями. И хотя двухосе-
вой акселерометр вроде Memsic 2125 выглядел
весьма привлекательно, когда он только-только
был выпущен, теперь его следует признать уста-
ревшим, поскольку стали широко распростране-
ны микросхемы с трехосевыми акселерометра-
ми, содержащие дополнительно еще и трехосе-
вые гироскопы. И стоимость у них не выше.
Первые микросхемы-акселерометры имели ана-
логовые выходы, напряжение на которых про-
порционально ускорению и его можно было
обработать с помощью компаратора. В неко-
торых платах расширения, например, в модели
Dimension Engineering DE-ACCM6G с микросхе-
мой STMicroelectronics LIS244ALH, компаратор
был встроен (рис. 10.3).
Так как максимальный выходной ток этой платы
составлял 0,83 мА, ее можно было подключить
только к логическим микросхемам с высоким
импедансом или к микроконтроллеру. Однако,
поскольку сигнал на выходе был аналоговым,
Рис. 10.3. Довольно старая и сравнительно дорогостоящая
плата расширения, с датчиком двухосевого акселерометра
LIS244ALH, выпущенная компанией STMicroelectronics. Ей на
смену пришли микросхемы, которые сочетают в себе акселе-
рометры, гироскопы и процессоры для обеспечения цифро-
вого выходного сигнала
84
Статья 10
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
Варианты изготовления
его можно было пропустить через другой ком-
паратор для непосредственного подключения к
пьезоэлектрическому извещателю, чтобы соз-
дать устройство, которое включало бы звуковой
сигнал при наклоне. Это проиллюстрировано на
рис. 10.4.
Рис. 10.4. Подключение аналогового выхода от платы расши-
рения двухосевого компаратора DEACCM6G через компара-
тор к пьезоэлектрическому извещателю
Теперь многие микросхемы содержат гироскопы
наряду с акселерометрами. Электронная микро-
фотография на рис. 10.5 демонстрирует строение
подобной микросхемы. Здесь зигзагообразные
элементы являются «пружинами», которые вы-
травлены в кристалле; обширные участки, по-
крытые точками, — это «грузы», которые реаги-
руют на различные типы движения; параллель-
ные пластины являются емкостными датчиками.
Сложность микросхемы, объединяющей два ти-
па датчиков, диктует необходимость написания
более сложного программного кода для обра-
ботки шести выходных сигналов. Вследствие
этого в большинстве современных микросхем-
акселерометров есть встроенные АЦП и циф-
ровые регистры для обмена данными с микро-
контроллерами по протоколу I2C. Некоторые
микросхемы обеспечивают также встроенную
обработку данных. Тем не менее, микрокон-
троллерам по-прежнему необходим специали-
зированный программный код, чтобы правиль-
но интерпретировать эти данные.
Сейчас ситуация изменилась в лучшую сторону.
Теперь для экспериментов доступна плата рас-
ширения LSM9DS0, предлагаемая компанией
Adafruit, в которой установлена микросхема с
таким же модельным номером, производимая
компанией STMicroelectronics. Показанная на
рис. 10.6 плата LSM9DS0 содержит три трехосе-
вых датчика: магнитометр, гироскоп и акселе-
рометр.
Технический паспорт микросхемы LSM9DS0 за-
нимает более 70 страниц. На момент написания
книги компания Adafruit продолжала улучшать
программный код для среды Arduino, чтобы еще
больше упростить работу с этой микросхемой.
Рис. 10.5. Внутреннее строение микросхемы, сочетающей
гироскопы с акселерометрами
Рис. 10.6. Плата расширения, предлагаемая компанией
Adafruit, с установленной микросхемой LSM9DS0, сочетаю-
щей в себе акселерометр, гироскоп и магнитометр
Акселерометр
85
Параметры акселерометров
пространственные характеристики > ориентация > акселерометр
Несмотря на сложность микросхемы LSM9DS0,
плата расширения предлагается приблизитель-
но по той же цене (на момент написания кни-
ги), что и двухосевой аналоговый магнитометр
DEACCM6G четырьмя годами ранее. Можно
ожидать, что в будущем стоимость гиростаби-
лизаторов станет еще ниже, и подобный тип
многофункциональных микросхем вытеснит
все подобные датчики, выпускавшиеся ранее.
Пользователи смогут просто игнорировать те
функции, которые им не нужны.
Параметры
акселерометров
Энергопотребление будет зависеть от активно-
сти микросхемы и может распределяться по дат-
чикам разных типов в многофункциональной
микросхеме. Современный акселерометр потре-
бляет ток, как правило, менее 1 мА. Гироскоп
будет потреблять больший ток, поскольку часть
элементов микросхемы должна поддерживаться
в вибрирующем состоянии.
Линейное ускорение, измеряемое акселероме-
тром, обычно выражается в единицах ускорения
свободного падения у поверхности Земли и обо-
значается буквой g. Современные микросхемы-
датчики способны измерять ускорение до +16g,
но поскольку показания преобразуются в циф-
ровую форму, малые значения ускорения будут
представлены менее точно. Поэтому диапазон
измерений ускорения обычно задается поль-
зователем посредством отправки микросхеме
специального кода. Диапазон может составлять
±2gf±4g,±6g,±8gn±16g.
Чувствительность определяет минимальное из-
менение ускорения, отражаемое наименьшим
значащим битом в выходном регистре, для каж-
дого из диапазонов ускорений. Для диапазона
±2g внутренний 16-разрядный АЦП способен об-
наружить изменение ускорения на 610~5g. Если
установить диапазон измерений +16g, то наи-
меньшее изменение ускорения составит 710 ~4g.
Примечание
Измеряемый диапазон ускорений не следует пу-
тать с предельным ускорением, которое способна
выдержать микросхема, без внутреннего меха-
нического повреждения, при наличии или отсут-
ствии электропитания. Эта величина будет боль-
ше WOOg при условии, что длительность воздей-
ствия мала. Такое ускорение может возникнуть
только при ударе.
Зависимость чувствительности от температу-
ры при измерении линейного ускорения обычно
выражается в процентах, например ±1,5%.
Тип выхода может быть либо аналоговым, либо
цифровым. Если выход цифровой, то использу-
ется протокол передачи данных I2C или SPI. Для
протокола I2C адрес устройства должен быть
настраиваемым. Скорость передачи данных
составляет обычно не менее 100 кГц, ее также
можно настроить. Подробности о таких прото-
колах, как I2C, приведены в приложении I.
Что может пойти не так?
Механическое напряжение
Это напряжение может возникнуть при уста-
новке микросхемы для поверхностного мон-
тажа на плату. Подвижные части микросхемы-
акселерометра могут испытывать неблагопри-
ятное воздействие. В технической документа-
ции будет указана информация о максимально
допустимой температуре во время пайки.
Другие проблемы
Если акселерометр сочетает в себе другие функ-
ции, например, магнитометра или гироскопа,
обратитесь к статье 2 или к статье 9, чтобы
узнать дополнительные сведения о возмож-
ных проблемах, связанных с этими типами
датчиков.
86
Статья 10
механические характеристики > колебания > датчик вибрации
ДАТЧИК ВИБРАЦИИ
11
Рассмотренный в статье 10 акселерометр способен измерить не-
которые характеристики вибрации. Однако в настоящей статье идет
речь главным образом о механических устройствах (которые часто
называют вибрационными переключателями) и пьезоэлектрических
устройствах (называемых зачастую датчиками вибрации), специаль-
но предназначенных для измерения параметров вибрации.
Виброметр обнаруживает вибрацию при помощи лазерного луча,
который направлен на отражающее пятно, находящееся на какой-
либо поверхности. Обычно такое устройство является лаборатор-
ным инструментом, поэтому оно не рассматривается в данной энци-
клопедии.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
акселерометр (см. статью 10)
датчик наклона (см. статью 8)
датчик усилия (см. статью 12)
Описание
Датчик вибрации реагирует на периодически по-
вторяющееся механическое движение. В боль-
шинстве конструкций находятся два контакта
переключателя, которые нормально разомкну-
ты, но замыкаются, если датчик вибрирует в
определенном для него диапазоне частот. В не-
которых датчиках этот диапазон частот и чув-
ствительность можно настроить вручную.
Крупногабаритные датчики используются как
автоматические выключатели, которые реаги-
руют на чрезмерную вибрацию промышлен-
ного оборудования. Они способны коммути-
ровать довольно большие токи (10 А и выше).
Миниатюрные датчики способны выключать
бытовую технику, например стиральную маши-
ну, если возникает сильный дисбаланс при вра-
щении барабана.
Датчик вибрации может работать в качестве
устройства пользовательского ввода в игрушках
и игровых приставках.
Датчик удара способен обнаружить нарушение
правил обращения с чувствительным устройст-
вом, например, при помощи детектора и регист-
ратора данных при транспортировке устройства.
Обозначение на схемах
Любой из символов, изображенных на рис. 11.1,
может представлять пьезоэлектрический или
пьезорезисторный датчик вибрации, но они
могут обозначать и другие пьезоэлектрические
устройства.
Датчик вибрации
87
Варианты конструкции
механические характеристики > колебания > датчик вибрации
Рис. 11.1. Любой из этих символов может применяться для
обозначения пьезоэлектрических или пьезорезисторных
устройств, в число которых входят (но не сводятся только к
ним) датчики вибрации, которые устроены по этому принци-
пу. Более распространен символ, изображенный слева
Варианты конструкции
В датчиках вибрации применяются разнообраз-
ные методы детектирования и чувствительные
элементы.
Штырь с пружиной
Это, наверное, простейший тип датчика, ко-
торый состоит из небольшого тонкого штыря,
проходящего внутри миниатюрной спиральной
пружины. Основание пружины закреплено, а
противоположный конец может свободно виб-
рировать. Если вибрация достигает значитель-
ной амплитуды, пружина касается штыря и за-
мыкает цепь между двумя выводами датчика.
Образец подобного датчика показан на рис. 11.2.
Внутри вскрытого датчика видны элементы:
позолоченный стержень и пружина. Этот датчик
рассчитан на силу тока 10 мА при постоянном
напряжении до 12 В.
Преимущества данной системы: низкая стои-
мость, способность реагировать на вибрацию
вдоль двух осей из трех возможных, отсутствие
источника питания, возможность коммутации
переменного или постоянного тока. Тем не ме-
нее, поскольку внутренние контакты чрезвычай-
но короткие, к датчику необходимо подключить
какой-либо компонент с самоблокировкой, на-
пример триггер или таймер 555. Этот переклю-
чатель можно также подключить к входному
контакту микроконтроллера, при условии, что
используется нагрузочный или понижающий
резистор для предотвращения «плавания» вхо-
да при разомкнутом переключателе.
По внешнему виду корпус датчика вибрации на
основе штыря с пружиной почти не отличим от
небольшого датчика наклона, который содер-
жит один или несколько металлических шари-
ков. Датчик наклона тоже может реагировать на
вибрацию, но только если ее амплитуда велика,
а частота мала.
Миниатюрную плату, содержащую датчик ви-
брации на основе штыря с пружиной, компара-
тор и подстроечный резистор для управления
чувствительностью, поставляет китайская ком-
пания Elecrow. Один из датчиков марки SW-
18015Р показан на рис. 11.3. Компания Elecrow
предлагает также широкий выбор других недо-
рогих датчиков.
Рис. 11.2. При вибрации пружины она касается штыря, рас-
положенного внутри нее. Фоновая сетка в миллиметрах
Рис. 11.3. Датчик вибрации на основе штыря с пружиной,
установленный на плате с регулятором чувствительности
88
Статья 11
механические характеристики > колебания > датчик вибрации
Варианты конструкции
Пьезоэлектрическая пластинка
Компонент LDT0-028K, выпускаемый компа-
нией Measurement Specialties, представляет со-
бой отрезок пьезоэлектрической полимерной
пленки, нанесенной на подложку из полиэсте-
ра. Один конец пленки зафиксирован, а дру-
гой вибрирует. На рис. 11.4 показаны обычный
и утяжеленный варианты компонента, его раз-
меры около 13x25 мм. Добавление груза изме-
няет резонансную частоту датчика.
Отклонения всего на 2 мм оказывается достаточно
для создания на удивление большого напряжения
между двумя выводами (7 В постоянного тока).
При больших отклонениях напряжение будет
еще выше. Производитель указывает на возмож-
ность непосредственного подключения датчика
к КМОП-компоненту. Можно преобразовать сиг-
нал с помощью операционного усилителя.
Пьезоэлектрическое устройство такого типа ге-
нерирует напряжение только при изгибе. Если
пьезоэлектрическую пластинку постоянно удер-
живать в изогнутом состоянии, выходной сиг-
нал снижается до нуля.
При отсутствии груза резонансная частота дат-
чика составляет около 170 Гц.
Рис. 11.4. Два варианта датчика LDT0-028K, выпускаемого
компанией Measurement Specialties. К одному из них добав-
лен груз, чтобы уменьшить резонансную частоту
Переключатель
мгновенного^"""
действия
Пружина
Груз
Рис 11.5. Датчик вибрации с натянутой пружиной
Пьезоэлектрические микросхемы
Модельный ряд Murata PKGS является приме-
ром пьезоэлектрических датчиков удара для
поверхностного монтажа. При размерах всего
лишь 1x2x4 мм они обладают аналоговым вы-
ходом, предназначенным для подключения опе-
рационного усилителя. Производитель реко-
мендует применять их в компьютерных жестких
дисках для блокировки операций чтения-записи
при возникновении вибрации. Подобным же об-
разом датчики удара могут применяться в CD- и
DVD-приводах. Их можно также устанавливать
в банкоматах, чтобы в случае вандализма вклю-
чалась звуковая сигнализация.
Аналогичный датчик марки TB6078FUG выпу-
скает компания Toshiba. Учтите, что для работы
указанных датчиков необходим источник посто-
янного напряжения (обычно от 3,3 до 5 В), по-
скольку они содержат электронные компоненты.
Конструкция типа «мышеловки»
Некоторые вибрационные переключатели осно-
ваны на простой системе рычага, которую мож-
но уподобить мышеловке, поскольку при срав-
нительно малом воздействии срабатывает силь-
ная пружина. В верхней части рис. 11.5 показан
Датчик вибрации
89
Параметры датчиков вибрации
механические характеристики > колебания > датчик вибрации
переключатель в исходном состоянии, он удер-
живается при помощи сильной пружины и гру-
за, который прикреплен к поворотному плечу.
В нижней части рисунка показано, что при силь-
ной вертикальной вибрации конструкция пере-
мещается вверх и вниз достаточно энергично
и преодолевает натяжение пружины, движение
которой сдерживалось инерцией груза. В ре-
зультате плечо выходит из положения, в кото-
ром пружина выровнена с осью, и теперь рычаг
замыкает микропереключатель. Система по-
добного рода используется в датчиках градирен
тепловых электростанций, где поломка лопасти
мощного вентилятора может привести к силь-
ной вибрации.
Магнитный переключатель
Как правило, этот метод применяется для обна-
ружения чрезмерной вибрации в станках или в
других машинах, содержащих тяжелые вращаю-
щиеся детали. Такой датчик имеет большие раз-
меры и перемещает контакты переключателя,
который рассчитан на ток 1А и более.
В одной из подобных систем безопасности сталь-
ной шар удерживается постоянным магнитом,
силы которого едва хватает для предотвраще-
ния падения шара. Чрезмерная низкочастотная
вибрация высвобождает этот шар, который па-
дает и замыкает цепь между двумя контактами.
При этом срабатывает реле, которое отключает
электропитание от вибрирующего узла оборудо-
вания.
Шар может располагаться на небольшом рас-
стоянии от магнита в немагнитном гнезде со
скошенной кромкой, а само гнездо — переме-
щаться с помощью внешнего винта. Так можно
отрегулировать чувствительность переключа-
теля. После его срабатывания необходимо вер-
нуть переключатель в исходное положение, для
этого необходим внешний рычаг для подъема и
установки шара на свое место у магнита.
Еще одна похожая система показана на рис. 11.6,
в ней магнит на вертикальном плече может
ШЩщй ^^Щщртч
Рис. 11.6. Магнитный вибрационный переключатель
смещаться вследствие горизонтальной вибра-
ции, а инерционный груз на подпружиненном
горизонтальном стержне также способен сме-
щать магнит при вибрации вдоль двух других
осей.
Ртутный переключатель
Миниатюрный ртутный переключатель тоже
может функционировать как датчик вибрации,
хотя такой вариант его применения мало рас-
пространен. Информацию о ртутных переклю-
чателях см. в статье 8.
Параметры датчиков
вибрации
Измерение параметров вибрации — сложная на-
учная проблема, которая представляет особый
интерес, например, при проектировании транс-
миссии и подвески автомобиля. Далее будут
приведены только основные понятия.
Первичные переменные
Существуют четыре первичные переменные, ко-
торые описывают вибрацию, — частота, смеще-
ние, скорость и ускорение. Частота определяет,
насколько часто происходят колебания; смеще-
ние описывает, насколько далеко перемещается
90
Статья 11
механические характеристики > колебания > датчик вибрации Особенности использования датчиков вибрации
объект в каждом направлении; скорость харак-
теризует, насколько быстро он двигается в тече-
ние каждого периода; а ускорение определяет,
насколько быстро изменяется скорость на про-
тяжении периода. Для определения каждой из
этих характеристик можно выбрать различные
датчики.
На рис. 11.7 показаны теоретические зависимо-
сти смещения, скорости и ускорения от частоты
вибрации. Ось Y (вертикальная) на таком гра-
фике часто обозначают термином «амплитуда»,
но фактически она используется для измерения
трех различных характеристик. Приведенные на
рисунке кривые свидетельствуют о том, что ско-
рость вибрации остается неизменной при увели-
чении частоты, ускорение должно возрастать, а
смещение — уменьшаться. Английский акроним
rms (root mean square) означает, что эти значения
измерены как среднеквадратические величины.
Механические датчики или переключатели,
реагирующие на смещение, лучше всего под-
ходят для низких частот, а пьезоэлектрические
датчики, которые чувствительны к ускорению,
пригодны для высоких частот. Серьезное на-
рушение конструкции механизма обычно при-
водит к появлению низкочастотной вибрации,
в то время как износ подшипников или дефекты
Зависимости между первичными
характеристиками вибрации
(для всех величин использованы
среднеквадратические значения)
***** Смещение, мкм
Ускорение, д
• ■■ Скорость, мм/с
ч
100 Гц
1 кГц
10 кГц
Рис. 11.7. Теоретические зависимости между первичными
характеристиками вибрации
в зубчатых передачах приведут, скорее всего,
к высокочастотной вибрации.
Динамические характеристики
В технических паспортах простых пьезоэлек-
трических датчиков могут быть указаны лишь
основные параметры, например, диапазон на-
пряжений, на которые рассчитан датчик.
Для механических датчиков типа «штырь с пру-
жиной» обычно указывают максимальные зна-
чения напряжения и коммутируемого тока.
Типичные величины — около 12 В (переменного
или постоянного тока) и 10 мА — свидетельству-
ют о том, что выходной сигнал от такого датчика
следует подать на операционный усилитель, ми-
кроконтроллер, логическую микросхему, твер-
дотельное реле или другое полупроводниковое
устройство с высокоимпедансным входом.
Датчики, которые предназначены для промыш-
ленных условий, будут характеризоваться та-
кими параметрами, как измеряемый диапазон
ускорений (в единицах g), температурная чув-
ствительность, частотный отклик, резонансная
частота, емкость и потребляемая мощность.
Чувствительность промышленных пьезоэлектри-
ческих датчиков обычно выражают в мВ/g. По-
добным датчикам необходим компаратор для об-
работки слабого тока, который он вырабатывает.
Особенности
использования датчиков
вибрации
Для датчика вибрации с аналоговым выходным
сигналом необходим компаратор. Выход компа-
ратора обычно реализован по схеме с открытым
коллектором. Тогда потребуется нагрузочный
резистор с таким номиналом, который обеспе-
чивает подходящее напряжение для следующего
каскада схемы.
Датчик вибрации
91
Что может пойти не так?
механические характеристики > колебания > датчик вибрации
Примечание
Дополнительную информацию о компараторах
см. в томе 2. Дополнительную информацию
о выходе с открытым коллектором см. в прило-
жении 7.
Разделительный конденсатор может изъять из
выходного сигнала компаратора постоянную
составляющую, пропустив только частоту ви-
брации. Емкость конденсатора будет зависеть от
частоты.
Чтобы уменьшить дрейф напряжения пьезо-
электрического датчика с аналоговым выходом,
можно подключить к двум его контактам рези-
стор номиналом 10 МОм.
Главная сложность при работе датчика вибрации
заключается в обеспечении его соответствия ис-
точнику вибрации. Производители зачастую
приводят в технических паспортах микросхем-
датчиков очень мало информации об оптималь-
ных параметрах своей продукции. Наилучший
результат будет достигнут, когда естественная
резонансная частота датчика будет близка к об-
наруживаемой частоте вибрации. Может потре-
боваться перебор вариантов.
Датчик необходимо правильно смонтировать.
Многие датчики обладают (до некоторой степе-
ни) направленной восприимчивостью и не бу-
дут заметно реагировать на вибрацию, которая
происходит под углом в 90° к их основной оси
чувствительности. Рабочие характеристики сни-
жаются также, если датчики находятся слишком
далеко от источника вибрации, либо они уста-
новлены на гибкой или пористой поверхности,
которая будет поглощать вибрацию.
Промышленные вибрационные переключатели
можно настроить вручную, а отклик миниатюр-
ных датчиков, предназначенных для монтажа
на печатной плате, можно отрегулировать лишь
при помощи внешних компонентов, которые
фильтруют нежелательные сигналы.
Что может пойти не так?
Большая длина кабеля
Выходной сигнал от пьезоэлектрического дат-
чика вибрации является, по сути, переменным
током с частотой вибрации. Большая длина ка-
беля или же кабель с плохим экранированием
может привести к возникновению емкостных
эффектов, которые ухудшат сигнал датчика. Это
явление наблюдается только на высоких час-
тотах.
Помехи
На сигнал датчика вибрации могут повлиять
электромагнитные помехи от линий электро-
передач, трансформаторов и мощных электро-
двигателей. Это серьезная проблема, поскольку
основной вариант применения таких промыш-
ленных датчиков — измерение вибрации, про-
изводимой электродвигателями.
Неправильное заземление
Для промышленного измерительного обору-
дования важно тщательно экранировать и пра-
вильно заземлить кабели, по которым пере-
даются данные. На производстве заземление
выполняется в первую очередь из соображений
техники безопасности, а электрическое зазем-
ление способно создавать паразитные помехи.
При наличии нескольких точек заземления мо-
гут возникнуть нежелательные контуры тока
в цепях заземления. В идеале следует применять
«заземляющее дерево»: схему с единственной
первичной точкой заземления, к которой в виде
«ветвей» подключено все оборудование.
Усталостное разрушение
В конструкциях, где постоянно присутствует
вибрация, необходимо должным образом за-
креплять кабели, чтобы минимизировать риск
их усталостного разрушения.
92
Статья 11
механические характеристики > сила > датчик усилия
ДАТЧИК УСИЛИЯ
12
Датчик нагрузки, как правило, предназначен для измерения стати-
ческой нагрузки, в то время как датчик усилия (называемый иногда
датчиком силы или тензодатчиком) способен обеспечить дина-
мический отклик. Тем не менее, такое разграничение по смыслу со-
блюдается не всегда. В данной статье проводится различие между
датчиками нагрузки и датчиками усилия, но рассмотрены оба типа
датчиков.
Традиционные гидравлические и пневматические датчики нагрузки
не являются электронными устройствами. Они не рассматриваются
в данной энциклопедии.
Емкостные, ультразвуковые, магнитные, оптические и электро-
химические датчики нагрузки — довольно необычные устройства и
они не включены в данную энциклопедию.
Датчик усилия изредка называют датчиком давления, однако такой
термин неоднозначен и чаще применяется для текучих сред. В дан-
ной энциклопедии считается, что датчик давления измеряет только
давление газа или жидкости (см. статью 17).
Датчик вибрации реагирует на быстро меняющееся усилие, но не
способен измерить его точно, а всего лишь срабатывает, если вибра-
ция превышает некоторый порог (см. статью 77).
Датчик удара, который измеряет силу удара при столкновении,
в данной энциклопедии не рассматривается.
Датчик, который реагирует на одиночное касание пальцем, рассма-
тривается как устройство для ввода данных человеком и описывает-
ся в разделе, посвященном сенсорному датчику одиночного каса-
ния (см. статью 73).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик вибрации (см. статью 1 7)
• сенсорный датчик касания (см. статью 13)
Датчик усилия 93
Описание
механические характеристики > сила > датчик усилия
Описание
Датчик усилия измеряет силу, которая прило-
жена к нему кем-либо или чем-либо. Многие
датчики усилия реагируют быстро и способны
измерять переменную силу.
Датчик нагрузки обычно предназначен для из-
мерения статического веса объекта.
Варианты применения
В роботах датчики усилия могут обеспечивать
обратную связь, чтобы ограничить силу сжатия
механического манипулятора. Они могут также
обеспечивать обратную связь с хирургом, кото-
рый выполняет роботизированную операцию.
В будущем датчики усилия могут найти приме-
нение в сельском хозяйстве, поскольку при ме-
ханизированном сборе плодов и других продук-
тов питания необходимо тщательно следить за
силой нажатия на оболочку.
Применение датчиков усилия в медицине может
оказаться важным при определении мускульной
силы рук или конечностей как показателя не-
врологических проблем или при отслеживании
прогресса в трудовой терапии. Тонкие датчики
усилия можно встроить в обувь, чтобы контро-
лировать распределение нагрузки для каждой
ноги. Их можно также использовать в развле-
кательных целях, для включения светодиодов
в кроссовках.
Датчик усилия может откликаться на одиночное
касание, выполненное пользователем. Дополни-
тельную информацию о датчиках одиночного
касания см. в статье 13. В некоторых пультах
управления видеоиграми встроены резистив-
ные датчики усилия, которые измеряют вели-
чину давления на кнопку, например, в приставке
PlayStation.
Примечание
Сенсорные датчики усилия можно извлечь из ста-
рых пультов управления PlayStation DualShock 2
и использовать повторно.
Датчики нагрузки предназначены для взвешива-
ния промышленной продукции, а также в быто-
вых условиях — в кухонных и напольных весах.
Датчик нагрузки способен также обнаружить
присутствие человека, например, на пассажир-
ском сиденье автомобиля, чтобы отключить по-
душку безопасности, если на сиденье находится
ребенок; или в больнице, чтобы определить,
сколько раз пациент вставал с койки.
Условное обозначение на схемах
Ни для датчика усилия, ни для датчика нагрузки
нет специального условного обозначения. Если
датчик силы содержит пьезоэлектрический эле-
мент, он может быть представлен символом, по-
казанным на рис. 11.1, который применяется для
большинства пьезоэлектрических устройств.
Устройство и принцип
действия
Широко применяются два метода измерения
силы: резистивный и пьезоэлектрический.
В пьезоэлектрическом датчике усилия имеется
пьезоэлектрический элемент, который часто со-
стоит из кристалла кварца, преобразующего силу
в слабое напряжение, которое можно усилить.
Однако датчик такого типа реагирует только на
изменения силы. Если приложена постоянная
нагрузка, выходной сигнал быстро подскаки-
вает до максимума, а затем постепенно снижа-
ется до нуля.
Электрическое сопротивление резистивных дат-
чиков усилия изменяется под действием при-
ложенной внешней силы. К их числу относятся
металлические измерители деформации и датчи-
ки с пластиковой пленкой, в которых два прово-
дящих слоя прижаты друг к другу.
В Международной системе единиц (СИ) сила,
которая необходима для срабатывания датчика,
94
Статья 12
механические характеристики > сила > датчик усилия
Устройство и принцип действия
измеряется в ньютонах, которые обозначаются
буквой Н. Один ньютон определяется как сила,
которая за каждую секунду ускоряет тело массой
в 1 килограмм на 1 метр в секунду. С практиче-
ской точки зрения в поле тяготения у поверх-
ности Земли 1 Н приблизительно равен весу
в 100 г. В одной унции около 28 г, следовательно,
1Н чуть меньше четырех унций.
лишь к увеличению расстояния между полоска-
ми, что почти не влияет на электрическое сопро-
тивление датчика.
Измеритель деформации
Измеритель деформации часто изготавливается
из металлической фольги, которая прикреплена
к гибкой изолирующей подложке. Эта подложка
приклеена к профилированной металлической
детали, обычно из стали или из алюминия, ко-
торая рассчитана на небольшой изгиб под дав-
лением и носит название мембраны, обычно это
цельнометаллический объект. Величина проги-
ба будет связана с приложенной силой.
Максимальная деформация мембраны в изме-
рителе обычно составляет от 500 до 2000 мил-
лионных долей, когда приложена максимальная
сила, которую можно измерить. Изменение на
одну миллионную долю называют микродефор-
нацией (сокращенно — це).
Такой измеритель деформации не обладает по-
лярностью и действует подобно потенцио-
метру (см. том I), который управляется с по-
мощью силы. Отношение изменения сопротив-
ления к изменению деформации называется
калибровочным множителем. Для измерителей
с металлической фольгой он обычно около 2,0.
Зависимость сопротивления от величины де-
формации приблизительно линейна.
Самый распространенный тип конфигурации
фольги показан на рис. 12.1. В соответствии
с этим рисунком, если растягивающее усилие
прикладывается горизонтально, то многочис-
ленные тонкие полоски фольги слегка удлиня-
ются, а их электрическое сопротивление возрас-
тает. Эффект усиливается при увеличении ко-
личества полосок. Если растягивающее усилие
прикладывается вертикально, то это приводит
Рис. 12.1. Конфигурация металлической фольги в типичном
измерителе деформации
Схема с мостом Уитстона
Очень малые изменения сопротивления в из-
мерителе деформации можно увеличить, и пер-
вый шаг к этому - применить схему с мостом
Уитстона (рис. 12.2).
Рис. 12.2. Простейшая схема с мостом Уитстона, которая по-
зволяет обнаружить малые изменения сопротивления
Датчик усилия
95
Устройство и принцип действия
механические характеристики > сила > датчик усилия
Каждая пара резисторов (Rl + R2 и R3 + R4)
действует как делитель напряжения. Если со-
противление всех резисторов будет одинаковым,
то напряжение в средней точке каждой пары
тоже будет одинаковым и вольтметр в центре
покажет нулевое значение. Если же сопротив-
ление одного из резисторов немного изменится,
вольтметр зарегистрирует дисбаланс. Эта схема
широко применяется, поскольку она чувстви-
тельна к небольшим изменениям.
Рис. 12.3. Резисторы в мосте Уитстона можно заменить на два
измерителя деформации, ориентированные противоположно
На рис. 12.3 резисторы R3 и R4 заменены из-
мерителями деформации. Верхний измеритель
установлен так, чтобы он воспринимал увели-
чение силы, в то время как нижний измеритель
воспринимает ее уменьшение. Обычно это до-
стигается установкой одного измерителя с верх-
ней стороны гибкого элемента, а другого —
с нижней.
При наличии двух измерителей деформации
чувствительность моста Уитстона увеличивает-
ся вдвое. Такая конфигурация называется дат-
чиком усилия с «полумостом Уитстона» и для
подключения в ней предусмотрено три провода:
черный, красный и провод какого-либо другого
цвета. Красный и черный провода предназна-
чены для подключения к источнику электропи-
тания, как показано на схеме, а третий провод
является общим и его следует рассматривать
в качестве выхода.
Если к мосту Уитстона добавить еще два измери-
теля деформации, то получится датчик с «пол-
ным мостом Уитстона» (рис. 12.4). Обратите
внимание на диагональную симметрию в рас-
положении измерителей деформации. Это необ-
ходимо для усиления их действия.
В типичных напольных весах установлены два
датчика усилия с полумостом Уитстона, которые
подключены так, чтобы образовать полный мост.
Рис. 12.4. Два дополнительных измерителя деформации соз-
дают схему «полного моста Уитстона»
96
Рис. 12.5. Два датчика силы, пригодные для напольных весов.
Каждый из них содержит пару измерителей деформации, ко-
торые под нагрузкой изгибаются в противоположных направ-
лениях
Статья 12
механические характеристики > сила > датчик усилия
Устройство и принцип действия
Каждый датчик усилия, показанный на рис. 12.5,
рассчитан на нагрузку 50 кг и, следовательно,
при их объединении весы способны измерять
массу до 100 кг. На этой иллюстрации один из
датчиков перевернут, чтобы была видна его
нижняя сторона. Сами измерители деформации
расположены в местах наложения стальных сек-
ций друг на друга.
выходе этой микросхемы очень прост. Компания
Sparkfun поставляет плату расширения, в кото-
рую встроена эта микросхема (рис. 12.6).
Уменьшение погрешности моста
Уитстона
Если мост Уитстона содержит несколько изме-
рителей деформации, то в идеале они должны
обладать идентичными характеристиками. Но
поскольку этого невозможно достичь вследствие
производственных допусков, в устройствах, ко-
торые используют несколько измерителей де-
формации, каким-либо образом выполняется
коррекция ошибки.
Рис. 12.6. Плата расширения Sparkfun HX711 для микросхе-
мы усилителя НХ711, которая специально предназначена для
измерителей деформации в датчике силе на основе полного
моста Уитстона
Усиление сигнала в измерителе
деформации
Выходное напряжение в схеме с мостом Уитстона
определяется по формуле:
V0UT = [(R3/(R3+R4)) - (R2/(R1+R2))]
где vlN - питающее напряжение, v0UT — выход-
ное напряжение, а величины R1...R4 — это со-
противления, которые указаны на рис. 12.2.
Достоинство мостовой схемы — линейное из-
менение выходного напряжения при нагрузке
измерителя деформации. Недостаток - малое
значение напряжения. Чтобы его усилить, ча-
сто рекомендуют операционный усилитель
вроде AD620. Добавив внешние резисторы,
его коэффициент усиления можно настроить в
пределах от 1:1 до 10 000:1. Другой вариант —
микросхема НХ711, выпускаемая компанией
Avia Semiconductor. Она содержит 10-разрядный
аналого-цифровой преобразователь и специ-
ально предназначена для применения в весах.
Формат последовательных данных на цифровом
Другие модули для измерения
деформации
Датчики деформации встраивают в самые раз-
личные измерительные модули. На рис. 12.7
показано несколько таких модулей, все они до-
ступны у поставщика Sparkfun. Множество ана-
логичных измерителей можно найти онлайн.
Рис. 12.7. Модули для измерения нагрузки, содержащие дат-
чики деформации, поставляемые фирмой Sparkfun
Датчикусилия
97
Устройство и принцип действия
механические характеристики > сила > датчик усилия
Датчики усилия на основе
пластиковой пленки
Резистивные датчики с пластиковой пленкой
содержат два жидких проводящих слоя, ко-
торые загерметизированы между двумя слоя-
ми тонкой прозрачной пластиковой пленки.
Сопротивление между проводящими слоями
уменьшается, если их прижимать друг к другу.
Оно может составлять от 30 кОм при полной на-
грузке до 1 МОм при ее отсутствии.
Подобно измерителю деформации этот датчик
не обладает полярностью и ему не требуется ис-
точник электропитания.
Образцы датчиков такого типа показаны на
рис. 12.8 и 12.9. Доступны компоненты различ-
ных форм и размеров. Из производителей мож-
но упомянуть компании Tekscan (ее датчик на-
зывается FlexiForce), Alpha Electronic (располо-
жена на Тайване) и Interlink Electronics.
Примечание
Рис 12.8. Резистивный пленочный датчик FlexIForce А401, вы-
пускаемый компанией Tekscan, Inc. Диаметр чувствительной
области составляет 25,4 мм (1 дюйм). Датчик рассчитан на из-
мерение силы до 111 Н (25 фунтов)
Датчики с пластиковой пленкой не следует путать
с пьезоэлектрическими датчиками вибрации на
основе пленки, которые рассмотрены в разделе
о датчиках вибрации (см. статью 1 /). Такие дат-
чики выдают кратковременный выходной сигнал,
если их быстро сгибать. Резистивные датчики
обеспечивают непрерывный сигнал на выходе
в ответ на стабильную нагрузку.
Датчики деформационной силы
В полотно из обычной резины или кремнийор-
ганического каучука можно добавить электро-
проводящие частицы. Проводимость такого по-
лотна может меняться несущественно, если его
сжать, однако когда оно отделено от металличе-
ской пластины при помощи сетки из тонких ней-
лоновых волокон, сжатие приведет к сильному
увеличению проводимости за счет проникнове-
ния материала в промежутки между волокнами
(рис. 12.10).
Рис. 12.9. Резистивный пленочный датчик Interlink FSR406.
Размер его чувствительной поверхности чуть менее 40 мм.
Датчик рассчитан на измерение силы до 20 Н (4,5 фунта)
Самодельные резистивные
датчики
Полиэтиленовая пленка, в которую внедрены
угольные частицы, продается компанией ЗМ
под маркой Velosat. И хотя она была разработа-
на как антистатический упаковочный материал
для полупроводниковых устройств, на ее основе
98
Статья 12
механические характеристики > сила > датчик усилия
Использование датчиков усилия
можно изготовить самодельный датчик силы.
Если этот материал растянуть, внедренные ча-
стицы удаляются друг от друга и электрическое
сопротивление возрастает. Если материал сжать,
его электрическое сопротивление падает.
Антистатическую пену, подобную той, которую
применяют для упаковки КМОП-компонентов,
можно использовать таким же образом, хотя не-
которые ее разновидности ведут себя подобно
«пене с памятью» и медленно восстанавливают
свою форму после снятия нагрузки. Пену мож-
но поместить между двумя печатными платами
с медным покрытием в качестве электродов.
Рис. 12.10. Гибкий проводящий слой отделен нейлоновой
сеткой от расположенного по ним жесткого электрода, при
отсутствии нагрузки сопротивление велико (вверху). Сила,
приложенная к гибкому слою вызывает его соприкосновение
с электродом, в результате электрическое сопротивление
между ними снижается (внизу)
Использование датчиков
усилия
Резистивные датчики усилия
с пластиковой пленкой
Зависимость проводимости от приложенной
силы для датчика с пластиковой пленкой почти
линейная:
■10
I = к * F,
где f — механическое усилие, i — сила тока, к —
константа, определяемая характеристиками ис-
пользованных материалов.
Согласно закону Ома, R = v / I, где v - это
падение напряжения между концами резистора
с сопротивлением R. Подставив вместо i выра-
жение k * F, получаем:
R = V / (к * F).
5 Следовательно, если на датчик усилия подается
постоянное напряжение, то его сопротивление
будет обратно пропорционально величине силы.
Эти зависимости изображены на рис. 12.11.
Рис. 12.11. Зависимости между силой, током и сопротивле-
нием в гибком резистивном датчике, при условии что на него ^
подается постоянное напряжение^ (схема заимствована из Для УДОбства измерении Желательно, ЧТО-
руководства пользователя для датчиков FlexiForce) бы сопротивление датчика МОЖНО было
Рабочие характеристики
резистивного датчика сипы
с приложенным потенциалом 1 В
Цатчик усилия
99
Параметры датчиков усилия
механические характеристики > сила > датчик усилия
преобразовать в выходное напряжение, которое
изменяется линейно по отношению к прило-
женной силе. Чтобы добиться этого, такие рези-
стивные датчики усилия обычно подключают к
операционному усилителю (см. том 2). Для
схемы, показанной на рис. 12.12, коэффициент
усиления а вычисляется по формуле
А = 1 + (R2 / R1),
где R2 — это сопротивление потенциометра,
a R1 — сопротивление резистивного датчика
усилия. Поэтому выходной сигнал операцион-
ного усилителя должен обладать приблизитель-
но линейной зависимостью от силы, приложен-
ной к датчику. Конденсатор в этой схеме добав-
лен для подавления наводок.
Альтернативный вариант - подключить рези-
стивный датчик последовательно с конденсато-
ром, а другую обкладку конденсатора подклю-
чить к компаратору, который снабжен регулиру-
емой обратной связью. Сопротивление датчика
будет определять, насколько быстро заряжается
конденсатор. Однако поскольку математическое
выражение для скорости заряда конденсато-
ра оказывается довольно сложным, выходной
сигнал компаратора не будет линейно зависеть
Рис. 12.12. Усилитель, выходной сигнал которого линейно
зависит от силы, приложенной к резистивному пленочному
датчику
от силы, приложенной к датчику. Кроме того,
необходимо обеспечить периодический разряд
конденсатора.
Параметры датчиков
усилия
Сенсорные датчики усилия
на основе пленки
Усилие при слабом касании пальцем довольно
невелико — около 50 г. Более сильное нажатие
пальцем будет соответствовать усилию в 250 г,
а очень сильное может достигать 1 кг.
Гибким сенсорным датчикам, выпускаемым
компанией Interlink, необходимо минимальное
усилие в 0,2 Н или около 20 г. Для устройств,
выпускаемых компанией Alpha, минимальное
значение находится в диапазоне от 10 до 30 г.
Подобные характеристики приводят к мысли о
том, что пленочные датчики усилия можно при-
менить в устройствах сенсорного ввода, но при
этом сопротивление при отсутствии нагрузки бу-
дет не менее 1 МОм, а в некоторых случаях даже
больше 10 МОм. Несильное нажатие вряд ли
снизит электрическое сопротивление намного
меньше 500 кОм. Операционный усилитель или
компаратор для обнаружения этого изменения и
перевода его в уверенный выходной сигнал мо-
гут оказаться подверженными действию помех
и нестабильности источника электропитания.
Следует учитывать также, что пленочные дат-
чики не обеспечивают механической обратной
связи. Поскольку производители относят пле-
ночные устройства к разряду «датчиков усилия»,
а не к «датчикам касания», они упомянуты имен-
но в настоящей статье, а не в статье 13. С уче-
том сказанного, их можно рассматривать как
вариант устройства для сенсорного ввода лишь
при определенных условиях, например, в таких
играх, где участники с большой вероятностью
будут стучать или сильно ударять по датчику.
100
Статья 12
механические характеристики > сила > датчик усилия
Что может пойти не так?
Характеристики датчиков усилия
на основе пленки
Надежность пленочных датчиков усилия пре-
восходная; производители заявляют, что рабо-
чие характеристики не снижаются после одного
миллиона циклов приложения нагрузки в 20 кг.
Датчики неполярные, в большинстве случаев
они работают при напряжении питания от 1 до
15 В и обладают временем отклика менее 5 мс.
Компоненты не создают электромагнитных по-
мех и не подвержены их воздействию.
Важные характеристики пленочных датчиков
усилия — предельные значения нагрузки на них,
а также величины электрического сопротивле-
ния для границ этого диапазона. К сожалению,
данные параметры для большинства датчиков
нечетко отражены в документации или же не
определены.
Максимальное значение силы может состав-
лять от 20 до 440 Н в зависимости от фирмы-
изготовителя и марки датчика.
Электрическое сопротивление при отсутствии
нагрузки находится в пределах от 1 до 20 МОм.
Точность измерений лежит в диапазоне от ±2 до
±5% от одного приложения силы до следующего
и зависит от модели датчика и его производи-
теля. Если усилие прикладывается каждый раз
в другой области датчика, результаты измере-
ний будут различаться. При замене одного дат-
чика другим (даже такого же типа), показания
не будут одинаковыми. Поэтому пленочные дат-
чики усилия малопригодны для таких случаев,
где важна точность.
В датчиках может присутствовать гистерезис
величиной от 5 до 10%.
Размеры чувствительной области могут состав-
лять от 4 мм (датчики FlexiForce) до более чем
40 мм (модель Interlink FSR-406).
Измерители деформации
Большинство поставщиков не продает измери-
тели деформации в виде отдельных компонен-
тов. Иногда образцы можно найти среди старых
запасов на складе или на таких сайтах, как eBay.
Сопротивление при отсутствии нагрузки может
находиться в диапазоне от 100 Ом до 1 кОм.
Намного проще использовать датчик нагрузки,
в котором уже встроен измеритель деформации,
и подключить его к подходящей микросхеме-
усилителю, как было сказано ранее.
Что может пойти не так?
Повреждение при пайке
Контакты резистивных пленочных датчиков
обычно опрессованы пластиком, который лег-
ко повредить нагретым паяльником. При пайке
необходим теплоотвод в виде зажимов «кроко-
дилов», в противном случае контакты будут не
припаяны, а продавлены внутрь.
Неправильно приложенная
нагрузка
Пленочные датчики не обеспечивают точные
показания, если нагрузка приложена неравно-
мерно, непостоянно или же выходит за преде-
лы рабочей области. Между источником силы
и датчиком может быть расположена прижим-
ная шайба или прокладка, которая представля-
ет собой небольшой жесткий диск, распреде-
ляющий нагрузку по максимально возможной
площади.
В дополнение к этому датчик необходимо уста-
навливать на плоской гладкой поверхности.
Если такой поверхности нет, следует подложить
жесткую пластину.
Датчик усилия
101
Что может пойти не так?
механические характеристики > сила > датчик усилия
Повреждение при проникновении
влаги
Несмотря на то, что пленочные датчики заклю-
чены в пластиковый корпус, он не является во-
донепроницаемым. Проникновение влаги мо-
жет привести к расслаиванию пленки и вызвать
отказ датчика.
Чувствительность к температуре
Поскольку электрическое сопротивление обыч-
но зависит от температуры, показания резистив-
ных датчиков усилия могут различаться при из-
менении температуры.
При температуре окружающей среды свыше
70 °С пленочный датчик может быть повреж-
ден.
Чрезмерно длинные выводы
Хотя пленочные датчики поставляются в вари-
антах с различной длиной выводов, которые за-
ключены в ламинированный слой гибкого пла-
стика, иногда выводы могут оказаться слишком
длинными для какого-либо устройства. Если их
укоротить, то провода не удастся припаять, по-
скольку припой расплавит пластик. В этом слу-
чае для крепления следует использовать прово-
дящую эпоксидную смолу.
102
Статья 12
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
СЕНСОРНЫЙ ДАТЧИК КАСАНИЯ
13
В этой статье описаны только емкостные сенсорные датчики каса-
ния. Проводящие датчики, в которых прикосновением пальца замы-
кается цепь между двумя контактами, распространены мало и здесь
не рассматриваются.
Для срабатывания датчика, описанного в этой статье, не требует-
ся физическое нажатие. Его не следует путать с резистивным или
пьезоэлектрическим датчиком усилия, которому необходимо на-
жатие (см. статью 12).
Интегральную микросхему, которая обрабатывает сигнал от сенсор-
ной панели, тоже часто называют датчиком касания, хотя она и не
содержит чувствительного элемента. В данной статье во избежание
двусмысленности такая микросхема называется «микросхемой сен-
сорного датчика», а элементы, с помощью которых осуществляется
ввод, называются «сенсорными панелями».
Сенсорные панели, которые содержат тактильные или мембран-
ные переключатели, описаны в томе 1 в статье о переключателях.
Там же рассмотрены все типы переключателей, кроме герконового
переключателя, который срабатывает при приближении магнита
и поэтому отнесен к датчикам.
Емкостные сенсорные датчики касания иногда называют емкостны-
ми датчиками приближения, поскольку они реагируют на приближе-
ние кончика пальца. В данной энциклопедии и в большинстве других
источников датчиком приближения называется компонент, который
определяет расстояние, а не касание (см. статью 5).
В емкостном датчике перемещения реализован тот же принцип, что
и в емкостном датчике касания, но такой датчик предназначен не для
ввода данных человеком, а для определения позиции объекта.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик усилия (см. статью 12)
сенсорный экран (см. статью 14)
Сенсорный датчик касания 103
Описание
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
Описание
Сенсорная панель обнаруживает присутствие
кончика пальца (или другой части тела) чело-
века и отправляет сигнал интегральной микро-
схеме, которую часто и называют датчиком ка-
сания, хотя она и не содержит чувствительного
элемента. Эта микросхема лишь вырабатывает
выходной сигнал, свидетельствующий о том,
что было обнаружено прикосновение.
Клавиатура наподобие тех, которые применяют
в микроволновых печах, может внешне напоми-
нать матрицу сенсорной панели, но она, скорее
всего, содержит мембранные или тактильные
переключатели, которые описаны в томе 1 вме-
сте с другими типами переключателей. Для сен-
сорной панели, которая рассмотрена в данной
статье, не требуется физическое усилие, и она
не содержит частей, которые перемещаются или
изгибаются при нажатии.
Современный сенсорный экран обычно яв-
ляется емкостным устройством, которое также
можно представить как матрицу из сенсорных
панелей (см. статью 14).
Варианты применения
Емкостные сенсорные датчики касания стали
широко распространены, поскольку их стои-
мость снизилась по сравнению с более простыми
компонентами, которые реагируют на нажатие.
Датчик касания можно применить для запуска
или остановки процесса, или для включения/
выключения какого-либо устройства. В тех
случаях, когда от пользователя ожидается ввод
буквенно-цифровых символов, потребуется не-
сколько сенсорных датчиков. Поскольку сенсор-
ные панели можно полностью герметизировать,
они удобны там, где существенно соблюдение
гигиены.
В число специализированных вариантов при-
менения входит активация задней подсветки
в портативном устройстве, вывод из режима
ожидания, обнаружение приближения уха (для
смартфонов), управление медицинским обору-
дованием, а также включение освещения в сало-
нах некоторых автомобилей.
Отсутствие подвижных частей или электриче-
ских контактов означает, что сенсорная панель
более надежна, чем любой другой тип электро-
механических переключателей. Недостаток -
отсутствие тактильной обратной связи, вслед-
ствие чего необходимо визуальное или звуковое
подтверждение факта срабатывания. Это делает
сенсорные панели непригодными для исполь-
зования в компьютерных клавиатурах и других
устройствах с клавишами, для которых имеет
большое значение скорость ввода.
Если емкостные элементы сенсорной панели
прозрачны, их можно смонтировать на лицевой
поверхности экрана.
Обозначение на схемах
Любой из символов, приведенных на рис. 13.1,
может использоваться для обозначения датчика
касания, однако единого стандартного условно-
го графического обозначения нет.
Рис. 13.1. Два варианта возможного обозначения датчика
касания
Устройство и принцип
действия
Две обкладки конденсатора разделены изоли-
рующим материалом, который называется ди-
электриком. В его роли могут выступать бума-
га, пластик, стекло, воздух и другие изоляторы.
104
Статья 13
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
Использование сенсорных датчиков
И хотя между обкладками нет электрического
соединения, переменный ток проходит через
диэлектрик благодаря полевому эффекту.
Электрическая емкость существует между лю-
бой парой проводников. Тело человека обладает
высоким электрическим сопротивлением, но все
же проводит электричество и поэтому обладает
емкостью относительно других проводящих
объектов.
Сенсорная панель может действовать как одна
из обкладок конденсатора, а кончик пальца — в
качестве второй обкладки. В таком режиме пе-
ременный ток проходит через сенсорную панель
и через тело человека на землю. Этот ток очень
слабый, но его можно зарегистрировать при по-
мощи специально разработанной микросхемы
или микроконтроллера.
Конкретные характеристики диэлектрика будут
в некоторой степени влиять на работу сенсор-
ного конденсатора, но не смогут ей помешать.
Следовательно, сенсорная панель может функ-
ционировать даже тогда, когда датчики скрыты
за защитным слоем из стекла или из пластика,
как это зачастую бывает.
Микросхема датчика касания вырабатывает
импульсы переменного тока с небольшой ам-
плитудой и отправляет их на сенсорную панель.
Микросхема регистрирует каждое изменение
тока, проходящего через сенсорную панель;
оно указывает на присутствие кончика пальца.
В случае прикосновения к датчику микросхема
вырабатывает выходной сигнал, для обработки
которого обычно необходим микроконтроллер.
Использование сенсорных
датчиков
Микросхемы сенсорного датчика касания выпу-
скаются чуть ли не в сорока различных форматах
и конфигурациях. Все они предназначены для
поверхностного монтажа. Для макетирования
экспериментатор может применить готовые
платы расширения, на которых смонтированы
микросхемы датчика. На рис. 13.2 показана та-
кая плата, выпускаемая компанией Adafruit. Она
способна обслуживать 12 сенсорных переключа-
телей. Выходной сигнал можно передать микро-
контроллеру по протоколу I2C. Подробности
о протоколах см. в приложении 1.
Рис. 13.2. Емкостный датчик касания, установленный на
плате расширения, выпущенной компанией Adafruit
Похожие платы расширения производит компа-
ния Sparkfun, их также можно найти у крупных
онлайн-поставщиков, например, http://www.
mouser.com (такие компоненты отнесены к ин-
струментам для разработки).
Несмотря на то, что для большинства сенсорных
датчиков касания требуется микроконтроллер,
есть небольшое число моделей, у которых коли-
чество выходных контактов совпадает с числом
входных контактов сенсорной панели; при этом
каждый выходной контакт переходит из высо-
кого в низкое логическое состояние при обна-
ружении входного сигнала на соответствующем
контакте. Эта простая система используется
в плате расширения AT42QT1070, выпускаемой
компанией Adafruit.
Для среды Arduino существует библиотека про-
граммного кода (bit.ly/lWJ9kE8), которая по-
зволяет обнаруживать прикосновение к двух-
контактному сенсору на основе алюминиевой
фольги. Компонент может также работать с про-
водящим красителем (bitly/lWJ9jQM).
Сенсорный датчик касания
105
Использование сенсорных датчиков
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
Где взять сенсорные панели
Отдельные микросхемы для сенсорных датчи-
ков широко доступны в качестве компонентов
и стоят недорого. С другой стороны, сенсорные
панели не выпускаются в виде отдельных ком-
понентов, вероятно, вследствие того, что такая
панель обычно представляет собой довольно
сложную конфигурацию медных дорожек, вы-
травленных производителем на печатной плате.
Сенсорные панели, которые изготавливают по-
ставщики компонентов для любителей электро-
ники, обычно содержат встроенные микросхемы
датчика касания. Компания Sparkfun предлага-
ет 12-клавишную клавиатуру подобного рода,
а также 9-клавишную клавиатуру, разработан-
ную как «сенсорная панель» для применения
совместно с платой Arduino. Оба компонента
изображены на рис. 13.3. Они содержат такую
же микросхему MPR121 сенсорного датчика ка-
сания, что и плата расширения, показанная на
рис. 13.2, а для подключения к микроконтрол-
леру им необходим протокол I2C.
Рис. 13.3. Две емкостные клавиатуры, выпускаемые компа-
нией Sparkfun. Вариант справа разработан специально для
среды Arduino
Поскольку емкостная сенсорная панель обычно
помещается внутрь корпуса, ее внешний вид не-
существенен. На внешнюю поверхность корпуса
можно нанести рисунок, который показывает
очертания клавиш.
Одиночный сенсорный датчик
Компания Adafruit поставляет сенсорный дат-
чик AT42QT1010, который имитирует работу
Рис. 13.4. Выходной сигнал микросхемы датчика AT42QT1012
в этом сенсоре, поставляемом компанией Adafruit, выходной
сигнал переключается между высоким и низким логическими
состояниями при каждом касании чувствительной площадки
микропереключателя. При касании чувстви-
тельной поверхности пальцем выходной сигнал
переходит из низкого логического состояния
в высокое, а при удалении пальца - возвраща-
ется в исходное низкое логическое состояние.
В альтернативном варианте, показанном на
рис. 13.4, состояние выходного сигнала пере-
ключается между высоким и низким уровнями,
причем при каждом прикосновении к сенсору
происходит фиксация сигнала.
В обоих датчиках предусмотрена специализиро-
ванная микросхема, которая окончательно фор-
мирует выходной сигнал.
Сенсорные диски и линейки
В сенсорном диске для обнаружения касания
пальцем используется кольцевая структура про-
водящих дорожек, которые часто называют
электродами. На рис. 13.5 изображена одна из
возможных конфигураций. Дорожки электриче-
ски не соединены друг с другом, и поэтому при
круговом перемещении пальца образующаяся
емкость поочередно возрастает и снижается на
каждом из элементов. Каждая из трех секций
дорожек для наглядности выделена разным цве-
том. Другие сенсорные диски могут содержать
большее число секций.
106
Статья 13
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
Использование сенсорных датчиков
Программное обеспечение, разработанное для
взаимодействия с подобными дисковыми сен-
сорными панелями, обычно рассчитано на то,
что в каждый момент времени входной сигнал
возникает на двух электродах. Положение и пе-
ремещение пальца определяется путем сравне-
ния емкостей смежных сегментов. В идеальном
случае значения емкости должны изменяться
линейно, дополняя друг друга, т. е. для средней
точки между двумя сегментами соотношение со-
ставит 50/50, а затем при перемещении пальца
по диску оно будет меняться, составив 60/40,
70/30 и т. д.
Сенсорный потенциометр состоит из нескольких
сенсорных панелей, которые обычно расположе-
ны вдоль прямой линии. Такую конфигурацию
можно назвать сенсорной линейкой. На рис. 13.6
приведен образец, выпускаемый компанией
GHI Electronics и предлагаемый поставщиком
Robot Shop как компонент под наименованием
L12 Capacitive Touch Module («Емкостный мо-
дуль касания»).
Рис. 13.6. Несколько последовательно расположенных ем-
костных элементов составляют линейку сенсоров (компонент
выпускает компания GHI Electronics)
Особенности конструкции
сенсорных датчиков
Чувствительная поверхность сенсорного дат-
чика часто окружена дополнительным медным
электродом, который заземлен и играет роль
экрана, а также выполняет защитную функцию.
Емкость кончика пальца (который отделен от
электрода диэлектрическим слоем из пластика
или стекла) взаимодействует с полем между вос-
принимающим и экранирующим электродами.
Нижняя сторона печатной платы часто металли-
зирована и заземлена для защиты сенсорной па-
нели от электромагнитных помех. Заземляющее
металлическое покрытие может быть выполне-
но в виде сетки, чтобы снизить его емкость по
отношению к расположенному над ним элект-
роду.
Схема обработки сигнала от сенсорного датчика
одиночного касания может существенно влиять
на его рабочие характеристики. Иногда для на-
дежного обнаружения прикосновения пальца
может потребоваться «настройка» сенсорного
устройства.
Рис. 13.5. Сенсорный диск, выполненный из медных дорожек
на печатной плате (показана зеленым цветом). Для нагляд-
ности секции обозначены разными цветами
Примечание
Нужно помнить, что слишком длинный провод-
ник, соединяющий датчик касания и электрод,
обычно улавливает помехи и увеличивает пара-
зитную емкость.
Сенсорный датчик касания
107
Что может пойти не так?
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный датчик касания
Расстояние между соседними дорожками, иду-
щими от нескольких сенсорных панелей, сле-
дует увеличивать, чтобы снизить паразитную
емкость между ними. Если микросхема датчика
выдает выходной сигнал в цифровом протоколе
I2C или SPI, то любая сигнальная шина долж-
на находиться на расстоянии минимум 4 мм от
входных дорожек. Если они пересекаются, угол
пересечения должен быть равен 90°.
Форма электродов не должна напоминать циф-
ры или другие символы, которые нанесены на
внешней поверхности. Лучше всего, если оди-
ночный электрод имеет форму круга.
Что может пойти не так?
Нечувствительность к перчаткам
Перчатки нарушают правильную работу сенсор-
ного датчика касания, поскольку они изменяют
характеристики диэлектрика и расстояние меж-
ду электродом и пальцем. Емкостные датчики
касания могут не срабатывать при использова-
нии некоторых типов перчаток. Тем не менее
существуют специальные перчатки, которые со-
держат металлические нити.
Невозможность использования
стилуса
При работе с сенсорной панелью невозможно
пользоваться стилусом, который не проводит
электрический ток.
Электропроводящий краситель
Краситель, с помощью которого на внешней по-
верхности обозначены контуры клавиш сенсор-
ной панели, не должен проводить ток.
108
Статья 13
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный экран
СЕНСОРНЫЙ ЭКРАН
14
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
сенсорный датчик касания (см. статью 13)
датчик усилия (см. статью 12)
Описание
Сенсорный экран является видеодисплеем со
встроенной функцией обнаружения касания.
Экран определяет точку прикосновения и при-
меняется в качестве указывающего устройства
вместо мыши или трекпада. Некоторые сенсор-
ные экраны наряду с положением определяют и
силу нажатия.
Сенсорные экраны широко применяются в
смартфонах и планшетах, а также в некоторых
портативных компьютерах. Миниатюрные сен-
сорные экраны часто встроены в современном
офисном оборудовании, например, в фотокопи-
ровальных аппаратах.
Обозначение на схемах
Для обозначения сенсорного экрана нет специ-
ального символа.
Варианты конструкции
В первых вариантах конструкции сенсорных
дисплеев использовались инфракрасные све-
тодиоды, расположенные по краям рамки,
окружающей экран. Соответствующий фото-
диод улавливал сфокусированный луч от каж-
дого светодиода. Присутствие кончика пальца
обнаруживалось, когда он перекрывал один или
несколько лучей. Такая система не обладала вы-
соким разрешением, но была пригодна для сен-
сорного ввода в заранее определенных позици-
ях экрана.
Современные сенсорные экраны являются, в ос-
новном, резистивными либо емкостными.
Резистивное считывание
Резистивный сенсорный экран состоит из двух
прозрачных слоев, которые могут быть уста-
новлены поверх видеодисплея. Электрическое
сопротивление каждого слоя одинаково по всей
поверхности. Давление, оказываемое кончиком
пальца на внешний слой (который мы будем на-
зывать слоем 1), приводит к созданию контакта с
внутренним слоем (называемым здесь слоем 2).
Два вертикальных электрода подключены к
слою 1 вдоль его левой и правой сторон. Два го-
ризонтальных электрода подключены к слою 2
вдоль его верхней и нижней сторон. Когда на-
пряжение подается на вертикальные электроды
слоя 1, этот слой играет роль делителя напря-
жения. В той точке, где происходит нажатие на
слой, напряжение прикладывается к слою 2 и
может быть считано любым из его электродов
при условии, что измерительное устройство об-
ладает намного более высоким импедансом, чем
Сенсорный экран
109
Варианты конструкции
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный экран
этот слой. Считанное значение декодируется в
качестве значения горизонтального положения
на слое 1.
Затем внешнее переключающее устройство по-
вторяет такую же процедуру, только теперь
Выходное
напряжение
Точка
касания
Выходное напряжение
напряжение подается на слой 2 и считывается со
слоя 1, чтобы определить значение вертикаль-
ного положения на слое 2. Эта последователь-
ность проиллюстрирована на рис. 14.1.
Поскольку необходимо лишь четыре подклю-
чения, такую конструкцию называют четырех-
проводным резистивным сенсорным экраном.
Существуют и пятипроводные конструкции, но
они распространены реже и в данной статье не
рассматриваются.
Преимущества резистивного экрана:
• Простота. Необходимо наличие всего четы-
рех подключений, а слои экрана не нужно
разделять на отдельные проводники.
• Низкая стоимость в сравнении с емкостны-
ми сенсорными экранами.
• Возможность работать в перчатках или со
стилусом.
Недостатки резистивного экрана:
• Для некоторых вариантов необходим ввод
только с помощью стилуса, а не нажатием
пальца.
• Возможен лишь точечный ввод. Двухпаль-
цевые жесты не поддерживаются.
• Когда гибкий слой прижимается к слою,
расположенному под ним, возникает дре-
безг контактов, а при работе устройства
коммутации экрана могут возникать выбро-
сы напряжения. Чтобы справиться с этой
проблемой, может потребоваться микро-
контроллер, рассчитывающий среднее зна-
чение от нескольких показаний.
• Гибкую мембрану можно повредить остры-
ми предметами.
Рис. 14.1. Для наглядности составляющие резистивного сен-
сорного экрана разнесены. В действительности их разделяет
очень тонкий промежуток, поэтому при нажатии пальцем
между слоями возникает электрический контакт
Емкостное считывание
Емкостный сенсорный экран может состоять
из матрицы сенсорных датчиков касания, ко-
торые встроены в стеклянную панель в виде
110
Статья 14
механические характеристики >
ввод данных человеком > сенсорный экран
Экраны, предлагаемые в качестве компонентов
вертикальных и горизонтальных линии из про-
зрачного проводящего красителя.
В другом варианте небольшой емкостный экран
может измерять слабый ток, который идет к
кончику пальца от четырех источников, распо-
ложенных по углам экрана.
Примечание
Дополнительную информацию о емкостном сен-
сорном считывании см. в статье 13 о сенсорных
датчиках касания.
Рис. 14.2. Сенсорный экран, совместимый со средой Arduino,
смонтирован на плате расширения (поставляется компанией
Adafruit)
Экраны, предлагаемые
в качестве компонентов
В продаже есть множество сенсорных экранов с
диагональю от 2 дюймов и больше. Встроенная
электронная схема обычно рассчитана на под-
ключение к микроконтроллеру по шинам I2C,
SPI или USB. Возможны различные величины
разрешения экрана.
На рис. 14.2 изображен сенсорный экран с
диагональю 3,5 дюйма и матрицей размером
320x200 пикселов, смонтированный на плате
расширения, которую можно установить на ма-
кетной плате и использовать совместно со сре-
дой Arduino.
На рис. 14.3 показан резистивный сенсорный
экран с диагональю 7 дюймов, который мож-
но установить в автономном видеодисплее. Его
можно подключить к управляющей микросхе-
ме STMPE610, которая преобразует считанные
значения в цифровые координаты и взаимо-
действует с микроконтроллером по протоколам
SPI и I2C. Эта микросхема для поверхностного
монтажа предлагается также и на плате расши-
рения.
При выборе сенсорного экрана в качестве ком-
понента для какого-либо любительского устрой-
ства убедиться в наличии библиотек программ-
ного кода для микроконтроллера, которые осу-
ществляют считывание и обновление дисплея.
Рис. 14.3. Этот резистивный сенсорный экран предназначен
для использования в качестве слоя, накладываемого поверх
видеодисплея с диагональю 7 дюймов. Экран доступен у по-
ставщика Adafruit
Сенсорный экран
111
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
ДАТЧИК УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
15
В данную статью не включены индикаторы уровня, которые не со-
держат электронных компонентов.
Специализированное промышленное оборудование для определе-
ния уровня жидкости также выходит за рамки данной энциклопедии.
В этой статье рассмотрены только небольшие и недорогие датчики.
Объем жидкости можно оценить, измерив ее давление на дно ре-
зервуара. Устройства, предназначенные для этой цели, рассмотрены
в статье 17, которая описывает датчики давления газа/жидкости.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик скорости потока жидкости (см. статью 16)
датчик давления газа/жидкости (см. статью 17)
Описание
Измерение объема жидкости в каком-либо со-
суде или резервуаре является настолько важной
задачей, что для ее решения придумано бесчис-
ленное множество методов. Далее рассмотрены
только простейшие и самые распространенные.
Простой датчик уровня жидкости может обла-
дать лишь двумя состояниями: он подает сигнал,
когда объем становится выше или ниже задан-
ного уровня, значение которого можно устано-
вить заранее или переопределить. Зачастую та-
кой датчик подключают к насосу или к вентилю,
которые поддерживают приблизительно посто-
янный уровень жидкости в емкости.
В другом варианте датчик может измерять акту-
альный объем и выдавать значение в аналого-
вом или цифровом представлении.
Обозначение на схемах
На рис. 15.1 показаны три варианта условного
графического обозначения простого датчика
уровня жидкости. Однако применяются они не
всегда, и датчик может быть обозначен просто
как переключатель с надписью.
Рис. 15.1. Три варианта условного обозначения для датчика
уровня жидкости. Крайний справа символ указывает на то,
что при повышении уровня жидкости переключатель замы-
кается, а не размыкается
Датчик уровня жидкости
113
Устройство и принцип действия
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
Варианты применения
Указатель уровня топлива в автомобиле — один
из наиболее распространенных вариантов при-
менения датчика уровня жидкости. В баке с во-
дой, который установлен в «доме на колесах»
или на судне, могут использоваться похожие
электронные устройства. В промышленности
выбор датчика будет обусловлен типом храни-
мой жидкости, требуемой точностью, темпера-
турным диапазоном, а также наличием или от-
сутствием герметизации емкости (подвержен-
ность воздействию атмосферного давления).
Устройство и принцип
действия
В число желательных характеристик любого
датчика уровня жидкости входит устойчивость
к вибрации, колебаниям и флуктуациям, вы-
званным турбулентностью или раскачиванием
в жидкости, отсутствие химических реакций с
жидкостью, а также небольшое число подвиж-
ных частей, для которых может потребоваться
обслуживание (для датчика внутри герметизи-
рованной емкости). Для аналогового поплавко-
вого датчика предпочтителен линейный отклик,
а также небольшой гистерезис, если это необхо-
димо.
В данной статье сравниваются различные вари-
анты снятия показаний.
размещен геркон. Трубка удерживается на ско-
бе, которую можно закрепить на стенке или на
кромке емкости, содержащей жидкость.
Трубка и поплавок должны быть немагнитными,
а сам поплавок должен обладать существенно
меньшим удельным весом по сравнению с жид-
костью, для которой он предназначен («суще-
ственно меньшим», поскольку поплавок должен
иметь достаточную плавучесть, чтобы удержи-
вать вес магнита и преодолевать трение, оказы-
ваемое трубкой). Схема, иллюстрирующая дан-
ную конструкцию, показана на рис. 15.2.
Для изменения уровня срабатывания датчика
скобу можно разместить на винтовой резьбе,
которая позволит настроить положение по вер-
тикали.
Герконовый переключатель может быть либо
нормально разомкнутым, либо нормально зам-
кнутым, чтобы срабатывать при повышении или
Поплавковый датчик с двоичным
выходом
Термин «двоичный выход» употребляется далее
для обозначения выходного сигнала, который
принимает лишь два состояния (включено-
выключено, или логически высокое и логически
низкое). Простейший тип датчика уровня жид-
кости с двоичным выходом состоит из торои-
дального поплавка, который содержит посто-
янный магнит и может свободно скользить по
вертикали вдоль герметичной трубки, в которой
Рис. 15.2. Конструкция простого поплавкового датчика
с двоичным выходом
114
Статья 15
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
Устройство и принцип действия
понижении уровня жидкости. Основные сведе-
ния о герконовых переключателях см. в разделе
«Герконовый переключатель» статьи 3.
Примечание
Дополнительные подробности о герконовых
переключателях содержатся в книге Make: More
Electronics.
Для повышения надежности геркон можно за-
менить датчиком Холла. Общую информацию
о датчиках Холла см. в разделе «Датчик Холла»
статьи 3.
Рис. 15.3. Наполненный воздухом поплавок управляет внеш-
ним электропитанием в зависимости от своего положения
Еще один поплавковый датчик с двоичным вы-
ходом показан на рис. 15.3. Он представляет со-
бой герметичную пластиковую капсулу, которая
содержит микропереключатель и стальной ша-
рик. Кабель присоединен к обратной стороне
верхней части резервуара, а капсула свободно
висит внутри жидкости в резервуаре. Провод
продевается сквозь грузик (не показан) с отвер-
стием в центре. Этот грузик удерживает кабель
в вертикальном положении и предотвращает
провисание.
На рис. 15.4 изображены компоненты, нахо-
дящиеся внутри поплавка. Когда уровень жид-
кости в баке снижается, поплавок оказывается
в положении, показанном слева. Шарик падает
на рычаг, который замыкает микропереключа-
тель, включающий внешний насос для напол-
нения бака. При повышении уровня жидкости
наполненный воздухом поплавок всплывает
и принимает положение, показанное справа.
Шарик падает, а переключатель размыкается,
останавливая насос.
Круговые выступы на внутренней поверхности
пластиковой капсулы не позволяют шарику бес-
порядочно перекатываться при наличии турбу-
лентности в жидкости. Они обеспечивают также
некоторый гистерезис.
Рис. 15.4. Устройство поплавка
Поплавковый датчик
с аналоговым выходным
сигналом
Простейший датчик уровня жидкости с анало-
говым выходным сигналом состоит из поплав-
ка, который закреплен на плече, соединенном с
потенциометром, как показано на рис. 15.5. Эта
простая конструкция применялась в топливных
баках транспортных средств в течение несколь-
ких десятилетий. Ее недостатки — нелинейный
отклик и ограниченный срок службы потенцио-
метра. Некоторой компенсации нелинейного
отклика можно добиться при помощи указателя
уровня топлива с нелинейной шкалой.
Датчик уровня жидкости
115
Устройство и принцип действия
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
Дополнительную информацию о потенциоме-
трах см. в разделе «Поворотный потенциометр
с дуговой дорожкой» в статье 7.
Рис. 15.5. Простой поплавковый датчик с аналоговым выход-
ным сигналом
Поплавковый датчик
с инкрементным выходным
сигналом
Электрическая схема простого поплавкового
датчика с инкрементным выходным сигналом
приведена на рис. 15.6. В тороидальном поплав-
ке находится магнит, подобный показанному на
рис. 15.2, который взаимодействует с нескольки-
ми герконовыми переключателями, установлен-
ными последовательно в центральной трубке.
Герконы разделены одинаковыми интервалами
и подают электропитание на последовательно
включенные резисторы с одинаковыми номина-
лами. Такая система используется в топливных
баках мотоциклов и автомобилей, причем пере-
ключатели могут быть размещены в немагнит-
ной трубке из нержавеющей стали. Точность за-
висит от количества герконов.
Вытеснительные датчики уровня
Если массивный объект, называемый вытесни-
телем, расположен в резервуаре с жидкостью,
то его эффективный вес будет снижаться при по-
вышении уровня жидкости, которая его окружа-
ет. Это происходит потому, что согласно закону
116
Рис. 15.6. Схема поплавкового датчика с инкрементным
выходным сигналом
Архимеда, выталкивающая сила, направленная
вверх, эквивалентна весу жидкости, вытесняе-
мой данным объектом. Такой вытеснитель под-
вешивается к датчику нагрузки, измеряющему
вес. Аналоговый выходной сигнал от этого дат-
чика будет приблизительно линейно зависеть от
уровня жидкости.
Упрощенная схема, иллюстрирующая принцип
работы вытеснительного датчика уровня, при-
ведена на рис. 15.7.
Примечание
Дополнительную информацию о датчиках нагруз-
ки см. в статье 12.
Статья 15
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
Устройство и принцип действия
Рис. 15.7. Вытеснительный датчик. Вытеснитель тяжелее,
чем окружающая его жидкость, однако его эффективный вес
уменьшается при повышении уровня жидкости
Измерение веса резервуара
Установив резервуар на датчики нагрузки,
можно измерить его вес, чтобы оценить объ-
ем жидкости, находящейся в нем. Однако при
этом следует сконструировать подводящие и
отводящие трубы так, чтобы они не влияли на
вес резервуара. На рис. 15.9 показан возможный
вариант, хотя в нем выходной поток жидкости
все же будет в некоторой степени влиять на вес
в зависимости от степени всасывания. Допол-
нительную информацию о датчиках нагрузки
см. в статье 12.
Ультразвуковые датчики уровня
Ультразвуковой датчик можно применить для
измерения уровня жидкости в резервуаре, как
показано на рис. 15.8. Дополнительную инфор-
мацию о таких датчиках см. в статье 5, посвя-
щенной датчикам приближения. Недостаток
данного метода — влияние паров летучих жид-
костей на скорость звука.
Рис. 15.9. Для определения веса жидкости в резервуаре
с помощью датчиков нагрузки необходимо, чтобы трубы,
проводящие жидкость, не влияли на вес резервуара
Рис. 15.8. Ультразвуковой датчик способен измерять уровень
жидкости в резервуаре
Определение давления
На трубе, расположенной в нижней части резер-
вуара, можно установить дифференциальный
датчик давления, который измеряет разность
давлений жидкости и окружающего воздуха
(рис. 15.10). В такой конструкции подразуме-
вается, что резервуар открыт и давление воз-
духа на поверхность жидкости равно давлению
воздуха на датчик. Если резервуар закрытый,
то эталонный вход датчика необходимо соеди-
нить трубкой с пространством над жидкостью.
Стенки резервуара должны быть ровными
Датчик уровня жидкости
117
Что может пойти не так?
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости
Распространенный способ — установка внутри
резервуара разделительных перегородок в виде
пластин с отверстиями (рис. 15.11). Сверху на
рисунке видно, что боковое ускорение вызывает
погружение поплавкового датчика в резервуаре.
Внизу показано, что перфорированные перего-
родки уменьшают этот эффект.
Датчики, которые измеряют вес или давление
жидкости, менее подвержены влиянию турбу-
лентности. В вытеснительном датчике эффект
Рис. 15.10. Датчик давления позволяет оценить объем жид- Гашения Колебаний возникает благодаря весу
кости в резервуаре
вытеснителя.
и вертикальными, чтобы давление было прямо
пропорционально объему жидкости.
Объем жидкости можно также оценить, измерив
давление внутри контейнера, расположенного у
дна. Для этого можно применить погружной дат-
чик давления, который состоит из водонепро-
ницаемой капсулы с диафрагмой, соединенной
с внутренним измерителем деформации. Этот
прибор опускается на тросе, который должен
содержать также воздухопровод, поскольку на
результат измерения такого датчика влияет ат-
мосферное давление на поверхность жидкости.
Погружные датчики давления удобны в тех слу-
чаях, когда доступ ограничен, например, при из-
мерении колебаний уровня в резервуаре город-
ской водопроводной системы.
Что может пойти не так?
Турбулентность
Поверхностная турбулентность, которую об-
разует рябь, волны, а также всплеск жидкости,
обычно возникает при быстром наполнении ре-
зервуара или при его боковых перемещениях,
поскольку он установлен на движущемся транс-
портном средстве. Для минимизации флуктуа-
ции выходного сигнала желательно использо-
вать гашение колебаний.
Рис. 15.11. За счет вставки в резервуар перегородок с отвер-
стиями уменьшаются всплески жидкости, возникающие при
боковом перемещении резервуара
118
Статья 15
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик уровня жидкости Что может пойти не так?
Влияние наклона
Показания всех датчиков уровня будут неточ-
ными, если резервуар с жидкостью наклонен.
Поплавковый датчик будет менее подвержен
влиянию наклона, если его установить в центре
резервуара, как показано на рис. 15.12.
Рис. 15.12. Если поплавковый датчик установлен в центре
резервуара, он будет существенно меньше подвержен влия-
нию наклона
Датчик уровня жидкости 119
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
ДАТЧИК СКОРОСТИ ПОТОКА
ЖИДКОСТИ
16
В данной статье не рассматриваются датчики скорости потока, кото-
рые не содержат электронных компонентов.
Некоторые методы измерения скорости потока жидкости подходят
и для газов, но обычно датчики предназначены либо для одного ва-
рианта применения, либо для другого. Поэтому датчикам скорости
потока газа посвящена отдельная статья 19.
Многие датчики скорости потока жидкости являются сложными
устройствами, рассчитанными на промышленное применение.
В данной статье акцент сделан на небольших и недорогих полупро-
водниковых датчиках.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик уровня жидкости (см. статью 15)
датчик давления газа/жидкости (см. статью 17)
• датчик скорости потока газа (см. статью 19)
Описание
Датчик скорости потока жидкости измеряет
скорость, с которой жидкость протекает через
устройство. Пример такого датчика - расходо-
мер для воды.
Датчик может выдавать двухстабильный выход-
ной сигнал; это означает, что он подает сигнал,
когда течение жидкости прекращается или на-
чинается, либо когда скорость потока становит-
ся больше или меньше некоторого уровня, кото-
рый можно установить заранее или переопреде-
лить. Тем не менее, большинство расходомеров
обеспечивают на выходе аналоговый сигнал,
значение которого зависит от объема жидкости,
протекшей за единицу времени.
Измерение скорости потока жидкости может
быть затруднено, если ее вязкость очень высока,
жидкость способна вступать в химические ре-
акции или же скорость течения слишком мала.
Для таких условий может потребоваться специ-
альное оборудование, которое не рассматрива-
ется в данной энциклопедии.
В этой статье сравниваются наиболее популяр-
ные методы измерений.
Датчик скорости потока жидкости
121
Датчики с лопастным колесом
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
Обозначения на схемах
Для обозначения насосов, вентилей и датчи-
ков на технологических схемах предусмотрено
много специальных символов. Как правило,
они содержат какую-либо букву или знак «X»
в круге. Такие символы обычно не применя-
ются на электрических схемах и поэтому здесь
не приводятся.
Датчики с лопастным
колесом
В простейшем и самом распространенном дат-
чике скорости потока жидкости имеется ло-
пастное колесо, которое называют также рото-
ром. Оно установлено так, чтобы ось вращения
располагалась под углом 90° по отношению к
направлению течения жидкости. На рис. 16.1
показан образец — датчик Koolance INS-FM16,
предназначенный для охлаждающей системы
процессора компьютера, который был «разо-
гнан», однако он подойдет и для любой дру-
гой системы, где скорость потока составляет
от 0,5 до 15 л/мин. Лопастное колесо снабжено
парой магнитов, которые приводят к срабаты-
ванию геркона, установленного под колесом.
Дополнительную информацию о герконах
см. в разделе «Герконовый переключатель»
статьи 3.
И хотя геркон в датчике Koolance подвержен
дребезгу контактов, указанный датчик весьма
прост и пригоден для применения в сочетании
с подходящими компонентами или микрокон-
троллером с программой подавления дребезга.
Как и любое другое устройство с вращающими-
ся узлами, датчик с лопастным колесом будет ис-
пытывать влияние трения и износа, в особенно-
сти из-за того, что подшипники часто размеща-
ют в камере, через которую проходит жидкость.
Роликовые подшипники здесь непригодны. Как
правило, применяют обычный подшипник, со-
стоящий из стержня, вращающегося в отверстии
корпуса. Трение приводит к износу поверх-
ности подшипника, зазор становится больше
и в результате ротор вибрирует или подергива-
ется, вместо того чтобы вращаться равномерно.
Возрастает сопротивление потоку, а точность
измерений снижается.
В современных вариантах конструкции массу
ротора дополнительно снижают для уменьше-
ния трения. К тому же, если вал расположен
горизонтально (но все так же под углом 90°
к направлению потока), то за счет плавучести
ротора в жидкости можно еще сильнее умень-
шить трение, как показано на рис. 16.2. В идеале
Рис. 16.1. Простой и недорогой датчик с лопастным колесом
рассчитан на скорости потока от 0,5 до 15 л/мин. Фоновая
сетка в миллиметрах
Рис. 16.2. В такой конструкции трение в подшипниках рото-
ра снижается за счет плавучести ротора, обладающего малой
плотностью
122
Статья 16
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
Турбинные датчики
желательно подобрать материал ротора с плот-
ностью, равной плотности жидкости.
В датчике Koolance жидкость течет по U-образ-
ной траектории (см. рис. 16.1), что обеспечи-
вает максимум чувствительности ротора, одна-
ко варианты прямоточных устройств (рис. 16.3)
более распространены.
Рис 16.3. Датчик скорости потока жидкости, рассчитанный
на скорость от 3 до 6 л/мин
Турбинные датчики
В датчике турбинного типа две (или более) спи-
ральные лопасти прикреплены к ступице, ко-
торая вращается вокруг оси, параллельной на-
правлению потока жидкости, как показано на
рис. 16.4. Магниты, расположенные в каждой
спиральной лопасти, приводят к срабатыва-
нию герконовых переключателей или датчиков
Холла, размещенных в консоли, которая удер-
живает турбину в подвешенном состоянии, не
позволяя ей касаться внутренней поверхности
трубы.
Крепежная консоль часто состоит из четырех
поперечин, которые оказывают сопротивление
потоку жидкости. Для подшипников характер-
ны те же проблемы, что и для датчика с лопаст-
ным колесом: они должны также выдерживать
дополнительную нагрузку, вызываемую линей-
ной силой, которую создает поток. В целом, хотя
датчики турбинного типа и распространены
в лабораторном оборудовании, они обладают
недостатками, которых нет у более громоздких
датчиков с лопастным колесом.
Ограничения лопастных колес
и турбин
Датчики обоих типов (с лопастным колесом
и с турбиной) начинают работать при некото-
ром минимальном потоке (преодолевающем
трение в подшипниках). Если скорость жидко-
сти меньше, то она будет протекать мимо рото-
ра, не поворачивая его. И даже когда скорость
потока выше минимальной, реакция ротора мо-
жет оказаться нелинейной из-за турбулентности
и других причин.
С ростом скорости потока увеличивается также
износ подшипников. При скорости потока выше
некоторого предела, указанного производите-
лем, турбулентность возрастает до такой степе-
ни, что показания датчика становятся бессмыс-
ленными.
Существенная проблема подобных датчиков —
недостаточно хорошая реакция на внезапные
изменения потока. В частности, лопастное
колесо обладает инерцией, которая зависит
Рис, 16.4. Упрощенная конструкция турбинного датчика ско-
рости потока жидкости, установленного внутри трубы
Датчик скорости потока жидкости
123
Датчик с нагретой массой
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
от диаметра ротора, и поэтому колесу требует-
ся некоторое время на раскручивание в ответ на
увеличение скорости потока. И, наоборот, при
уменьшении скорости потока лопастное колесо
будет затормаживаться не сразу.
Вязкость жидкости, протекающей через датчик
с лопастным колесом или через турбинный дат-
чик, будет сильно влиять на его рабочие харак-
теристики.
Датчик с нагретой массой
Система с нагретой массой (рис. 16.5) широко
применяется там, где объемы жидкости очень
малы. Трубка, содержащая жидкость, выполне-
на из металла, который хорошо проводит тепло,
например из алюминия. Она помещена внутри
большей трубки, а пространство между ними
заполнено термоизолирующим материалом.
Датчик температуры, например термистор, из-
меряет температуру жидкости, поступающей
в систему. Второй датчик, объединенный с не-
большим резистивным нагревателем в виде ка-
тушки, намотанной вокруг трубки, помещен
ниже по направлению потока. Жидкость, про-
текающая через трубку, отводит тепло более эф-
фективно при больших скоростях потока, а раз-
ность показаний температуры двух датчиков
является логарифмической функцией от скоро-
сти потока.
В разных вариантах этой системы используются
слегка различающиеся конфигурации трубок и
расположения датчиков, но принцип остается
тем же. Преимущество таких датчиков - отсут-
ствие подвижных частей, а также каких-либо
зондов, проникающих в жидкость; это может
быть желательно для биохимических и меди-
цинских прикладных задач.
Примечание
Аналогичный принцип реализован во многих дат-
чиках скорости потока газа (см. раздел «Опреде-
ление массового расхода» статьи 19).
Реле расхода
со скользящей муфтой
Этот датчик устанавливают в некоторых быто-
вых системах, где необходимо включить нагрев
воды при наличии потока. Вертикальный уча-
сток медной (немагнитной) водопроводной тру-
бы содержит скользящую муфту со встроенным
магнитом. Внешний геркон срабатывает, когда
муфта перемещается водой, протекающей че-
рез нее. Когда поток прекращается, муфта воз-
вращается в исходное состояние под действием
силы тяжести.
Рис. 16.5. В датчике с нагретой массой разность показаний
температуры двух датчиков является логарифмической функ-
цией от скорости потока жидкости
Реле расхода с подвижным
поршнем
На рис. 16.6 показано подобное реле в разо-
бранном виде. В этом устройстве установлен
пластиковый поршень, который перемещается
внутри нейлоновой водопроводной арматуры,
предназначенной для труб диаметром 3/4 дюй-
ма. Поршень содержит магнит и удерживается
при помощи пружины и пластинки с отверсти-
ями. Когда скорость потока воды становится
124
Статья 16
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
Магнитный датчик скорости жидкости
Существуют различные конструкции датчиков,
в некоторых из них источники и детекторы уль-
тразвука зафиксированы на внешней поверх-
ности трубки, как показано на рис. 16.7. Чтобы
исключить влияние других факторов, один уль-
тразвуковой импульс передается по направле-
нию потока, а второй — против потока, после
чего разность между двумя интервалами про-
хождения сигнала используется как показатель
скорости потока.
Рис. 16.6, Компоненты реле расхода. Поршень вставлен в
трубку и удерживается перфорированной пластинкой и пру-
достаточной для преодоления сопротивления
пружины, поршень смещается на достаточное
расстояние, и магнит вызывает срабатывание
геркона, встроенного во внешний корпус.
Ультразвуковой датчик
скорости жидкости
В таком датчике ультразвук проходит через
жидкость внутри трубки. На скорость звука в
жидкости влияет скорость потока, и внешняя
электронная схема преобразует эту задержку по
времени в величину объема, протекающего за
минуту. Система учитывает изменения темпера-
туры, которые также влияют на скорость звука.
Магнитный датчик
скорости жидкости
Магнитное поле индуцируется в металлической
трубке при помощи катушки, которая создает
поле, направленное перпендикулярно потоку
жидкости. Внутренняя поверхность трубки по-
крыта непроводящим материалом, в котором
размещены два электрода. Поскольку вода,
содержащая ионы, обладает электропровод-
ностью, при протекании через магнитное поле
возникает небольшая разность потенциалов на
электродах. Это напряжение зависит от скоро-
сти потока жидкости.
Чтобы устранить влияние внешних факторов,
которые также могли бы сказаться на разности
потенциалов, на катушку подают переменное
высокочастотное напряжение. Индуцированное
поле остается тем же независимо от направле-
ния электрического тока.
Магнитный датчик скорости потока не следует
путать с магнитным реле расхода. Выпускаются
различные типы переключателей, среди кото-
рых есть и промышленные устройства, предна-
значенные для тяжелых режимов работы; в них
поток жидкости перемещает магнит, который
активирует запорный вентиль. Подобные дат-
чики для промышленного применения не рас-
сматриваются в данной энциклопедии.
Рис. 16.7. Ультразвуковой датчик скорости потока, монтируе-
мый на внешней поверхности трубки
Датчик скорости потока жидкости
125
Датчик скорости потока жидкости
на основе перепада давления
характеристики текучих сред > жидкость >
датчик скорости потока жидкости
Датчик скорости потока
жидкости на основе
перепада давления
В этой системе трубка содержит перфорирован-
ную пластину или какое-либо подобное удер-
живающее приспособление, которое частично
препятствует протеканию жидкости. Давление
измеряется при помощи двух преобразователей
давления, размещенных до препятствия и после
него. Перепад давления является показателем
скорости потока, т. к. он возрастает при увели-
чении скорости течения жидкости.
Первоначально такая система была разработана
для больших промышленных установок, но впо-
следствии была миниатюризирована и изготов-
лена по интегральной технологии из кремния,
чтобы измерять очень низкие скорости потока.
Так, например, размер датчика Omron D6F-PH
составляет меньше 3 см. Микросхема выполняет
цифровую коррекцию, чтобы обеспечить вы-
ходной сигнал, который близок к линейному.
Вследствие малого размера ее можно применять
только для небольших скоростей потока или как
обходной датчик (см. рис. 19.7 в статье 19).
Что может пойти не так?
Влияние загрязнений и коррозии
материалов
Электромеханические датчики скорости потока
жидкости с малогабаритными чувствительны-
ми элементами очень уязвимы к загрязнениям.
Чтобы предотвратить поломку датчика, жид-
кость необходимо предварительно фильтровать.
Производитель может приводить в техническом
паспорте информацию о возможности исполь-
зования загрязненных и химически активных
жидкостей.
126
Статья 16
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
ГАЗА/ЖИДКОСТИ
17
Приборы для измерения давления, не содержащие электронных
компонентов, например манометр для определения давления в ав-
томобильных шинах, в данной энциклопедии не рассматриваются.
Многие методы измерения давления подходят как для газов, так
и для жидкостей. Чтобы избежать повторов, датчики давления газа
и датчики давления жидкости рассмотрены не в отдельных статьях,
а все вместе в данной статье.
Речь далее пойдет почти исключительно о микроэлектромеханиче-
ских компонентах. Приборы для измерения давления, которые по-
ставляются как промышленные изделия, не рассмотрены.
Некоторые производители и поставщики используют термин дат-
чик давления для обозначения компонента, который измеряет меха-
ническую нагрузку или силу. В данной энциклопедии этим термином
называются только такие компоненты, которые измеряют давление
жидкости или газа. Механические динамометрические датчики и дат-
чики силы можно найти в разделе о датчиках усилия в статье 12.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик уровня жидкости (см. статью 15)
датчик скорости потока жидкости (см. статью 16)
• датчик скорости потока газа (см. статью 19)
Описание
Датчик давления измеряет силу, которую ока-
зывает газ или жидкость, находящиеся в сосуде
или в трубке, на стенки и дно.
Статическое давление измеряется при услови-
ях, которые меняются медленно или остаются
постоянными. Динамическое давление подвер-
жено быстрым колебаниям. Датчики давления
обычно конструируют для одного из названных
условий работы.
Обозначения на схемах
На технологических схемах используется много
специальных символов для обозначения насо-
сов, вентилей и устройств, содержащих датчики
давления. Как правило, они представляют со-
бой круг с какой-либо буквой или знаком «X»
внутри. Такие символы обычно не применяются
в электрических схемах и поэтому здесь не при-
водятся.
Датчик давления газа/жидкости
127
Устройство и принцип действия
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
Варианты применения
Барометрические датчики присутствуют в баро-
метрах и на метеостанциях. Альтиметры факти-
чески являются специальной разновидностью
барометрического датчика, устанавливаемого
на летательных аппаратах. Датчики давления
газа широко распространены в промышлен-
ности, а также служат для контроля давления
в шинах транспортных средств или выходного
давления в воздушных компрессорах. Они спо-
собны также косвенным путем определять дав-
ление жидкости, как, например, в манжетке для
измерения кровяного давления.
Датчики давления жидкости используются для
измерения давления масла в двигателе автомо-
биля и в гидравлических тормозных системах.
Они применяются также в медицине и для кон-
троля давления в городских водопроводных си-
стемах и на насосных станциях.
Особенности конструкции
В результате хаотичного молекулярного движе-
ния газ стремится заполнить весь сосуд, содер-
жащий его. Когда газ приходит в равновесное
состояние, его давление станет почти одина-
ковым во всех направлениях, и на него лишь в
малой степени будет влиять сила тяжести. Когда
газ находится внутри герметичного жесткого
сосуда, давление газа будет линейно зависеть от
температуры.
Жидкость под воздействием силы тяжести стре-
мится собраться в нижней части любого сосуда.
Давление жидкости в резервуаре будет наиболь-
шим у его дна, т. к. на него давит расположенная
сверху жидкость. Но поскольку почти все жид-
кости трудносжимаемые, давление без измене-
ния передается из любой точки в сосуде к любой
другой точке, включая и стенки сосуда.
Единицы измерения давления
Давление определяется как сила, приложен-
ная к единице площади. А выразить это можно
с помощью самых разных единиц измерения,
которые могут сбить с толку.
В США давление газа и жидкости до сих пор ча-
сто выражают в фунтах на квадратный дюйм (со-
кращенно PSI или, чаще, psi, а иногда — lb/in2).
В Международной системе единиц (СИ) давле-
ние в 1 бар приближенно равно атмосферному
давлению на уровне моря. Метеорологи чаще
используют миллибары. 1 миллибар составля-
ет 1/1000 бара и равен 100 паскалям. 1 паскаль
(1 Па) равен 1 ньютону на квадратный метр
(1 Н/м2). Давление 1 бар эквивалентно 14,504 psi.
Кровяное давление измеряется в миллиметрах
ртутного столба, поскольку для этой цели из-
начально применялись ртутные манометры.
Атмосферное давление также выражают в мил-
лиметрах ртутного столба, поскольку в самых
ранних моделях барометров применялась труб-
ка, которая содержала ртуть. В США некоторые
источники все еще упоминают дюймы ртутного
столба.
Устройство и принцип
действия
Давление обычно измеряют в три этапа.
• Чувствительный элемент преобразует дав-
ление в механическое перемещение гибкой
части конструкции.
• Преобразователь переводит механическое
смещение в какой-либо электрический эф-
фект либо за счет изменения сопротивле-
ния, либо вырабатывая небольшое напря-
жение или ток.
• Дальнейшую обработку сигнала осуществ-
ляет электронная схема. На этом этапе мо-
жет понадобиться изменение нелинейного
сигнала или же перевод аналогового сиг-
нала в цифровой.
Поскольку датчики давления все чаще выпу-
скаются в виде микроэлектромеханических
128
Статья 17
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
Устройство и принцип действия
устройств, все перечисленные операции может
выполнять одна интегральная микросхема.
Виды чувствительных элементов
На рис. 17.1 показаны четыре типа чувствитель-
ных элементов, которые способны преобразо-
вать давление в механическое перемещение.
В каждом случае стрелкой показана точка по-
дачи газа или жидкости под давлением.
1. Трубка Бурдона полая, открытая с одного
конца и запаянная с другого. Под давлением
она изгибается и ее радиус увеличивается.
2. Спиральная трубка Бурдона под давлением
развертывается, в результате чего ее верх-
ний конец поворачивается.
3. Простая плоская диафрагма.
4. Рифленая диафрагма.
Обычная трубка Бурдона вряд ли применяется в
современных системах, а вот спиральную трубку
можно использовать для вращения потенциоме-
тра в недорогих системах, определяющих давле-
ние масла. Плоская диафрагма хорошо подходит
для микроэлектромеханических устройств, и ее
можно вытравить в кремниевом кристалле, как
показано на рис. 17.2.
Рис. 17.2. Разрез датчика давления с плоской диафрагмой
(вид сбоку). Отверстие в верхней части микросхемы обеспе-
чивает доступ воздуха. Чувствительный элемент вытравлен
в кремниевом кристалле, а его изгиб измеряется с помощью
встроенных пьезорезисторов
Рис. 17.1. Элементы, воспринимающие давление: 1 — трубка
Бурдона; 2 — спиральная трубка Бурдона; 3 — плоская диа-
фрагма; 4 — рифленая диафрагма
Измерение относительного
давления
Давление всегда выражается по отношению к ка-
кому-либо опорному значению. Широко исполь-
зуются следующие три типа эталонов давления:
• Абсолютное давление — относительно
нулевого значения для вакуума.
• Манометрическое давление — относительно
давления среды, которая окружает датчик.
Эталонным давлением здесь является
давление воздуха, в измерительную систему
встроен воздушный клапан.
Датчик давления газа/жидкости
129
Варианты изготовления
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
• Перепад давления. В этом случае искомое
давление измеряется по отношению к ка-
кому-либо другому давлению, например,
определяется перепад давления между дву-
мя герметичными емкостями.
На рис. 17.3 проиллюстрированы эти три типа
измерений.
открытый конец оказался погруженным в не-
большой резервуар, сообщающийся с внешним
воздухом, давление которого удерживало стол-
бик ртути внутри трубки. Таким образом, высо-
та этого столбика была пропорциональна атмос-
ферному давлению. Поскольку низкое давление
часто является признаком ненастья, барометр
был очень простым прибором для прогнозиро-
вания погоды.
Современный барометрический датчик состоит
из микросхемы с отверстием для поступления
воздуха в ее верхней части. Давление наружного
воздуха воздействует на чувствительный эле-
мент внутри микросхемы. Популярный датчик
марки Bosch BMP085 показан на рис. 17.4 уста-
новленным на плате расширения. Технические
характеристики датчика ВМР180 очень схожи с
предыдущим, а основное отличие заключается в
том, что он подключается к шине SPI, а не I2C.
Дополнительные подробности о таких протоко-
лах, как SPI и I2C, см. в приложении 1.
Напряжение питания этого датчика лежит в
диапазоне от 2 до 3,5 В, однако на плате рас-
ширения есть стабилизатор напряжения и ее
Рис. 17.3. Три варианта измерения давления
Варианты изготовления
Давление окружающего воздуха
Барометрический датчик измеряет давление
воздуха, который его окружает. Это значение
является абсолютным по отношению к вакууму.
Самые первые барометры состояли из трубки,
которая содержала ртуть и была запаяна с одно-
го конца. Внутрь трубки воздух не поступал.
Она была перевернута таким образом, чтобы ее
Рис. 17.4. Барометрический датчик Bosch на плате расшире-
ния. Фоновая сетка в миллиметрах
130
Статья 17
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
Варианты изготовления
можно подключать к 5-вольтовому источни-
ку. Выходной сигнал оцифровывается и может
быть подан на микроконтроллер, однако формат
данных достаточно сложный и состоит из не-
обработанных значений, которые необходимо
переводить в показания давления воздуха при
помощи формулы. Для этой цели производитель
предлагает бесплатный программный код на
языке С. Термометр, встроенный в микросхему,
обеспечивает температурную компенсацию.
К микросхеме ВМЕ280, также выпускаемой
компанией Bosch, добавлен датчик влажности.
Платы расширения для разных барометриче-
ских микросхем-датчиков доступны у таких по-
ставщиков, как Sparkfun и Adafruit, причем для
интерпретации данных созданы библиотеки
программного кода для среды Arduino.
Измерение высоты
над уровнем моря
Барометрический датчик позволяет определить
высоту над уровнем моря. На уровне моря ат-
мосферное давление составляет приблизитель-
но 101 кПа или 760 мм ртутного столба. На вы-
соте 5000 м атмосферное давление снижается до
56 кПа. Зависимость нелинейная, давление ме-
няется быстрее на меньшей высоте.
На атмосферное давление влияет температура и
погодные условия. Маловероятно, чтобы погода
изменила значение давления более чем на ±1%,
а влияние температуры еще меньше; к тому же
рабочую точку барометрического датчика мож-
но настроить с учетом текущей температуры и
погодных условий.
Датчики давления газа
Поставщики электронных компонентов пред-
лагают тысячи вариантов датчиков давления,
предназначенных для монтажа на печатной
плате. Необходимость подсоединения к возду-
ховодным трубкам накладывает ограничения
на минимальный размер таких компонентов.
Многие из них предназначены для штырько-
вого монтажа, но даже компоненты для по-
верхностного монтажа могут быть достаточно
большими по размерам (например, 10x10 мм).
Большинство датчиков снабжены патрубками с
рифленой бородкой для надевания гибких тру-
бок. Выходной сигнал может быть аналоговым
или цифровым, цифровой протокол совместим
с I2C, SPI или TTL.
Описанные датчики рассчитаны на давление до
500 кПа. Некоторые производители указывают
в документации единицу измерения psi, другие
приводят бары и миллибары, и совсем немно-
гие выражают давление газа в дюймах водяного
столба.
Двухвходовые датчики газа для измерения пере-
пада давления пригодны и для манометрических
измерений (т. е. по отношению к окружающему
воздуху), если оставить одно из входных отвер-
стий открытым. Абсолютные датчики давления
имеют лишь один входной патрубок, поскольку
они измеряют давление относительно вакуума,
который поддерживается внутри микросхемы,
за диафрагмой.
Внимание!
Некоторые датчики давления газа могут выпол-
нять двойную функцию, измеряя также и давление
жидкости. Необходимо внимательно читать техни-
ческие паспорта, поскольку онлайн-поставщики
могут не приводить подобной информации.
Датчик, выпускаемый компанией All Sensors
Corporation (рис. 17.5), предназначен для гиб-
ких трубок с внутренним диаметром 1/16 дюй-
ма (1,6 мм). Расстояние между выводами ком-
понента равно 0,1 дюйма (2,54 мм), что позво-
ляет монтировать его на макетных платах. Этот
датчик предназначен только для газов, но об-
ладает так называемым «десятидюймовым вод-
ным эквивалентом», т. е. способен выдержать
максимальное давление, которое эквивалентно
давлению водяного столба высотой 10 дюймов
(25,4 см).
Датчик давления газа/жидкости
131
Что может пойти не так?
характеристики текучих сред > газ/жидкость >
датчик давления газа/жидкости
При подаче электропитания 16 В постоянного
тока внутренний мост Уинстона обеспечивает
аналоговый выходной сигнал, который пропор-
ционально изменяется на несколько милливольт
для полного измеряемого диапазона давлений
(точные характеристики зависят от источника
питания). Выходной сигнал можно усилить с
помощью операционного усилителя. Хотя опи-
сываемый датчик предназначен для измерения
перепада давления, он может определять и ма-
нометрическое давление, если оставить откры-
тым один из патрубков.
Датчик большего размера из серии ADCA, вы-
пускаемой компанией All Sensors Corporation
(рис. 17.6), подсоединяется к гибким трубкам
с внутренним диаметром 1/8 дюйма (3,2 мм).
Он предназначен только для газов и обладает
«пятидюймовым водным эквивалентом». Ему
необходим источник питания 5 В постоянного
тока. Микросхема содержит встроенный опе-
рационный усилитель, который обеспечивает
выходной сигнал, пропорционально изменяю-
щийся на 0,2 В (рабочая точка равна 4 В) для
всего диапазона измеряемого перепада давле-
ния. Подобно своему «младшему собрату», он
способен измерять манометрическое давление,
если оставить открытым один из патрубков.
Рис. 17.5. Датчик давления газа, предназначенный для под-
соединения к гибким трубкам с внутренним диаметром
1/16 дюйма (1,6 мм). Фоновая сетка в миллиметрах
Что может пойти не так?
Уязвимость к загрязнениям,
влаге и химически активным
материалам
Микроэлектромеханические датчики давле-
ния, содержащие очень маленькие и хрупкие
чувствительные элементы, неизбежно должны
непосредственно контактировать с газами и,
в некоторых случаях, с жидкостями. В техниче-
ских паспортах будут указаны предупреждения,
относящиеся к влаге и химически активным
жидкостям, однако риск появления загрязнений
остается. Для его снижения жидкости необхо-
димо фильтровать.
В корпусе барометрических датчиков есть от-
верстие для доступа внешнего воздуха. Это от-
верстие необходимо защитить от прямого кон-
такта с окружающей средой.
Рис. 17.6. Датчик давления газа, предназначенный для при-
менения с гибкими трубками с внутренним диаметром
1/8 дюйма (3,2 мм). Фоновая сетка в миллиметрах
Чувствительность к свету
Если в воздуховодное отверстие барометриче-
ского датчика проникает свет, он может вызвать
фотоэлектрический ток в микросхеме, что по-
влияет на точность измерений.
132
Статья 17
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
ДАТЧИК КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗА
18
Датчики влажности и датчики пара также включены в эту статью,
поскольку они измеряют концентрацию жидкости, находящейся
в газообразном состоянии.
Существуют также сложные промышленные датчики для точного
определения концентрации газа, однако далее почти везде рассма-
триваются недорогие полупроводниковые датчики, которые отно-
сятся к компонентам для монтажа на печатной плате.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик давления газа/жидкости (см. статью 17)
Описание
Простые недорогие полупроводниковые дат-
чики газа способны обнаружить присутствие
некоторых газов в окружающем воздухе.
Электрическое сопротивление или емкость та-
кого датчика меняется в зависимости от кон-
центрации газа. Их можно использовать в со-
четании с системой аварийной сигнализации,
которая будет подавать звуковой сигнал, если
концентрация газов, таких как пропан или угар-
ный газ, превысит заданный уровень, либо если
содержание кислорода станет ниже заданного.
Поскольку пар представляет собой жидкость
в газообразном состоянии, датчики газа могут
реагировать на пары, например, в детекторах
наличия алкоголя.
Датчик влажности измеряет количество водя-
ных паров в воздухе. Эти данные могут быть
важны для систем охлаждения, нагрева, венти-
ляции и кондиционирования воздуха, для меди-
цинского оборудования, в метеорологии, а так-
же в таких помещениях, где находятся произ-
ведения искусства, антиквариат или бумажные
архивы, которые должны храниться при опреде-
ленной влажности воздуха, а также при посто-
янной температуре. Контроль влажности может
быть также важен в таких климатических усло-
виях, где возможно появление плесени. Датчики
влажности используются и в автомобильных
системах климат-контроля для устранения за-
потевания лобового стекла, а также на складах,
где хранятся продукты, ткани, изделия из дерева
и медикаменты.
Высокие влажность и температура приводят
к разложению многих веществ, а низкая влаж-
ность может привести к высушиванию. Высокая
влажность может также представлять опасность,
если она приводит к расширению материалов
в результате впитывания влаги.
Датчик концентрации газа
133
Полупроводниковые датчики газа
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
Для обнаружения отдельных газов разработано
множество методов, однако для тех ситуаций,
где точность и привязка к конкретному газу не-
существенны, в настоящее время преобладают
полупроводниковые датчики.
Обозначение на схемах
Для обозначения полупроводникового датчика
газа нет специального символа.
Полупроводниковые
датчики газа
Во время разработки транзисторов в 50-х годах
прошлого века инженеры обратили внимание
на то, что /?-л-переходы в полупроводниковых
приборах реагируют на присутствие некоторых
газов в атмосфере. К этому явлению отнеслись
как к проблеме, которая была решена путем гер-
метизации транзисторов, чтобы предотвратить
их контакт с внешней средой.
В 1980-е годы согласно японским законам во
всех домах потребовалась установка датчиков
для обнаружения опасной концентрации про-
пана. Это послужило поводом к разработке не-
дорогих и долговечных компонентов, которые
основаны на упомянутой чувствительности
полупроводников к концентрации некоторых
газов.
Во многих полупроводниковых датчиках газа
используется оксид олова. Слой из спеченно-
го порошкового материала наносится на ке-
рамическую подложку в комбинации с дру-
гими веществами, такими как оксид сурьмы.
Гранулированный слой действует подобно полу-
проводнику я-типа, в котором перенос электро-
нов возрастает при адсорбции определенных га-
зов между гранулами. Когда концентрация газа
снижается, молекулы газа вытесняются атомами
кислорода и датчик возвращается в исходное
состояние. Он не повреждается в результате
активации и обладает расчетным сроком служ-
бы как минимум 5 лет при активной работе.
Каждый датчик содержит небольшой резистив-
ный нагреватель, который необходим для воз-
никновения химической реакции. Напряжение
следует подавать на два вывода, подключен-
ные к нагревателю. Два других вывода под-
ключены внутри к чувствительному элементу.
Сопротивление между этими выводами будет
меняться при наличии обнаруживаемого газа;
таким образом, данный компонент представля-
ет собой переменное сопротивление.
Особенностью полупроводниковых датчи-
ков газа является то, что они обычно страда-
ют от перекрестной чувствительности: датчик
может реагировать сразу на несколько газов.
Производители до некоторой степени решают
эту проблему, добавляя фильтрующий материал
вокруг полупроводникового элемента или регу-
лируя пропорции легирующих добавок в полу-
проводнике. Следует внимательно сверяться с
техническими паспортами, чтобы выяснить, не
будет ли возникать ложное срабатывание дат-
чика в результате наличия других газов в той
среде, где он будет находиться.
Рис. 18.1. Датчик пропана. Фоновая сетка в миллиметрах
134
Статья 18
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
Датчики кислорода
На рис. 18.1 показан датчик пропана MQ-5, вы-
пускаемый компанией Hanwei Electronics. Этот
компонент реагирует также на метан, водород,
пары спирта и угарный газ, но с меньшей чув-
ствительностью. Производитель рекомендует
настраивать датчик, подключая последователь-
но к его выходу резистор номиналом от 10 до
47 кОм.
На рис. 18.2 показан датчик марки MQ-3, ко-
торый тоже выпускается компанией Hanwei
Electronics и предназначен для обнаружения
паров спирта. Он обладает также некоторой
чувствительностью к бензолу, но это вряд ли
приведет к сложностям, поскольку в окружаю-
щем воздухе бензол редко присутствует в суще-
ственной концентрации. Однако отклик датчика
на присутствие спирта меняется в зависимости
от температуры и влажности. Поэтому данный
компонент можно использовать только как
«алкотестер», если пользователя устраивает
приближенный результат.
Примечание
Существуют также полупроводниковые датчики
газа для обнаружения метана, угарного газа, во-
дорода, озона и других газов.
Перечисленные компоненты потребляют срав-
нительно большой ток. Как правило, внутрен-
ний нагреватель в серии компонентов Hanwei
обладает сопротивлением порядка 30 Ом и по-
требляет ток от 150 до 160 мА при напряжении
5 В (т. е. расходует мощность чуть менее 1 Вт).
Поскольку нагреватель является простым рези-
стивным устройством, его можно подключать
к источнику как переменного, так и постоянного
тока. На выходное сопротивление этого датчика
также можно подавать сигнал переменного или
постоянного тока.
Плата расширения (рис. 18.3), выпускаемая
компанией Parallax, облегчает работу с датчи-
ками газа Hanwei. Она совместима с датчиками
угарного газа, пропана, метана и паров спирта,
каждый из которых можно вставить в разъем на
плате. Два подстроечных резистора позволяют
задать чувствительность и граничное значение
отключения для чувствительного элемента.
В исходном состоянии уровень сигнала на ТТЛ-
выходе логически низкий, при обнаружении
газа он становится логически высоким.
Рис. 18.3. Плата расширения Parallax для подключения датчи-
ков газа Hanwei
Рис. 18.2. Датчик паров спирта. Фоновая сетка в милли-
метрах
Датчики кислорода
Детекторы кислорода часто представляют собой
мембрану, сделанную из диоксида циркония.
При нагреве этот материал обладает свойством
Датчик концентрации газа
135
Датчики влажности
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
переносить ионы кислорода. Единственное
условие — циркониевая мембрана должна отде-
лять газ, для которого выполняются измерения,
от окружающего воздуха. Это разновидность то-
пливного элемента, которая называется концен-
трационной ячейкой или ячейкой Нернста. Если
концентрация кислорода различна по разные
стороны от мембраны, ионы кислорода начина-
ют проходить через нее. Проходят только ионы,
а не нейтральные атомы или молекулы кисло-
рода. Поскольку ионы заряжены отрицательно,
то их перемещение приведет к появлению раз-
ности потенциалов в элементе, которую можно
измерить при помощи платиновых электродов.
В соответствии с требованиями о составе газо-
образных выбросов, в автомобилях устанавли-
вают датчики концентрации кислорода в вы-
хлопных газах. С их помощью регулируется
отношение топливо/воздух в системе впрыска
топлива. Если воздуха слишком много, это при-
ведет к образованию оксидов азота, а если че-
ресчур мало, то образуется угарный газ.
Датчики влажности
Содержание влаги в воздухе можно выразить
тремя различными способами:
• Абсолютная влажность — это вес водяно-
го пара в определенном объеме воздуха.
В метрической системе измеряется в г/м3.
Датчик абсолютной влажности называется
гигрометром.
• Тонка росы — это температура, при кото-
рой начинается конденсация влаги, если
некоторый объем воздуха охлаждать без
изменения его давления. Точка росы пока-
зывает, насколько влажным является окру-
жающий воздух в данный момент, поскольку
вода будет конденсироваться с большей лег-
костью во влажных условиях.
• Относительная влажность — это отноше-
ние текущего значения абсолютной влаж-
ности к такому гипотетическому ее уровню,
при котором добавление водяного пара
привело бы к его конденсации (при по-
стоянной температуре, давлении и объеме
воздуха). В англоязычных источниках час-
то сокращается как RH. Относительную
влажность выражают в процентах. Так, если
в каком-либо объеме воздуха уже конден-
сируется влага, то относительная влажность
равна 100%. Если объем воздуха содержит
половину веса влаги, необходимой для на-
чала конденсации, то относительная влаж-
ность составляет 50%. Если в воздухе
совсем нет влаги, относительная влажность
равна 0%.
В разговорной речи термин «влажность» обыч-
но означает относительную влажность, а выход-
ной сигнал датчика, как правило, можно при-
вести к такому виду. Тем не менее, существуют
также и датчики абсолютной влажности.
Датчик точки росы
Ранее метеорологи пользовались гигрометром
с охлаждаемым зеркалом, у которого металли-
ческое зеркало подвергалось воздействию ат-
мосферного воздуха и охлаждалось до тех пор,
пока оно не покрывалось конденсатом влаги.
Температура, при которой это произошло, явля-
лась точкой росы.
Похожая система по-прежнему применяется
в сочетании со светодиодом и фототранзисто-
ром. Светодиод размещается так, чтобы его свет
отражался от зеркала и попадал прямо в фото-
транзистор. Зеркало охлаждают до начала по-
явления влаги, которая рассеивает отражаемый
свет и приводит к явно выраженному измене-
нию выходного сигнала от фототранзистора.
Несмотря на сложность формулы, которая свя-
зывает точку росы с величиной относительной
влажности, существует упрощенное выражение,
которое является достаточно точным, если отно-
сительная влажность составляет 50% и больше.
Пусть rh — относительная влажность, t - тем-
пература в данный момент, atD- температура
136
Статья 18
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
Датчики влажности
точки росы, при которой появляется влага. Тогда
справедливо приблизительное соотношение:
RH * 100 - ( 5 * (t - tD) ).
И хотя датчик точки росы с охлаждаемым зер-
калом является довольно точным прибором, он
дорогой, тяжелый и непрактичный для боль-
шинства вариантов применения вне сферы ме-
теорологии.
Датчики абсолютной влажности
В датчике абсолютной влажности могут исполь-
зоваться два термистора с отрицательным тем-
пературным коэффициентом (NTC), которые
включены в схему моста Уитстона. Один терми-
стор находится в герметичной камере, содержа-
щей сухой азот с нулевой влажностью. Второй
подвергается воздействию атмосферного воз-
духа. Ток, протекающий через термисторы, по-
вышает их температуру как минимум до 200 °С.
Поскольку тепло рассеивается менее эффек-
тивно при наличии влаги в воздухе, наружный
термистор будет горячее, и его сопротивление
окажется выше при большей влажности. Такой
датчик установлен, например, в сушильных ап-
паратах и печах для обжига дерева.
Примечание
Дополнительную информацию о термисторах см.
в статьях 23 и 24.
Датчики относительной
влажности
Относительную влажность измеряют с помощью
чувствительных элементов двух основных ти-
пов: резистивных и емкостных.
Ърезистивном чувствительном элементе тонкий
слой полимера, соли или другого гигроскопич-
ного вещества нанесен на подложку, выполнен-
ную из керамики или другого химически инерт-
ного материала. Когда вещество впитывает воду,
его электрическая проводимость возрастает. На
чувствительный элемент подается переменное
напряжение. Выходной сигнал преобразуется
в постоянный ток и далее осуществляется ли-
неаризация, чтобы обеспечить практически ли-
нейную зависимость между концентрацией пара
и температурой. Эти функции могут выпол-
няться аппаратными средствами, встроенными
в датчик, а цифровое значение относительной
влажности передается во внешний микрокон-
троллер.
В емкостном датчике также присутствует тон-
кая пленка из полимера или оксида металла,
нанесенная на керамическую или стеклянную
подложку, однако эта пленка играет роль ди-
электрика между двумя металлическими элек-
тродами, которые служат обкладками конденса-
тора. Характеристики диэлектрика изменяются,
когда пленка впитывает влагу, и это приводит
к вариации емкости, как правило, на величину
от 0,2 до 0,5 пФ при изменении относительной
влажности на 1%. Эта зависимость практиче-
ски линейна для всего диапазона относительной
влажности от 0 до 100%.
Фактическое значение емкости при относитель-
ной влажности 50% будет составлять от 100 до
500 пФ. На датчик может подаваться перемен-
ное напряжение от внешнего источника, либо
постоянное напряжение питания преобразуется
в переменное с помощью специализированной
микросхемы, которая, кроме того, формирует
цифровой выходной сигнал.
Для определения точки росы или абсолютной
влажности, на основе величины относительной
влажности, необходимо также знать температу-
ру окружающего воздуха. Микросхема Si7005,
выпускаемая компанией Silicon Labs, содержит
датчик температуры и датчик относительной
влажности на основе конденсатора, в котором
диэлектриком является полиимид. При появле-
нии конденсата встроенный в микросхему на-
греватель вызывает его испарение, чтобы воз-
обновить нормальную работу датчика. Данные
от микросхемы передаются по интерфейсу I2C.
Датчик концентрации газа
137
Датчики влажности
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
Выходной сигнал датчика
влажности
Если выходной сигнал аналоговый, сопротивле-
ние или емкость внутреннего чувствительного
элемента считывается с двух контактов или ле-
пестков для пайки, расположенных на датчи-
ке. Далее это аналоговое значение необходимо
перевести в цифровую величину относительной
влажности, выполнив вычисления, в которых
учитывается значение текущей температуры.
Датчик температуры может быть встроен в ком-
понент, но может и отсутствовать.
Если выходной сигнал датчика цифровой, то
внутренний аналого-цифровой преобразователь
подключается к микроконтроллеру по после-
довательному интерфейсу с протоком I2C или
SPI. Существуют варианты датчиков, передаю-
щих данные при помощи широтно-импульсной
модуляции. В любом случае, выходной сигнал
будет соответствовать величине относительной
влажности, которая вычислена в самой микро-
схеме с учетом показаний встроенного датчика
температуры.
Аналоговый датчик влажности
Внутренняя емкость недорогого аналогового
датчика влажности Humirel HS1101 (рис. 18.4)
меняется приблизительно от 160 до 200 пФ при
возрастании относительной влажности от 0 до
100%. Характеристика датчика почти линейная,
ее крутизна увеличивается, когда влажность
превышает 80%.
Производитель указывает время восстановле-
ния, которое составляет 10 секунд после 150 ча-
сов работы. Другими словами, рабочие харак-
теристики датчика должны возвращаться к ис-
ходным параметрам.
Такой датчик можно подключить к микрокон-
троллеру, который будет измерять время заряда
внутреннего конденсатора в датчике. Если чув-
ствительный элемент подключен параллельно
Рис. 18.4. Датчик влажности Humirel HS1101. Фоновая сетка
в миллиметрах
с резистором 10 МОм, то конденсатор пол-
ностью разрядится до того, как микроконтрол-
лер снова его зарядит. Для ограничения тока
заряда между микроконтроллером и датчи-
ком необходимо последовательно включить
резистор номиналом 220 Ом, как показано на
рис. 18.5.
Цифровой выход
Аналого-цифровой
вход
Микроконтроллер
HVWV
220
Датчик
Humirel
HS1101
. 10 МОм
Рис. 18.5. Измерение времени заряда внутреннего конденса-
тора датчика газа с помощью микроконтроллера
138
Статья 18
характеристики текучих сред > газ >
датчик концентрации газа
Датчики влажности
В альтернативном варианте производитель
предлагает подключить внутренний конденса-
тор датчика к времязадающей цепи таймера 555,
чтобы управлять выходной частотой. Счетчик
или микроконтроллер будет подсчитывать чис-
ло импульсов в единицу времени.
Датчик влажности Honeywell HIH4030 для по-
верхностного монтажа выдает более удобный
диапазон аналогового напряжения, которое воз-
растает практически линейно, приблизительно
от 0,8 В при влажности 0% до 3,8 В при влажно-
сти 100%, если источник питания обеспечивает
напряжение 5 В. Компания Sparkfun предлагает
миниатюрную плату расширения для этого дат-
чика (рис. 18.6).
Особенности монтажа датчиков
влажности
Поскольку относительная влажность зависит
от температуры, датчик должен иметь такую
же температуру, как и окружающий его воздух.
Во многих технических паспортах для мини-
мизации переноса тепла при установке датчи-
ка на печатной плате рекомендуют выполнить
фрезерование отверстия. Монтировать такой
датчик следует как можно дальше от компонен-
тов, выделяющих тепло.
В случае если аналоговый емкостный датчик
влажности помещается на некотором удалении
от электронной схемы, которая будет обрабаты-
вать его выходной сигнал, следует использовать
экранированный кабель или витую пару, чтобы
минимизировать паразитную емкость проводов.
Рядом с датчиком желательно установить развя-
зывающий конденсатор, подключенный между
источником питающего напряжения и зазем-
лением.
Цифровой датчик влажности
Компонент АМ2302 (рис. 18.7), предлагаемый
фирмой Adafruit, представляет собой емкост-
ный датчик влажности с цифровым выходным
сигналом, который можно непосредственно
передать в микроконтроллер по протоколу I2C.
Встроенная электронная схема рассчитывает от-
носительную влажность, используя показания
внутреннего термодатчика.
Рис. 18.6. Датчик Honeywell HIH4030, установленный на плате
расширения, которую выпускает компания Sparkfun
Рис. 18.7. Недорогой датчик влажности с цифровым выход-
ным сигналом, в котором компенсировано влияние темпера-
туры. Изображение заимствовано из материалов компании
Adafruit
Датчик концентрации газа
139
характеристики текучих сред > газ >
Что может пойти не так? датчик концентрации газа
ЧТО МОЖ6Т ПОЙТИ Нв ТЭК' рекомендациям в некоторых технических па-
спортах, следует периодически выполнять про-
цедуру «высушивания»: поместить датчик на
Повреждение датчика несколько часов в среду с теплым и сухим воз-
духом, а затем вернуть его на прежнее место.
Воздействие паров летучих химически активных
веществ может повредить полупроводниковый
датчик газа, в бытовых условиях такое мало- Неправильная пайка
вероятно, однако данную возможность следует
учитывать, поскольку в этом случае отсутствуют Пайку полупроводниковых датчиков газа необ-
внешние очевидные признаки повреждения дат- ходимо выполнять быстро и при контролируе-
чика. мой температуре, чтобы предотвратить перегрев
внутренних элементов.
Необходимость периодической
калибровки
Если датчик влажности находится в среде с очень
высокой влажностью, причем постоянно проис-
ходит конденсация влаги, то для него, согласно
140 Статья 18
характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
ДАТЧИК СКОРОСТИ
ПОТОКА ГАЗА
19
Датчики, которые не содержат электронных компонентов, в данную
статью не включены.
Датчик скорости потока газа часто называют датчиком массового
расхода или удельного массового расхода. Несмотря на то, что он из-
меряет объем, а не массу, можно рассчитать массу газа, если извест-
ны его температура и давление.
Некоторые методы определения скорости потока газа применимы
также и к жидкостям, но датчики обычно конструируют для какого-
либо одного варианта использования. Поэтому датчики скорости
потока жидкости рассматриваются отдельно в статье 16.
Анемометр — это датчик удельного массового расхода, измеряю-
щий скорость воздушного потока. Он включен в данную статью.
Многие датчики скорости потока газа являются сложными стацио-
нарными устройствами, предназначенными для промышленного
применения. В данной статье главное внимание уделено недорогим
полупроводниковым датчикам, которые относятся к компонентам,
монтируемым на плате.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик скорости потока жидкости (см. статью 16)
Описание
Датчик скорости потока газа измеряет объ-
ем газа, прошедший через устройство, как пра-
вило, внутри трубки. В большинстве случаев
пользователям требуется узнать массу газа,
проходящую за единицу времени. Поэтому дат-
чик скорости потока газа очень часто называют
датчиком массового расхода. Если он действует
на основе нагревания газа и измерения его те-
плоотдачи, то подобный прибор носит название
термический датчик массового расхода.
Датчик, который измеряет скорость окружаю-
щего воздушного потока, часто называют анемо-
метром. Он определяет только скорость потока,
а не объем или массу.
Варианты применения
Датчики массового расхода часто встречают-
ся в лабораторном и медицинском оборудо-
вании, хотя надежность и низкая цена тер-
мических датчиков массового расхода делает
их в настоящее время привлекательными для
Датчик скорости потока газа
141
Устройство и принцип действия
характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
использования в городских пунктах газоснаб-
жения. Анемометры применяются главным об-
разом в метеорологии, авиации и на кораблях.
Обозначение на схемах
На технологических схемах употребляются раз-
личные специальные символы для обозначения
насосов, вентилей и датчиков. Такие символы,
как правило, не применяются в электрических
схемах и поэтому не приводятся здесь.
Устройство и принцип
действия
Поскольку анемометр работает совсем не так,
как датчик скорости потока газа, помещенный
внутри трубки, эти два типа датчиков будут рас-
смотрены раздельно.
Анемометр
Название этого устройства происходит от гре-
ческого слова ave^oq, которое означает «ветер».
Чашечный анемометр был изобретен в 1846 го-
ду. Он состоит из четырех полусферических ча-
шек, которые закреплены на горизонтальных
спицах, вращающихся на вертикальной оси.
Скорость вращения пропорциональна скорости
ветра в большом диапазоне значений, а коэф-
фициент для перевода числа оборотов за минуту
в величину скорости ветра зависит от размера
чашек и их расстояния от оси.
Конструкция анемометра была упрощена до
трех чашек в 1926 году, а в 1991 году к одной из
чашек был добавлен флажок. Когда флажок по-
ворачивается в потоке ветра, скорость вращения
чашек анемометра меняется и в результате мож-
но определить направление ветра. Однако этот
принцип используется не во всех анемометрах, и
для определения направления ветра можно при-
менить отдельный флюгер. Конструкция совре-
менного анемометра показана на рис. 19.1.
В анемометрах традиционно применялся меха-
нический счетчик числа оборотов, показания
которого снимались через заданные интерва-
лы времени для определения скорости ветра.
Выходной сигнал в современном анемометре
можно получить либо за счет генерации пере-
менного или постоянного тока, либо от датчи-
ков Холла (описание датчиков Холла см. в раз-
деле «Датчик Холла» статьи 3).
Портативный анемометр
Портативный персональный цифровой анемо-
метр изображен на рис. 19.2. Чашечный ане-
мометр, выпускаемый компанией Vaavud и
Рис. 19.1. Конструкция метеорологического чашечного
анемометра
Рис. 19.2. Портативный цифровой анемометр
142
Статья 19
характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
Устройство и принцип действия
предназначенный для установки на мобильном
телефоне (с соответствующим программным
обеспечением), показан на рис. 19.3.
Рис. 19.3. Чашечный анемометр, выпускаемый в качестве
дополнительного устройства для смартфонов
Ультразвуковой анемометр
Перемещение воздуха влияет на скорость звука,
и за счет этого можно определить как направле-
ние ветра, так и его скорость, если использовать
несколько ультразвуковых излучателей и прием-
ников. Отсутствие вращающихся частей обеспе-
чивает повышенную надежность конструкции.
На рис. 19.4 показан ультразвуковой анемометр,
выпускаемый компанией Biral Metereological
Рис. 19.4. Анемометр, выпущенный компанией Biral Mete-
reological Sensors, определяет скорость и направление ветра
с помощью ультразвуковых датчиков
Sensors; он содержит также нагреватели, кото-
рые защищают прибор от воздействия снега или
образования наледи в холодных условиях.
Радиолюбители самостоятельно конструируют
ультразвуковые анемометры по принципу «сде-
лай сам». Для этого, как правило, берут гото-
вые ультразвуковые излучатели и обрабатыва-
ют сигнал в среде Arduino. Некоторые из таких
устройств снабжены онлайн-документацией.
Анемометр с нагретой проволокой
Такой анемометр действует за счет охлаждаю-
щего эффекта движущегося воздуха. В подоб-
ном устройстве электрический ток пропускают
через тонкую проволоку нагревателя и измеря-
ют мощность, необходимую для поддержания
постоянной температуры.
Можно также поддерживать постоянное напря-
жение или постоянный ток в проволоке и опре-
делять ее температуру. Показания можно либо
снимать непосредственно, либо вычислять ис-
ходя из сопротивления проволоки, которое уве-
личивается при ее нагреве.
Датчики массового расхода газа
Датчик массового расхода газа измеряет ско-
рость протекания газа. Если эту величину умно-
жить на плотность газа, можно вычислить мас-
совый расход.
В большинстве датчиков такого типа газ на-
гревается; их относят к термическим датчикам
массового расхода. Таз проходит через термо-
батарею (состоящую из нескольких термопар,
подключенных последовательно), нагреватель
и другую термобатарею. В современном испол-
нении эти компоненты миниатюризованы и мо-
гут быть изготовлены в кристалле размером
менее 2 мм.
Разность температур между двумя термобата-
реями увеличивается, когда скорость потока
газа увеличивается и переносится больше тепла
Датчик скорости потока газа
143
Устройство и принцип действия
характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
ко второй термобатарее. Это явление называют Примечание
теплопроводностью, оно проиллюстрировано
на рис. ЦВ-19.5. Образец термического датчика
массового расхода газа показан на рис. 19.6.
Аналогичный принцип применяется также
в термическом датчике массового расхода
жидкости, описанном в соответствующем
разделе статьи 16.
Варианты применения датчиков
массового расхода
В медицине датчики массового расхода газа
используются при анестезии, обследовании ды-
хательных путей, в аппаратах для слежения за
внезапной остановкой дыхания во сне, в вен-
тиляторах и в других устройствах. В число про-
мышленных применений входят измерения
пропорции воздух/топливо, обнаружение уте-
чек газа и учет его расхода.
И хотя в городских газораспределительных пун-
ктах расход газа традиционно измерялся только
при помощи механических устройств, на смену
более чем 400 миллионам механических расходо-
меров приходят микроэлектронные устройства.
Рис. ЦВ-19.5. В термическом датчике массового расхода газо-
вый поток нагревает термобатареи неодинаково, и разность
их температур позволяет определить скорость потока
Рис. 19.6. Термический датчик массового расхода газа, вы-
пущенный китайским производителем Zhengzhou Winsen
Electronic Technology Co. Ltd.
Единицы измерения массового
расхода
Датчики массового расхода часто калибруют-
ся в стандартных литрах в минуту (английское
сокращение — SLM). «Стандартный литр»
газа обладает температурой 0 °С и давлением
101,325 кПа. Это давление эквивалентно атмос-
ферному давлению на уровне моря. Поскольку
температура и давление газа заданы, массу газа
в стандартных литрах можно вычислить, зная
его плотность. Следовательно, величина SLM
выражает массовый расход, несмотря на то, что
при этом фактически измеряется объем.
В англоязычных источниках встречается также
сокращение SLPM, но оно означает то же, что
и SLM. Обозначения SLs и SLPs используются
для величин, выраженных в стандартных литрах
в секунду, а обозначение SCCM относится к стан-
дартным кубическим сантиметрам в минуту.
144
Статья 19
характеристики текучих сред > газ >
датчик скорости потока газа
Что может пойти не так?
Измерение больших объемов
Микроэлектромеханические датчики обычно
снабжены входным и выходным патрубками,
которые подходят для подключения к гибким
трубкам с внутренним диаметром 3 или 5 мм.
Эти патрубки являются «рифлеными», т. е. име-
ют выступы для надежной фиксации трубки.
Трубка малого диаметра может работать только
при низких скоростях потока. Некоторые датчи-
ки снабжены резьбой для установки в стандарт-
ных водопроводных трубах и способны пропу-
скать объемы до 10 л/мин. Но таких датчиков
мало. Датчик, предназначенный для малых ско-
ростей потока, все же можно приспособить и
для измерения более высоких скоростей, если
подать на него лишь часть исходного потока.
Этот принцип проиллюстрирован на рис. 19.7,
на котором показана регулируемая лопасть, на-
ходящаяся в главной трубе и создающая перепад
давлений. В более узкой ответвляющейся трубке
можно достичь подобного эффекта, но его нель-
зя отрегулировать.
Вид выходного сигнала
Многие датчики массового расхода выдают
аналоговый сигнал, который представляет со-
бой напряжение, изменяющееся в соответствии
с величиной газового потока. При подключении
к обычному 5-вольтовому источнику питания
выходное напряжение может изменяться в пре-
делах от 1 до 4 В.
В некоторые датчики теперь встраивают
аналого-цифровые преобразователи и обработ-
чики данных, чтобы обеспечить цифровые зна-
чения в стандартных литрах в минуту. К таким
датчикам через интерфейс I2C можно подклю-
чить микроконтроллер.
Что может пойти не так?
Основная угроза для работоспособности дат-
чиков скорости потока газа — твердые части-
цы и загрязняющие примеси в газовом потоке.
Рекомендуется установить фильтр с ячейками
размером 5 мкм. Можно также применить си-
стему отделения пыли, которая состоит из не-
большого отсека с полукруглыми центробеж-
ными камерами. Пыль обычно перемещается
вдоль внешней границы потока, а датчик можно
установить ближе к центру.
Рис. 19.7. Лопасть в основной трубе может отводить часть
потока на датчик
Датчик скорости потока газа
145
характеристики излучения > свет > фоторезистор
ФОТОРЕЗИСТОР
20
Функции фоторезистора и фототранзистора схожи, однако, как
следует из названия, фоторезистор является исключительно пассив-
ным компонентом, сопротивление которого изменяется при воздей-
ствии света.
Раньше употреблялось также название фотоэлемент, но оно было
вытеснено термином фоторезистор, поскольку он более точно опи-
сывает функцию компонента. В англоязычных источниках иногда
встречается термин photoconductive cell («элемент с фотопроводи-
мостью») или light-dependent resistor («резистор, зависящий от света»)
(или сокращение LDR).
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
резистор (см. том 1 энциклопедии)
фотодиод (см. статью 21)
фототранзистор (см. статью 22)
Описание
Фоторезистор обычно представляет собой
компонент в виде диска с двумя выводами.
Когда свет падает на поверхность этого диска,
сопротивление между выводами уменьшается.
Некоторые фоторезисторы в темноте обладают
сопротивлением до 10 МОм. При ярком освеще-
нии у некоторых компонентов сопротивление
может снижаться до 500 Ом, хотя более распро-
странены величины в несколько килоом.
Фоторезистор менее чувствителен к свету по
сравнению с фототранзистором или фото-
диодом, и в отличие от них является пассивным
компонентом, полярность которого не важна.
Сопротивление току одинаково в любом на-
правлении, следовательно, данный компонент
можно включать в цепи как с постоянным, так и
с переменным током.
Поскольку сульфид кадмия, из которого обыч-
но изготавливали фоторезисторы, считается
опасным для окружающей среды, в некоторых
странах фоторезисторы не применяются (в осо-
бенности в Европе). Тем не менее, на момент на-
писания книги их все еще предлагают большин-
ство поставщиков из Азии, а также некоторые
импортеры в США.
Обозначение на схемах
На рис. 20.1 показаны шесть символов для фото-
резистора. Они функционально идентичны, не-
зависимо от наличия или отсутствия наклонной
стрелки, пересекающей резистор.
Фоторезистор
147
Устройство и принцип действия
характеристики излучения > свет > фоторезистор
Рис. 20.1. Все шесть условных обозначений фоторезистора
функционально идентичны
Конструкция
Увеличенное изображение фоторезистора пока-
зано на рис. ЦВ-20.2. Коричневое вещество яв-
ляется слоем сульфида кадмия, нанесенного на
керамическую основу. Серебристый материал -
это проводящий состав, осажденный на сульфи-
де кадмия в виде двух совмещенных друг с дру-
гом электродов; данная конструкция позволяет
добиться максимальной протяженности грани-
цы между каждым из электродов и полупровод-
ником. С обратной стороны корпуса к электро-
дам подключены выводы.
Устройство и принцип
действия
Сульфид кадмия - это полупроводник. Когда
он подвергается воздействию света, в возбуж-
денное состояние переходит большее число под-
вижных носителей заряда, способных внести
вклад в электропроводность. В результате этого
электрическое сопротивление фоторезистора
снижается.
Варианты изготовления
На рис. 20.3 показано несколько образцов фото-
резисторов различных размеров. Диаметр ком-
понентов находится в пределах от 5 до 25 мм.
Чем больше размер фоторезистора, тем обычно
выше его токопроводящая способность.
Фоторезистор в составе оптрона
Оптический изолятор, который обычно на-
зывают оптроном или оптопарой, часто содер-
жит внутри герметичного корпуса светодиод
Рис. ЦВ-20.2. Увеличенное изображение фоторезистора.
Два электрода установлены на коричневом слое из полупро-
водника
148
Рис. 20.3. Фоторезисторы бывают самых разных размеров.
Масштаб всех компонентов одинаков. Вообще говоря, бо-
лее крупные компоненты способны проводить больший ток.
Фоновая сетка в миллиметрах
Статья 20
характеристики излучения > свет > фоторезистор
Параметры фоторезистора
с расположенным напротив него фоторезисто-
ром. Устройство рассмотрено в томе 2 энци-
клопедии. Одна из интересных разновидностей
оптопары — вактрол (рис. 20.4) тоже содержит
светодиод и фоторезистор, объединенные в об-
щем корпусе.
Параметры фоторезистора
У некоторых поставщиков, например Digi-Key,
пока еще можно найти технические паспорта
для небольшого числа фоторезисторов. Однако
крупные компании прекратили выпуск таких
компонентов. Хотя поставщики указывают
основные параметры, но при отсутствии номера
модели или названия производителя покупатель
не может проверить эту информацию.
Диапазон сопротивлений можно определить
путем тестирования пробного компонента.
Типичными значениями будут 50 кОм при ин-
тенсивности света 10 люкс и 1 МОм в темноте.
Максимальная рассеиваемая мощность будет
лежать в диапазоне от 100 мВт для небольшого
фоторезистора до 500 мВт для крупного ком-
понента.
Максимальное напряжение может доходить до
200 В, однако фоторезисторы хорошо работают
и при низком напряжении.
Рис. 20.4. Вактрол, содержащий светодиод, расположенный
напротив фоторезистора. Фоновая сетка в миллиметрах
Вактрол — это торговая марка, правами на ко-
торую обладала компания Vactec, выпускавшая
этот компонент. Он был разработан для управ-
ления электровакуумной лампой, отсюда и на-
звание. В 50-х годах прошлого века вактролы
применялись в гитарных усилителях для созда-
ния эффекта тремоло.
Из-за сравнительно медленного отклика фото-
резистора и его чувствительности к температуре
оптические изоляторы на основе фоторезисто-
ров не применяются в цифровых устройствах.
Но они все же встречаются в аудиотехнике
и музыкальном оборудовании там, где важна
способность фоторезистора проводить пере-
менный ток, а невысокое быстродействие тоже
приемлемо.
Сравнение с фототранзистором
• Малое быстродействие — фоторезистору
обычно необходимо несколько миллисекунд
для отклика на яркий свет, но при слабом
освещении это время может оказаться боль-
ше 1 секунды. Фототранзистор срабатывает
быстрее, а фотодиод еще быстрее.
• Более узкий диапазон сопротивлений —
максимальное сопротивление фоторезис-
тора почти всегда существенно ниже эф-
фективного максимального сопротивления
фототранзистора в темноте, а минимальное
сопротивление будет намного выше, чем
сопротивление фототранзистора при ярком
свете.
• Повышенная токопроводящая способность —
типовой ток фоторезистора обычно в два
раза выше, чем выходной ток фототран-
зистора.
Фоторезистор
149
Использование фоторезисторов
характеристики излучения > свет > фоторезистор
• Отсутствие направленности к восприни-
маемому свету — поскольку фоторезистор не
снабжен линзой, он реагирует на свет, при-
ходящий с любых направлений в пределах
180°. Если необходимо, чтобы чувстви-
тельность к свету была ограничена узким
углом, и компонент был нечувствителен
к свету, приходящему с других направле-
ний, следует использовать фототранзистор
или фотодиод.
• Зависимость от температуры — сопротив-
ление фоторезистора сильнее зависит от
температуры по сравнению с эффективным
сопротивлением фототранзистора.
• Стоимость — в настоящее время фоторе-
зисторы дороже фототранзисторов.
• Отсутствие информации — фоторезис-
торы часто продают без возможности вы-
яснить их характеристики в технической
документации.
Использование
фоторезисторов
Эффективное сопротивление фототранзисторов
и фотодиодов зависит от приложенного напря-
жения, а сопротивление фоторезистора остается
постоянным при фиксированной интенсивности
света независимо от подаваемого напряжения.
Это свойство сделало их пригодными для при-
менения в блоках спецэффектов для электро-
гитар.
Поскольку минимальное сопротивление фото-
резистора при ярком свете обычно довольно
велико, а также из-за сравнительно большого
времени реакции, этот компонент способен хо-
рошо работать как аналоговый регулятор, а не
как переключатель.
В принципе, любой резистор в схеме можно
заменить фоторезистором. Его плавный от-
клик на изменение освещенности может быть
удобен, например, для времязадающей цепи
резистивно-емкостного генератора, где таким
образом можно менять время заряда конден-
сатора. В результате частота выходного сигнала
будет зависеть от освещенности.
Фоторезисторы на основе сульфида кадмия наи-
более восприимчивы к свету в довольно широ-
ком диапазоне длин волн от 400 до 800 нм. Это
особенно важно там, где источником света слу-
жит индикаторный светодиод, поскольку све-
тодиоды обычно излучают свет в очень узком
диапазоне длин волн. (См. статью об индика-
торных светодиодах в томе 2.)
Подключение фоторезистора
Чтобы преобразовать интенсивность света в
напряжение, фоторезистор можно подключить
последовательно с обычным резистором, обра-
зовав делитель напряжения. Два варианта вклю-
чения изображены на рис. 20.5. На схеме слева
свет, падающий на фоторезистор, будет приво-
дить к увеличению выходного напряжения, а на
схеме справа — к уменьшению.
Пусть i?min — минимальное значение сопротив-
ления фоторезистора при самом ярком освеще-
нии, a Rmax — это максимальное значение при
самом слабом освещении. Тогда для определе-
ния номинала последовательного резистора i?s,
Рис. 20.5. Использование фоторезистора для изменения
напряжения
150
Статья 20
характеристики излучения > свет > фоторезистор
Что может пойти не так?
который будет обеспечивать самый широкий
диапазон напряжений, можно применить сле-
дующую формулу:
пах
Что может пойти не так?
Превышение предельных
параметров
В связи с тем, что техническая документация не
всегда доступна, возможно, приходится исполь-
зовать фоторезистор путем проб и ошибок. При
определении предельных параметров компо-
нента он может выйти из строя.
Перегрузка по напряжению
Перегрузка по напряжению для фоторезистора
даже на короткое время может привести к его
необратимому повреждению. В зависимости от
марки компонента, значение максимально до-
пустимого напряжения может составлять от 100
до 300 В.
Отсутствие маркировки
Поскольку на фоторезисторах часто нет марки-
ровки, и они поставляются в различных наборах
радиодеталей, один компонент можно легко пе-
репутать с другим, обладающим иными характе-
ристиками. Если в устройстве присутствует два
или более фоторезисторов, необходимо пред-
варительно определить их характеристики, что-
бы выяснить, являются ли они функционально
идентичными.
Фоторезистор
151
характеристики излучения > свет > фотодиод
ФОТОДИОД
21
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• диод (см. том 1 энциклопедии)
• фоторезистор (см. статью 20)
• фототранзистор (см. статью 22)
Описание
Свет, падающий на фотодиод, приводит к воз-
никновению очень слабого тока. Это явление
часто называют фотогальваническим эффектом.
Такой компонент работает подобно солнечному
элементу. Фактически, солнечную батарею мож-
но представить в виде матрицы из очень мощ-
ных фотодиодов.
Часто к фотодиоду подключают источник по-
стоянного напряжения, чтобы создать обратное
смещение. Это позволяет компоненту работать в
фотопроводящем или фотодиодном режиме, вы-
давая больший ток.
Обозначение на схемах
Схематические символы для обозначения фото-
диода показаны на рис. 21.1. Волнистыми стрел-
ками часто (но не всегда) обозначают инфра-
красное излучение.
Рис. 21.1. Варианты условного графического обозначения
фотодиода
Варианты применения
Высокое быстродействие фотодиодов позволяет
применить их в приводах для оптических дис-
ков, в телекоммуникациях, инфракрасных си-
стемах передачи данных, цифровых фотокаме-
рах и оптических переключателях. Многие дат-
чики, описанные в этой энциклопедии, содержат
фотодиод. В качестве примеров можно привести
датчики приближения, оптические энкодеры и
фотометры.
Устройство и принцип
действия
Когда свет падает на полупроводник, он может
перевести электрон в возбужденное состоя-
ние с более высоким уровнем энергии. Такой
электрон отделяется и становится подвижным,
оставляя дырку (см. статью о диодах в томе 1).
В фотогальваническом режиме падающий
свет создает в полупроводниковом материале
электронно-дырочные пары. Электроны пере-
мещаются к катоду диода, а дырки — к аноду,
создавая напряжение между ними. Это про-
исходит даже при отсутствии видимого света,
поскольку фотодиод способен реагировать на
инфракрасное излучение. Небольшой ток, кото-
рый появляется при отсутствии видимого света,
называется темповым током.
Фотодиод
153
Варианты изготовления
характеристики излучения > свет > фотодиод
В фотопроводящем режиме электронно-дыроч-
ные пары, образующиеся в полупроводниковом
материале, будут перемещаться в противопо-
ложных направлениях благодаря напряжению
смещения, и это означает, что через диод будет
протекать небольшой ток.
Фотопроводящий режим обеспечивает большее
быстродействие, чем фотогальванический, по-
скольку напряжение обратного смещения рас-
ширяет обедненный слой, у которого, в свою
очередь, снижается емкость. (Этот же эффект
используется в варикапах.)
Упрощенные схемы включения фотодиода в фо-
тогальваническом и фотопроводящем режимах
приведены на рис. 21.2.
компоненты более чувствительные и обладают
более высоким быстродействием по сравнению
с обычными фотодиодами. Многие из выпускае-
мых фотодиодов относятся к типу PIN-диодов.
Лавинные фотодиоды
При воздействии света на беспримесную область
лавинного фотодиода появляются пары «элек-
трон - дырка». Когда электроны перемещаются
к области лавинного пробоя в диоде, суммарная
напряженность электрического поля увеличи-
вает их скорость до такой степени, что при стол-
кновении с атомами кристаллической решетки
возникают новые электронно-дырочные пары.
В результате чувствительность лавинного фото-
диода оказывается больше, чем РШ-фотодиода.
Однако лавинные диоды более уязвимы к элек-
трическим помехам и подвержены воздействию
тепла. Для защиты вокруг р-я-перехода добав-
ляют проводящее кольцо, а также применяют
теплоотвод.
Рис. 21.2. Два режима работы фотодиода
Корпус
Выпускается множество вариантов компонентов
как для поверхностного, так и для штырькового
монтажа. Образцы показаны на рис. 21.3 и 21.4.
Фотодиод с штырьковыми выводами может
быть почти неотличим от светодиода диаметром
3 или 5 мм, но существуют также варианты без
линзы, причем у некоторых компонентов про-
зрачное окошко расположено сбоку (их называ-
ют компонентами с боковым обзором).
Варианты изготовления
PIN-фотодиоды
Подобно PIN-диодам, в PIN-фотодиодах между
слоями ср- и я-примесями внедрен внутренний
беспримесный полупроводниковый слой. Эти
Диапазон длин волн
Чтобы фотон был обнаружен фотодиодом, он
должен обладать энергией, которой достаточно
для образования электронно-дырочной пары.
Эта величина является характерным свойством
полупроводникового материала и называется
шириной запрещенной зоны. Чем шире запре-
щенная зона, тем меньше длина волны света,
воспринимаемая фотоприбором. Кроме того,
154
Статья 21
характеристики излучения > свет > фотодиод
Варианты изготовления
эпоксидный корпус фотодиода может не про-
пускать излучение в каком-либо диапазоне длин
волн. Зачастую бывает необходимо, чтобы ком-
понент реагировал только на инфракрасное из-
лучение, а не на видимый свет.
Фотодиодные матрицы
Фотодиодная матрица представляет собой не-
сколько фотодиодов, установленных в ряд или в
виде решетки с целью получения изображения
или для выполнения измерений. Например, в
планшетном сканере линейка фотодиодов пере-
мещается относительно сканируемого отражаю-
щего объекта.
В некоторых матрицах фотодиоды снабжены
встроенными светофильтрами, чтобы облег-
чить разложение цветного изображения на пер-
вичные цвета.
Рис. 21.3. Два типичных фотодиода: Vishay BPW34 (слева),
предназначен для света, падающего сверху, фильтр отсутству-
ет; Osram BPX43 (справа) в металлическом корпусе, рассчитан
на температуру до 125 °С
Виды выходного сигнала
Поскольку выходной сигнал фотодиода всегда
нуждается в обработке, предложены различ-
ные способы для его преобразования в более
удобный формат. Широко применяется рас-
ширение диапазона напряжений, преобразо-
вание в меандр с частотой, пропорциональ-
ной интенсивности падающего света, а также
аналого-цифровое преобразование с передачей
информации микроконтроллеру по шине I2C.
Описание разновидностей выходного сигнала
датчиков см. в приложении 1.
Рис. 21.4. Два фотодиода с боковым обзором: Vishay BPV22NF
(слева) с линзой; Vishay BPW83 (справа) без линзы. Оба компо-
нента снабжены фильтрами дневного света
Специализированные
компоненты
• Преобразование интенсивности света в час-
тоту. Микросхема Taos TSL235R являет-
ся фотодатчиком с тремя выводами для
штырькового монтажа. Она содержит фо-
тодиод и логические элементы, которые
вырабатывают последовательность прямо-
угольных импульсов, частота которой про-
порциональна интенсивности света.
• Логарифмический фотометр. Датчик осве-
щенности Sharp GA1A1S202WP выдает
напряжение, которое меняется логариф-
мически при изменении уровня освещен-
ности. В результате динамический диапа-
зон оказывается очень большим (от 3 до
Фотодиод
155
Параметры фотодиодов
характеристики излучения > свет > фотодиод
55 000 люкс) и не требуется аналого-циф-
ровой преобразователь с высоким разреше-
нием. (Человек воспринимает уровни света
и звука приблизительно логарифмически.)
Эта микросхема предназначена для поверх-
ностного монтажа, но фирма Adafruit вы-
пускает для нее плату расширения.
• Преобразование ультрафиолетового излу-
чения в аналоговый сигнал. В микросхеме
ML8511, выпускаемой компанией Lapis
Semiconductor, объединены фотодиод, ко-
торый чувствителен к ультрафиолету, и опе-
рационный усилитель, обеспечивающий
выходное напряжение приблизительно от
1 до 3 В, меняющееся в зависимости от ин-
тенсивности ультрафиолетового излучения.
Плата расширения с этой микросхемой для
поверхностного монтажа доступна у фирмы
Sparkfun и у многих других поставщиков.
• Преобразование ультрафиолетового излуче-
ния в цифровой сигнал. Микросхема SI1145,
выпускаемая компанией SiLabs, объеди-
няет функции регистрации ультрафиоле-
тового излучения и обработки данных для
получения УФ-индекса, который считыва-
ется по протоколу I2C. Компания Adafruit
предлагает эту микросхему на плате рас-
ширения.
Рис. 21.5. Микросхема Taos TCS3200, которая анализирует
цвет падающего света, установленная на плате расширения,
предлагаемой поставщиком Robot Shop
Преобразование информации о цвете в циф-
ровой сигнал. Модуль Taos TCS3414FN со-
держит фотодиоды, снабженные красными,
зелеными и синими светофильтрами, а так-
же без фильтров. Четыре 16-разрядных ана-
лого-цифровыхпреобразователя (по одному
на каждый канал) формируют выходной сиг-
нал, поступающий на шину I2C. Этот датчик
может с некоторой степенью точности опре-
делять цвет внешнего освещения.
Преобразование информации о цвете в ана-
логовый сигнал. В микросхеме Taos TCS3200
также использованы четыре фотодиодных
канала (для красного, зеленого и синего
цветов, а также без фильтра), однако вы-
ходной сигнал от каждого кодируется в виде
прямоугольных импульсов, частота повто-
рения которых соответствует интенсивнос-
ти света. Микросхема предназначена для
поверхностного монтажа и предлагается на
плате расширения у поставщика Robot Shop
(рис. 21.5).
Параметры фотодиодов
Далее перечислены параметры, которые обыч-
но встречаются в технической документации.
В скобках указаны значения для инфракрасного
фотодиода Osram SFH229FA, который похож на
светодиод диаметром 3 мм, предназначенный
для штырькового монтажа. Максимум чувстви-
тельности соответствует длине волны 880 нм.
Корпус этого фотодиода выглядит черным и не-
прозрачен для длин волн, которые короче 700 нм
и относятся к красной части видимого спектра.
• Типичное прямое напряжение: VF (1,3 В).
• Типичный фототок: 1Р (20 мкА).
• Максимальная рассеиваемая мощность: Ртот
(150 мВт).
• Угол зрения измеряется от оси фотодиода до
направления, при котором чувствительность
снижается на 50% (±17°).
156
Статья 21
характеристики излучения > свет > фотодиод
Использование фотодиода
• Темновой ток: IR (50 пА).
• Длина волны, соответствующая максималь-
ной чувствительности: XSmax (880 нм).
• Время нарастания и спада фототока: tr и tf
(10 нс).
На рис. 21.6 справа изображен фотодиод
SFH229FA, а слева SFH229. Их чувствитель-
ность на длине волны 880 нм одинакова, но кор-
пус компонента SFH229 прозрачный, в резуль-
тате чего спектральная характеристика этого
фотодиода снижается плавно вплоть до длин
волн менее 400 нм. За исключением спектраль-
ного диапазона, характеристики обоих прибо-
ров одинаковы.
Существуют инфракрасные фотодиоды с раз-
личными пиковыми длинами волн. Они пред-
назначены для работы в сочетании со светодио-
дом, который обладает соответствующей длиной
волны. Угол зрения зависит от геометрических
особенностей корпуса.
Время нарастания и спада сигнала важно учи-
тывать при высокоскоростных измерениях,
передаче сигналов или данных. Для типичного
фотодиода эти интервалы времени примерно
в 1000 раз меньше, чем для фототранзисто-
ра. См. раздел «Параметры фототранзистора»
статьи 22. Следует также отметить, что темно-
вой ток фотодиода намного меньше, чем у фото-
транзистора.
Использование фотодиода
В фотопроводящем режиме можно включить
фотодиод последовательно с подходящим ре-
зистором, чтобы образовать делитель напря-
жения, как показано на рис. 21.2. Тогда напря-
жение на выходе будет практически линейно
зависеть от интенсивности падающего света.
В таком режиме выходной сигнал обычно из-
меряется в милливольтах и микроамперах.
Этот сигнал следует усилить, обычно при помо-
щи операционного усилителя (рассмотрен
в томе 2 энциклопедии).
На рис. 21.7 показаны упрощенные схемы стан-
дартного (вверху) и трансимпедансного (внизу)
усилителей напряжения фотодиода.
В трансимпедансном усилителе нет делителя
напряжения, он измеряет ток через фотодиод
и преобразует результат в напряжение. К числу
преимуществ относится снижение помех и от-
сутствие необходимости в определении номина-
ла резистора для делителя напряжения.
Выходное напряжение такого усилителя вы-
числяется с помощью следующей простой фор-
мулы:
V = R * 1р,
где R - это номинал резистора обратной связи,
который задает коэффициент усиления.
Рис. 21.6. Инфракрасные фотодиоды SFH229 (слева) и
SFH229FA (справа), выпускаемые фирмой Osram. Фоновая
сетка в миллиметрах
Фотодиод
157
Что может пойти не так?
характеристики излучения > свет > фотодиод
Рис. 21.7. Упрощенные схемы подключения фотодиода к опе-
рационному усилителю: стандартная (вверху) и трансимпе-
дансная (внизу)
Что может пойти не так?
Фотодиоды по внешним признакам бывает
сложно отличить от фототранзисторов и свето-
диодов, в особенности если они инфракрасные.
Обычно на них нет маркировки. Измеритель-
ный прибор здесь не поможет, поскольку свето-
диоды ведут себя подобно фотодиодам.
Определить тип компонента можно в такой по-
следовательности:
• Проверьте, проводит ли компонент ток в ка-
ком-либо направлении, когда доступ света
перекрыт. Если проводит, то это светодиод,
а не фототранзистор и не фотодиод.
• Пропустите слабый ток (например, 4 мА)
в прямом направлении. Если компонент из-
лучает видимый или инфракрасный свет,
то это светодиод. (Инфракрасное излу-
чение можно увидеть с помощью цифро-
вого фотоаппарата или обнаружить фото-
транзистором или фотодиодом.) Если кор-
пус незатемненный, но через него не виден
кристалл, то это, вероятно, белый свето-
диод, у которого непрозрачное покрытие
является люминесцентным пигментом, пре-
образующим синий свет в белый.
158
Статья 21
характеристики излучения > свет > фототранзистор
ФОТОТРАНЗИСТОР
22
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
фотодиод (см. статью 21)
фоторезистор (см. статью 20)
пассивный инфракрасный датчик (см. статью 4)
• транзистор (см. том 1 энциклопедии)
Описание
Фототранзистор - это транзистор, который
управляется воздействующим на него светом.
(Транзисторы рассмотрены в томе 1) Этот
компонент может быть биполярным либо поле-
вым транзистором, а его корпус зачастую очень
похож на фотодиод или индикаторный све-
тодиод, помещенный в смолу или в пластик.
(Индикаторные светодиоды описаны в томе 2.)
Тем не менее, некоторые фототранзисторы по-
мещены в металлический корпус с окошком.
Окно или сам пластиковый корпус либо про-
зрачны для видимого света, либо выглядят чер-
ными, если компонент предназначен для работы
только в инфракрасном диапазоне, не реагируя
на видимый свет. На рис. 22.1 показано несколь-
ко образцов фототранзисторов.
Как правило, у фототранзистора два вывода, ко-
торые подключены внутри к его коллектору и
эмиттеру (или к истоку и стоку у полевого тран-
зистора). База биполярного транзистора (или
затвор полевого транзистора) реагирует на свет
и управляет током между выводами.
В отсутствие света ток утечки между коллекто-
ром и эмиттером биполярного фототранзистора
составляет не более 100 нА. Под действием света
Рис. 22.1. Примеры фототранзисторов: ОрГекЯТ Electronics
ОР506А (слева) с широким спектральным диапазоном и цен-
тральной длиной волны 850 нм; Vishay TEKT5400S (в центре)
с линзой бокового обзора; Vishay BPW17N (справа). Фоновая
сетка в миллиметрах
ток возрастает вплоть до 50 мА. Уже один этот
параметр отличает его от фотодиода, который
не рассчитан на большой ток.
Обозначения на схемах
Варианты условного графического обозначения
фототранзистора приведены на рис. 22.2. Они
функционально идентичны, за исключением
символа В, у которого есть дополнительный
вывод базы. Часто (но не всегда) волнистыми
стрелками обозначают инфракрасное излучение.
Фототранзистор
159
Устройство и принцип действия
характеристики излучения > свет > фототранзистор
Рис. 22.2. Варианты условного графического обозначения
фототранзистора
является граница раздела между коллектором
и базой, находящаяся под обратным смеще-
нием. Фототок, возникающий здесь, действует
подобно базовому току обычного транзистора,
управляя током, проходящим от коллектора
к эмиттеру.
Работу фототранзистора можно наглядно пред-
ставить в виде системы из фотодиода, который
управляет обычным биполярным транзистором
(рис. 22.3).
Варианты применения
Фототранзистор можно использовать для изме-
рения освещенности или в качестве переключа-
теля, реагирующего на свет.
Часто выходной сигнал от фототранзистора об-
рабатывается с помощью микроконтроллера,
который содержит аналого-цифровой преобра-
зователь.
В тех случаях, когда необходим четкий сиг-
нал «ВКЛ или ВЫКЛ», фототранзистор может
управлять входом логической микросхемы, со-
держащей триггер Шмитта. Сигнал можно так-
же обработать с помощью компаратора.
Внутри корпуса оптрона или твердотельного
реле (см. том 1) часто смонтированы фототран-
зистор и светодиод. Назначение этого компо-
нента — коммутировать ток, сохраняя электри-
ческую изоляцию одной части цепи от другой.
Рис. 22.3. Фототранзистор функционально подобен фотодио-
ду, который управляет обычным транзистором
Варианты изготовления
Хотя наиболее широко распространены вари-
анты для поверхностного монтажа, встречаются
также корпуса со штырьковыми выводами. Если
фототранзистор изготовлен в таком же корпусе,
как у индикаторного светодиода, то угол обзора
будет сравнительно небольшим. Компоненты с
плоской чувствительной поверхностью способ-
ны воспринимать свет, поступающий практиче-
ски с любого направления в пределах 180°.
Устройство и принцип
действия
Подобно фотодиоду фототранзистор реагирует
на свет, когда излучение создает электронно-
дырочные пары в полупроводниковом мате-
риале. Для биполярного л-/?-л-фототранзистора
(самый распространенный вариант) важной об-
ластью для образования свободных носителей
Подключение базы
Обычно база фототранзистора недоступна.
Однако в некоторых вариантах наряду с подклю-
чениями к коллектору и к эмиттеру (или к истоку
и к стоку полевого транзистора) предусмотрен
вывод базы (или затвора полевого транзисто-
ра). На этот вывод можно подать напряжение
смещения, которое предотвратит срабатывание
транзистора при низких уровнях освещенности.
160
Статья 22
характеристики излучения > свет > фототранзистор
Параметры фототранзистора
Фотодарлингтон
Фотодарлингтон — это пара биполярных тран-
зисторов, первый из которых реагирует на свет,
а второй работает в качестве усилителя сигнала
от первого. Эта конфигурация очень похожа на
транзистор Дарлингтона (рассмотрен в томе 1).
Двухступенчатая система позволяет достичь
большей чувствительности к свету по сравне-
нию с обычным фототранзистором, но при этом
ухудшается быстродействие и линейность.
Полевой фототранзистор
Фототранзистор на основе полевого эффекта
иногда называют полевым фототранзистором.
В качестве отдельного компонента он встречает-
ся довольно редко, но применяется в оптопарах,
поскольку обладает некоторыми интересными
свойствами:
• Если приложенное напряжение достаточно
низкое (менее 0,1 В), полевой фототран-
зистор работает как управляемое сопро-
тивление (в отличие от биполярных тран-
зисторов, которые управляются током и в
некоторой степени независимы от подавае-
мого напряжения).
• Полевой транзистор симметричен, одина-
ково реагирует на сигналы с любой поляр-
ностью. Это позволяет использовать опто-
пару с полевым транзистором для сигнала
переменного тока.
Параметры фототранзистора
Далее приведены параметры, которые часто
встречаются в технической документации.
В скобках указаны значения для инфракрасного
фототранзистора Osram SFH300FA (изображен
на рис. 22.4, справа), который похож на свето-
диод со штырьковыми выводами. Компонент
обладает максимальной чувствительностью на
длине волны 880 нм, выглядит черным и не вос-
принимает излучение с длиной волны меньше
700 нм (красная область видимого спектра).
• Максимальное напряжение коллектор-
эмиттер: VCE (35 В).
• Максимальный ток коллектора: 1С (50 мА).
• Максимальная рассеиваемая мощность: Ртот
(200 мВт).
• Угол поля зрения отсчитывается от оси фото-
транзистора до направления, при котором
чувствительность снижается на 50% (±25°).
Примечание
Угол поля зрения зависит от геометрических осо-
бенностей корпуса. Для фототранзисторов, напо-
минающих индикаторный светодиод, у которого
закругленная вершина играет роль линзы, типич-
ные значения составляют ±20°.
• Темновой ток (когда фототранзистор затем-
нен): 1СЕ0 (1 нА).
• Длина волны, соответствующая максималь-
ной чувствительности: A,Smax(880 нм).
Существуют инфракрасные фототранзисто-
ры с различными пиковыми длинами волн.
Они предназначены для работы совместно
со светодиодом, который излучает на такой
же длине волны.
• Время нарастания и спада фототока: tr и tf
(10 мкс).
Фототранзистор SFH300, изображенный слева
на рис. 22.4, обладает такой же пиковой чув-
ствительностью на длине волны 880 нм, как
и SFH300FA, но помещен в прозрачный корпус,
Рис. 22.4. Инфракрасные фототранзисторы, выпускаемые
фирмой Osram: SFH300 (слева) и SFH300FA (справа). Фоновая
сетка в миллиметрах
Фототранзистор
161
Использование фототранзистора
характеристики излучения > свет > фототранзистор
в результате его чувствительность снижается
постепенно, вплоть до длины волны 450 нм (зе-
леная часть видимого спектра). За исключением
спектрального диапазона, оба фототранзистора
имеют одинаковые характеристики.
Сравнение с другими
фотодатчиками
Сравнение характеристик фоторезистора и фо-
тотранзистора приведено в статье 20, посвя-
щенной фоторезистору.
Выходной сигнал фотодиода близок к линейно-
му для большего диапазона интенсивностей, чем
у фототранзистора. Поэтому фотодиоды обычно
применяются в тех случаях, когда измерение ха-
рактеристик света должно выполняться в широ-
ком диапазоне и более точно.
Фотодиод способен работать при меньших то-
ках, чем фототранзистор. Кроме того, он также
потребляет меньший ток и поэтому подходит
для работы в устройствах, с питанием от акку-
муляторных батарей, когда необходимо по воз-
можности снизить энергопотребление.
Быстродействие важно для высокоскоростных
измерений, передачи сигналов или данных.
Время нарастания и спада для типичного фото-
транзистора может быть в 1000 раз больше, чем
у фотодиода (см. раздел «Параметры фотодио-
да» статьи 21). Обратите также внимание на
то, что темновой ток фототранзистора намного
больше, чем у фотодиода.
Способность фототранзистора обеспечить вы-
ходной ток порядка 20...50 мА удобна при его
подключении к компоненту, который обладает
сравнительно низким импедансом. К фототран-
зистору можно непосредственно подключить,
например, пьезоэлектрический аудиопреобра-
зователь или индикаторный светодиод.
В отличие от фотодиода, фототранзистор рабо-
тает в основном как полупроводниковый пере-
ключатель. Его напряжение насыщения (которое
обозначают в технических паспортах как VSE(SAT))
представляет собой падение напряжения между
коллектором и эмиттером и редко превышает
0,5 В.
Подбор параметров
Разброс параметров, возникающий в процессе
производства, может привести к неодинако-
вым рабочим характеристикам фототранзисто-
ров, даже одной и той же марки. Чтобы обеспе-
чить однородность параметров, производители
применяют специальную процедуру подбора
параметров; это означает, что компоненты с
одинаковым номером партии будут с большей
вероятностью обладать сходными допусками.
(Аналогичный подход используется для мини-
мизации разброса характеристик у светодио-
дов для освещения, рассмотренных в томе 1
энциклопедии.)
В технических паспортах приводится инфор-
мация о наличии и о значении номеров партии,
если они присваиваются.
Примечание
Партии фототранзисторов с большим фототоком
обычно обладают меньшим быстродействием.
Использование
фототранзистора
Большинство фототранзисторов являются би-
полярными устройствами, которые имеют вы-
ход с открытым коллектором. Таким образом,
коллектор транзистора доступен для подключе-
ния через один из двух выводов, что делает его
«открытым» для использования.
На рис. 22.5 приведена схема включения фото-
транзистора. Резистор, подсоединенный к кол-
лектору, называется нагрузочным. Когда фото-
транзистор затемнен, его эффективное сопро-
тивление велико. В результате почти весь ток,
162
Статья 22
характеристики излучения > свет > фототранзистор
Использование фототранзистора
Рис. 22.5. Схема включения фототранзистора с открытым
коллектором
Рис. 22.6. Если переместить резистор и снимать выходной
сигнал с эмиттера, то можно инвертировать поведение фото-
транзистора. Устройство, подключенное к выходу, должно
обладать довольно высоким импедансом, чтобы не допустить
перегрузки фототранзистора
проходящий через нагрузочный резистор, будет
идти к какому-либо устройству, подключенно-
му к выходу, и напряжение на выходе окажется
«высоким».
При воздействии света на фототранзистор эф-
фективное сопротивление между коллектором
и эмиттером резко снижается, и ток течет через
него на землю. Потенциал на выходе оказывает-
ся «низким».
Нагрузочный резистор между источником пита-
ния и контактом коллектора необходим для за-
щиты фототранзистора от чрезмерного тока во
включенном состоянии. В идеале сопротивление
этого резистора нужно подобрать с учетом им-
педанса устройства, подключенного к выходу.
В описанной ситуации под действием света вы-
ходной сигнал становится низким, в то время
как в темноте он высокий. Как быть, если нам
необходимо, чтобы все происходило наоборот?
Защитный резистор можно подсоединить к
эмиттеру, тогда он превратится в понижающий
резистор. Он по-прежнему будет ограничивать
ток через фототранзистор, если только выход
подключен к устройству с высоким импедансом.
Выходной сигнал, снимаемый с эмиттера, будет
меняться с низкого на высокий, когда на компо-
нент начнет воздействовать свет. Это проиллю-
стрировано на рис. 22.6.
Расчет выходного сигнала
В схеме с открытым коллектором ток через фо-
тотранзистор практически не зависит от при-
ложенного напряжения VCE, при условии что
это напряжение выше напряжения насыщения
VCE(SAT), которое обычно находится в пределах
от 0,4 до 0,5 В.
Если сопротивление нагрузочного резистора
равно R, то напряжение на нем
V = R * 1р,
где ip — ток через фототранзистор.
При подборе значения R необходимо учитывать
диапазон токов, которые ожидаются при задан-
ных условиях освещенности, а также диапазон
напряжений, который подходит для следующего
участка схемы. Разумным начальным значением
Фототранзистор
163
Что может пойти не так?
характеристики излучения > свет > фототранзистор
является 10 кОм (например, когда выполняются
измерения интенсивности света и задействован
аналоговый вход микроконтроллера). При не-
обходимости этот номинал можно в дальней-
шем уменьшить.
Номинальное сопротивление нагрузочного ре-
зистора следует выбирать так, чтобы удержать
ток в пределах, которые указаны в техническом
паспорте фототранзистора. Номинал резистора,
который гарантированно подойдет, равен
v / i
МАХ'
где v — напряжение питания, а1ш- макси-
мально допустимый ток. При таком сопротив-
лении резистора ток не превысит максимально
допустимый, даже если фототранзистор ярко
освещен и полностью открыт.
Если V = 5 В, а 1МАХ = 15 мА, то сопротивление R
должно составлять не менее 330 Ом.
Что может пойти не так?
Неправильное определение типа
компонента
Фототранзисторы могут внешне напоминать
светодиоды и фотодиоды. Их легко перепутать,
поскольку на этих компонентах обычно отсут-
ствует маркировка. В статье о фотодиоде опи-
сано, как различить эти компоненты (см. раздел
«Что может пойти не так?» статьи 21).
Выходной сигнал выходит
за пределы рабочего диапазона
Выходное напряжение фототранзистора будет
зависеть от интенсивности падающего света, но-
минала нагрузочного резистора и напряжения
питания. В процессе разработки схемы диапазон
освещенности может казаться предсказуемым,
однако на практике значение выходного сигнала
может выйти за ожидаемые границы.
164
Статья 22
23
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
ТЕРМИСТОР С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
ТЕМПЕРАТУРНЫМ
КОЭФФИЦИЕНТОМ
Термисторы с положительным температурным коэффициентом
(РТС), у которых сопротивление возрастает при повышении темпе-
ратуры, рассмотрены в статье 24.
Резистивный датчик температуры обладает сопротивлением, ко-
торое возрастает при увеличении его температуры, однако обычно
его не относят к термисторам, поскольку его чувствительный эле-
мент основан на другом принципе. Этому компоненту посвящена
статья 26.
Термопарам и полупроводниковым датчикам температуры посвя-
щены отдельные статьи 25 и 27.
Инфракрасные датчики температуры описаны в статье 28.
Пассивные инфракрасные датчики перемещения рассмотрены
в статье 4. Эти бесконтактные датчики реагируют на инфракрас-
ное излучение.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• термистор с положительным температурным коэффициентом
(см. статью 24)
• инфракрасный датчик температуры (см. статью 28)
• пассивный инфракрасный датчик (см. статью 4)
• полупроводниковый датчик температуры (см. статью 27)
• термопара (см. статью 25)
• резистивный датчик температуры (см. статью 26)
ОПИСаНИб сокращается до аббревиатуры NTC {Negative
Temperature Coefficient).
Термистор с отрицательным температурным
коэффициентом (NTC-термистор) — самый Это простой пассивный компонент, для которо-
распространенный тип дискретных датчиков го не важна полярность подключения. Ему не
температуры. Обычно он и самый дешевый. Его требуется отдельный источник электропитания,
сопротивление уменьшается при повышении однако внешнее устройство должно подавать на
температуры. Такое свойство описывается тер- него небольшой переменный или постоянный
мином отрицательный температурный коэф- ток (ток возбуждения) для определения его со-
фициент, который в англоязычных источниках противления.
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом 165
Устройство термистора с отрицательным
температурным коэффициентом
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Обозначения на схемах
Условные обозначения термистора приведены
на рис. 23.1. Символы из верхнего ряда все еще
встречаются на схемах в США, но они вытес-
няются европейскими вариантами из нижнего
ряда. Добавление значка -t° указывает на тер-
мистор с отрицательным температурным коэф-
фициентом, а значок +t° говорит о том, что это
термистор с положительным температурным
коэффициентом (см. статью 24). Если пояс-
няющих символов нет, то, вероятно, это NTC-
термистор.
Рис. 23.1. Условные графические обозначения термисторов
на электрических схемах. Буква t, перед которой стоит знак
«плюс» или «минус», указывает на то, что термистор обладает,
соответственно, положительным или отрицательным темпе-
ратурным коэффициентом
Варианты применения
Термисторы определяют температуру в систе-
мах кондиционирования воздуха, стиральных
машинах, холодильниках, бассейнах и гидро-
массажных ваннах, посудомоечных машинах,
тостерах и в другой бытовой технике. Они при-
меняются в лазерных принтерах, ЗБ-принтерах,
системах управления промышленными процес-
сами и в медицинском оборудовании.
В современном автомобиле можно обнаружить
до 20 типов термисторов, которые определяют
нагрев таких узлов, как трансмиссия, или изме-
ряют температуру воздуха в салоне.
Сравнение датчиков температуры
В данной энциклопедии контактные датчики, из-
меряющие температуру при непосредственном
контакте с объектом, разделены на пять основных
категорий, каждой из которых отведена отдельная
статья. Для удобства эти категории перечислены
в сравнительной сводке в конце данной статьи.
Устройство термистора
с отрицательным
температурным
коэффициентом
Хотя термин термистор подразумевает наличие
резистора, который чувствителен к температу-
ре, фактически NTC-термистор является полу-
проводниковым компонентом.
Некоторые оксиды металлов, например оксид
железа или оксид никеля, становятся полупро-
водниками л-типа, когда в них добавляют леги-
рующие примеси. Точная пропорция является
ноу-хау каждого производителя. При повыше-
нии температуры материалов такого типа в них
возрастает число носителей заряда, что приво-
дит к увеличению подвижности электронов и
снижению эффективного сопротивления.
Чтобы создать термистор, смесь на основе ок-
сида металла нагревают до плавления и затем
превращают в керамический материал. Как
правило, тонкий лист разрезают на небольшие
фрагменты для изготовления отдельных датчи-
ков. После подключения двух выводов всю кон-
струкцию погружают в эпоксидную смолу или
запаивают в стекло. Самые распространенные
варианты корпусов представляют собой сте-
клянный шарик, микросхему для поверхностно-
го монтажа или керамический диск.
На рис. 23.2 показаны три NTC-термистора. Сле-
ва - термистор Murata NXFT15XH103FA2B100
диаметром около 1 мм с номинальным сопро-
тивлением 10 кОм и допуском 1%. В центре -
166
Статья 23
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Устройство термистора с отрицательным
температурным коэффициентом
Измеренное сопротивление термистора
с отрицательным температурным коэффициентом
и номиналом в 5 кОм при 25 °С
20 40 §0 80
Температура (°С)
100
120
Рис. 23.3. Сопротивление термистора при температуре от 0
до120°С
Рис. 23.2. Несколько образцов NTC-термисторов. Фоновая
сетка в миллиметрах
датчик Vishay NTCALUG03A103GC с номина-
лом 10 кОм и допуском 2%, компонент снаб-
жен мини-ушком. Справа — термистор марки
TDK B57164K153K с номиналом 15 кОм и до-
пуском 3%.
Преобразование выходного сигнала
для определения температуры
В идеале электрические характеристики датчика
температуры должны быть линейной функцией
от температуры. В этом отношении термисторы
не справляются с задачей, поскольку их сопро-
тивление представляет собой обратную экспо-
ненциальную функцию. На рис. 23.3 показана
зависимость измеренного сопротивления тер-
мистора с номиналом 5 кОм (при 25 °С) в диа-
пазоне температур от 0 до 120 °С.
Примечание
Во многих технических паспортах подобные гра-
фики могут выглядеть более плоскими, поскольку
вертикальную ось у них обычно делают логариф-
мической.
Чтобы следить за сопротивлением термистора,
его можно подключить в цепь простого делите-
ля напряжения, как показано на рис. 23.4. Здесь
переменное сопротивление данного компонента
вызывает изменения напряжения в точке А.
Примечание
Напряжение с выхода делителя можно подать
на вход микроконтроллера, который содержит
аналого-цифровой преобразователь, или напря-
мую на твердотельное реле, усилить с помощью
операционного усилителя или же передать в ком-
паратор для реализации настраиваемого порога
переключения.
Рис. 23.4. Схема полумоста для определения сопротивления
термистора
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом
167
Устройство термистора с отрицательным
температурным коэффициентом
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
И хотя эта схема является делителем напряже-
ния, ее называют также полумостом, поскольку
она составляет половину моста Уитстона.
Если vcc - это питающее напряжение, vT — на-
пряжение, измеренное в точке A, rt — сопро-
тивление термистора, a RK - постоянное со-
противление последовательного резистора, то
основная формула для делителя напряжения
выглядит так:
V = V
т ее
RT / ( RT + RK
Переставив параметры, можно получить форму-
лу для определения величины rt на основе изме-
ренного значения напряжения и величины rk:
RT
RK * VT
Vcc - VT
Подбор резистора
в схеме делителя
Величину RK следует подобрать так, чтобы обе-
спечить разумные пределы выходного отклика
на диапазон температур, в котором будет при-
меняться термистор. Значения RK следует вы-
числять по другой формуле. Если i?min — сопро-
тивление термистора при самой низкой из воз-
можных температур, a Rmax — его сопротивление
при самой высокой возможной температуре, то:
Rk ~
станут медленными, и потребуется высокоточ-
ный аналого-цифровой преобразователь для
различения одного значения напряжения от
другого.
Мост Уитстона обладает обратной нелиней-
ностью, и она в некоторой степени компенсиру-
ет нелинейность термистора. Если обратиться
к схеме, показанной на рис. 23.5, то номиналы
резисторов RK выбираются согласно приведен-
ной ранее формуле.
Вот формула, которая выражает связь между
величинами rt (сопротивление термистора),
vcc (напряжение питания), rk (фиксированное
сопротивление резисторов) и vAB (выходное на-
пряжение, измеренное между точками А и Б):
2)
(RT " RK) / (RT + R,)
Из этой формулы можно вывести выражение
для вычисления сопротивления rt на основе из-
меренного выходного напряжения v^:
«г =
(Vc
(2*VJ)
(Vcc - (2*VJ).
Примечание
Аналогичная формула была приведена в статье 20
для нахождения номинала резистора, включенно-
го последовательно с фоторезистором.
Включение термистора
в схему моста Уитстона
У полумоста есть недостаток - он не компен-
сирует нелинейность термистора. Значения на-
пряжения будут быстро меняться при низкой
температуре, а при ее повышении изменения
Рис. 23.5. В схему полного моста Уитстона можно подключить
термистор. Выходы А и Б часто соединяют с двумя входами
операционного усилителя или компаратора
168
Статья 23
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Ограничение пускового тока
с помощью термистора
Примечание
Знак напряжения VA6 зависит от того, какое сопро-
тивление больше — RT или RK. Чтобы учесть это,
выходы А и Б можно подключить к двум входам
компаратора или операционного усилителя.
Определение температуры
После вычисления сопротивления термистора
это значение можно преобразовать в температу-
ру. Обычно технический паспорт термистора со-
держит таблицу, в которой приведены значения
температуры и соответствующие значения со-
противления. С помощью этой таблицы можно
составить программу для микроконтроллера.
В другом варианте технический паспорт со-
держит константы, которые можно подставить
в выражение для перевода величины сопро-
тивления в значение температуры, но эта про-
цедура нетривиальна и требует использования
натуральных логарифмов, вычисление которых
может отсутствовать в языке, реализованном
в микроконтроллере.
И хотя для ограничения перегрузки чаще все-
го используются термисторы с отрицательным
температурным коэффициентом, для этой цели
могут послужить и термисторы с положитель-
ным температурным коэффициентом, если их
подключить немного иначе (см. статью 24).
Далее рассматриваются только ограничители на
основе NTC-термисторов.
Подходящий NTC-термистор можно подклю-
чить так, как показано на рис. 23.6. Здесь к мо-
стовому выпрямителю подключен преобразова-
тель постоянного тока и сглаживающий конден-
сатор большой емкости. Вначале сопротивле-
ние термистора велико и этого достаточно для
ограничения тока и выработки тепла. Однако
повышение температуры приводит к снижению
сопротивления термистора. В конечном ито-
ге состояние термистора стабилизируется, он
остается достаточно нагретым для поддержания
низкого сопротивления, и потери на термисторе
оказываются пренебрежимо малы.
Ограничение пускового
тока с помощью
термистора
Термисторы с отрицательным температурным
коэффициентом и соответствующими параме-
трами позволяют ограничить пусковой ток, воз-
никающий при включении устройства из-за бы-
строго заряда конденсаторов большой емкости,
присутствующих в блоке питания.
Ограничитель броска тока называют также
ограничителем перегрузки. В англоязычных ис-
точниках может встречаться аббревиатура ICL
(Inrush Current Limiter). Он представляет собой
термистор с отрицательным температурным ко-
эффициентом, и его начальное сопротивление
быстро падает при увеличении температуры.
Рис. 23.6. Подключение NTC-термистора, предназначенного
для ограничения пускового тока
Примечание
Работа ограничителя пускового тока основана на
эффекте самонагрева. Напротив, в термисторах,
которые применяются для измерения температу-
ры, разогрев компонента нежелателен.
Термистор марки TDK B57237S509M, изобра-
женный на рис. 23.7, рассчитан на ток 5 А и об-
ладает начальным сопротивлением 5 Ом при
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом
169
Параметры термистора
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Повторное включение
Если защищаемое устройство ненадолго вы-
ключить, а затем снова включить, термистор не
сможет ограничить бросок тока, поскольку ему
не хватило времени, чтобы охладиться и восста-
новить сопротивление. Однако в течение интер-
вала времени, который необходим для рассеива-
ния тепла в термисторе (от 30 с до 2 мин), сгла-
живающий конденсатор вряд ли успеет сильно
разрядиться. Таким образом, при повторном
включении устройства пусковой ток не должен
оказаться слишком большим.
Рис. 23.7. NTC-термистор TDK B57237S509M предназначен
для работы в качестве ограничителя пускового тока, его но-
минальное сопротивление составляет 5 Ом при токе 5 А.
Фоновая сетка в миллиметрах
25 °С, когда ток отсутствует. При включении
с конденсатором емкостью 2800 мкФ и подаче
переменного напряжения 110 В сопротивление
компонента снижается до минимального значе-
ния 0,125 Ом при токе 5 А. Зависимость сопро-
тивления от силы тока приведена на рис. 23.8.
0,6
3 0,5
I 0,4
S
S
о.
5?
о
с
О
0,3
0,2
ф
ц
ю
I
Q.
С
О
О
0,1
Зависимость сопротивления
ограничителя пускового тока от силы тока
12 3 4
Сила тока (А)
Рис. 23.8. Зависимость сопротивления от силы тока для тер-
мистора TDK B57237S509M
Параметры термистора
Технические паспорта термисторов могут пока-
заться более сложными и запутанными, чем для
большинства других компонентов.
При изучении технического паспорта выясни-
те сначала, предназначен ли термистор для из-
мерения температуры или же для ограничения
пускового тока. Компонент, предназначенный
для измерения температуры, не выдержит бро-
ска тока, а компонент, призванный ограничить
пусковой ток, будет обладать очень низким со-
противлением, что сделает его непригодным для
измерения температуры.
Обозначения и сокращения
В большинстве технических паспортов строч-
ная буква t служит для обозначения величин,
относящихся ко времени, а прописная буква Т
применяется для значений, относящихся к тем-
пературе. К сожалению, буква Т может также
употребляться как сокращение слова «тер-
мистор».
Буква R часто обозначает сопротивление, но мо-
жет обозначать и время отклика, в зависимости
от того контекста, в котором она применяется.
Так, например, Rj. — это сопротивление терми-
стора, a tR — это время отклика.
170
Статья 23
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Параметры термистора
Буква К может обозначать температуру в граду-
сах Кельвина; О °С приблизительно соответству-
ет 273 °К. Тем не менее, буква К служит также
для обозначения тысяч ом, иногда в одном и том
же техническом паспорте. В обоих случаях она
прописная1.
Опорная температура
Это температура, при которой измерены многие
характеристики компонента, например, его тем-
пературный коэффициент и сопротивление. Как
правило, опорная температура составляет 25 °С,
но в некоторых случаях может равняться О °С.
Иногда встречаются и другие значения. Этот па-
раметр обозначают как TREF
Опорное сопротивление
Опорное сопротивление термистора (иногда его
называют номинальным сопротивлением) мо-
жет обозначаться как RR. Это сопротивление при
опорной температуре. Его могут называть «зна-
чением R», но в описаниях компонентов, кото-
рые размещают под их миниатюрными изобра-
жениями, этот параметр будет назван просто
«сопротивлением».
В технических паспортах параметр R25 или R25
обозначает сопротивление при температуре
25 °С. Если эта температура является опорной,
то значения RR и R25 будут одинаковыми.
Коэффициент рассеивания
мощности
Коэффициент рассеивания мощности — это от-
ношение, которое обычно выражается в мил-
ливаттах на градус Цельсия (записывается как
мВт/°С). Оно характеризует степень переноса
тепловой энергии термистором в окружаю-
щую среду для увеличения ее температуры на
1 градус.
1 В отечественной документации килоомы обознача-
ются строчной буквой «к». — Ред.
Температурный коэффициент
Сокращение ТС может использоваться для тем-
пературного коэффициента сопротивления, ко-
торый выражает чувствительность термисто-
ра. (Иногда вместо ТС встречается сокращение
TCR, в котором буква R обозначает сопротив-
ление. Эти обозначения равнозначны.) Данная
величина соответствует изменению сопротивле-
ния (в процентах) при изменении температуры
на 1 °С. Таким образом, если сопротивление тер-
мистора снижается с 800 до 768 Ом при увеличе-
нии температуры с 28 до 29 °С, то его ТС = -4%.
Для NTC-термисторов, сопротивление которых
уменьшается при повышении температуры, тем-
пературный коэффициент является отрицатель-
ным. Тем не менее, знак «минус» может быть не
указан.
Температурный коэффициент может быть вы-
ражен в миллионных долях (англоязычная аб-
бревиатура - ppm, parts per million), а не в про-
центах. Чтобы перевести миллионные доли
в проценты, разделите величину на 10 000. Так,
значение 50 000 ppm эквивалентно 5%.
Постоянная времени нагрева
К несчастью, постоянную времени нагрева также
часто обозначают сокращением ТС. Если TD —
это разность между исходной температурой тер-
мистора и новой, более высокой температурой
окружающей среды, то параметр ТС является
интервалом времени, которое необходимо тер-
мистору, чтобы его температура изменилась на
величину, равную 63,2% от TD. Параметр ТС
выражается в секундах и определяется, когда
на термистор не подана мощность. Небольшая
постоянная времени нагрева характерна для ма-
лых по размерам термисторов, которые быстро
нагреваются.
Примечание
Этопонятиеоченьнапоминаетпостояннуювреме-
ни для конденсатора, накапливающего заряд. См.
статью о конденсаторах в томе 7 энциклопедии.
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом
171
Что может пойти не так?
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Допуск
Допуск термистора является мерой его точно-
сти, обычно при 25 °С, если не указан диапазон
температур. Термистор номиналом 5 кОм с до-
пуском ±1% при 25 °С может фактически иметь
сопротивление в пределах от 4950 до 5050 Ом
при данной температуре. Некоторые термисто-
ры обладают допуском ±20%. Допуски, кото-
рые не превосходят ±1%, встречаются довольно
редко.
Температурный диапазон
Диапазон рабочих температур для любого тер-
мистора на основе диоксида кремния обычно
находится в пределах от -50 до +150 °С (этот
диапазон немного шире для компонентов в сте-
клянном корпусе и чуть уже для прецизионных
термисторов).
Ток переключения
Для термистора с нелинейной характеристикой
ток переключения (обозначается как Is) прибли-
зительно равен току, который приводит к рез-
кому изменению сопротивления.
Ограничение по мощности
Рабочий ток — это рекомендованный макси-
мальный ток, при котором не происходит само-
нагрева. Номинальная мощность — это макси-
мально допустимая мощность (обычно от 100
до 200 мВт).
Взаимозаменяемость
Для надежного измерения температуры два тер-
мистора одинакового типа и выпущенные од-
ним производителем, должны обладать одина-
ковыми характеристиками. Это называется вза-
имозаменяемостью. Разброс значений ±0,2 °С
является распространенным для современных
термисторов, но его не часто указывают в тех-
нических паспортах.
Что может пойти не так?
Самонагрев
Самонагрев может отразиться на точности NTC-
термистора, который работает в качестве из-
мерителя температуры. Чтобы температурные
показания были верными, необходимо по воз-
можности уменьшить ток. Когда сопротивление
термистора достигает максимальной границы
рабочего диапазона, можно подавать на него
короткие импульсы тока.
Рассеивание тепла
В тех случаях, когда термистор служит для огра-
ничения пускового тока, он будет выделять не-
которое количество тепла в течение всего вре-
мени, пока на устройство подается электропита-
ние. При недостатке места между термистором
и другими компонентами чувствительные эле-
менты могут быть повреждены.
Влияние внешней температуры
NTC-термистор иногда не срабатывает как
ограничитель пускового тока. В очень холод-
ных климатических условиях нагрев окажется
недостаточным для того, чтобы сопротивление
термистора снизилось до приемлемого уровня.
И наоборот, в сильно нагретой окружающей
среде (например, в непосредственной близости
от насоса для горячей воды) температура тер-
мистора не сможет снизиться до такой степе-
ни, чтобы обеспечить нормальную начальную
защиту.
Сравнение датчиков
температуры
На рис. 23.9 показаны пять основных типов
контактных датчиков температуры, а также их
разновидности.
172
Статья 23
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
Сравнение датчиков температуры
Рис. 23.9. Пять типов контактных датчиков температуры (зе-
леные прямоугольники) и их разновидности (розовые пря-
моугольники)
Термистор с отрицательным тем-
пературным коэффициентом (NTC)
Электрическое сопротивление NTC-термисто-
ра уменьшается при возрастании температуры.
Следовательно, он обладает отрицательным
температурным коэффициентом, что и отраже-
но в его аббревиатуре (NTC).
NTC-термистор традиционно применяется там,
где желательны низкая стоимость и простота,
а рабочий диапазон температур сравнительно
узкий (обычно от -50 до +150 °С). Такой датчик
существует уже несколько десятилетий и доста-
точно хорошо изучен и опробован на практике.
Он остается самым дешевым среди различных
типов температурных датчиков и может быть
подключен напрямую к таким внешним устрой-
ствам, как твердотельное реле, причем в этом
случае не нужен микроконтроллер.
представляет собой поликристаллическое ве-
щество, сопротивление которого сильно возрас-
тает при переходе температуры через пороговое
значение. Это делает его пригодным для бло-
кировки сильного тока, чтобы предотвратить
перегрузку цепи.
Кремниевый датчик температуры, который ино-
гда называют силистором, можно считать РТС-
термистором, т. к. он является резистивным
компонентом с положительным температурным
коэффициентом. Его чувствительный элемент
сформирован в кремниевом кристалле.
РТС-термисторы — это пассивные неполярные
компоненты с двумя выводами или лепестками
для пайки. Дополнительную информацию о них
см. в статье 24.
Термопара
Этот датчик состоит из двух проводников, кото-
рые сделаны из разных металлов и соединены с
одного конца. Различающиеся термоэлектриче-
ские свойства этих проводников приводят к по-
явлению небольшого напряжения между их сво-
бодными концами. Термопары имеют наиболь-
ший рабочий диапазон среди всех контактных
датчиков. Это простые и надежные устройства,
которые не подвержены самонагреву, посколь-
ку не потребляют мощность. Они обладают вы-
соким быстродействием, однако выходной сиг-
нал нелинейный, а чувствительность датчика
мала. Они применяются в промышленности и в
лабораториях и часто встраиваются в щитовые
измерительные приборы, в которых цифровое
табло температуры объединено с аппаратными
средствами, обрабатывающими сигнал от тер-
мопары. Более подробную информацию о тер-
мопарах см. в статье 25.
Термистор с положительным тем- Резистивный температурный
пературным коэффициентом (РТС) датчик
Чувствительный элемент для термистора с по- В англоязычных источниках часто обозначается
ложительным температурным коэффициентом буквами RTD и иногда называется резистивным
Термистор с отрицательным температурным коэффициентом
173
Сравнение датчиков температуры
характеристики излучения > тепло > термистор
с отрицательным температурным коэффициентом
температурным устройством. Обычно в нем
присутствует чувствительный элемент, изготов-
ленный из чистой платины, никеля или меди.
Этот элемент может состоять из проволоки,
намотанной на сердечник, или из очень тон-
кой пленки, нанесенной на изолирующую под-
ложку.
RTD-датчик обладает положительным темпе-
ратурным коэффициентом, и его сопротивле-
ние увеличивается с ростом температуры. Это
устройство очень точное и стабильное, обеспе-
чивает практически линейный выходной сигнал,
в особенности в средней части рабочего диапа-
зона. Однако его чувствительность примерно в
десять раз хуже, чем у NTC-термистора.
Подобно термистору или термопаре резистив-
ный температурный датчик является пассив-
ным устройством, которое способно работать
в широком диапазоне напряжений и не требует
подачи питания. Компонент неполярный, снаб-
жен двумя выводами или лепестками для пайки.
Более подробную информацию о резистивном
температурном датчике см. в статье 26.
Полупроводниковый датчик
температуры
Это датчик в интегральном исполнении, ему не
требуются дополнительные компоненты для ли-
неаризации выходного сигнала, поскольку эта
процедура осуществляется в самой микросхеме.
Температурный диапазон подобен диапазону
NTC-термистора, однако выходной сигнал яв-
ляется переменным напряжением с положи-
тельным температурным коэффициентом около
20 мВ/°С, он обеспечивается встроенным опе-
рационным усилителем. Время отклика состав-
ляет от 4 до 60 секунд.
Датчику такого типа необходим источник пи-
тания (напряжением 5 В или меньше). Его не
требуется калибровать перед применением, по-
скольку он настраивается в процессе изготовле-
ния и обеспечивает точность выше, чем у тер-
мистора. Производители могут указывать зна-
чение ±0,15 °С для всего диапазона температур,
который обычно составляет от -50 до +150 °С.
Для особо прецизионных компонентов интер-
вал рабочих температур меньше.
Линейный аналоговый выходной сигнал удобно
подать на микроконтроллер, который содержит
аналого-цифровой преобразователь, а сравни-
тельно низкая стоимость такого датчика позво-
ляет ему конкурировать с термисторами.
Аналого-цифровой преобразователь может быть
встроен в микросхему датчика; в этом случае его
часто называют цифровым датчиком темпера-
туры или цифровым термометром, который вы-
дает на выходе показания в градусах Цельсия
(а иногда и в градусах Фаренгейта) и снабжен
интерфейсом I2C или SPI. Дополнительные
подробности об этих интерфейсах см. в прило-
жении!.
Цифровой термостат или термостатический
переключатель представляет собой полупро-
водниковый датчик температуры с бистабиль-
ным выходным сигналом, который переходит из
высокого логического состояния в низкое (или
наоборот), если температура становится выше
максимального или ниже минимального уров-
ня. Этот уровень можно запрограммировать.
Для полупроводниковых датчиков температуры
могут применяться различные названия. Более
подробную информацию см. в статье 27.
174
Статья 23
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
ТЕРМИСТОР С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ
ТЕМПЕРАТУРНЫМ
КОЭФФИЦИЕНТОМ
24
Силистор, или термистор на кремниевой основе, включен в эту
статью как разновидность термистора с положительным темпе-
ратурным коэффициентом.
Восстанавливающийся предохранитель — это не вполне то же са-
мое, что и РТС-термистор. Дополнительную информацию см. в томе 1
в статье, посвященной предохранителям.
Термисторам с отрицательным температурным коэффициентом
(NTC-термистор), у которых сопротивление уменьшается при увели-
чении температуры, посвящена статья 23.
Резистивный датчик температуры обладает сопротивлением, кото-
рое увеличивается при повышении температуры, однако это устрой-
ство обычно не относят к термисторам, поскольку его чувствитель-
ный элемент выполнен иначе. Ему посвящена статья 26.
В отдельные статьи вынесены также инфракрасные датчики темпера-
туры, полупроводниковые датчики температуры и термопары.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
инфракрасный датчик температуры (см. статью 28)
полупроводниковый датчик температуры (см. статью 27)
термопара (см. статью 25)
термистор с отрицательным температурным коэффициен-
том (см. статью 23)
резистивный датчик температуры (см. статью 26)
Описание
Электрическое сопротивление термистора с
положительным температурным коэффициен-
том (РТС-термистор) возрастает при повыше-
нии температуры. В различных вариантах это
устройство может либо измерять температуру,
либо защищать электрические цепи при избы-
точном нагреве или чрезмерной силе тока.
Поскольку РТС-термистор является резистив-
ным датчиком, полярность подключения для
него не важна. Ток может проходить через него
в любом направлении. Можно также подавать
переменный ток.
Термистор с положительным температурным коэффициентом
175
Обзор РТС-термисторов
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
Обозначение на схемах
Обозначение РТС-термистора на схемах очень
напоминает символ для NTC-термистора (см.
рис. 23.1).
Сравнение датчиков температуры
В данной энциклопедии контактные датчики тем-
пературы разделены на пять основных категорий,
каждой из которых отведена отдельная статья.
Для удобства эти категории перечислены в срав-
нительной сводке в конце статьи 23 (см. также
рис. ЦВ-23.9).
Обзор РТС-термисторов
Термисторы с положительным температурным
коэффициентом можно подразделить на две
группы:
• Линейные - с чувствительным элементом на
основе кремния, размерами с микросхему.
Их иногда называют силисторами. Такой
компонент обладает практически линейным
откликом и применяется для измерения
температуры. Его можно подключать на-
прямую к микроконтроллеру.
• Нелинейные - чаще всего с чувствительным
элементом, содержащим титанат бария
в поликристаллическом веществе. Его со-
противление увеличивается очень резко,
если температура превышает пороговое
значение. Датчик такого типа может быть
назван переключательным термистором,
поскольку его нелинейный выходной сиг-
нал может вызывать срабатывание комму-
тирующего устройства.
Чувствительные элементы в РТС-термисторах ра-
ботают иначе, чем элементы в NTC-термисторе.
В нелинейных термисторах применяются два
различных подхода:
• Внешний нагрев — термистор реагирует
на внешнее тепло или на температуру
устройства, на котором он установлен. Его
можно использовать для защиты какой-либо
электрической схемы или электродвигателя
от перегрева. Ток через термистор в этом
случае должен быть минимальным, чтобы
избежать самонагрева.
• Внутренний нагрев — термистор реагирует
на собственную температуру, которая обус-
ловлена током, протекающим через него.
Термистор может активировать предупреж-
дающий сигнал или отключать оборудо-
вание при коротком замыкании. Он может
также управлять током для запуска элект-
родвигателя или для включения люминес-
центной лампы, а иногда служит локальным
источником тепла.
РТС-термисторы для
измерения температуры
РТС-термистор на кремниевой основе, назы-
ваемый иногда силистором, обеспечивает пре-
восходную, почти линейную зависимость между
температурой и сопротивлением. Популярной
является серия KTY81, выпускаемая компанией
NXP. На рис. 24.1 приведен внешний вид одного
из подобных датчиков, а на рис. 24.2 — его ха-
рактеристика.
Рис. 24.1. Термистор KTY81, выпускаемый компанией NXR
Фоновая сетка в миллиметрах. Обратите внимание на отре-
занный центральный вывод
176
Статья 24
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
РТС-термисторы для измерения температуры
Сопротивление
эТС-термистора
43 серии KTY81
Величина допуска находится в пределах от ±1%
до ±5% и зависит от температуры. В различных
вариантах стандартный номинал равен 1 или
2 кОм. Температурный коэффициент обычно
составляет около 1% — это небольшая величи-
на, если сравнивать с NTC-термистором, у кото-
рого типичным является значение 4%.
Примечание
Рис. 24.2. Зависимость сопротивления термистора KTY81 от
температуры
Обратите внимание, что вертикальная ось гра-
фика на рис. 24.2 является линейной, в отличие
от характеристических кривых с логарифмиче-
ской осью для большинства термисторов. Если
шкала логарифмическая, то характеристика вы-
глядит более линейной.
Датчик выполнен в виде микросхемы, сконстру-
ированной по принципу «распространяющегося
сопротивления»: ток расходится во все стороны
от металлического контакта через тонкий слой
кремния к металлизированной нижней подлож-
ке. При возрастании температуры этот эффект
проявляется менее активно. Хотя результат ча-
стично зависит от полярности, второй металли-
ческий контакт обладает электрическим смеще-
нием в противоположном направлении, и когда
две активные области микросхемы соединены
последовательно, образуется неполярный ком-
понент.
Примечание
Практически линейный выходной сигнал такого
датчика упрощает его совместную работу с ми-
кроконтроллером, в который встроен аналого-
цифровой преобразователь.
Указания о том, как толковать технические па-
спорта термисторов, можно найти в разделе
«Параметры термистора» статьи 23.
Для корректной работы типичному силистору
необходим ток в диапазоне от 0,1 до 1 мА.
Меньшая чувствительность и чуть более высо-
кая стоимость РТС-термисторов для измерения
температуры по сравнению с NTC-термисторами
могут объяснить причину того, почему NTC-
термисторы остаются популярными и доступны
в различных вариантах. Кроме того, NTC-тер-
мисторы более устойчивы при колебаниях тока.
Силисторы по-прежнему находят применение
в автомобильных устройствах для измерения
температуры масла, трансмиссии, а также в си-
стеме климат-контроля.
В качестве простой схемы для определения
сопротивления можно последовательно с РТС-
датчиком включить резистор, чтобы получил-
ся делитель напряжения. Схема идентична той,
которая используется для NTC-термисторов
(см. раздел «Преобразование выходного сигна-
ла для определения температуры» статьи 23).
Отличие от резистивного датчика
температуры
Резистивный датчик температуры иногда тоже
относят к РТС-термисторам. Однако в нем дру-
гой тип термоэлемента из чистого металла с на-
много меньшей чувствительностью. Этот дат-
чик рассматривается в данной энциклопедии
отдельно в статье 26.
Термистор с положительным температурным коэффициентом
177
Нелинейные РТС-термисторы
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
Нелинейные
РТС-термисторы
Защита от перегрева
Нелинейный термистор такого типа нагрева-
ется снаружи, но обладает переключательной
функцией. Если он находится среди других ком-
понентов на печатной плате, то его можно ис-
пользовать для активации предупреждающего
сигнала или для запуска реле, которое отключит
питание от схемы до тех пор, пока температура
не снизится. Это особенно важно в устройствах
для заряда аккумуляторов, для которых пере-
грев очень опасен. Такая функция полезна и для
других электронных устройств.
Чтобы избежать возможности самонагрева, ток
через термистор следует уменьшить до несколь-
ких миллиампер.
Некоторые термисторы из серии Vishay PTCSL
срабатывают при температуре +70 °С. Другие
модели активируются при температурах выше
+100 °С. Типичная характеристическая кривая
приведена на рис. 24.3; сопротивление возраста-
ет от 100 Ом при 25 °С до величины около 1 кОм
при переходной температуре 90 °С, а затем до-
стигает значения не менее 4 кОм при 105 °С.
В качестве типовой схемы для подключения
такого термистора производитель рекомен-
дует мост Уитстона, выходы которого соеди-
нены с компаратором (см. рис. 23.5 для NTC-
термистора). Компаратор может активировать
звуковой сигнал или реле.
Фотография термистора PTCSL20T091DBE
приведена на рис. 24.4. Термистор такого типа
способен выдержать максимальное напряжение
30 В (переменного или постоянного тока).
Рис. 24.4. Термистор из серии PTCSL, выпускаемой компанией
TDK. В соответствии с цветовой маркировкой, предлагаемой
производителем, этот компонент обладает эталонной темпе-
ратурой +90 °С. Фоновая сетка в миллиметрах.
Рис. 24.3. Зависимость сопротивления защитного термисто-
ра от нагрева
Защита от чрезмерного тока
Нелинейный термистор такого типа способен
заменить предохранитель, поскольку он реа-
гирует на внутренний нагрев, вызванный про-
текающим током. Если ток слишком велик, со-
противление термистора возрастает и препят-
ствует протеканию тока. Когда ток принимает
нормальное значение, термистор возвращается
в исходное состояние. Предохранитель обычно
размещают так, чтобы его было нетрудно заме-
нить, термистор же остается неповрежденным
после срабатывания и не требует замены.
178
Статья 24
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
Нелинейные РТС-термисторы
Чрезмерный ток может возникнуть в результате
выхода из строя каких-либо компонентов, на-
пример выпрямительного диода или конденса-
тора, либо из-за торможения электродвигателя
постоянного тока.
Термисторы серии В598, выпускаемые компа-
нией TDK, способны выдерживать переменное
или постоянное напряжение свыше 240 В. Ток
срабатывания лежит в пределах от 100 мА до
1 А, в зависимости от конкретного компонента
(лишь для приборов некоторых марок он выхо-
дит за указанные границы), и способны выдер-
живать ток от 1 до 7 А. На рис. 24.5 изображен
термистор В59810С0130А070, который срабаты-
вает при токе 980 мА, способен выдержать ток
до 7 А и обладает номинальным сопротивлени-
ем 3,5 Ом, которое становится больше 10 кОм,
когда чрезмерный ток вызывает достаточный
нагрев компонента.
Термистор такого типа постоянно подклю-
чен к источнику электропитания какого-либо
устройства и выделяет некоторое количество
тепла. Поэтому ток срабатывания таких компо-
нентов обычно не превышает 1 А.
Термистор Murata PTGL07BD220N3B51B0, по-
казанный на рис. 24.6, обеспечивает защиту от
чрезмерного тока, имеет номинальное сопро-
тивление 22 Ом, ток срабатывания 200 мА и спо-
собен выдержать максимальный ток 1,5 А.
Ограничение броска тока
с помощью РТС-термистора
Нелинейный термистор такого типа реагирует
на внутренний нагрев, вызванный броском тока
при подаче электропитания на устройство. Этот
бросок возникает, когда ток быстро поступает в
сглаживающие конденсаторы и за короткое вре-
мя заряжает их. В результате может произойти
перегрузка источника питания и сокращается
его срок службы.
В качестве ограничителей пускового тока тра-
диционно применялись NTC-термисторы. Вы-
сокое начальное сопротивление такого компо-
нента препятствует броску тока, однако при на-
греве сопротивление NTC-термистора быстро
снижается. Он остается подключенным в цепь
и рассеивает сравнительно небольшую мощ-
ность, пока устройство функционирует нор-
мально. Подробности о таком варианте исполь-
зования см. в разделе «Ограничение пускового
тока» статьи 23.
Рис. 24.5. Мощный РТС-термистор, предназначенный для
ограничения тока. Фоновая сетка в миллиметрах
Рис 24.6. РТС-термистор для защиты от чрезмерного тока, сра-
батывающий при токе 200 мА. Фоновая сетка в миллиметрах
Термистор с положительным температурным коэффициентом
179
Нелинейные РТС-термисторы
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
Однако подобное применение NTC-термистора
все же приводит к потере мощности. Допустим,
устройство подключено к источнику питания
120 В переменного тока. Если потребляемая
мощность равна 1000 Вт, сила тока составит око-
ло 8 А. NTC-термистор с сопротивлением 0,2 Ом
в нагретом состоянии будет создавать падение
напряжения около 1,6 В, потребляя около 13 Вт.
Потеря мощности будет значительней в тех слу-
чаях, когда ток больше, например, в станции за-
рядки электромобилей.
Чтобы избежать подобных потерь, можно под-
ключить к термистору шунтирующее реле с за-
держкой срабатывания. Реле автоматически за-
мыкается через короткий интервал времени и
мощность не теряется. Такой способ называется
активным ограничением броска тока.
Однако в подобной схеме можно было бы при-
менить и обычный резистор. Почему бы не ис-
пользовать в этом случае РТС-термистор, кото-
рый имеет опорное («холодное») сопротивле-
ние 50 Ом или выше? Оно не только ограничит
пусковой ток, но и обеспечит дополнительную
защиту. При пробое сглаживающего конденса-
тора или отказе шунтирующего реле чрезмер-
ный ток, проходящий через РТС-термистор,
быстро увеличит его сопротивление, защищая
остальную часть схемы.
РТС-термисторы серии В5910, выпускаемые
компанией TDK, специально предназначены
для ограничения пускового тока. Они заключе-
ны в огнестойкий пластиковый корпус из фено-
лоальдегидного полимера (рис. 24.7). Датчик
B59105J0130A020 обладает опорным сопротив-
лением 22 Ом, которое быстро становится боль-
ше 10 кОм, когда температура превышает 120 °С,
как показано на рис. 24.8. Такой компонент до-
статочно надежен и выдерживает короткое за-
мыкание в источнике питания на 220 В.
Сильноточные РТС-термисторы
В некоторых случаях в момент включения
устройства необходим начальный бросок тока.
Так, например, в компрессоре кондиционера
скачок тока требуется для «раскрутки» двига-
теля, когда он начинает работать из состояния
покоя.
Зависимость сопротивления
температуры для РТС-термистора,
ограничивающего пусковой ток
Рис. 24.7. РТС-термистор для ограничения пускового тока,
выпускаемый компанией TDK, выполнен в огнестойком кор-
пусе. Фоновая сетка в миллиметрах
Рис. 24.8. Зависимость сопротивления от температуры для
РТС-термистора, ограничивающего пусковой ток. Обратите
внимание на то, что масштаб по вертикальной оси логариф-
мический
180
Статья 24
характеристики излучения > тепло > термистор
с положительным температурным коэффициентом
Что может пойти не так?
В подобных ситуациях подойдут сильноточные
РТС-термисторы, например, серии РТС305С,
выпускаемой компанией Vishay. Эти компонен-
ты рассчитаны на тяжелые режимы эксплуата-
ции и обладают временем переключения около
0,5 с, максимальным напряжением 410 В пере-
менного тока и выше и номинальным током от
6 до 36 А.
Поскольку в процессе работы устройства (элек-
тродвигателя) температура РТС-термистора до-
вольно высока, ему необходимо время на охлаж-
дение, прежде чем станет возможен повторный
запуск. Время ожидания, которое составляет от
3 до 5 минут, задается термостатом или внеш-
ним реле времени.
Рис. 24.9. Нагревательный элемент TDK B59060A0060A010
является РТС-термистором, сопротивление которого быстро
возрастает при температуре около 80 °С. Его номинальное на-
пряжение равно 12 В и он предназначен для применения в
автомобилях. Фоновая сетка в миллиметрах
РТС-термистор для балласта
в осветительных приборах
При запуске люминесцентной лампы необходи-
мо, чтобы ток протекал сначала через нагрева-
тель катода. Термистор позволяет осуществить
это за счет обхода конденсатора. Менее чем за
секунду сопротивление термистора повышается
и он блокирует ток. К этому моменту нагрева-
тель уже выполнил свою задачу, и далее лам-
па работает от высокочастотного переменного
тока.
РТС-термистор в качестве
нагревательного элемента
Для небольших устройств можно изготовить на-
гревательный элемент из РТС-термистора, ис-
пользуя его внутреннее сопротивление для вы-
работки тепла. Такой нагревательный элемент
обладает свойством самоограничения, посколь-
ку сопротивление РТС-термистора возрастает
с повышением температуры. На рис. 24.9 при-
веден образец из серии 5906, выпускаемой ком-
панией TDK. Этот компонент, диаметром около
12 мм, предназначен для крепления к корпусу, а
не для пайки. Он применяется в автомобилях для
предварительного нагрева дизельного топлива
и для защиты жиклеров от наледи. В бытовых
устройствах может применяться в испарителях
освежителей воздуха.
Начальное сопротивление составляет всего 3
или 4 Ом, и оно очень быстро возрастает при
переходной температуре, которая заключена
в пределах от 70 до 200 °С, в зависимости от
марки конкретного компонента.
Что может пойти не так?
Самонагрев
Самонагрев может отразиться на точности дат-
чика температуры. Чтобы добиться точных
показаний, следует поддерживать слабый ток.
Когда сопротивление термистора достигает
максимума, на него можно подавать лишь крат-
ковременные импульсы тока.
Нагрев других компонентов
В тех случаях, когда самонагрев термисторов ис-
пользуется целенаправленно, например, при за-
щите от бросков тока или для создания времен-
ной задержки, тепло может повредить располо-
женные рядом компоненты или материалы.
Термистор с положительным температурным коэффициентом
181
характеристики излучения > тепло > термопара
ТЕРМОПАРА
25
Поскольку термобатарея является сборкой из термопар, она рас-
смотрена в конце данной статьи. Другим типам температурных дат-
чиков посвящены отдельные статьи.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
термистор с отрицательным температурным коэффициентом
(см. статью 23)
• термистор с положительным температурным коэффициентом
(см. статью 24)
полупроводниковый датчик температуры (см. статью 27)
• резистивный датчик температуры (см. статью 26)
инфракрасный датчик температуры (см. статью 28)
Описание
Термопара измеряет температуру с помощью
двух проводников, изготовленных из различаю-
щихся материалов. Эти проводники соединены
с одного из концов часто при помощи пайки.
Различающиеся термоэлектрические характе-
ристики проводников приводят к возникнове-
нию небольшой разности потенциалов между их
свободными концами, на основе которой можно
вычислить температуру соединенных концов.
Для термопары не требуется источник питания,
однако напряжение, которое она создает, чрез-
вычайно мало (измеряется даже не в милли-
вольтах, а в микровольтах) и обладает сильной
нелинейностью. Необходимы аппаратные и/или
программные средства, чтобы преобразовать его
в значение температуры. Для этой цели предна-
значено специальное лабораторное оборудова-
ние и разработаны интегральные микросхемы.
Для измерения температуры в различных диа-
пазонах выпускаются термопары разных типов,
каждый из которых обладает особыми характе-
ристиками и требует соответствующего преоб-
разования.
Собственно термопара выглядит весьма просто,
поскольку она представляет собой всего лишь
два провода, спаянные с одного конца, как пока-
зано на рис. 25.1. На рис. 25.2 продемонстриро-
ван этот же компонент в натуральную величину.
Датчики с термопарой иногда помещают внутрь
щупа, как показано на рис. 25.3.
Термопара
183
Варианты применения термопар
характеристики излучения > тепло > термопара
Рис. 25.1. Увеличенное изображение спаянных проводов
в термопаре К-типа. Фоновая сетка в миллиметрах
Обозначение на схемах
Условное графическое обозначение термопары
приведено на рис. 25.4. Поскольку этот компо-
нент не потребляет ток, символы плюса и мину-
са не означают, что к проводам следует подавать
питание. Знак «плюс» указывает провод, потен-
циал на котором будет выше, чем на проводе со
знаком «минус».
Рис. 25.4. Условное графическое обозначение термопары
Сравнение датчиков температуры
В данной энциклопедии датчики температуры раз-
делены на пять основных категорий, каждой из ко-
торых отведена отдельная статья. Для удобства эти
категории перечислены в сравнительной сводке
в конце статьи 23 (см. также рис. 23.9).
Рис. 25.2. Общий вид датчика с термопарой, показанной на
предыдущей фотографии
Рис. 25.3. Щуп, который содержит термопару
184
Варианты применения
термопар
Термопары обладают наиболее широким рабо-
чим диапазоном по сравнению с любой другой
разновидностью контактных датчиков темпе-
ратуры. Некоторые из них способны измерять
температуру до 1800 °С. Главное ограничение -
способность точки соединения проводов выдер-
живать нагрев. Следует применять соответству-
ющую изоляцию, но при необходимости можно
воспользоваться отрезками керамических тру-
бок, которые продаются для этой цели.
Очень малая термическая масса термопары обе-
спечивает быструю реакцию на температур-
ные колебания. Самонагрева не происходит,
Статья 25
характеристики излучения > тепло > термопара
Устройство и принцип действия
поскольку термопара не потребляет мощность.
Компонент прост и надежен. Однако выходной
сигнал термопары является сильно нелиней-
ным и подвержен электрическим помехам из-за
очень малого значения напряжения. Точность
обычно составляет ±0,5 °С и может быть хуже
при низких температурах.
Термопары широко используются в лаборато-
риях и в промышленном оборудовании, напри-
мер, при наблюдении за температурой в домен-
ной печи или внутри двигателя внутреннего сго-
рания.
Они способны измерять температуру до -200 °С,
однако при температурах ниже -100 °С темпера-
турный коэффициент снижается до такой степе-
ни, что шаг изменения напряжения становится
менее 30 мкВ/°С.
Устройство и принцип
действия
Если температура одного из концов провода от-
личается от температуры другого, то вследствие
перепада температур возникает слабая электро-
движущая сила, которая проявляется в виде раз-
ности электрических потенциалов между конца-
ми провода. Это явление называется эффектом
Зеебека, по фамилии ученого, который его обна-
ружил. Величина термоЭДС зависит от разности
температур между концами провода и от мате-
риала, из которого изготовлен проводник.
Сказанное проиллюстрировано на рис. 25.5. На
рис. 25.5-1 показаны два проводника, которые
обозначены буквами А и Б. Левые концы этих
проводов нагреты до одной и той же темпера-
туры Тх, а правые концы остаются при более
низкой температуре Тг Поскольку эти провода
изготовлены из разных материалов, падение на-
пряжения на каждом из них будет различным.
Чтобы эту модель можно было применить, не-
обходимо исключить некоторые факторы. На
рис. 25.5-2 нагретые концы проводников спая-
ны. Тем самым гарантировано, что они облада-
ют одинаковой температурой Тх и находятся под
одним и тем же потенциалом Vx. Мы пока еще не
знаем, каковы эти значения.
На рис. 25.5-3 холодные концы проводников
закреплены в изотермическом блоке, который
обеспечивает их одинаковую температуру, обо-
значаемую Тг Этот блок не проводит электриче-
ский ток, и поэтому холодные концы проводов
по-прежнему обладают различными потенциа-
лами, VA и VB. Мы не можем измерить эти вели-
чины напрямую, поскольку они связаны с неиз-
вестным значением Vx. Тем не менее, вольтметр
способен измерить разность потенциалов между
точками А и Б.
Вольтметр будет обладать собственным пере-
падом напряжения на проводах и, вероятно,
перепадом температур. Но оба провода изго-
товлены из одного металла (по-видимому, из
меди) и обладают одинаковым температурным
Рис. 25.5. Принцип работы термопары
Термопара
185
Использование термопар
характеристики излучения > тепло > термопара
градиентом. Поэтому эффект, который они соз-
дают, будет одинаковым.
Существует математическая зависимость между
перепадом температур и разностью потенциа-
лов в каждом проводе термопары. Пусть кА —
это константа или функция, которая позволяет
определить разность потенциалов для прово-
да А на основе его температурного перепада,
а кБ — это аналогичная константа или функция
для провода Б. Допустим, tdif — это разность
температур между тх и ty. Можно записать сле-
дующее:
- vA,
) = V - V
Fy VX VB#
Вычитая второе равенство из первого и группи-
руя параметры по-другому, получаем:
- Кв
= Vx - Va - Vx
Два слагаемых vx взаимно уничтожаются, остав-
ляя в правой части выражение vB VA. Это и есть
напряжение, которое измеряет вольтметр.
Обозначим его vM. Итак:
Тохр = Vm / ( Кл - Кв >■
Эта формула позволяет вычислить разность
температур на концах проводов, взяв за осно-
ву показания вольтметра и коэффициент пре-
образования для каждого провода, который
можно определить экспериментальным путем.
Поскольку значение ty поддерживается посто-
янным и известно, мы можем определить значе-
ние тх:
т = т + т
ХХ Y X
DIF'
Подробнее о термопарах
В первой изобретенной термопаре холодные
концы проводов были помещены в ванну со
льдом и водой, в результате чего их температура
поддерживалась равной О °С.
Появление точно откалиброванных термисто-
ров позволило измерять температуру холодных
концов термопары. Таким образом, термистор
необходим для работы термопары. Возникает
вопрос: почему бы тогда не измерять темпера-
туру Тх непосредственно термистором и изба-
виться от термопары? Причина в том, что тер-
мистор обладает более узким рабочим диапазо-
ном и редко применяется для температур свыше
150 °С.
Следует отметить, что «горячий конец» провода
термопары в действительности не обязан быть
горячее, чем «холодный конец», хотя эти тер-
мины широко распространены. Выражение для
определения Тх прекрасно работает и тогда, ког-
да TY больше, чем Тх. Просто разность темпера-
тур будет отрицательной, а не положительной.
Поскольку термины «горячий» и «холодный»
вводят в заблуждение, в современной докумен-
тации обычно используют названия «измери-
тельный спай» и «опорный спай» проводов.
Заметьте, однако, что в опорном «спае» провода
не соединены друг с другом.
Распространено ошибочное представление о
том, что напряжение возникает там, где провода
соединены, т. е. в измерительном спае. Это не-
верно. Напряжение является функцией темпера-
турного перепада между измерительным и опор-
ным спаями каждого провода. Следовательно,
способ соединения проводов неважен при усло-
вии, что между ними есть электрический кон-
такт. Они могут быть приварены друг к другу,
припаяны, напаяны или опрессованы.
Использование термопар
При использовании термопары в лаборатории
каждый провод обычно изолирован, и они за-
вершаются разъемом, который вставляется
в измерительный прибор. Опорный спай нахо-
дится внутри этого прибора наряду с электрон-
ной схемой, которая декодирует температурные
данные. Прибор должен соответствовать типу
186
Статья 25
характеристики излучения > тепло > термопара
Использование термопар
термопары, чтобы коэ<]
ния были верными.
[шциенты преобразова-
Поскольку металл в каждом проводе должен
быть одинаковым на всем протяжении от из-
мерительного до опорного спая, недопустимо
удлинять провода, идущие от термопары, отрез-
ками проводников из других металлов. Любой
удлинитель должен содержать провода из тех
же металлов, что и в термопаре. Разъемы также
должны быть снабжены штырьками и гнезда-
ми, которые соответствуют металлу проводов.
Удлинительный провод для термопары показан
на рис. 25.6.
Рис. 25.6. Удлинительный провод для термопары К-типа.
Обратите внимание на вилку, которая включается с соблюде-
нием полярности
Типы термопар
Термопары идентифицируются согласно стан-
дартным кодам ANSI, состоящим из одной бук-
вы. Температурные диапазоны указаны при-
близительно, значения приведены в градусах
Цельсия, минимальные значения округлены в
сторону повышения, а максимальные — в сто-
рону понижения до ближайшего кратного 50 °С.
Некоторые источники рекомендуют на практике
более узкие диапазоны температур.
• К-тип. Рабочий диапазон от -250 до
+1350 °С. Наиболее популярный тип термо-
пар. Положительный провод изготовлен из
хромоникелевого сплава, отрицательный -
из никель-алюминиевого. Широко исполь-
зуется в SD-принтерах.
• J-mun. От -200 до +1200 °С. Положительный
провод железный, отрицательный - из мед-
но-никелевого сплава. Железный провод яв-
ляется магнетиком и подвержен коррозии.
Такая термопара не рекомендуется для низ-
ких температур, несмотря на то, что теоре-
тически она способна их измерять.
• Т-тип. От -250 до +400 °С. Рекомендуется
для применения в криогенных установках.
Положительный провод медный, отрица-
тельный — из медно-никелевого сплава.
• Е-тип. От -250 до +1000 °С. Наиболее
чувствительный тип, с самым высоким
температурным коэффициентом. Положи-
тельный провод изготовлен из хромонике-
левого сплава, отрицательный — из медно-
никелевого.
• N-mun. От -250 до +1300 °С. Альтернатива
К-типу, более стабильная при высоких тем-
пературах. Положительный провод изготов-
лен из хром-никель-кремниевого сплава,
отрицательный - из магний-никель-крем-
ниевого.
• R-mun. От -50 до +1750 °С. Для работы при
высоких температурах. Положительный
провод изготовлен из платинородиевого
сплава, отрицательный — из платины. Очень
низкий температурный коэффициент.
• S-mun. От -50 до +1750 °С. Для работы при
высоких температурах. Положительный
провод изготовлен из платинородиевого
сплава, отрицательный — из платины. Очень
низкий температурный коэффициент.
Коэффициент Зеебека
В технических паспортах термопар приводит-
ся температурный коэффициент (коэффициент
Термопара
187
Использование термопар
характеристики излучения > тепло > термопара
Зеебека), измеряемый в мкВ/°С. Другими сло-
вами, значение коэффициента Зеебека — это до-
бавочное напряжение в микровольтах, которое
выработает термопара при увеличении темпера-
туры на 1 °С.
Каждый тип термопары обладает своим коэффи-
циентом, а поскольку термопары обычно имеют
сильно нелинейный отклик, эти коэффициенты
будут зависеть от температуры. На рис. 25.7 по-
казаны зависимости для шести типов термопар в
диапазоне от -400 до +1400 °С. Необходимо по-
нимать, что вдоль вертикальной оси откладыва-
ется коэффициент для каждого типа термопары,
т. е. не фактическое напряжение, а изменение на-
пряжения, которое зависит от температуры, от-
ложенной вдоль горизонтальной оси.
Термопары R- и S-типов обладают сравнитель-
но равномерным откликом, но не обеспечивают
высокую точность измерений, т. к. приращение
напряжения очень мало при любом изменении
температуры. Термопара К-типа довольно хо-
рошо работает при температуре от 0 до 1200 °С,
а вот J-тип ведет себя адекватно только от 0 до
100
о
т
ф
ю
S 60
со
I-
i
ф
I 40
20
Рис. 25.7. Коэффициент Зеебека (или температурный коэф-
фициент) для шести типов термопар. Диаграмма частично
заимствована из технического паспорта, опубликованного
компанией Analog Devices
800 °С. Термопары Т и Е обладают неравномер-
ным откликом.
Для малых напряжений становятся существен-
ными электрические помехи. Провода термо-
пары часто представляют собой витую пару,
которая может быть также экранирована для
снижения чувствительности к помехам. Элект-
ронное устройство, которое декодирует величи-
ну напряжения на термопаре, должно обладать
фильтром, подавляющим помехи с частотой 50
или 60 Гц от электропроводки, расположенной
рядом.
Микросхемы для работы
с термопарами
Измерительные приборы, которые специально
предназначены для обработки выходного сиг-
нала термопары и отображения значения темпе-
ратуры, обычно дороги и неудобны для особых
вариантов применения. К счастью, в настоящее
время существуют интегральные микросхемы,
которые усиливают выходной сигнал термопа-
ры, а также выполняют его обработку, чтобы
получался почти линейный отклик.
Микросхемы AD8494 и AD8496, выпускаемые
компанией Analog Devices, проходят лазерную
калибровку и соответствуют характеристи-
кам термопар J-типа, а микросхемы AD8495 и
AD8497 предназначены для термопар К-типа.
Этим микросхемам необходим источник питания
напряжением не менее 3 В. Они выдают анало-
говый выходной сигнал с инкрементом 5 мВ/°С,
что позволяет выполнять измерения в диапазо-
не температур почти 1000 °С. Потребляемый ток
очень мал — 180 мкА. Заявленная производите-
лем точность составляет ±2 °С.
Упомянутые микросхемы содержат датчик тем-
пературы, который должен обладать такой же
температурой, что и опорный спай термопары.
Это означает, что опорный спай (как правило,
в разъеме, куда вставлена термопара) следует
располагать как можно ближе к микросхеме,
188
Статья 25
характеристики излучения > тепло > термопара
Термобатарея
а саму микросхему необходимо оградить от теп-
ла, создаваемого другими компонентами. Любое
различие между температурами опорного спая
и микросхемы приведет к ошибке измерения.
Микросхема МАХ31855К, выпускаемая компа-
нией Maxim, представляет собой преобразова-
тель выходного сигнала термопары в цифровой
код. Она выполняет линеаризацию выходного
сигнала и выдает значения температуры в циф-
ровом формате, который доступен для микро-
контроллера по последовательной шине SPI.
Для этой микросхемы выпущены платы расши-
рения. Последняя буква в маркировке микро-
схемы указывает на тип термопары. Доступны
варианты для термопар], К, N, T, S и R-типа.
Микросхема AD8495 смонтирована на плате
расширения, выпускаемой компанией Adafruit,
а для микросхемы МАХ31855К плату расшире-
ния поставляет компания Sparkfun. Эти платы
показаны на рис. 25.8.
провода имеют перепад напряжения 1 мВ слева
направо. Таким образом, разность потенциалов
между соседними опорными спаями равна 4 мВ.
Если перепад температур одинаков, то напря-
жение будет суммироваться и в итоге составит
16 мВ между верхней и нижней частями данного
образца. Заметьте, что спаи термопар электри-
чески изолированы друг от друга.
В действительности может применяться боль-
шее количество термопар, а разность напряже-
ний может быть меньше.
Обычно термобатарея не поставляется в каче-
стве отдельного компонента, а входит в состав
других устройств. Она может применяться для
генерации слабого тока, вызванного разной сте-
пенью нагрева, как в инфракрасном термометре.
Ее можно также использовать как предохрани-
тельное устройство, которое прекращает подачу
газа, если горелка не зажжена (см. статью 25).
Термобатарея
Термобатарея — это несколько термопар, со-
единенных последовательно, как показано на
рис. ЦВ-25.9, на котором «горячие» части распо-
ложены слева, а «холодные» справа. Из рисунка
видно, что оранжевые провода обладают пере-
падом напряжения 5 мВ слева направо, кото-
рый вызван разницей температур, а фиолетовые
Рис. 25.8. Микросхемы для усиления или преобразования
сигнала термопары, выпускаемые компаниями Adafruit (сле-
ва) и Sparkfun (справа)
Рис. ЦВ-25.9. Принцип работы термобатареи. Числами обо-
значены значения термоЭДС в милливольтах (выбраны про-
извольно в качестве примера)
Термопара
189
Что может пойти не так?
характеристики излучения > тепло > термопара
Что может пойти не так?
Полярность
Выходной сигнал термопары обладает поляр-
ностью. Если ее не соблюдать, возникнет
ошибка.
Электрические помехи
Провода термопары подвержены влиянию элек-
трических помех. Следует использовать витую
пару или, в идеале, экранирование.
Усталость металла и окисление
Провода, применяемые в некоторых термопа-
рах, бывают довольно хрупкими и не выдержи-
вают многократных изгибов. Кроме того, неко-
торые металлы или сплавы окисляются.
Неправильный тип термопары
Разные типы термопар обладают совершенно
различными характеристиками. Электронная
схема, обрабатывающая выходной сигнал тер-
мопары, должна соответствовать типу термо-
пары. Разъемы на концах термопары часто
крепятся при помощи винтов. Отсоединенный
разъем необходимо сразу же заменить, чтобы не
подключить его по ошибке к термопаре другого
типа.
Тепловое повреждение
при создании термопары
Если термопару изготавливают путем сварки
двух проводов в любительских условиях, сле-
дует применять минимальный нагрев, чтобы
избежать ухудшения характеристик сплавов
в проводах.
190
Статья 25
характеристики излучения > тепло >
резистивный датчик температуры
РЕЗИСТИВНЫЙ ДАТЧИК
ТЕМПЕРАТУРЫ
26
Английское сокращение RTD означает либо резистивный датчик
температуры, либо резистивное температурное устройство.
Какой-либо определенной информации о правильности того или
другого термина нет, однако термин резистивный датчик темпера-
туры (резистивный термометр) более распространен.
Иногда такой датчик могут относить к разряду РТС-термисторов,
однако его чувствительный элемент другой и состоит из чисто метал-
лической проволоки или пленки.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• термопара (см. статью 25)
• термистор с отрицательным температурным коэффициентом
(см. статью 23)
• термистор с положительным температурным коэффициентом
(см. статью 24)
полупроводниковый датчик температуры (см. статью 27)
инфракрасный датчик температуры (см. статью 28)
Описание
Резистивный датчик температуры, который
называют также резистивным температур-
ным устройством, в англоязычных источниках
обычно обозначают как RTD. Он обладает по-
ложительным температурным коэффициентом
(т. е. его сопротивление возрастает при увели-
чении температуры датчика), но отличается от
РТС-термистора тем, что чувствительный эле-
мент изготовлен из чистого металла, а не из по-
лупроводника.
Сравнение датчиков температуры
В данной энциклопедии датчики температуры раз-
делены на пять основных категорий, каждой из ко-
торых отведена отдельная статья. Для удобства эти
категории перечислены в сравнительной сводке
в конце статьи 23 (см. также рис. 23.9).
Резистивный датчик температуры
191
Свойства резистивного датчика температуры
характеристики излучения > тепло >
резистивный датчик температуры
Свойства резистивного
датчика температуры
Положительные качества резистивного датчика
температуры (RTD-датчика):
• Точность, часто достигающая ±0,01 °С. Такой
малый допуск обеспечивает превосходную
взаимозаменяемость.
• Стабильность. Уход показаний составляет
не более 0,01 градуса в год.
• Выходной сигнал является почти линей-
ной функцией от температуры, что позво-
ляет легко обрабатывать его в микроконт-
роллере.
• Невосприимчивость к электрическим по-
мехам.
• Довольно быстрая реакция на изменения
температуры (от 1 до 10 секунд).
Недостатки:
• Чувствительность примерно в 10 раз хуже,
чем у NTC-термистора.
• Для измерения сопротивления через дат-
чик должен проходить некоторый ток, что
повышает вероятность самонагрева (как и в
случае с любым другим датчиком темпера-
туры, за исключением термопары).
• Сравнительно высокая стоимость, в осо-
бенности для варианта с проволочной на-
моткой.
На рис. 26.1 показаны характеристики для трех
типичных NTC-термисторов и для типичного
платинового резистивного датчика темпера-
туры, номинальное сопротивление которого
равно 100 Ом при 0 °С. Обратите внимание, что
на этом графике, в отличие от других, которые
иллюстрируют отклик NTC-термисторов, вер-
тикальная ось не является логарифмической.
Обозначение на схемах
Для резистивного датчика температуры нет спе-
циального условного графического обозначе-
ния. Часто используют символ термистора (см.
рис. 23.1).
Варианты применения
Благодаря малой погрешности резистивный дат-
чик температуры целесообразно использовать
там, где важна точность. С его помощью можно
калибровать другие датчики температуры, а так-
же измерять температуру опорного узла термо-
пары. Однако из-за небольшого температурного
коэффициента ему необходима чувствительная
электронная схема для обработки сигнала.
Сравнение
NTC-термисторов
с термометром
сопротивления
Рис 26.1. Кривые 1-3 показывают зависимость от темпе-
ратуры сопротивления трех типичных NTC-термисторов
с R25= 100 Ом, 1 и 10 кОм соответственно. Кривая 4 соответ-
ствует сопротивлению платинового RTD-датчика с Ro = 100 Ом.
Графики заимствованы из диаграммы, опубликованной ком-
панией Texas
192
Статья 26
характеристики излучения > тепло >
резистивный датчик температуры
Устройство и принцип действия
Устройство и принцип
действия
Действие резистивного температурного датчи-
ка основано на явлении частичного увеличения
электрического сопротивления металлической
пленки, металлической нити или (в некоторых
случаях) угольной пленки, когда температу-
ра материала возрастает. В простейшей форме
RTD-датчик представляет собой устройство из
двух проводов.
Чувствительный элемент часто изготавливают
из платины, поскольку она обладает линейным
откликом на изменение температуры в широком
диапазоне. Высококачественные RTD-датчики
для большого рабочего диапазона температур
обычно содержат платиновую проволоку, кото-
рая намотана на стеклянный или на керамиче-
ский каркас. Датчики меньших размеров могут
быть изготовлены из тонкого слоя платины, на-
пыленного на изолирующую подложку. Вместо
платины может применяться никель, он обла-
дает большей чувствительностью, но менее ли-
нейным откликом.
Устройство с проволочной намоткой применимо
при температурах до 500 °С (или до 1000 °С для
некоторых платиновых элементов). Некоторые
датчики позволяют измерять температуру до
-250 °С.
Международный стандарт DIN 60751 опреде-
ляет рабочие характеристики платиновых ре-
зистивных датчиков температуры. В качестве
эталонного сопротивления он указывает значе-
ние 100 Ом при 0 °С, а также приводит темпе-
ратурный коэффициент для температур от 0 до
100 °С. Вне этого диапазона отклик рассчитыва-
ется с помощью формулы.
Отклик является практически линейным, со-
противление изменяется от 100 Ом при 0 °С до
приблизительно 138 Ом при 100 °С. Отклонение
температуры от прямой линии для диапазона от
0 до 100 °С составляет не более +0,8 °С.
Однако чтобы избежать самонагрева, необхо-
димо ограничить ток, протекающий через RTD-
устройство. Рекомендуется диапазон от 0,5 до
1мА.
Варианты изготовления
Некоторые резистивные датчики температу-
ры заключены в герметизированный корпус из
стекла или эпоксидной смолы. На рис. 26.2 изо-
бражен датчик из серии TFPTL производства
компании Vishay, с чувствительным элемен-
том из тонкой никелевой пленки, обладающий
температурным коэффициентом около 0,4% и
допуском 0,01%. Он выпускается для очень ши-
рокого диапазона эталонных сопротивлений,
от 100 Ом до 5 кОм (измеренных при 25 °С).
Температурный диапазон составляет либо от
-55 до +70 °С, либо от -55 до +150 °С, а мак-
симально допустимое напряжение находится в
пределах от 30 до 40 В и зависит от марки кон-
кретного компонента.
Плоский корпус, показанный на рис. 26.3, мо-
жет быть помещен в защитную оболочку из
пластика или из кремнийорганического каучука
Рис. 26.2. RTD-датчик из серии TFPTL, выпускаемой компани-
ей Vishay. Фоновая сетка в миллиметрах
Резистивный датчик температуры
193
Варианты изготовления
характеристики излучения > тепло >
резистивный датчик температуры
и позволяет измерять температуру на поверх-
ности, причем компонент можно приклеить к
внешней стороне корпуса. Изображенный на
рис. 26.3 датчик из серии L420, выпускаемой
компанией Heraeus Sensor Technology содержит
чувствительный элемент из тонкой платиновой
пленки и обладает температурным коэффици-
ентом 0,385%. Он выпускается с номиналами
100, 500 и 1000 Ом (измеренными при 25 °С).
Температурный диапазон составляет от -50 до
+400 °С.
Рис. 26.4. Трехпроводная схема позволяет внести темпера-
турную компенсацию для выводов RTD-датчика
одному из проводов и сняв его с другого, в обход
самого компонента. Если принять, что все три
вывода имеют одинаковую длину и материал, то
сопротивление RA + RB будет равно сопротивле-
нию RB + RB.
Рис. 26.3. RTD-датчик из серии L420, выпускаемой компанией
Heraeus. Фоновая сетка в миллиметрах
Электрическое подключение
При неправильном подключении RTD-датчика
может возникнуть погрешность. В простой схеме
из двух проводов выводы будут обладать неиз-
вестным сопротивлением, на величину которого
так же, как и на чувствительный элемент внутри
датчика, будет влиять внешняя температура.
Схема с тремя проводами позволяет выпол-
нить температурную компенсацию. Принцип
проиллюстрирован на рис. 26.4. Слева на этом
рисунке сопротивления RA и RB остаются неиз-
вестными. Справа показано, что сопротивления
RB и RB можно найти, пропустив тестовый ток по
RTD-зонд
Для практического применения RTD-датчик
часто размещают внутри зонда, который может
быть неотличим от щупа с термопарой. Однако
в термопаре всегда только два провода, посколь-
ку разность потенциалов возникает на самих
проводниках. В резистивных датчиках темпе-
ратуры часто применяют три провода, как пока-
зано на рис. 26.5. Именно такой датчик постав-
ляется для установки в системе «Brew-Magic»,
предназначенной для пивоварения.
Рис. 26.5. Трехпроводной RTD-датчик, размещенный внутри
стального зонда
194
Статья 26
характеристики излучения > тепло >
резистивный датчик температуры
Что может пойти не так?
Обработка сигнала RTD-датчика
Для обработки сигнала от резистивного датчика
температуры можно использовать такую микро-
схему, как, например, LM75, выпускаемую ком-
панией National Semiconductor. Она откалибро-
вана для подключения к платиновому датчику и
преобразует его сопротивление в изменяющееся
напряжение с шагом 5 мВ/°С. Далее этот сигнал
поступает в аналого-цифровой преобразователь
микросхемы, который выдает цифровое значе-
ние, доступное для считывания по шине I2C.
Что может пойти не так?
Самонагрев
Самонагрев присущ RTD-датчику в той же сте-
пени, что и термистору. Ток через датчик не дол-
жен превышать 1 мА, в особенности при изме-
рении низких температур.
Влияние нагрева на изоляцию
проводов
Сопротивление изоляции проводов, которые
ведут к датчику, может зависеть от температу-
ры, что приводит к неправильным показаниям.
Именно эта погрешность более характерна для
резистивных датчиков, а не для термисторов,
поскольку RTD-датчики часто работают при вы-
соких температурах и обладают меньшим тем-
пературным коэффициентом.
Неподходящий чувствительный
элемент
Если устройство обработки подключено к дат-
чику с неподходящим чувствительным эле-
ментом, то показания температуры могут быть
неправильными. Так, например, для датчика
с никелевым элементом не следует применять
обработчик сигнала, предназначенный для пла-
тинового элемента.
Резистивный датчик температуры
195
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
Датчик такого типа может называться также датчиком температу-
ры запрещенной зоны, диодным датчиком температуры, датчиком
температуры на основе микросхемы или интегральной схемой для
определения температуры,
К сожалению, иногда используют термин интегрированный кремние-
вый датчик, который можно спутать с кремниевым датчиком тем-
пературы (называемым также силистором), являющимся разновид-
ностью термистора с положительным температурным коэффи-
циентом (см. статью 24).
Некоторые поставщики не проводят четкого разграничения между
датчиками температуры. Полупроводниковые датчики температуры
могут быть отнесены к числу датчиков температуры, монтируемых
на плате, несмотря на то, что многие из них снабжены проводами
и не предназначены специально для монтажа на печатных платах.
Полупроводниковый датчик температуры с цифровым выходом ино-
гда называют цифровым датчиком температуры или цифровым
термометром. Это может вводить в заблуждение, поскольку выход-
ной сигнал от температурных датчиков других типов также можно
оцифровать при помощи соответствующих компонентов.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• термопара (см. статью 25)
• термистор с отрицательным температурным коэффициентом
(см. статью 23)
• термистор с положительным температурным коэффициентом
(см. статью 24)
• инфракрасный датчик температуры (см. статью 28)
резистивный датчик температуры (см. статью 26)
Описание
27
Полупроводниковый датчик температуры
является интегральной микросхемой, в кото-
рой в общем корпусе объединены чувствитель-
ный элемент на основе /?-л-перехода и другие
полупроводниковые компоненты. Он обладает
приблизительно линейным откликом и прост
в обращении. В некоторых случаях его можно
непосредственно подключать к микроконтрол-
леру, без дополнительных компонентов.
Полупроводниковый датчик температуры
197
Описание
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
В аналоговых вариантах выходной сигнал пред-
ставляет собой либо напряжение, либо ток,
которые изменяются в соответствии с темпера-
турой. Эти датчики обладают положительным
температурным коэффициентом, кроме КМОП-
вариантов, у которых напряжение снижается
при росте температуры.
Более распространенными становятся цифро-
вые варианты, которые выдают оцифрованный
выходной сигнал, доступный для микрокон-
троллера.
Практически во всех полупроводниковых дат-
чиках температуры свойства диоксида кремния
ограничивают рабочий диапазон температур зна-
чениями от -50 до +150 °С (иногда и меньше).
Этот тип компонентов пока еще не столь же де-
шев, как термистор, однако он может содержать
в одном корпусе встроенный усилитель, схему
обработки сигнала и (в качестве необязатель-
ной функции) АЦП.
Сравнение датчиков температуры
В данной энциклопедии датчики температуры
разделены на пять основных категорий, каждой
из которых посвящена отдельная статья. Для
удобства в статье 23 приводится их сравнитель-
ный обзор (см. рис. 23.9).
Варианты применения
полупроводникового датчика
температуры
Полупроводниковый датчик температуры в кор-
пусе для поверхностного монтажа способен из-
мерять температуру платы, на которой он смон-
тирован. Часто с его помощью обеспечивают за-
щиту источников электропитания от перегрева.
Поскольку чувствительные элементы и схемы
обработки сигнала объединены в одной микро-
схеме, их можно встроить в другие типы датчи-
ков. Так, например, датчик давления газа или
датчик приближения могут обладать схемой
компенсации, использующей полупроводнико-
вый датчик температуры. Такие датчики встра-
ивают также в ЦПУ компьютеров, например,
в процессоры Pentium, выпускаемые компанией
Intel.
Некоторые варианты датчиков выпускаются
в корпусе ТО-92 с тремя выводами и внешне
очень похожи на биполярные транзисторы. Они
подходят для удаленного определения темпера-
туры и применяются в автомобилестроении, на-
пример, для измерения температуры трансмис-
сии, моторного масла или воздуха в салоне. Их
можно встретить также в некоторых системах
обогрева и кондиционирования воздуха, а так-
же в кухонном оборудовании.
Обозначение на схемах
Для обозначения полупроводникового датчика
температуры нет специального символа. Он мо-
жет изображаться в виде прямоугольника, со-
держащего аббревиатуры, которые обозначают
функции контактов, как и в других типах инте-
гральных микросхем.
В случае если датчик обладает выходным сиг-
налом, который представляет собой ток, за-
висящий от температуры, такой датчик может
изображаться как источник тока при помощи
символа, приведенного на рис. 27.1. Однако этот
символ не предназначен специально для датчи-
ков температуры, он обозначает любой компо-
нент, который является источником тока.
Рис. 27.1. Условное обозначение источника тока, которое мо-
жет применяться для датчика температуры, выходной сигнал
которого представляет собой ток
198
Статья 27
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Устройство и принцип действия
Достоинства и недостатки
полупроводникового датчика
температуры
Достоинства:
• Легкость использования. Для подключения
необходимо небольшое число внешних
компонентов (или полное их отсутствие),
а также незначительная обработка сигнала
(или ее отсутствие).
• Калибровка при изготовлении, обеспечива-
ющая почти линейный отклик.
• Датчики с цифровым выходом легко
встроить в любую систему, которая имеет
шину I2C. Подробности об этом протоколе
см. в приложении 1.
Недостатки:
• Ограниченный диапазон температур, такой
же, как у термисторов.
• Увеличение погрешности при самонагреве,
особенно у датчиков, в которых функции
обработки сигнала встроены в микросхему.
• Меньшая прочность по сравнению с неко-
торыми другими типами датчиков темпера-
туры.
Примечание
Объяснение терминологии, которая использу-
ется в технических паспортах датчиков темпера-
туры, см. в разделе «Параметры термисторов»
статьи 23.
Устройство и принцип
действия
Когда постоянный ток протекает через р-п-
переход, падение напряжения на нем меняется
приблизительно на 2 мВ при изменении темпе-
ратуры на 1 °С. Это можно продемонстрировать
при помощи простой схемы, изображенной на
рис. 27.2.
Рис. 27.2. Схема для демонстрации температурной чув-
ствительности диода (слева). Вариант замены диода п-р-п-
транзистором (справа)
Подобным же образом напряжение/?-л-перехода
в л-р-л-транзисторе меняется в зависимости от
температуры, если ток остается постоянным.
Диод можно заменить транзистором, как пока-
зано справа на рис. 27.2. Интегральные микро-
схемы, которые содержат транзисторы, способ-
ны измерять температуру благодаря этому эф-
фекту.
КМОП-датчики
В некоторых полупроводниковых датчиках тем-
пературы используются КМОП-транзисторы,
а не биполярные. Общий принцип работы тот
же, однако эти устройства рассмотрены отдель-
но. См. раздел «Датчики температуры на основе
КМОП-транзисторов» далее в этой статье.
Преимущество использования
нескольких транзисторов
Тепловую чувствительность биполярного тран-
зистора можно выразить в виде формулы. Если
vBE — это напряжение между базой и эмиттером,
q — заряд электрона, к — некая константа (назы-
ваемая постоянной Больцмана), т — температура
Полупроводниковый датчик температуры
199
Устройство и принцип действия
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
в градусах Кельвина (по отношению к абсолют-
ному нулю), ic — ток коллектора, a is — ток на-
сыщения (который меньше, чем ic), то справед-
лива формула:
VBE = ( ( k*T ) / q) * In (Ic / Is).
Символ in обозначает «логарифм по основа-
нию е от выражения, заключенного в скобки».
Поскольку значения к и q известны, получаем,
что напряжение между базой и эмиттером про-
порционально логарифму от отношения тока
коллектора к току насыщения. Однако ток на-
сыщения зависит от геометрических характе-
ристик транзистора и связан с температурой
нелинейно.
Чтобы исключить влияние тока насыщения,
можно рассмотреть два транзистора с разными
размерами эмиттерной области. Это позволит
вывести новую формулу для вычисления тем-
пературы, избавившись от токов насыщения,
которые создают трудности из-за своего нели-
нейного поведения.
Тем не менее, создать в одной кремниевой ми-
кросхеме два транзистора с одинаковыми ха-
рактеристиками (кроме различных площадей
эмиттера) непросто. Намного проще соединить
идентичные транзисторы параллельно. Общая
площадь эмиттера будет равна площади эмитте-
ра в одном транзисторе, помноженной на число
транзисторов.
Посмотрев на рис. 27.3, для которого принято
допущение о том, что все транзисторы помимо
одинаковых характеристик обладают равной
температурой, можно написать два уравнения.
На рисунке хватило места лишь для трех тран-
зисторов, но предположим, что их N штук. Если
vBE0 — это напряжение база-эмиттер транзисто-
ра QP в левой части равенства, a vBEN — суммар-
ное напряжение база-эмиттер для N транзисто-
ров в правой части, получаем:
Рис. 27.3. Сравнение напряжения база-эмиттер на одном
транзисторе с напряжением на группе транзисторов по-
зволяет измерять температуру независимо от величин тока
коллектора и тока насыщения, при условии, что температура
всех транзисторов одинакова
Из этих уравнений можно вывести итоговую
формулу, которая позволяет избавиться от ве-
личин 1си is:
/ - V =
BEO BEN
k*T
(( k*T ) / q) * In dc
Is);
(( k*T ) / q) * In (Ic / N*IS).
Схема Брокау
Если для управления током добавить компа-
ратор, получится так называемая схема Брокау
(рис. 27.4), известная также под общим назва-
нием датчик температуры запрещенной зоны.
(Несколько резисторов опущены для упроще-
ния схемы.)
Обычно N = 8, т. е. к транзистору Q0 добавлено
еще восемь транзисторов (на рис. 27.4 показаны
только три). Разность напряжений VBE0 - VBEN
теперь присутствует на резисторе R2, а напряже-
ние на резисторе R1 пропорционально абсолют-
ной температуре (в англоязычных источниках
часто встречается аббревиатура РТАТ, propor-
tional to absolute temperature). Это напряжение
можно вычислить при помощи такой формулы:
Vptat = ((k*T)/q) * ln(N) * (2*R1/R2).
Схема Брокау была положена в основу микро-
схемы AD580, выпущенной в 1974 году компа-
нией Analog Devices, а принцип ее работы теперь
200
Статья 27
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Варианты изготовления
Некоторые полупроводниковые датчики темпе-
ратуры основаны на технологии КМОП и обла-
дают отрицательным температурным коэффи-
циентом. Они рассмотрены отдельно в разделе
«Датчики температуры на основе КМОП».
Рис. 27.4. Схема Брокау
широко используется в
датчиках температуры.
полупроводниковых
Датчики с аналоговым выходным
напряжением
Серия LM35
Типичные широко распространенные датчики
температуры серии LM35 выпускаются компа-
ниями Analog Devices, Texas Instruments и дру-
гими производителями. Выходное напряжение
у них изменяется на 10 мВ/°С в рабочем диапа-
зоне температур от -50 до +150 °С. Заявленная
точность составляет ±0,25 °С при комнатной
температуре и ±0,75 °С для всего рабочего диа-
пазона.
Этот датчик может быть размещен подобно
транзистору в пластиковом (ТО-92) или в ме-
таллическом корпусе. Выпускаются также ком-
поненты для поверхностного монтажа или же в
корпусе ТО-220, подобно стабилизатору напря-
жения на 5 В (рис. 27.5).
Варианты изготовления
Выходной сигнал полупроводниковых датчиков
температуры бывает трех видов:
• Аналоговое выходное напряжение.
• Аналоговый выходной ток.
• Цифровой выходной сигнал.
Иногда встречается выходной сигнал в виде
прямоугольных импульсов, период (или часто-
та) которых пропорционален температуре. В ка-
честве примеров можно назвать микросхемы
Maxim MAX6576 и МАХ6577. Но такие датчики
мало распространены, поэтому далее подробно
не описаны.
Полупроводниковый датчик температуры
Рис. 27.5. Этот вариант датчика LM35 можно закрепить при
помощи винта, что удобно для измерения температуры на по-
верхности. Фоновая сетка в миллиметрах
201
Варианты изготовления
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
У такого датчика три вывода (или лепестка для
пайки), два из них предназначены для подачи
электропитания, а третий играет роль выхода
датчика. Напряжение питания обычно лежит
в пределах от 4 до 30 В. Потребляемый ток со-
ставляет всего 60 мкА, что снижает самонагрев.
Поскольку это устройство разработано специ-
ально для температурной шкалы Цельсия, его
выходной сигнал откалиброван на 0 мВ при 0 °С.
Для измерения температуры ниже нуля можно
добавить понижающий резистор.
Между выходом и заземлением рекомендуется
подключать шунтирующий резистор номина-
лом 200 Ом, чтобы снизить влияние паразитной
емкости кабеля.
Компонент LM34 почти идентичен датчику
LM35, но его выходной сигнал изменяется на
10 мВ при изменении температуры на один гра-
дус Фаренгейта, а не Цельсия.
Рис. 27.6. Датчик температуры LM335 в корпусе ТО-92.
Фоновая сетка в миллиметрах
источника электропитания с напряжением от 5
до 40 В. Третий контакт, который в технических
паспортах обозначают буквами ADJ, позволяет
настраивать выходной сигнал. На рис. 27.7 при-
ведена принципиальная схема включения дат-
чика. Номинал резистора R1 можно подобрать
Серия LM135
Несмотря на то, что этот датчик содержит не-
сколько л-р-я-переходов, производитель описы-
вает его функционирование подобно работе ста-
билитрона, у которого напряжение пробоя пря-
мо пропорционально абсолютной температуре.
Выходной сигнал возрастает на 10 мВ/°С в рабо-
чем диапазоне температур от -55 до +150 °С.
Датчик марки LM135 дает ошибку измерений
менее ±1 °С в диапазоне 0-100 °С. Для датчиков
LM235 и LM335 из этой же серии компонентов
температурный диапазон уже, точность хуже, а
стоимость ниже. Внешний вид датчика LM335
показан на рис. 27.6.
Этот датчик изготавливается в корпусах ТО-92
(пластиковый, как у транзисторов) или ТО-46
(металлический). Он выпускается также в вари-
анте для поверхностного монтажа. Отрицатель-
ный контакт подключается напрямую к заземле-
нию, а положительный — через последовательно
включенный резистор к положительной шине
Рис. 27.7. Принципиальная схема использования датчика
LM135 с возможностью настройки выходного сигнала. На
схеме датчик обозначен в виде стабилитрона, поскольку чув-
ствительный элемент работает подобно стабилитрону
202
Статья 27
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Варианты изготовления
так, чтобы через датчик протекал оптимальный
ток величиной 1 мА, хотя допустимые значения
находятся в пределах от 400 мкА до 5 мА.
Датчики с аналоговым выходным
током
Некоторые компоненты для измерения темпе-
ратуры выдают на выходе ток. К выходу под-
ключается заземленный резистор, напряжение
на котором изменяется в соответствии с величи-
ной тока от датчика.
Удобным свойством выхода на основе генерато-
ра тока является то, что на его точность не влия-
ет длина кабеля (если она составляет до 6-10 м).
Следовательно, компонент такого типа пригоден
в качестве удаленного датчика.
Серия LM234-3
Этот датчик трехпроводный: два провода слу-
жат для подачи смещенного напряжения пита-
ния и заземления (обозначены в технических
паспортах символами V+ и V-), а третий провод
(обозначен буквой R) обеспечивает выходной
ток, который пропорционален температуре. Ток
от контакта R проходит через внешний резистор
на землю, а напряжение на этом резисторе из-
меняется на 214 мкВ/°К. Необходимая величина
напряжения смещения составляет от 1 до 40 В.
Один из датчиков серии LM234 изображен на
рис. 27.8.
Если этот компонент применяется для удаленно-
го измерения, номинал резистора должен быть
равен 230 Ом, допускается его подключение
напрямую между контактом R и заземляющим
контактом датчика на дальнем конце кабеля. На
«ближнем» конце проводящего кабеля темпера-
турный выходной сигнал снимается с резистора
номиналом более 10 кОм, который подключен
между возвратным проводом и заземлением,
как показано на рис. 27.9. При указанных пара-
метрах компонентов выходное напряжение бу-
дет изменяться на 10 мВ/К.
Датчики LM234-3 изготавливаются в пластико-
вых корпусах формата ТО-92 или же в металли-
ческих ТО-46. Доступен также вариант для по-
верхностного монтажа.
Заявленная точность составляет ±3 °С. Диапазон
температур - от -25 до +100 °С.
Рис. 27.8. Датчик температуры LM234Z в корпусе ТО-92.
Фоновая сетка в миллиметрах
Рис. 27.9. Схема подключения датчика LM234-3 с выходным
током, который изменяется в соответствии с температурой
Полупроводниковый датчик температуры
203
Варианты изготовления
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Серия AD590
Датчик с токовым выходом AD590 (преем-
ник датчика AD580), выпускаемый компани-
ей Analog Devices, имеет всего два провода.
Подобно компоненту LM234-3, он выпускается
в металлическом корпусе ТО-46, но один из трех
выводов не задействован. Его можно также при-
обрести в виде двухпроводного «плоского кор-
пуса» или в виде микросхемы для поверхност-
ного монтажа (с восьмью контактами для пай-
ки, из которых только два имеют электрическое
подключение).
При напряжении электропитания от 4 до 30 В
сигнал на высокоимпедансном выходе датчика
изменяется на 1 мкА/К. Небольшие колебания
напряжения источника питания приводят к по-
явлению очень малых ошибок в величине вы-
ходного тока; если вместо 5 В подать 10 В, от-
клонение составит всего 1 мкА.
На рис. 27.10 показан вариант применения дат-
чика AD590 совместно с подстроечным резис-
тором для регулировки коэффициента масшта-
бирования. При должной настройке такая схема
обеспечивает выходной сигнал, который изме-
няется на 1 мВ/К.
Датчики с цифровым выходным
сигналом
Наиболее популярные серии полупроводни-
ковых датчиков температуры с цифровым вы-
ходом: ТМР102, которая выпускается компа-
нией Texas Instruments, MCP9808 от компании
Microchip, LM73 от компаний Texas Instruments
и National Semiconductor, а также DS18B20, вы-
пускаемая компанией Maxim. Диапазон рабочих
температур всех этих компонентов типичен для
полупроводниковых датчиков температуры и
составляет приблизительно от -50 до +150 °С.
Для большинства из них заявленная точность
находится в пределах ±1 °С для всего рабочего
диапазона и ±0,5 °С для диапазона от 0 до 100 °С.
Эти компоненты осуществляют обмен данными
по протоколам I2C или SMBus, кроме датчика
Maxim DS18B20, в котором применяется особый
протокол.
Серия ТМР102
Эти компоненты доступны только в формате
для поверхностного монтажа. У них меньше
функций, чем у других датчиков, перечислен-
ных в данной статье, и они менее точные: ±3 °С
для максимального рабочего диапазона от -40
до +125 °С. Однако их стоимость меньше.
Примечание
Рис. 27.10. Простейшая схема, обеспечивающая точную регу-
лировку датчика AD590
Выпускается также более точный датчик ТМР112.
Датчики рассчитаны на низкое напряжение
питания от 1,4 до 3,6 В и потребляют ток по-
коя 10 мкА. Значения температуры передаются
в 12- или в 13-разрядном формате, для которо-
го необходимо преобразование, поскольку один
бит соответствует величине 0,0625 °С. Когда
измеряемая температура выходит за пределы,
204
Статья 27
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Варианты изготовления
установленные пользователем, появляется сиг-
нал на дополнительном выходе. Для таких уве-
домлений недоступна настройка гистерезиса.
Датчик ТМР102 поставляется также на плате
расширения, выпускаемой компанией Sparkfun
(рис. 27.11).
чтобы получить величины в градусах Цельсия,
а также работать с отрицательными и дробными
значениями. Тем не менее, микросхема постав-
ляется на плате расширения, выпускаемой ком-
панией Adafruit (рис. 27.12), а для среды Arduino
доступна библиотека программного кода.
Рис. 27.11. Датчик Texas Instruments TMP102, установленный
на плате расширения, поставляемой компанией Sparkfun
Рис. 27.12. Микросхема Microchip MCP9808, установленная
на плате расширения, поставляемой компанией Adafruit
Серия МСР9808
Эти многофункциональные датчики изготав-
ливаются либо как обычные компоненты для
поверхностного монтажа, либо как компонен-
ты для поверхностного монтажа с открытой
«термической площадкой». Они соответствуют
стандарту шины I2C, работающей на частоте
до 400 кГц и позволяющей размещать на одной
шине до 16 датчиков. У микросхемы множество
функций уведомления, в число которых входит
достижение верхней и нижней границ, при кото-
ром может активироваться специальный «сигна-
лизирующий» контакт; для этих границ можно
также задать величину гистерезиса, чтобы игно-
рировать кратковременные скачки температуры.
Микросхему можно использовать также в режи-
ме «компаратора», при котором она обеспечи-
вает логически высокий или логически низкий
выходной сигнал, если температура оказывается
выше или ниже значения, указанного пользо-
вателем. Такая функция позволяет микросхеме
работать в качестве термостата. Пользователь
может также задать шаг изменения температуры.
Для цифровых данных, которые содержат значе-
ние температуры, необходимо преобразование,
Серия LM73
Эти датчики изготавливаются только в формате
для поверхностного монтажа. Они соответству-
ют стандарту шины I2C с частотой до 400 кГц.
Для температурного разрешения можно устано-
вить значения 11, 12, 13 или 14 бит. Если тем-
пература превышает установленный предел,
то активируется «сигнализирующий» контакт.
«Адресный» контакт может выбирать один из
трех адресов устройств за счет подачи логиче-
ски высокого, нулевого или отключенного со-
стояния. Микросхему можно перевести в режим
останова, если необходима экономия потребля-
емой мощности.
Серия DS18B20
В отличие от большинства цифровых датчиков
эти компоненты трехпроводные, поскольку ис-
пользуют особый протокол с «однопроводной
шиной», разработанный компанией Maxim.
Эта шина обеспечивает доступ к двухбайтному
регистру, хранящему цифровые выходные зна-
чения от датчика температуры, но кроме этого
она позволяет пользователю выполнять другие
Полупроводниковый датчик температуры
205
Датчики температуры на основе КМОП
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
операции, например, установку разрешения
встроенного аналого-цифрового преобразова-
теля (максимальное разрешение — 12 битов),
указание значений высокой и низкой темпера-
туры, при которых срабатывает предупрежде-
ние, а также идентификацию датчика, посколь-
ку каждый компонент обладает уникальным
48-битовым серийным номером, хранящимся
в ПЗУ.
Для правильной работы этой микросхемы
к шине передачи данных необходимо под-
ключить подтягивающий резистор номина-
лом 4,7 кОм. (Компания Maxim называет это
«паразитирующей мощностью».) Встроенный
конденсатор на короткое время поддерживает
логическое состояние микросхемы, пока шина
используется в нормальном режиме для пере-
дачи данных, однако, если низкое напряжение
на шине будет удерживаться в течение более
чем 480 мкс, произойдет сброс состояния ми-
кросхемы. Функция «паразитирующей мощно-
сти» не будет также работать при температуре
свыше 100 °С. Вероятно, осознавая, что такая
система создает больше проблем, чем преиму-
ществ, компания Maxim снабдила также дан-
ный компонент обычным контактом для подачи
электропитания.
Датчик марки DS18B20 доступен в корпусе
формата ТО-92, а также в виде микросхем для
поверхностного монтажа (двух разных типораз-
меров). Поскольку у него отсутствует стандарт-
ная шина I2C и реализовано сложное ориги-
нальное кодирование, необходимо приложить
значительные усилия для изучения этого про-
токола. Однако датчик остается популярным, а
в онлайн-источниках можно найти библиотеку
программного кода для среды Arduino.
Датчики температуры
на основе КМОП
КМОП-варианты полупроводниковых датчиков
температуры появились не так давно, по срав-
нению с биполярными. Они потребляют очень
малый ток покоя (как правило, несколько
микроампер) и способны работать с источни-
ком электропитания от 5,5 до 2,2 В, что делает
их пригодными для портативных устройств,
работающих от аккумуляторных батарей. Рас-
пространен аналоговый выход. Популярные
примеры - серии LM20 и LMT86.
Как и биполярные датчики, компоненты серии
LMT86 обладают ограниченным температур-
ным диапазоном, приблизительно от -50 до
+150 °С. И также подобно биполярным датчи-
кам они выпускаются в корпусе формата ТО-92
и для поверхностного монтажа. Существенное
отличие — отрицательный температурный ко-
эффициент выходного сигнала (уменьшение на-
пряжения на 10 мВ/К), обусловленный характе-
ристиками КМОП-структур.
Заявленная точность составляет ±0,25 °С.
Диапазон выходного напряжения составляет
около 2 В; оно уменьшается, начиная с величи-
ны на 0,5 В меньше напряжения питания при
температуре -50 °С.
Один из датчиков серии LMT86 показан на
рис. 27.13.
Рис. 27.13. Температурный КМОП-датчик из серии LMT86.
Фоновая сетка в миллиметрах
206
Статья 27
характеристики излучения > тепло >
полупроводниковый датчик температуры
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Различные температурные шкалы
Некоторые датчики с выходным напряжением
создают сигнал, который можно перевести в гра-
дусы Кельвина, а в других датчиках используют-
ся градусы Цельсия. И хотя в этих шкалах вели-
чина одного градуса одна и та же, у компонента
с аналоговым выходным сигналом в милливоль-
тах значение 0 мВ может соответствовать тем-
пературе либо О °С, либо О К (что эквивалент-
но -273,15 °С). Преимущество шкалы Кельвина
заключается в том, что она позволяет избежать
проблем, связанных с отрицательными значе-
ниями температуры. В редких случаях в датчике
могут применяться градусы Фаренгейта.
Помехи в кабельной проводке
Датчики с выходным сигналом в виде напряже-
ния подвержены влиянию электрических помех.
При удаленном размещении датчиков рекомен-
дуется использовать экранированный кабель
или витую пару.
Подключать несколько датчиков Maxim
DS18B20 к шине длиной 1 м следует по линей-
ной топологии сети, а не к центральному узлу
(по схеме «звезда»). Если длина кабеля стано-
вится больше нескольких метров, топология
сети становится еще важнее.
Время задержки
Корпус полупроводниковых датчиков темпера-
туры может влиять на их время реакции, внося
задержку. Термопара состоит всего лишь из двух
проводников, которые соединены небольшой
точкой из расплавленного металла, а в корпусе
ТО-92 для полупроводниковых датчиков добав-
лена термическая масса, которая существенно
затормаживает отклик. Кроме того, медные вы-
воды будут подводить тепло от печатной платы,
если она окажется теплее окружающей среды.
Микросхемы для поверхностного монтажа об-
ладают незначительной массой, но они должны
быть смонтированы на какой-либо плате, пусть
и не очень больших размеров.
Как правило, если необходим быстрый отклик,
то более подходящими могут оказаться датчики
других типов.
Время обработки сигнала
В датчике с цифровым выходным сигналом
встроенный аналого-цифровой преобразова-
тель будет вносить небольшую задержку до
того, как данные станут доступны, и в течение
этой задержки компонент не может реагировать
на новое значение температуры. Выходной сиг-
нал от аналогового датчика иногда более при-
годен для обнаружения быстрых колебаний
температуры.
Полупроводниковый датчик температуры
207
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
ИНФРАКРАСНЫЙ
ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ
28
Инфракрасный датчик температуры иногда также называют тер-
мобатареей. Термобатарея на самом деле входит в состав этого дат-
чика. В данной энциклопедии термобатарея рассматривается как от-
дельный компонент, описанный в статье 25.
Другие термины, которые иногда используют для инфракрасного
датчика температуры — бесконтактный термометр или инфра-
красный термометр. В данной энциклопедии термометр отнесен
к разряду готовой продукции, поставляемой на рынок, и не считает-
ся компонентом.
Устройства, такие как пирометр полного излучения, инфракрасный
пирометр, оптический пирометр или тепловизор, предоставляют
возможность наблюдать и измерять параметры инфракрасного из-
лучения, но они выходят за рамки данной энциклопедии.
Пассивный инфракрасный датчик перемещения способен обнару-
жить инфракрасное излучение, но он реагирует только на изменение
интенсивности. Инфракрасный датчик температуры измеряет уста-
новившееся значение поступающего излучения.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• пассивный инфракрасный датчик (см. статью 4)
• термопара (см. статью 25)
Описание
Многие температурные датчики, рассматривае-
мые в других статьях данной энциклопедии, яв-
ляются контактными датчиками. Это означает,
что для измерения температуры объекта, жидко-
сти или газа они должны находиться в контакте
с ним. В тех случаях, когда контакт невозможен
или нежелателен, можно использовать инфра-
красный датчик температуры. Он реагирует
на тепловое излучение (называемое иногда из-
лучением черного тела), которое испускают лю-
бые объекты с температурой выше абсолютного
нуля (О К). Параметры этого излучения зависят
от температуры вследствие изменения движе-
ния молекул.
Ситуации, в которых могут быть предпочти-
тельнее бесконтактные датчики:
Инфракрасный датчик температуры
209
Описание
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
• Объект расположен неудобно или слишком
далеко.
• Необходимо измерить температуру боль-
шой поверхности.
• Контакт с небольшим объектом привел бы
к изменению температуры самого объекта,
и таким образом процедура измерения
повлияла бы на измеряемое значение.
• Объект может вызвать коррозию, меха-
нические дефекты поверхности или еще
каким-либо образом способен повредить
датчик.
• Объект перемещается или вибрирует.
• Поверхность объекта нельзя подвергать
загрязнению (например, у пищевых про-
дуктов).
• Температура объекта ниже -50 °С или выше
+1300 °С.
Ограничения при использовании бесконтакт-
ных датчиков:
• Обычно можно измерить только темпера-
туру поверхности объекта.
• Оптические части датчика необходимо
защитить от воздействия пыли, грязи
и жидкости.
• Объект измерения должен быть отчетливо
виден и расположен на линии зрения.
• Загрязнение воздуха ухудшит результат из-
мерения температуры. Некоторые газы,
например диоксид углерода, поглощают
инфракрасное излучение.
• На датчик будут влиять другие источники
отраженного, перенесенного и конвектив-
ного тепла.
• Несмотря на то, что инфракрасный датчик
теоретически способен реагировать на очень
широкий диапазон температур, на практике
для перекрытия полного температурного
диапазона требуется несколько датчиков
с различающейся чувствительностью.
• У материалов разных типов тепловое излу-
чение различно, даже если они обладают
одинаковой температурой. Необходимо пре-
дусмотреть компенсацию или каким-либо
образом окрасить поверхность объекта.
Варианты применения
бесконтактных датчиков
температуры
Среди первых вариантов применения бескон-
тактных датчиков были портативные бескон-
тактные термометры.
Тепловое излучение Солнца и других звезд пред-
ставляет интерес для исследователей в области
астрономии.
Снижающаяся с недавних пор стоимость инфра-
красных датчиков температуры, а также про-
стота их использования позволяют встраивать
такие датчики в бытовую технику. В ноутбуках
и портативных устройствах рабочие параметры
процессора должны быть сбалансированы так,
чтобы предотвратить избыточный нагрев или
охлаждение. В процессе производства можно
вручную приклеивать к внутренней поверхно-
сти корпуса проводной датчик. Инфракрасный
датчик температуры, установленный на печат-
ной плате и направленный на внешнюю сторону
корпуса позволяет проще достичь того же ре-
зультата.
Бесконтактный датчик также очень удобен для
измерения температуры вращающихся объ-
ектов, например, термобарабана в лазерном
принтере.
Обозначение на схемах
Для инфракрасного датчика температуры нет
специального символа.
210
Статья 28
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
Устройство и принцип действия
Устройство и принцип
действия
В качестве единицы измерения длин волн види-
мого света обычно используют нанометры (со-
кращенно — нм), а для более длинных волн из
ближней инфракрасной области спектра часто
применяют микрометры (сокращенно — мкм).
Измеряемые инфракрасные значения находят-
ся в диапазоне от 0,7 до 14 мкм и соответствуют
пиковому излучению черного тела с температу-
рой от 200 до 6000 К (приблизительно от -70 до
+5700 °С).
К сожалению, предметы не излучают лишь
одну длину волны, соответствующую излуче-
нию черного тела для какой-либо температуры.
Излучение реальных объектов занимает диа-
пазон длин волн, который становится шире при
увеличении температуры. Тем не менее, пиковая
интенсивность также возрастает с температу-
рой; это характеризуется спектральной плот-
ностью излучения, которая измеряется в ват-
тах на стерадиан на микрометр длины волны.
(Стерадиан — это телесный угол с вершиной
в верхней точке конуса, в данном случае конус
Зависимость излучения
от температуры объекта
как черного тела
Рис. 28.1. Увеличение интенсивности и расширение диапазо-
на длин волн для излучения черного тела при шести различ-
ных температурах (в градусах Кельвина)
представляет излучение.) Поскольку интенсив-
ность излучения увеличивается, зная ее можно
вычислить температуру (рис. 28.1). Обратите
внимание, что масштаб по обеим осям логариф-
мический.
Все кривые относятся к одному объекту, каждая
из них характеризует одну температуру в гра-
дусах Кельвина, показывая, как изменяется ин-
тенсивность излучения в зависимости от длины
волны. Обратите внимание, что излучение с дли-
ной волны короче 0,7 мкм находится в видимом
диапазоне спектра; таким образом, у объектов,
температура которых выше 1000 К, можно на-
блюдать видимое свечение.
Из-за большого разброса интенсивностей и тем-
ператур инфракрасный датчик, который идеален
для измерения температуры 1000 К, не обеспе-
чит точный результат для 200 К. Пиковая спек-
тральная энергетическая яркость при 1000 К
более чем в 10 000 раз превосходит максималь-
ное значение при 200 К. К тому же, кривые на
графике описывают «идеальный» объект, ко-
торый обладает чистым излучением черного
тела. В действительности же излучателъная
способность стекла, пластика и многих других
материалов гораздо ниже; это значит, что они
изучают более слабо и относятся к серым телам.
Металлический предмет с полированной по-
верхностью может излучать одну десятую часть
излучения черного тела.
Этими особенностями нельзя пренебречь, но их
можно учесть, применив довольно простые ме-
тоды. Инфракрасные датчики калибруются в со-
ответствии с их предназначением для различ-
ных температурных диапазонов, а излучатель-
ную способность измеряемого объекта можно
узнать из стандартных таблиц. Кроме того, на
предмет можно напылить специальную черную
краску (например, Senotherm или 3-М Black),
которая обладает известной излучательной спо-
собностью, составляющей около 0,95 от чистого
излучения черного тела. В качестве альтерна-
тивы на измеряемый предмет можно наклеить
специально разработанный черный стикер, если
Инфракрасный датчик температуры
211
Устройство и принцип действия
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
только его температура находится в разумных
пределах.
Однако простой инфракрасный датчик темпера-
туры не будет надежно работать, если его произ-
вольно направлять на объекты с различной тем-
пературой. Для решения подобных задач при-
меняются специализированные дорогостоящие
промышленные устройства, которые выходят за
рамки данной энциклопедии.
Термоэлемент
Типичный недорогой инфракрасный датчик тем-
пературы в интегральном исполнении содержит
термоэлемент, который состоит из нескольких
термопар, вытравленных в кремниевом кристал-
ле и соединенных последовательно. Устройство
термоэлемента показано на рис. ЦВ-25.9.
Термоэлемент устроен так, чтобы все «горя-
чие» спаи термопар оказались сгруппированы в
пределах небольшой центральной области, где
через кремниевое окошко (прозрачное для ин-
фракрасного диапазона) на них падает входное
излучение. «Холодные» спаи распределены по
периферии, где они защищены от воздействия
излучения. Один из вариантов конструкции по-
казан на рис. ЦВ-28.2, хотя это и не точное изо-
бражение реального датчика.
Вместо проводников различного типа, как в тер-
мопаре, в термоэлементе на основе микросхемы
часто используют перемежающиеся сегменты из
кремния п- и^-типа. «Горячие» спаи располага-
ются в тонкой пленке, обладающей очень низкой
теплоемкостью, а «холодные» — в более толстой
подложке, играющей роль теплоотвода.
Измерение температуры
Напряжение, создаваемое термоэлементом, свя-
зано с разностью температур «горячего» и «хо-
лодного» спаев термопары. Таким образом,
есть три взаимосвязанные переменные: «го-
рячая» температура, «холодная» температура
Рис. ЦВ-28.2. Упрощенная схема термоэлемента, находяще-
гося внутри инфракрасного датчика температуры. Излучение,
поступающее через окошко в микросхеме, воздействует на
спаи термопар, расположенные в центральной части, а спаи
по краям остаются более холодными
и напряжение. Для вычисления одной из них
нам необходимо знать две другие.
Мы желаем узнать температуру «горячего» спая.
Поэтому нам необходимо задать напряжение
(которое легко измерить) и температуру «хо-
лодного» спая. Температуру «холодного» спая
можно определить, добавив термистор в микро-
схему.
Обычно инфракрасный датчик температуры
с аналоговым выходом снабжен двумя контак-
тами, подключенными к внутреннему термисто-
ру для вычисления его температуры. Другие два
контакта подсоединены к концам термоэлемен-
та, с них снимают выходное напряжение дат-
чика.
Интерпретация и согласование этих величин —
непростая задача, в особенности, если учесть,
что термистор обладает отрицательным тем-
пературным коэффициентом и нелинейным
212
Статья 28
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
Варианты изготовления
выходным сигналом, а термоэлемент также
имеет некоторую нелинейность. Для упроще-
ния ситуации в некоторые инфракрасные датчи-
ки температуры встроена электронная схема
для выполнения необходимых вычислений и
формирования цифрового выходного сигнала.
Полученный сигнал можно перевести в градусы
с помощью довольно простых математических
операций во внешнем микропроцессоре.
Варианты изготовления
Популярны два типа датчиков. Один из них
предназначен для поверхностного монтажа,
как, например, датчик марки ТМР006, изобра-
женный на рис. 28.3. Такой компонент обычно
имеет цифровой выход. Второй тип — это дис-
кретный компонент с четырьмя выводами, на-
пример, датчик Amphenol ZTP135, показанный
на рис. 28.4. Дискретные компоненты могут вы-
давать либо аналоговый, либо цифровой выход-
ной сигнал.
Датчики обоих типов снабжены светофильтра-
ми, которые не пропускают видимый свет, но
прозрачны для излучения инфракрасного диа-
пазона длин волн.
Датчик ZTP135 выдает аналоговый выходной
сигнал, показанный на рис. 28.5.
Рис. 28.4. Инфракрасный датчик температуры ZTP135 в кор-
пусе для штырькового монтажа. Фоновая сетка в миллиме-
трах
Выходной сигнал
инфракрасного датчика
температуры ZTP135
40 60 80
Температура объекта (°С)
100
Рис. 28.5. Аналоговый выходной сигнал инфракрасного дат-
чика температуры
Рис. 28.3. Инфракрасный датчик температуры ТМР006 в кор-
пусе для поверхностного монтажа. Восемь небольших пло-
щадок для пайки расположены с нижней стороны. Фоновая
сетка в миллиметрах
Датчик ТМР006 размером около 1,5 мм постав-
ляется на плате расширения от фирмы Sparkfun.
Более современный компонент ТМР007 вы-
пускается на плате расширения от поставщика
Adafruit (рис. 28.6).
Инфракрасный датчик температуры
213
Параметры инфракрасных термодатчиков
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
в зданиях, указывающую на плохую изоляцию,
либо выявить нагретые участки электрических
устройств. Компания Heimann Sensor впервые
смогла уменьшить матрицу из 31x31 датчиков-
термоэлементов до размеров одного корпуса
в формате ТО-8 или ТО-9.
Рис. 28.6. Датчик ТМР007, установленный на плате расшире-
ния, поставляемой фирмой Adafruit
Датчики для поверхностного
монтажа
Датчикам ТМР006 и ТМР007 необходимо на-
пряжение питания в диапазоне от 3,3 до 5 В.
Эти микросхемы поддерживают протоколы шин
SMBus и I2C, причем адрес на шине может за-
давать пользователь. Младший значащий бит от
встроенного аналого-цифрового преобразовате-
ля служит для представления 1/32 °С, а данные
хранятся в виде 14-разрядного целого числа со
знаком. Есть возможность усреднять несколько
значений температуры (не более 16).
Диапазон измеряемых температур составля-
ет от -40 до +125 °С. Присутствует небольшой
гистерезис. Датчик марки ТМР007 поддержива-
ет работу в режиме предупреждения о том, что
температура поднялась выше или упала ниже
значения, указанного пользователем.
Параметры инфракрасных
термодатчиков
Диапазон температур
Большинство инфракрасных температурных
датчиков на основе микросхем обычно предна-
значены для диапазона температур от -20 °С до
+125 °С. Максимум их чувствительности соот-
ветствует длине волны между 4 и 16 мкм.
Существуют инфракрасные датчики температу-
ры и с более широким диапазоном температур,
но они стоят дороже.
Матрицы из датчиков
Если разместить несколько датчиков-термо-
элементов в ряд или в виде сетки и снабдить
устройство матрицей с линзами, то можно по-
лучить картину распределения температу-
ры какой-либо поверхности или объекта.
Этот метод известен как термическое получе-
ние изображений (или тепловидение). С его
помощью можно обнаружить утечку тепла
Рис. 28.7. Измерение поля зрения датчика, определяемое
при помощи границы воображаемого конуса, на которой чув-
ствительность снижается на 50%
214
Статья 28
характеристики излучения > тепло >
инфракрасный датчик температуры
Что может пойти не так?
Поле зрения
В англоязычных источниках поле зрения часто
обозначается сокращением FOV (Field of View).
Это угол при вершине воображаемого конуса,
который исходит из датчика и определяет гра-
ницу, на которой чувствительность снижается до
50% от ее значения непосредственно перед дат-
чиком. Угол между поверхностью конуса и цен-
тральной линией может обозначаться греческой
буквой ф, а угол между противоположными по-
верхностями конуса — буквой 0 (т. е. 9 = 2ф), как
показано на рис. 28.7. Угол 8 обычно называют
полем зрения.
Поскольку в большинстве чувствительных эле-
ментов для инфракрасных датчиков температу-
ры нет линзы, они обладают восприимчивостью
в широком диапазоне углов обзора. Типичное
поле зрения составляет 90°.
Что может пойти не так?
Неподходящее поле зрения
Объект, для которого выполняются измерения,
должен заполнять поле зрения датчика, чтобы
устранить влияние других объектов, располо-
женных вокруг него.
Отражающие объекты
Отражающий объект обладает более низкой
инфракрасной излучающей способностью, по-
казания могут оказаться неверными, если дат-
чик измеряет тепловое излучение, отраженное
от лицевой поверхности объекта. В стационар-
ных устройствах, например, внутри какого-
либо прибора может потребоваться покраска
поверхности для снижения ее отражательной
способности.
Стеклянные преграды
Поскольку стекло непрозрачно для инфракрас-
ной части спектра, которая нас интересует, не-
возможно измерять температуру через стеклян-
ное окно. Кремний непрозрачен для видимого
света, но пропускает излучение с длиной волны
больше 2 мкм.
Несколько источников тепла
Тепло распространяется за счет конвекции,
переноса и излучения. Поскольку инфракрас-
ный датчик температуры предназначен для из-
мерения излучения, он будет реагировать и на
другие источники тепла. На его показания будут
влиять потоки теплого или холодного воздуха,
а также тепло, которое будет проводить мате-
риал поверхности, на которой он установлен.
Необходимо тщательно выбирать место разме-
щения датчика. Экран с небольшим отверстием
в центре, помещенный вокруг датчика, может
предотвратить конвекцию, а за счет правильно-
го выбора местоположения на печатной плате
можно минимизировать проводимость тепла.
Перепады температур
Инфракрасный датчик температуры необходи-
мо устанавливать в стабильной окружающей
среде, в которой он не будет подвержен влиянию
перепадов температур (при которых одна из его
сторон будет более нагретой, чем другая). Такая
асимметрия может привести к неточным пока-
заниям.
Инфракрасный датчик температуры
215
характеристики излучения > звук > микрофон
МИКРОФОН
29
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• динамик (см. том 2 энциклопедии)
• наушники (см. том 2 энциклопедии)
Описание
Ощущение звука возникает в результате быстро-
го воздействия волн воздушного давления на ба-
рабанную перепонку уха. Микрофон способен
преобразовать такие волны сжатия в перемен-
ный электрический сигнал, который можно уси-
проводам и воспроизвести как звук в наушниках
или в динамике. Этот принцип проиллюстриро-
ван на рис. 29.1.
Примечание
Дополнительные сведения о воспроизведении
звука см. в статьях о наушниках и о динамике в
лить, записать, передать по радиовещанию, по томе2 энциклопедии.
сигнал
Обозначение на схемах
За десятилетия, которые прошли со времени
изобретения микрофона, его обозначали по-
разному. Некоторые из условных обозначений
приведены на рис. 29.2. Для каждого из них
подразумевается, что звук поступает слева на-
право. Это важно при интерпретации символа,
расположенного справа вверху, который мо-
жет обозначать и наушники, если он развернут
Отрицательное
Рис. 29.1. Принцип преобразования акустических волн сжа-
тия в переменный электрический сигнал (адаптированная
иллюстрация из книги Make: More Electronics)
Микрофон
Рис. 29.2. Подборка символов, которые обозначают микро-
фон
217
Устройство и принцип действия
характеристики излучения > звук > микрофон
в противоположном направлении. К сожале-
нию, на некоторых схемах это правило не со-
блюдается.
Два символа внизу, у которых внутри микрофо-
на показан конденсатор, следует применять для
обозначения конденсаторного или электретного
микрофонов.
Устройство и принцип
действия
Некоторые типы микрофонов генерируют не-
большое напряжение, в то время как другие об-
ладают переменным сопротивлением, которое
модулирует постоянный ток.
Угольный микрофон
Он представлял собой одну из первых попыток
воспроизведения звука и содержал угольный
порошок, плотность которого увеличивалась
и уменьшалась в ответ на прохождение воз-
душных волн сжатия. Когда плотность уве-
личивалась, сопротивление между частицами
порошка снижалось, и наоборот. Этот прин-
цип проиллюстрирован на рис. 29.3, он был
запатентован Томасом Эдисоном в 1877 году
для использования в телефонах. И вплоть до
50-х годов прошлого века (а в некоторых стра-
нах даже позже) в телефонных трубках нахо-
дились угольные микрофоны. Их частотный
диапазон был чрезвычайно ограниченным.
Микрофон с подвижной катушкой
Такой компонент называется также динамиче-
ским микрофоном и состоит из очень маленькой
легкой катушки из тонкого провода, намотан-
ного на цилиндрическую трубку, которая может
вибрировать вдоль оси постоянного магнита.
Этот принцип проиллюстрирован на рис. 29.4.
Диафрагма прикреплена к передней части труб-
ки и реагирует на воздушные волны сжатия, ко-
торые проникают через отверстия в корпусе ми-
крофона. Перемещение катушки относительно
магнита создает в проводе слабый ток. Инерция
катушки, трубки и диафрагмы, а также сила, ко-
торая необходима для преодоления взаимодей-
ствия между катушкой и магнитом, наклады-
вают ограничения на высокочастотный отклик
такой конструкции.
Рис. 29.3. Принцип действия угольного микрофона
Рис. 29.4. Принцип действия микрофона с подвижной катуш-
кой
218
Статья 29
характеристики излучения > звук > микрофон
Устройство и принцип действия
Конденсаторный микрофон
Такой микрофон содержит два тонких диска
или две пластины, образующие конденсатор.
К пластинам приложены электрические заряды,
равные по величине, но противоположные по
знаку. Одна пластина гибкая, и по мере того, как
она реагирует на акустические волны, изменя-
ется электрическая емкость между ней и второй
жесткой пластиной. Если заряд пластин поддер-
живается приблизительно постоянным, а ем-
кость меняется, то напряжение на конденсаторе
также будет колебаться. Эти колебания можно
усилить, как предложено на рис. 29.5.
Рис. 29.6. Принципиальная схема включения электретного
микрофона
усовершенствованы до такой степени, что спо-
собны конкурировать с конденсаторными ми-
крофонами, и кроме того, обладают умеренной
стоимостью. Поскольку электрет создает очень
слабые токи, в качестве усилителя применяется
транзистор или операционный усилитель с выхо-
дом с открытым коллектором. Принципиальная
схема включения электретного микрофона по-
казана на рис. 29.6. Более подробную информа-
цию об использовании выхода с открытым кол-
лектором см. в приложении 1 на рис. П4.
Образец недорогого электретного микрофона
показан на рис. 29.7. Такой компонент поставля-
ется либо с присоединенными выводами, либо
с лепестками для пайки.
Рис. 29.5. Принцип работы конденсаторного микрофона
Электретный микрофон
Этот микрофон устроен по тому же принципу,
что и конденсаторный, только его пластины из-
готовлены из сегнетоэлектрического материала,
который удерживает электрический заряд по-
добно тому, как железо сохраняет намагничен-
ность. Название этого микрофона составлено
из слов «электростатический» и «магнитный»1.
И хотя старые модели электретных микро-
фонов обладали низким качеством, они были
1 Комбинация от англ. слов «electrostatic» и «mag-
net». — Ред.
Микрофон
Рис. 29.7. Типичный электретный микрофон. Фоновая сетка
в миллиметрах
219
Параметры микрофонов
характеристики излучения > звук > микрофон
Микрофон с использованием
микроэлектромеханических
систем
Такой датчик, часто применяемый в мобиль-
ных телефонах, является емкостным устрой-
ством, которое работает по тому же принципу,
что и конденсаторный микрофон, хотя при этом
сам компонент изготовлен в кристалле кремния
и обладает диафрагмой, размеры которой ме-
нее 1 мм. Многие микроэлектромеханические
микрофоны выдают аналоговый сигнал, кото-
рый сразу же усиливается в той же микросхеме.
В других микрофонах выход цифровой, с ис-
пользованием ШИМ-кодирования. Аналоговый
сигнал преобразуется в очень быстрый бинар-
ный поток данных, битовая плотность которого
соответствует амплитуде колебания звуковой
волны.
Примечание
ШИМ — это аббревиатура термина широтно-
импульсная модуляция. Для нее необходим внеш-
ний тактовый сигнал, чтобы осуществлять синхро-
низацию битового потока.
Выпускаемая компанией Sparkfun плата рас-
ширения, на которой смонтирован микроэлек-
тромеханический микрофон Analog Devices
ADMP401 с предварительным усилителем, по-
казана на рис. 29.8.
Рис. 29.8. Плата расширения для микроэлектромеханическо-
го микрофона (металлизированный прямоугольный компо-
нент в дальней части платы)
Пьезоэлектрический микрофон
В англоязычных источниках называется также
микрофоном на кристалле. Содержит диафраг-
му, которая функционирует подобно звуковому
преобразователю. Когда она изгибается в ответ
на акустические волны сжатия, механическая
энергия преобразуется в небольшое количество
электрической энергии. Когда вакуумные элек-
троприборы были вытеснены транзисторами,
на смену пьезоэлектрическим микрофонам в
бытовых аудиоустройствах пришли микрофоны
с подвижной катушкой. Но пьезомикрофоны все
еще могут применяться в качестве контактных
микрофонов для усиления звука акустических
музыкальных инструментов или для воспроиз-
ведения сэмплированных музыкальных звуков.
К числу других вариантов относятся ленточ-
ный микрофон (широко применялся в студиях
звукозаписи в 50—60-е годы прошлого века, но
теперь стал редкостью), лазерные микрофоны и
волоконно-оптические микрофоны. Они распро-
странены не настолько широко, чтобы включить
их в эту статью.
Параметры микрофонов
Чувствительность
Давление звука — довольно сложное понятие,
которое подробно рассмотрено в статье о зву-
ковом преобразователе в томе 2. Его можно
измерять в паскалях; один паскаль равен одному
ньютону на квадратный метр (1 Па = 1 Н/м2).
Уровень звукового давления показывает отно-
сительную интенсивность звука по логариф-
мической шкале, откалиброванной в децибелах
(сокращенно — дБ). Опорное значение этой от-
носительной шкалы — давление в 20 мкПа, ко-
торое считается пороговым для человеческого
слуха. Оно сопоставимо с писком комара на рас-
стоянии трех метров. Этой величине присваива-
ется уровень 0 дБ.
220
Статья 29
характеристики излучения > звук > микрофон
Параметры микрофонов
Далее вверх от этой точки реальное звуковое
давление удваивается при увеличении уровня
на 6 дБ. В табл. 29.1 приведены источники зву-
ка и соответствующие приблизительные уровни
в децибелах. Таблица составлена путем усредне-
ния значений из восьми таблиц, которые согла-
суются не во всех оценках.
Для цифровых микрофонов чувствительность
измеряется значением в децибелах, которое со-
ответствует всему динамическому диапазону
цифрового выходного сигнала. Эта величина
обозначается dBFS.
Уровень, дБ
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Источник звука
Реактивный двигатель на расстоянии 50 м
Болевой порог
Громкий рок-концерт
Автомобильный рожок на расстоянии 1 м
Отбойный молоток на расстоянии 1 м
Винтовой самолет на высоте 300 м
Товарный поезд на расстоянии 15 м
Пылесос
Торговая контора
Разговор
Библиотека
Тихая спальня
Шелест листьев
Спокойное дыхание на расстоянии 1 м
Порог слышимости
Единица измерения в децибелах важна для по-
нимания технических паспортов микрофонов,
поскольку она используется для описания их от-
клика. Чувствительность микрофона определя-
ется с помощью стандартного входного акустиче-
ского синусоидального сигнала с частотой 1 кГц
и интенсивностью 94 дБ (которая эквивалентна
1 Па фактического давления звука), измеренной
у микрофона. Чувствительность аналогового
микрофона выражается величиной в децибелах,
соответствующей 1В выходного электрического
сигнала. Поскольку выходной сигнал является
переменным током, напряжение измеряется как
среднеквадратическое значение.
таблица29.1 Диаграмма направленности
Микрофон, который обладает направленной
восприимчивостью к акустическим колебани-
ям, удобен во многих случаях. Например, часто
бывает так, что звуки, которые поступают на
лицевую сторону микрофона, важнее звуков,
приходящих сзади. Направленность микрофона
обычно представляют в виде диаграммы в поляр-
ных координатах, для которой микрофон рас-
сматривается сверху, а его чувствительность к
звуку, приходящему с различных направлений,
изображена в виде кривой, подобной приведен-
ным на рис. 29.9. Окружности проведены с ин-
тервалами 5 дБ, значение 0 дБ соответствует пе-
риферии, а -30 дБ — центру. Точная диаграмма
направленности для каждого микрофона долж-
на быть показана в документации к нему.
Частотная характеристика
Обычно каждый микрофон более чувствите-
лен к одним частотам по сравнению с други-
ми. Производитель обычно приводит график,
отображающий зависимость чувствительно-
сти в децибелах от частоты звука, отложенной
по логарифмической горизонтальной шкале.
Теоретически, для человеческого слуха доступ-
ны частоты от 20 Гц до 20 кГц, однако лишь не-
многие люди способны услышать звук у верхней
границы этого диапазона. Для молодого челове-
ка более реалистична величина 15 кГц, которая
у пожилых людей снижается до 10 кГц.
Идеально горизонтальная частотная характери-
стика свидетельствовала бы о том, что микрофон
в равной степени чувствителен ко всем частотам.
В реальности на низких частотах проявляется
спад. Он возникает также и на верхних частотах,
Микрофон
221
Параметры микрофонов
характеристики излучения > звук > микрофон
Рис. 29.10. Частотная характеристика электретного микро-
фона
На рис. 29.10 показана частотная характеристи-
ка электретного микрофона eMerging i436, ко-
торый поставляется как дополнительный блок,
обеспечивающий высококачественную запись
звука на портативных устройствах. Рост кривой
на участке около 15 кГц был, вероятно, намерен-
но заложен производителем для компенсации
снижения чувствительности человеческого уха
в этом диапазоне.
Рис. 29.9. Шесть типичных диаграмм направленности. Диа-
граммы реальных микрофонов будут в той или иной степени
отклоняться от этих обобщенных кривых
хотя перед ним может быть участок с увели-
ченным откликом. Если центральный участок
кривой является горизонтальным с точностью
±1 дБ, то это указывает на уровень рабочих пара-
метров, который в прошлом был доступен толь-
ко для дорогих студийных микрофонов. В наши
дни электретные и микроэлектромеханические
микрофоны способны обеспечить подобную ча-
стотную характеристику, а их стоимость равна 1
или 2$, в противоположность сотням и даже ты-
сячам долларов, которые приходилось тратить
на профессиональное оборудование.
222
Импеданс
Импеданс микрофона зависит от его сопротив-
ления, емкости и индуктивности. Вход усилите-
ля также будет обладать импедансом, и для иде-
альной передачи мощности между микрофоном
и усилителем значения их импедансов должны
быть идентичными. Тем не менее, для звуко-
вого оборудования более важно избежать по-
терь напряжения между выходным устройством
(в данном случае микрофоном) и входным (это
усилитель). Чтобы этого достичь, выходное
устройство должно иметь низкий импеданс,
а входное — высокий. Для большинства микро-
фонов импеданс составляет от 150 до 200 Ом,
в то время как для усилителя он может быть
от 1,5 до 3 кОм.
Суммарный коэффициент
гармонических искажений
Когда воспринимаемая акустическая синусо-
идальная волна преобразуется микрофоном
Статья 29
характеристики излучения > звук > микрофон
Что может пойти не так?
(и его предварительным усилителем, если он
присутствует в модуле) в электрический выход-
ной сигнал, этот сигнал может быть искажен на-
личием частот, кратных основной частоте. Они
называются гармониками и считаются искаже-
ниями сигнала. Суммарный коэффициент гар-
монических искажений, измеренный анализа-
тором спектра для полного рабочего диапазона
частот, в идеале должен быть меньше 0,01%.
Отношение сигнал/шум
В англоязычных источниках отношение уровня
сигнала к уровню шума часто обозначается как
S/N или SNR и измеряется в децибелах. Оно
должно составлять 60 дБ или больше.
Что может пойти не так?
Наводки в кабеле
Усиление звука всегда подвержено влиянию
электрических помех, которые усиливаются
вместе с сигналом. Для слабых сигналов, при-
нимаемых микрофоном, необходимо использо-
вать экранированные кабели, которые снижают
фоновый шум и другие помехи.
Помехи от источника питания
По тем же причинам, источники питания долж-
ны, по возможности, быть избавлены от скачков
напряжения и других колебаний.
Микрофон
223
электрические характеристики > ток > датчик тока
ДАТЧИК ТОКА
30
В этой статье описаны компоненты, которые можно подключить для
независимого контроля за силой тока. Здесь не рассматривается из-
мерительная аппаратура, например, тестеры и мультиметры.
Для измерения тока предназначен также трансформатор тока, но
он не включен в данную энциклопедию.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
• датчик напряжения (см. статью 31)
Описание
Датчик тока измеряет электрический поток че-
рез провод или через устройство, а также вы-
дает выходной сигнал, который можно интер-
претировать либо визуально, либо при помощи
микроконтроллера, чтобы получить показания
в амперах или долях ампера.
Варианты применения
Измерение тока важно в промышленных усло-
виях, например, при управлении электродвига-
телями большой мощности. Его можно выпол-
нять для слежения за рабочими параметрами
инвертора или в повседневных целях, например,
для контроля за долговременным потреблением
мощности каким-либо устройством. В процессе
разработки какого-либо изделия датчик тока
может отображать потребление мощности, ко-
торое меняется при изменении цепи.
В этой статье описаны три метода измерения
тока: с помощью амперметра, последователь-
ного резистора и датчика Холла. Существуют и
другие методы, но они выходят за рамки данной
энциклопедии.
Амперметр
Амперметр, который представляет собой авто-
номное устройство, снабженное выводами для
тестирования цепи, обычно называют тесте-
ром. Подобной функцией часто обладают мулъ-
тиметры. Тестеры и мультиметры не рассма-
триваются в данной энциклопедии.
Амперметр, предназначенный для постоянной
установки в каком-либо устройстве или в маке-
те, представляет собой щитовой измерительный
прибор, подобный показанному на рис. 30.1.
Такой аналоговый измерительный прибор
Датчик тока
225
Амперметр
электрические характеристики > ток > датчик тока
Обозначение на схемах
Амперметр может быть обозначен на схе-
ме буквой «А» внутри круга, как показано на
рис. 30.3.
Рис. 30.3. Условное графическое обозначение амперметра
Рис. 30.1. Аналоговый амперметр традиционного типа
традиционного типа может стоить намного
дешевле большинства доступных цифровых
устройств. В нем магнитное поле, создаваемое
током, протекающим через катушку индуктив-
ности, перемещает стрелку на шкале, преодоле-
вая силу упругости пружины.
Цифровой амперметр позволяет легко отобра-
зить гораздо более широкий диапазон значений.
Устройство, доступное у поставщика Adafruit
(рис. 30.2), обладает диапазоном измерения от
0 до 9,99 А при напряжении от 4,5 до 30 В по-
стоянного тока. Этот прибор может работать за
счет «паразитирующего» питания от измеряе-
мого тока либо от автономного источника пита-
ния напряжением 5 В.
Подключение амперметра
Два варианта включения амперметра проиллю-
стрированы на рис. 30.4, где в качестве нагрузки
может выступать любое оборудование, устрой-
ство или компонент, которые обладают некото-
рым электрическим сопротивлением. Поскольку
ток одинаков во всех точках простой электриче-
ской цепи, его величина, которая проходит че-
рез амперметр, будет такой же, как и для тока
через нагрузку, и поэтому последовательность
подключения компонентов несущественна.
Однако независимо от места подключения ам-
перметра, процесс измерения тока неизбежно
изменит измеряемое значение. Это вызвано тем,
что сам амперметр тоже обладает некоторым
внутренним сопротивлением. Но сопротивле-
ние амперметра очень мало и его можно считать
Рис. 30.2. Цифровой амперметр для панельного монтажа,
способный измерять ток до 9,99 А
226
Рис. 30.4. Два варианта подключения амперметра в цепь
Статья 30
электрические характеристики > ток > датчик тока
Расчет тока через измерение напряжения
несущественным при нагрузке большей, чем не-
сколько ом.
Внимание!
Низкое внутреннее сопротивление амперметра
означает, что его ни в коем случае не следует под-
ключать параллельно с нагрузкой или напрямую
к источнику питания.
Общий недостаток аналоговых и цифровых из-
мерителей — их пригодность только для одного
типа тока, переменного или постоянного.
Расчет тока через
измерение напряжения
Ток, протекающий через нагрузку, можно рас-
считать, измерив напряжение на резисторе, по-
следовательно включенном между нагрузкой и
заземлением (рис. 30.5).
Согласно закону Ома, если v — падение напря-
жения, i — сила тока, a R — сопротивление ре-
зистора, то
I = V / R.
Это равенство говорит о том, что при фиксиро-
ванной величине сопротивления ток пропорци-
онален напряжению. Следовательно, измерение
напряжения позволяет вычислить силу тока,
если известна величина R.
Допустим, сопротивление R пренебрежимо ма-
ло по сравнению с сопротивлением нагрузки.
Вследствие этого ток в схеме на рис. 30.5 будет
определяться главным образом нагрузкой, и мы
можем считать, что сила тока будет почти оди-
наковая независимо от наличия или отсутствия
сопротивления R. В данном случае падение на-
пряжения на резисторе будет малым, если R
мало. Небольшое падение напряжения непросто
измерить, но при меньшем сопротивлении будет
теряться меньшая мощность.
Пусть р — это мощность, тогда
Р = R
I2.
Уяснить сказанное поможет пример. Допустим,
сопротивление резистора равно 0,5 Ом, а из-
меренное на нем падение напряжения состав-
ляет 1 В. Из закона Ома следует, что сила тока
равна 1/0,5 = 2 А. Формула для мощности дает
Р = 0,54 = 2 Вт.
Чтобы уменьшить потери мощности, сопротив-
ление резистора следует сделать еще меньше.
Предположим, используется резистор 0,01 Ом,
а измеренное на нем падение напряжения рав-
но 0,02 В. Сила тока равна 0,02/0,01 = 2 А, как
в предыдущем примере, но рассеивание мощ-
ности теперь составляет всего 0,01-4 = 0,04 Вт,
и его можно не учитывать.
Но существуют ли резисторы, сопротивление
которых измеряется долями ома?
Рис. 30.5. Принципиальная схема измерения силы тока как
функции от падения напряжения на резисторе с неболь-
шим сопротивлением. Нагрузкой здесь является любая цепь
или устройство с достаточно высоким сопротивлением.
Устройством для измерения напряжения может быть микро-
контроллер или аналого-цифровой преобразователь
Резисторы для измерения тока
На самом деле есть множество резисторов
для измерения тока, с номиналами ОД; 0,01;
0,001 Ом и различными промежуточными значе-
ниями. У некоторых резисторов сопротивление
Датчик тока
227
Расчет тока через измерение напряжения
электрические характеристики > ток > датчик тока
измеряется микроомами. Образцы показаны на
рис. 30.6-30.8.
Небольшое падение напряжения легко измерить
с помощью микроконтроллера. Однако под-
ключать микроконтроллер следует как можно
Рис 30.6. Два резистора для измерения тока, выпускаемые
компанией КОА Speer. Слева: сопротивление 0,1 Ом, мощ-
ность 5 Вт, допуск 5%. Справа: сопротивление 1 Ом, мощность
5 Вт, допуск 5%. Фоновая сетка в миллиметрах
ближе к резистору, чтобы устранить дополни-
тельное сопротивление проводов или дорожек
печатной платы. Поэтому точные резисторы для
измерения тока могут иметь четыре вывода. Два
из них широкие и предназначены для подключе-
ния к участку с током. Другие два узкие, для из-
мерения напряжения на резисторе. С помощью
такой четырехузловой конфигурации можно
измерить падение напряжения на резисторе на-
столько близко к нему, насколько возможно. На
рис. 30.8 показан резистор для поверхностного
монтажа с номиналом 0,001 Ом, предназначен-
ный для четырехузловых измерений.
Резисторы с меньшими сопротивлениями, пред-
назначенные для работы с большими токами,
могут состоять лишь из металлической поло-
ски, к которой приварены выводы для пайки.
Компонент такого типа иногда называют от-
крытым резистором. Его широко применяют в
мультиметрах для измерения токов силой 10 А
и выше.
Рис. 30.7. Два типа резисторов с номиналом 0,01 Ом для из-
мерения тока. Слева внизу: компонент «вставной» конструк-
ции, выпускаемый компанией ТТ Electronics. Мощность 1 Вт,
допуск 5%. Справа вверху: резистор, выпускаемый компани-
ей Ohmite. Мощность 4 Вт, допуск 1%. Фоновая сетка в мил-
лиметрах
Рис. 30.8. Этот резистор для измерения тока выпускается ком-
панией Vishay, предназначен для поверхностного монтажа и
имеет четыре вывода. Номинальное сопротивление 0,001 Ом,
мощность 3 Вт, допуск 1%. Фоновая сетка в миллиметрах
228
Статья 30
электрические характеристики > ток > датчик тока
Измерение тока с помощью эффекта Холла
Измерение напряжения
Некоторые микросхемы специально предна-
значены для измерения падения напряжения
на резисторе с целью определения тока. В каче-
стве примера можно назвать компонент Texas
Instruments INA169.
У нескольких микросхем помимо усилителя
есть также аналого-цифровой преобразователь.
Микросхема INA219, выпускаемая компанией
Texas Instruments, предназначена для измерения
напряжения, а также тока на «высокой сторо-
не» цепи, т. е. между положительным контактом
источника питания и входом в цепь. Цифровые
данные доступны по шине I2C.
Примечание
Подробности о таких протоколах, как I2C, см.
в приложении 1.
Преимущества измерения тока через определе-
ние падения напряжения на последовательном
резисторе: простота, возможность работы с
переменным или с постоянным током, а также
низкая стоимость (хотя некоторые резисторы с
исключительно низким сопротивлением могут
быть довольно дорогими). К недостаткам мож-
но отнести то, что измерительная цепь не изоли-
рована от цепи, в которой измеряется ток.
Датчики Холла для этой специальной задачи
выпускаются в корпусе с восьмью контактами
для поверхностного монтажа. Измеряемый ток
проходит по медному проводнику, который вне-
дрен в микросхему. В качестве примера можно
назвать датчик ACS712, выпускаемый компани-
ей Allegro и предназначенный для переменного
или постоянного тока силой до 30 А. Внутреннее
сопротивление токопроводящего участка в ми-
кросхеме составляет 1,2 миллиом, причем этот
участок изолирован от измерительной цепи.
Существуют три варианта этой микросхемы:
для токов 5,20 и 30 А. В зависимости от исполь-
зуемого варианта выходной сигнал будет изме-
няться на величину от 66 до 185 мВ при увели-
чении тока в токопроводящем участке на 1 А.
Поскольку этот участок изолирован, микросхе-
ме необходим отдельный 5-вольтовый источник
питания.
Микросхему AVS712, рассчитанную на 5 А, мож-
но приобрести на плате расширения у постав-
щика Sparkfun. На рис. 30.9 плата слева вверху
содержит только микросхему AVS712, а на плате
справа внизу к ней добавлен операционный уси-
литель с регулируемой чувствительностью, ко-
торый позволяет усилить выходное напряжение
при измерении слабых токов.
Измерение тока
с помощью эффекта Холла
Принцип действия датчиков Холла объяснен
в статье 3 о датчиках присутствия объекта.
Обычно такой датчик срабатывает при появле-
нии внешнего постоянного магнита, но он спо-
собен также реагировать на магнитное поле,
создаваемое током, протекающим по проводу.
Поскольку поле, возникающее вокруг провода,
пропорционально току, аналоговое выходное
напряжение, которое генерирует линейный дат-
чик Холла, также пропорционально току.
Рис. 30.9. Платы расширения с датчиком Холла AVS712. Плата
справа внизу содержит также операционный усилитель для
слабых сигналов
Датчик тока
229
Что может пойти не так?
электрические характеристики > ток > датчик тока
Что может пойти не так?
Неподходящий тип тока
Щитовой амперметр, который предназначен
только для работы с постоянным током, нельзя
включать в цепь переменного тока, и наоборот.
Могут возникнуть неверные показания или по-
вреждение прибора.
Магнитные помехи
Недостаток измерения тока при помощи эффек-
та Холла — влияние на датчик внешних паразит-
ных магнитных полей. Поскольку микросхема
датчика реагирует на очень слабые магнитные
эффекты, она уязвима для помех. Следует тща-
тельно сверяться с техническим паспортом при
размещении микросхемы на печатной плате.
Неправильное электрическое
подключение амперметра
Правильным является последовательное, а
не параллельное подключение амперметра
к нагрузке. Эта ошибка может показаться
элементарной, но ее легко допустить, если ис-
пользовать одновременно и амперметр, и вольт-
метр, которые выглядят очень похоже.
Поскольку некоторые щитовые амперметры не
снабжены предохранителем, подключение ам-
перметра напрямую к источнику питания, без
какого-либо последовательно включенного со-
противления, может привести к моментальному
разрушению прибора.
Неправильное подключение может возникнуть
также тогда, когда применяется цифровой ам-
перметр с четырьмя проводами: два предна-
значены для измерения тока, и еще два — для
отдельного источника питания. Такая ошибка
особенно опасна при измерении больших токов
(свыше 1 А).
Ток, выходящий за рабочий
диапазон
При попытке измерить ток, который превышает
рабочий диапазон амперметра, прибор может
быть поврежден, а его внутренний предохрани-
тель, если таковой присутствует, перегорит.
230
Статья 30
электрические характеристики > напряжение >
датчик напряжения
ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ
31
В этой статье описан компонент, который можно подключить для
независимого контроля за напряжением на участке цепи. Здесь не
рассматривается измерительная аппаратура, например, тестеры и
мультиметры.
ДРУГИЕ РОДСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ:
датчик тока (см. статью 30)
Описание
Датчик напряжения измеряет электрический
потенциал между двумя точками цепи, или на-
пряжение, которое выдает источник питания,
и отображает информацию в вольтах или до-
лях вольта. Его не следует путать с аналого-
цифровым преобразователем, который по сути
не является датчиком, но способен обрабаты-
вать выходное напряжение датчика, переводя
значения в цифровой формат. Дополнительную
информацию об аналого-цифровом преобразо-
вании см. в приложении 1.
Варианты применения
Измерение напряжения важно при проверке
рабочих характеристик источников питания
любого типа. Вольтметр можно использовать
также для отображения выходного сигнала от
различных аналоговых датчиков, которые име-
ют аналоговый выход.
В аудиооборудовании может применяться гра-
фический дисплей, отображающий уровень сиг-
нала, который пропорционален напряжению.
Щитовой вольтметр
Вольтметр, который изготовлен в качестве авто-
номного устройства, снабженного выводами для
тестирования цепи, часто называют тестером.
Подобной функцией обычно обладают мульти-
метры. Тестеры и мультиметры не рассматрива-
ются в данной энциклопедии.
Далее описан вольтметр, предназначенный для
постоянной установки в каком-либо устройстве
или в прототипе, называемый также щитовым
измерительным прибором.
На рис. 31.1 показан щитовой аналоговый
вольтметр.
Датчик напряжения
231
Щитовой вольтметр
электрические характеристики > напряжение >
датчик напряжения
Рис. 31.2. Цифровой вольтметр для панельного монтажа
Рис. 31.1. Щитовой аналоговый вольтметр
Четыре шкалы на циферблате соответствуют
разным входным контактам, расположенным
на задней стороне прибора. Шкалы размечены
неравномерно — это простой способ компенси-
ровать нелинейный отклик, возникающий при
механическом перемещении деталей внутри
прибора.
Современные аналоговые вольтметры все еще
выпускаются, и они могут стоить дешевле, чем
цифровые приборы. Однако цифровой вольт-
метр позволяет отобразить больший диапазон
значений. Прибор, показанный на рис. 31.2,
представляет собой недорогой тестер аккуму-
ляторов, измеряющий напряжение от 4 до 13 В
постоянного тока с точностью до двух знаков
после запятой. Ему не требуется отдельный ис-
точник питания.
Иногда количество значащих цифр, отображае-
мых вольтметром, обозначают с указанием по-
ловины, например, как 3,5 или 31/2 цифры. Это
означает, что старший разряд (крайний левый)
может представлять только 1 или пустое зна-
чение. Такая дополнительная «половина циф-
ры» может показаться несущественной, но она
Рис. 31.3. Условное графическое обозначение вольтметра
позволяет удвоить диапазон отображаемых зна-
чений. Так, например, дисплей с двумя цифрами
способен отобразить только 100 значений, от 0
до 99. Дисплей с 2,5 цифрами может показать
200 значений, от 0 до 199.
Обозначение на схемах
Вольтметр может быть обозначен на схемах
кружком с буквой «V» внутри, как показано на
рис. 31.3.
Подключение вольтметра
Два варианта включения вольтметра в цепь про-
иллюстрированы на рис. 31.4, где в качестве на-
грузки может выступать любое оборудование,
устройство или компонент, которые обладают
некоторым электрическим сопротивлением.
232
Статья 31
электрические характеристики > напряжение >
датчик напряжения
Особенности использования вольтметра
а I — протекающий через него ток. Согласно
закону Ома,
Рис 31.4. Два варианта подключения вольтметра
Вольтметр можно подключить напрямую к ис-
точнику питания (рис. 31.4, слева), поскольку
внутреннее сопротивление настолько высокое,
что он будет потреблять очень слабый ток. При
этом вольтметр измеряет напряжение источника
питания при фактическом отсутствии нагрузки.
Вольтметр может измерять падение напряже-
ния на нагрузке, либо измерять напряжение на
любом компоненте или группе компонентов,
которые являются частью нагрузки (рис. 31.4,
справа).
Общий недостаток рассмотренных аналоговых
и цифровых вольтметров — их пригодность
только для одного типа тока, переменного или
постоянного.
V = I
R.
Очевидно, что при фиксированном сопротивле-
нии напряжение будет изменяться пропорцио-
нально силе тока, и, следовательно, его можно
вычислить.
Неточность, вызванная наличием
нагрузки
Когда вольтметр измеряет падение напряжения,
создаваемое нагрузкой, с большим сопротив-
лением, сравнимым с внутренним сопротивле-
нием вольтметра, показания прибора будут не-
точными. Эта проблема проиллюстрирована на
рис. 31.5.
Два резистора по 10 МОм подключены после-
довательно между источником питания на 9 В
постоянного тока и отрицательным заземлени-
ем (рис. 31.5, слева). Поскольку резисторы оди-
наковы, каждый из них будет создавать падение
напряжения, равное 4,5 В.
Особенности
использования
вольтметра
Аналоговый вольтметр обычно содержит встро-
енный резистор с высоким фиксированным со-
противлением, а также амперметр, который из-
меряет ток, протекающий через него. Сила тока,
измеренная амперметром, переводится в вели-
чину напряжения в вольтах.
Допустим, r — это фиксированное сопро-
тивление, v — падение напряжения на нем,
Рис. 31.5. Когда вольтметр, измеряющий падение напря-
жения на нагрузке, обладает внутренним сопротивлением,
сравнимым с сопротивлением нагрузки, показания прибора
будут неточными
Датчик напряжения
233
Особенности использования вольтметра
электрические характеристики > напряжение >
датчик напряжения
Параллельно к нижнему резистору подклю-
чено дополнительное сопротивление 10 МОм
(рис. 31.5, справа). Когда два резистора с сопро-
тивлениями R1 и R2 подключены параллельно,
их общее сопротивление R можно получить при
помощи такой формулы:
Следовательно, общее сопротивление в нижней
части цепи теперь 5, а не 10 МОм, и падение на-
пряжения на верхнем резисторе становится в два
раза больше падения напряжения на нижних.
Допустим теперь, что дополнительный резистор
на 10 МОм фактически является фиксированным
сопротивлением вольтметра. Внутреннее сопро-
тивление многих вольтметров действительно
составляет около 10 МОм. Поскольку вольтметр
уменьшил сопротивление в нижней части цепи
в два раза, он измерит падение напряжения 3 В.
Если бы вольтметр обладал идеальным (беско-
нечным) сопротивлением, он отобразил бы пра-
вильное значение 4,5 В. В реальном мире такое
невозможно.
громкости (VU, Volume Units). Каждый из этих
компонентов имеет выходы с десятью светодио-
дами и содержит цепочки резисторов, работаю-
щие как делитель напряжения с несколькими
отводами и десятью компараторами.
Управляющее устройство можно настроить так,
чтобы загорался лишь один светодиод, который
соответствует текущему уровню напряжения,
либо (что бывает чаще) для отображения пол-
ной строки светодиодов от нуля до текущего
значения. В некоторых компонентах применя-
ются светодиоды разного цвета, например, зеле-
ные для начальных семи значений, желтые для
двух следующих и красный для последнего.
Управляющую микросхему можно заменить
микроконтроллером, содержащим аналого-
цифровой преобразователь.
На рис. 31.6 показан образец такого гистограмм-
ного компонента — модель Avago HDSP-4830.
Гистограммный индикатор
Иногда бывает полезно отобразить напряжение
на графическом дисплее. Это можно довольно
легко сделать с помощью компонента для ото-
бражения гистограммы, который часто исполь-
зуется в аудиотехнике.
Этот компонент состоит из ряда светодиодов.
Для данной задачи их обычно 10 или больше.
При нулевом напряжении все светодиоды оста-
ются темными. При увеличении напряжения
включаются дополнительные светодиоды.
Поскольку сам индикатор содержит лишь све-
тодиоды, необходимо управляющее устройство,
которое измеряет величину напряжения и соз-
дает эффект «гистограммы». В качестве приме-
ров можно назвать микросхемы LM3914 (линей-
ная), LM3915 (логарифмическая, с шагом 3 дБ)
и LM3916 (использующая для звука единицы
Рис. 31.6. Гистограммный светодиодный индикатор для
отображения напряжения. Фоновая сетка в миллиметрах
234
Статья 31
электрические характеристики > напряжение >
датчик напряжения
Что может пойти не так?
Что может пойти не так?
Неподходящий тип тока
Щитовой вольтметр, который предназначен
только для работы с постоянным током, не сле-
дует включать в цепь переменного тока, и нао-
борот. Могут возникнуть неверные показания
или повреждение прибора.
Высокий импеданс цепи
Когда вольтметр измеряет падение напряжения
на участке с высоким сопротивлением, он будет
выдавать неточные показания, поскольку станет
отводить существенную долю тока.
Напряжение, выходящее
за рабочий диапазон
При попытке измерить напряжение, которое
превышает ограниченный рабочий диапазон
вольтметра, может произойти повреждение при-
бора или перегорание его внутреннего предо-
хранителя, если он есть. При попытке измерить
напряжение, которое находится вблизи нижней
границы рабочего диапазона вольтметра, пока-
зания могут быть неточными.
Вольтметр с заземленным входом
Если один из входов цифрового вольтметра за-
землен, такой вольтметр сможет измерить лишь
напряжение относительно земляной шины.
Датчик напряжения
235
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ ДАТЧИКА
П1
В этом приложении приведена основная ин-
формация о девяти видах выходного сигнала
датчиков, а также о способах его обработки.
Существуют и другие типы кодированного вы-
хода, однако рассмотренные здесь варианты
встречаются наиболее часто.
На рис. Ш представлена общая классификация
датчиков. Каждый датчик изначально выраба-
тывает аналоговый сигнал, который иногда по-
дается непосредственно на выходной контакт.
Так, например, в термисторах и фоторезисторах
внутреннее сопротивление самого компонен-
та обусловливает выходной сигнал. Однако во
многих датчиках реакция чувствительного эле-
мента обрабатывается в самом датчике, чтобы
создать выходной сигнал в виде обычного на-
пряжения, напряжения на выходе с открытым
коллектором, кодированной последовательно-
сти импульсов или тока.
Если датчик выполнен по интегральной техно-
логии, то микросхема может обрабатывать ана-
логовый отклик датчика, чтобы сформировать
двоичный или цифровой выходной сигнал.
В данной энциклопедии термин «двоичный вы-
ход» означает «выход, обладающий двумя со-
стояниями», как правило, логически высоким
или логически низким. Эти состояния можно
считывать с помощью выходного контакта или
выполнить внутреннюю обработку для создания
последовательности импульсов. В последнем
случае сигнал переключается между двумя со-
стояниями. Как один из вариантов распростра-
нено кодирование аналогового значения при
помощи частотной или широтно-импульсной
Рис. П1. Девять возможных типов выходного сигнала датчи-
ков
модуляции (ШИМ). Другие типы кодирования
также возможны, но встречаются редко.
Термин цифровой выход обозначает в данной
энциклопедии закодированный сигнал в виде
одного или двух байтов данных, которые хра-
нятся в регистре (области памяти) микросхемы
датчика. В то время как другие типы выходного
сигнала являются «действующими постоянно»
и могут быть считаны в любое время с выход-
ного контакта, цифровой выход обычно недо-
ступен до тех пор, пока какое-либо внешнее
устройство, например микроконтроллер, не от-
правит микросхеме датчика команду, которая
запрашивает возврат данных. Этот двухсторон-
ний обмен данными обычно осуществляется по
протоколам I2C или SPI (существуют и другие
протоколы, но они менее распространены).
Выходной сигнал датчика
237
Аналоговый выходной сигнал
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
Аналоговый выходной
сигнал
Напряжение, безусловно, является самым рас-
пространенным типом аналогового выходного
сигнала. Другие формы аналогового сигнала
можно легко преобразовать в величину напря-
жения, используя описываемые здесь методы.
1 • Аналоговый выход: напряжение
Прямое (аналого-аналоговое)
подключение
Аналоговое выходное напряжение можно на-
прямую подавать на аналоговый вход, если
только оно находится в приемлемом диапазоне,
а датчик способен обеспечить достаточную ам-
плитуду сигнала. В качестве примеров внешних
аналоговых датчиков можно привести аналого-
вый вольтметр, источник света или звука с пере-
менной интенсивностью, а также транзистор
или операционный усилитель, усиленный сиг-
нал с которого подается на какие-либо исполни-
тельные устройства.
Если выходное напряжение от датчика оказыва-
ется выше верхней границы допустимого диапа-
зона, его можно преобразовать в более низкое,
если подать через два последовательно соеди-
ненных резистора, которые образуют делитель
напряжения (рис. П2).
Значения сопротивлений R1 и R2 можно полу-
чить из простой формулы, в которой vSEN - это
выходное напряжение на датчике, a v0UT - вы-
ходное напряжение на делителе напряжения:
v
( R2 /
Rl
R2 ) ).
Импеданс устройства, на которое подается на-
пряжение от датчика, должен быть выше, чем
значения R1 и R2. Следует также помнить, что
если аналоговый выходной сигнал от датчика
линейно зависит от измеряемого параметра, то
такая зависимость будет нарушена при подклю-
чении через делитель напряжения.
Рис. П2. Использование делителя напряжения для уменьше-
ния диапазона выходного сигнала датчика
Аналого-двоичное преобразование
Термин «двоичный» здесь обозначает выходной
сигнал, который может находиться в одном из
двух состояний, например, в логически высоком
или в логически низком.
Переменное аналоговое выходное напряжение
можно упростить, если пропустить его через
компонент, который переводит сигнал в двоич-
ную форму. Это можно сделать с помощью логи-
ческого элемента, на входе которого есть триг-
гер Шмитта, стабилитрон или компаратор.
(Описание компараторов см. в томе 2 энцикло-
педии.) Компаратор обладает положительной
обратной связью для создания гистерезиса.
Он подойдет, например, для преобразования
медленно меняющегося сигнала от фототран-
зистора на закате солнца в выходной сигнал с
двумя состояниями (высокое/низкое), который
приводит к срабатыванию реле для включения
освещения.
Аналого-цифровое преобразование
Аналоговое выходное напряжение от датчика
можно оцифровать при помощи внешнего ана-
лого-цифрового преобразователя (АЦП), кото-
рый находится либо внутри микроконтроллера,
либо в отдельной микросхеме АЦП.
238
Приложение 1
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
Аналоговый выходной сигнал
Если используется микроконтроллер, датчик за-
частую можно подключать напрямую к входно-
му контакту, который внутри соединен с АЦП.
Программа в микроконтроллере может считы-
вать целочисленное выходное значение из АЦП,
а затем либо выполнять условный оператор,
либо конвертировать это значение в формат, ко-
торый пригоден для другого устройства, напри-
мер для цифрового дисплея.
Существует очень много типов различных ми-
кросхем АЦП. Вот несколько основных:
Параллельный преобразователь состоит из се-
рии компараторов с различными эталонными
напряжениями, которые создаются при помощи
цепочки резисторов с одинаковыми номина-
лами. Выходные сигналы от компараторов по-
ступают в приоритетный шифратор, который
выдает двоичное число. Этот АЦП работа-
ет очень быстро, но обладает ограниченной
разрядностью.
В АЦП с последовательным приближением
единственный компаратор сравнивает входное
напряжение с выходным сигналом от цифро-
аналогового преобразователя (ЦАП). Двоичное
число, которое передается в ЦАП, определяется
бит за битом, от старшего к младшему, при этом
значение бита (0 или 1) выбирается по резуль-
татам работы компаратора. Эти биты сохраня-
ются в регистре, который называется регистром
последовательных приближений. По заверше-
нии процесса этот регистр содержит двоичное
представление величины входного напряжения.
С помощью подобного АЦП можно добиться
высокого разрешения (несколько битов), но за
счет снижения скорости преобразования.
В преобразователе с двухтактным интегриро-
ванием конденсатор заряжается за фиксирован-
ный интервал времени со скоростью, которая
пропорциональна входному напряжению, а за-
тем разряжается с известной скоростью, с отсче-
том интервала времени при помощи тактовых
импульсов. Окончательный отсчет является вы-
ходным сигналом АЦП.
Примечание
Английское название этого конвертера [dual
slope) происходит от обозначения напряжения на
конденсаторе.
В преобразователе напряжения в частоту есть
генератор, управляемый при помощи напряже-
ния, который создает импульсы с частотой, про-
порциональной входному напряжению. Если
подсчитать число этих импульсов за определен-
ный интервал времени, то оно будет пропорцио-
нально уровню сигнала.
Числа битов в выходном сигнале АЦП должно
хватать для оцифровки величины входного на-
пряжения с желаемой точностью. А поскольку
в этом напряжении могут быть неожиданные
выбросы, то в качестве меры предосторожности
используют больше битов, чем необходимо. Но
тогда основную часть времени будет задейство-
вано лишь несколько битов для представления
ограниченного числа значений из всего диапа-
зона напряжения, и точность ухудшится.
Допустим, например, что входное напряже-
ние в нормальных условиях изменяется от О
до 2 В с кратковременными выбросами до 8 В.
Восьмиразрядный АЦП способен выдать 256
цифровых значений для представления входно-
го напряжения. Если эти значения распределе-
ны равномерно по всему диапазону в 8 В, то тог-
да младший значащий бит может представлять
1/32 часть вольта, т. е. около 31 мВ. Меньшие
колебания напряжения будут проигнорирова-
ны. С другой стороны, если 256 значений за-
действованы для измерения напряжения в диа-
пазоне всего 2 В, то младший значащий бит спо-
собен представить 1/128 часть вольта, или чуть
меньше 8 мВ, но при этом значения напряжения
выше 2 В будут срезаны.
Для АЦП обычно необходимо эталонное напря-
жение. Оцифровка значений осуществляется от
О В до этого напряжения. Его необходимо выби-
рать с учетом требуемой точности и заданного
динамического диапазона.
Выходной сигнал датчика
239
Аналоговый выходной сигнал
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
Программа для микроконтроллера может обе-
спечивать функцию автоматического масшта-
бирования аналогового входного сигнала до
границ, заданных при помощи переменной в
программном коде. Это достигается путем срав-
нения входного сигнала с выбираемым уровнем
напряжения, таким как напряжение источника
питания, внешнее подаваемое напряжение или
фиксированное эталонное. С помощью АЦП
микроконтроллер обычно выполняет оцифровку
значений от О В до величины напряжения пита-
ния микросхемы; процедура преобразования мо-
жет дать микроконтроллеру инструкцию по ис-
пользованию полного числа битов (часто их 10)
для оцифровки входного диапазона от 0 до 1 В.
Для повышения частоты опроса микросхему
АЦП можно подключить к микроконтроллеру
по шине I2C или SPI.
2. Аналоговый выход:
сопротивление
Преобразование сопротивления
в напряжение
Датчик, сопротивление которого зависит от из-
менения параметров окружающей среды, можно
включить в схему делителя напряжения, чтобы
обеспечить аналоговое выходное напряжение
(рисПЗ).
Для подбора номинала последовательно вклю-
ченного резистора, который обеспечивал бы
наиболее широкий диапазон напряжения, мож-
но воспользоваться следующей формулой:
Переменное
выходное
напряжение
Датчик
с переменным [ Датчик
сопротивлением
Рис ПЗ. Принципиальная схема включения датчика с пере-
менным сопротивлением последовательно с постоянным
резистором для создания делителя напряжения
где ^min и ^max ~ минимальное и максимальное
сопротивление датчика, Rs - оптимальное со-
противление последовательного резистора.
Когда датчик подключен подобным образом,
выходной сигнал можно обрабатывать точно
так же, как аналоговое выходное напряжение.
Примечание
Необходимо свериться с техническим паспортом
датчика, чтобы убедиться в том, что подключение
последовательного резистора не приведет к по-
вреждению датчика из-за превышения макси-
мально допустимого тока.
3. Аналоговый выход:
открытый коллектор
Во многих блоках или модулях с датчиками со-
держится биполярный транзистор, который
обладает выходом с открытым коллектором
(или с открытым стоком, если это КМОП-тран-
зистор). Иногда такой транзистор может быть
встроен во внутренний операционный усили-
тель (рассмотрен в томе 2). В любом варианте
принцип работы одинаков.
На рис. П4 датчик (выделен прямоугольной
темной заливкой) подключен с одной стороны к
положительной клемме источника питания, а с
другой — к отрицательному заземлению. Третий
вывод соединен с коллектором внутреннего
транзистора.
Сверху изображен случай, когда ток от чувстви-
тельного элемента не поступает в базу внутрен-
него транзистора, и поэтому он закрыт и пропу-
скает лишь малый ток утечки. В результате вы-
ход датчика оказывается подключенным через
240
Приложение 1
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
Аналоговый выходной сигнал
внешний нагрузочный резистор к положитель-
ной клемме источника питания, уровень сиг-
нала высокий и этого достаточно для подачи на
устройство с высоким импедансом, например,
на микроконтроллер, либо на светодиод, кото-
рый потребляет сравнительно небольшой ток
(не более 20 м А).
Внизу через чувствительный элемент ток по-
ступает в базу транзистора, резко снижая его
эффективное сопротивление. Ток от источника
питания через нагрузочный резистор течет на
землю, и уровень выходного сигнала становится
низким.
В зависимости от типа чувствительного элемен-
та транзистор будет открываться или закрывать-
ся при внешнем воздействии на датчик.
Номинал, который следует выбрать для нагру-
зочного резистора, будет зависеть от импеданса
устройства, подключенного к выходу с откры-
тым коллектором. Резистор номиналом 10 кОм
может подойти для подключения такого устрой-
ства, как микроконтроллер, который обладает
очень высоким импедансом. С другой стороны,
если в роли внешнего устройства выступает
светодиод, то достаточно резистора на 330 Ом.
Номинал нагрузочного резистора должен быть
достаточно низким, чтобы обеспечить надеж-
ную работу, и в то же время достаточно высоким,
чтобы не превысить максимально допустимый
ток через внутренний транзистор в открытом
состоянии (типичное значение тока коллектора
составляет 20 мА).
Напряжение, снимаемое с открытого коллекто-
ра, можно обработать точно так же, как анало-
говое выходное напряжение от датчика.
Выход с открытым коллектором можно ис-
пользовать тогда, когда выходы нескольких
устройств подключены к одной и той же шине.
Одно из устройств может управлять этой ши-
ной, независимо от того, что остальные устрой-
ства пытаются поддерживать напряжение шины
в высоком состоянии.
Рис П4. Подключение и функционирование транзистора
с открытым коллектором
4. Аналоговый выход: ток
Лишь немногие датчики обеспечивают выход-
ной сигнал, который представляет собой измене-
ния тока. Так работают некоторые полупровод-
никовые датчики температуры. Выходной ток
можно преобразовать в напряжение, подключив
последовательно постоянный резистор, как по-
казано на рис. П5.
Напряжение в указанной точке по отношению
к отрицательному заземлению будет изменяться
линейно при изменении тока. Номинал резисто-
ра следует определить по техническому паспорту
Выходной сигнал датчика
241
Аналоговый выходной сигнал
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
датчика. Полученный выходной сигнал датчика
можно обработать точно так же, как аналоговое
выходное напряжение.
Рис. П5. Преобразование выходного сигнала от датчика,
вырабатывающего изменяющийся ток
5. Двоичный выход:
высокое/низкое состояние
Датчик, который обеспечивает двоичный вы-
ходной сигнал, который является либо логиче-
ски высоким, либо логически низким, можно
подключать напрямую к микроконтроллеру,
если подходит диапазон напряжений. Состояние
контакта можно определять в программе.
Примечание
Следует заметить, что некоторым микроконтрол-
лерам требуется источник питания напряжением
3,3 В, в то время как микросхеме датчика может
потребоваться питание от 5-вольтового источ-
ника.
Выходной сигнал, принимающий только два
состояния, можно непосредственно подавать
на твердотельное реле или через транзистор на
электромагнитное реле. Такой выходной сигнал
может быть достаточным для работы индика-
торного светодиода.
6. Двоичный выход: ШИМ-сигнал
Аббревиатура ШИМ расшифровывается как
широтно-импулъсная модуляция. Датчик выра-
батывает последовательность прямоугольных
импульсов с фиксированной частотой, однако
длительность каждого импульса меняется в за-
висимости от величины эффекта, на который
реагирует датчик. Отношение периода следо-
вания импульсов к длительности называется
скважностью. Скважность 0% означает, что им-
пульсы отсутствуют. При значении 100% между
импульсами нет промежутков, и поэтому выход-
ной сигнал является высоким постоянно. Если
скважность равна 50%, длительность импульса
равна величине интервалов между импульсами.
В микроконтроллерах расшифровка потока им-
пульсов с ШИМ выполняется различными спо-
собами. Самый простой заключается в повторя-
ющейся проверке состояния входного контакта,
настолько часто, насколько возможно, до тех
пор, пока не будет обнаружено высокое состоя-
ние. Микроконтроллер копирует отсчет вну-
треннего тактового генератора в переменную, а
затем продолжает непрерывно проверять вход
до окончания этого импульса. Измеренную про-
должительность импульса можно преобразо-
вать в показания датчика при помощи формулы
или пересчетной таблицы.
Недостаток описанного метода состоит в том,
что микроконтроллер может пропустить оче-
редной импульс, пока он выполняет преобра-
зование значения от предыдущего импульса.
Чтобы справиться с этой проблемой, в языке
микроконтроллера может присутствовать функ-
ция, которая блокирует выполнение программы,
пока ожидается импульс. Пример такой функ-
ции в среде Arduino — pulse in (). Однако при
этом микроконтроллер должен бо'лыную часть
времени проводить в ожидании импульса вме-
сто выполнения полезной работы.
Лучше написать программу, которая работала
бы с учетом прерываний.
242
Приложение 1
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
Аналоговый выходной сигнал
Еще один вариант обработки ШИМ-сигнала за-
ключается в использовании фильтра нижних
частот, который преобразует последователь-
ность импульсов в аналоговое напряжение, хотя
при этом все же остаются небольшие неравно-
мерности.
Можно, наконец, напрямую подать ШИМ-
сигнал на светодиод или электродвигатель по-
стоянного тока, при необходимости применив
транзисторное усиление. Скорость вращения
электродвигателя или яркость светодиода будут
зависеть от скважности.
7. Двоичный выход:
изменяющаяся частота
Опять-таки, можно использовать функцию
pulse in () в среде Arduino, если только сигнал
с изменяющейся частотой представляет собой
меандр с известной скважностью.
8. Цифровой выход: протокол I2C
В цифровой технике шина служит основным
средством для обмена данными между компо-
нентами или устройствами. Шина I2C — это со-
кращенное название «межмикросхемной» (ш-
terintegrated circuit) шины, которая была разра-
ботана компанией Philips в 1982 году. (Теперь эта
компания входит в группу NXP Semiconductors.)
Корректное обозначение этой шины — 12С (про-
износится «I в квадрате С»). Тем не менее, очень
часто ее обозначают символами I2C.
В стандарте I2C определен протокол обмена
данными, который ограничен частотой 400 кГц
(с некоторыми исключениями) и предназна-
чен для работы в пределах одного устройства,
обычно на одной печатной плате. Данные пере-
даются последовательно по двум проводам, а все
устройства подключены параллельно к шине.
Как правило, к шине подключено одно ведущее
устройство и несколько ведомых. И ведущее,
и ведомые устройства способны передавать
информацию, однако начинает передачу веду-
щее устройство. Оно также выдает тактовый
сигнал для синхронизации данных.
Датчик является ведомым устройством. Микро-
контроллер, играющий роль ведущего устрой-
ства, опрашивает датчики. Поскольку шина
может использоваться несколькими ведомыми
устройствами, микроконтроллеру необходим
способ идентификации ведомого устройства,
которое необходимо опросить. Для этого каж-
дому ведомому устройству присвоен уникаль-
ный адрес. Часто предусмотрена возможность
менять последние два бита в адресе ведомого
устройства, чтобы к шине можно было под-
ключать до четырех одинаковых устройств.
Для большинства микроконтроллеров разра-
ботаны библиотеки программ для поддержки
протокола I2C, и для обмена данными с датчи-
ком, который использует шину I2C, необходимо
лишь знать его адрес. Однако регистры данных
в датчике могут быть устроены довольно сложно
и требуют тщательного изучения технического
паспорта устройства. Для задания его функций
(например, для установки диапазона чувстви-
тельности акселерометра или для указания по-
рогового значения температуры) могут потребо-
ваться различные процедуры. Дополнительные
процедуры могут также потребоваться для счи-
тывания данных из датчика (например, двух
байтов у датчика температуры и до нескольких
байтов для определения времени и местополо-
жения у GPS-модуля).
9. Цифровой выход: протокол SPI
SPI — это сокращенное обозначение последова-
тельного интерфейса периферийных устройств
(Serial Peripherals Interface). Этот стандарт был
разработан компанией Motorola и служит той
же цели, что и шина I2C, рассмотренная ранее.
Стандарт SPI немного сложнее, обеспечивает ду-
плексный обмен данными и более высокие ско-
рости передачи. Ему необходимы как минимум
три провода, используемые всеми устройствами
на шине, а также дополнительная линия выбора
Выходной сигнал датчика
243
Аналоговый выходной сигнал
электрические характеристики > напряжение >
выходной сигнал датчика
устройства для каждого ведомого устройства.
Преимущество дополнительных линий выбора
заключается в том, что при этом легче выби-
рать устройства и обращаться к ним, по сравне-
нию с шиной I2C, для которой требуется боль-
шее число программных инструкций. Как и для
шины I2C, для поддержки интерфейса SPI ши-
роко доступны библиотеки программного кода
для микроконтроллеров. Тем не менее, необхо-
димость задействовать три контакта микрокон-
троллера, а также по одному дополнительному
контакту на каждое ведомое устройство причи-
няет неудобства.
Большинство датчиков снабжены интерфейсом
I2C. Однако протокол SPI потенциально намно-
го быстрее, чем I2C.
Для датчика, который обладает интерфейсом
SPI, почти наверняка найдется аналогичный,
в котором применен протокол I2C. Все большее
число интегральных датчиков поддерживает
оба протокола.
244
Приложение 1
ГЛОССАРИЙ
Этот глоссарий не является исчерпывающим.
Он содержит только те технические термины,
которые встречаются в данной книге наиболее
часто в сочетании с характеристиками датчика.
I2C. «Межмикросхемная» шина. Иногда обо-
значается как PC или ПС, а в разговорной речи
называется «I в квадрате С». Это протокол пере-
дачи данных, который часто используется меж-
ду микроконтроллером и другими устройствами
в пределах печатной платы. Его описание см.
в разделе «8. Цифровой выход: протокол I2C»
приложения 1.
MEMS. Микроэлектромеханическая система
(МЭМС), т. е. интегральная микросхема, кото-
рая содержит также миниатюрные подвижные
части. Так, например, в основе микроэлектро-
механического акселерометра лежат микроско-
пические пружины, которые реагируют на уско-
рение.
PIR. Пассивный инфракрасный датчик (см.
статью 4).
Аналоговый выход. Если датчик вырабатыва-
ет напряжение или меняет свое сопротивление
не ступенчато и не инкрементно, а в виде непре-
рывной зависимости от измеряемых характери-
стик, то это называется аналоговым выходом.
АЦП. Аналого-цифровой преобразователь, ко-
торый принимает на входе изменяющийся сиг-
нал (как правило, напряжение) и переводит его
в цифровое значение, представленное двоич-
ным числом. Обычно верхний предел для такого
числа находится в диапазоне от 255 до 65 535.
Многие микроконтроллеры содержат встроен-
ные АЦП, работающие в мультиплексирован-
ном режиме для опроса нескольких контактов.
В среде Arduino Uno АЦП формирует цифровое
значение в диапазоне от 0 до 1023.
Выход с открытым коллектором. Многие
датчики обладают выходом с открытым коллек-
тором или содержат операционный усилитель,
который имеет выход с открытым коллектором.
Выходной контакт соединен с коллектором вну-
треннего транзистора, а его эмиттер подключен
к отрицательному заземлению. Когда транзи-
стор открыт, выход будет заземлен, когда тран-
зистор закрыт, на выходе будет присутствовать
высокий уровень, доступный для подачи на дру-
гие устройства. См. раздел «3. Аналоговый вы-
ход: открытый коллектор» приложения 1.
Гиростабилизатор. Инерционный измери-
тельный модуль, состоящий из трех акселеро-
метров и трех гироскопов, к которым иногда
добавлены три магнитометра. Может использо-
ваться как навигационное средство. Может так-
же применяться в портативных устройствах для
пользовательского ввода, например, в игровых
пультах управления.
Гистерезис. Разность между пороговыми зна-
чениями для включения и выключения сигнала
на выходе. Когда датчик обладает гистерезисом,
он может не реагировать на небольшие отклоне-
ния входного воздействия от текущего значения.
Это может быть удобно для устранения реакции
на очень слабый сигнал, например, в комнатном
термостате.
Глоссарий
245
Датчик на основе микросхемы (датчик
в интегральном исполнении). Этот термин
в данной энциклопедии обозначает датчик, ко-
торый изготовлен в кристалле кремния и обыч-
но снабжен встроенными компонентами и схе-
мой обработки сигнала.
Двоичный выход. В данной энциклопедии тер-
мином «двоичный выход» описывается выход
датчика, который может обладать только дву-
мя состояниями: логически высоким и логиче-
ски низким или «включен»/»выключен». Этот
термин встречается в некоторых технических
паспортах, однако чаще двоичный выход непра-
вильно называют аналоговым выходом.
Децибел. Единица измерения, которая выража-
ет относительную мощность или интенсивность.
Часто применяется по отношению к слышимому
звуку (но не только для него). Децибел является
десятой частью бела, обозначается «дБ», при-
чем буква Б прописная, поскольку она взята из
фамилии Александра Грэхема Белла. Поскольку
децибел является логарифмической единицей, в
шкале нет нулевой точки отсчета. Тем не менее,
значение 0 дБ можно произвольно присвоить
для любой интенсивности, и в этом случае для
более низких интенсивностей значение в деци-
белах будет отрицательным. Увеличение на 3 дБ
соответствует удвоению интенсивности звука
(акустической энергии). Однако если звук вос-
принимается человеческим ухом и оценивается
мозгом, то субъективная громкость удваивает-
ся, если интенсивность возрастает на 10 дБ.
Диэлектрик. Изолирующий слой, который раз-
деляет две обкладки конденсатора.
Дребезг контактов. Так называют небольшие
быстрые колебания контактов механическо-
го переключателя, возникающие при его раз-
мыкании или замыкании. Если переключатель
подключен к такому цифровому устройству, как
логическая микросхема, могут потребоваться
аппаратные средства для устранения дребез-
га, которые предоставляют контактам время
на успокоение. Если переключатель подключен
к микроконтроллеру, можно указать в его про-
граммном коде задержку по времени от 5 до
50 мс. Время успокоения сильно различается
для разных переключателей.
Квадратура. Система кодирования выходного
сигнала от двух датчиков. Если обозначить эти
датчики буквами А и В, то возможны четыре
комбинации выходного сигнала: А высокий и В
низкий; А высокий и В высокий; А низкий и В вы-
сокий; А низкий и В низкий. Распространенный
вариант применения — индикация направления
вращения какой-либо магнитной или оптиче-
ской структуры мимо пары датчиков.
Мост Уитстона. Схема из четырех резисторов.
По меньшей мере один из них обладает неиз-
вестным сопротивлением, а номинальные зна-
чения остальных известны точно. Такая схема
позволяет определить неизвестное значение
(см. рис. 12.2).
Нагрузочный резистор. Резистор, который
повышает выходное или входное напряжение
при отсутствии сигнала. Может применяться
в сочетании с выходом с открытым коллек-
тором.
Ньютон. Единица измерения силы, названная в
честь Исаака Ньютона. Сокращается до заглав-
ной буквы Н. Сила 1Н ускоряет тело массой 1 кг
на 1 м/с за каждую секунду.
Ортогональный. Расположенный под углом
90°. Три ортогональных элемента в датчике бу-
дут расположены под углами 90° относительно
друг друга.
Паскаль. Единица измерения давления, эквива-
лентная одному ньютону на квадратный метр.
Плата расширения. Небольшая печатная пла-
та, содержащая одну или несколько интеграль-
ных микросхем, как правило, для поверхностно-
го монтажа. Такая плата обеспечивает упрощен-
ный доступ к функциям микросхемы, поскольку
она имеет контакты или разъемы, разделенные
246
Глоссарий
интервалом 2,54 мм (0,1 дюйма) для удобства
экспериментального использования на ма-
кетной плате. Могут присутствовать дополни-
тельные устройства, например стабилизатор
напряжения.
Регистр. Раздел памяти, который хранит циф-
ровое значение (обычно 1 или 2 байта в дат-
чике).
Температурный коэффициент. Процентное
увеличение или уменьшение показаний датчи-
ка в результате изменения температуры на один
шаг единицы измерения (обычно на 1 °С). Часто
обозначается аббревиатурой ТС. В качестве по-
казаний могут применяться сопротивление,
напряжение или ток, в зависимости от датчи-
ка. Температурный коэффициент отрицателен,
если показания датчика уменьшаются при воз-
растании температуры. Если он выражается
в миллионных долях (сокращение - ррт, от
parts per million), то величину в процентах можно
получить делением на 10 000.
Цель. Объект, который обнаруживается при по-
мощи датчика движения, датчика приближения
или датчика присутствия.
Шкала Кельвина. Температурная шкала, часто
обозначается буквой К. Один градус в ней равен
одному градусу Цельсия, но нулевое значение
соответствует абсолютному нулю - темпера-
туре, при которой вещество не обладает тепло-
вой энергией. Значение 273 К приблизительно
равно 0 °С.
Эталонная температура. Температура, при
которой измеряется выходной сигнал темпера-
турного датчика. Часто приводится в техниче-
ских паспортах.
Глоссарий
247
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Акселерометр 8,75,81
Амперметр 225
Аналого-цифровой преобразователь, АЦП 11,
78,231,238
параллельный 239
с двухтактным интегрированием 239
с последовательным приближением 239
Анемометр 141
портативный 142
с нагретой проволокой 143
ультразвуковой 143
чашечный 142
Барометр 130
Бесконтактный датчик 56, 209
В
Вактрол 149
Взаимозаменяемость 172
Вибрационный гироскоп 76
Влажность
абсолютная 136
относительная 136
Вольтметр
причины неточных измерений 233
Вытеснитель 116
Выходной сигнал
анал ого-двоичное преобразование 238
аналого-цифровое преобразование 238
двоичный 237
интерфейс SPI 243
преобразование сопротивления в напряжение
240
преобразование тока в напряжение 241
цифровой 237
Выход с открытым коллектором 162,240
Гармоники 223
Гашение колебаний 118
Географические меридианы 10
Геркон 19
Гигрометр 136
с охлаждаемым зеркалом 136
Гироскоп 8,75,81
вибрационный 76
наклон 78
переворачивание 78
резонаторный 77
рыскание 78
Гиростабилизатор 8,76,82
Гистерезис 19,69
Давление
абсолютное 129
воздуха 130
динамическое 127
единицы измерения 128
звука 220
манометрическое 129
статическое 127
эталонное 129
Предметный указатель
249
Датчик GPS 1
Датчик вибрации
магнитный 90
пьезоэлектрический 89
штырь с пружиной 88
Датчик влажности 133
Датчик давления
барометрический 130
определение высоты над уровнем моря 131
Датчик деформационной силы 98
Датчик исходного положения 50,60
Датчик концентрации газа
перекрестная чувствительность 134
полупроводниковый 134
Датчик нагрузки 94
Датчик наклона 66
бункерный 68
опрокидывающийся переключатель 66
Датчик наличия алкоголя 133
Датчик пироэлектрический 30
Датчик поплавковый
с аналоговым выходом 115
с инкрементным выходом 116
Датчик приближения
инфракрасный 39
ультразвуковой 38
Датчик присутствия объекта
магнитный 14,19
оптический 14
оптический переключатель 15
отражательный 14,15
проходной режим 24
работающий на просвет 14,15
световозвращающий 14,15
с прерыванием луча 15
фотопрерыватель 15
фронтальный режим 24
Датчик силы
мостУитстона 95
пьезоэлектрический 94
резистивный 98
Датчик скорости 47,53
Датчик скорости потока газа
выходной сигнал 145
единицы измерения 144
Датчик скорости потока жидкости
магнитный 125
на основе перепада давления 126
реле расхода со скользящей муфтой 124
реле расхода со скользящим поршнем 124
ротор 122
с лопастным колесом 122
с нагретой массой 124
турбинного типа 123
ультразвуковой 125
Датчик температуры
запрещенной зоны 200
кремниевый 60
резистивный (RTD-датчик) 173,174,191
цифровой 174
Датчик углового положения
абсолютное положение 60
магнитный 55
Датчик уровня жидкости
вытеснительный 116
гашение колебаний 118
поплавковый 114
ультразвуковой 117
Датчик усилия
измеритель деформации 95
резистивный 94
с пластиковой пленкой 94
Датчик Холла 14,19,22,23,25,142,229
аналоговый 23
Движок 48,54
Двоичный выход 237
Делитель напряжения 240
Детектор наклона 66
двухосевой 70
плата расширения 70
Децибел (дБ) 220
Диапазон рабочих температур 172
Дифракционная решетка 50
Диэлектрик 44,104,137
Доплеровское смещение 2
Допуск 172
Дорожка 48,54
Дребезг контактов 21
устранение 22,57,72
250
Предметный указатель
м
Емкостный датчик линейного перемещения 43
Закон
Архимеда 116
Ньютона второй 84
Ома 227
Земля
географические меридианы 10
магнитная ось 9
магнитные меридианы 10
ось вращения 9
Зонд 45
И
Излучательная способность 211
Излучение черного тела 29
Измеритель деформации 95
Индексный сигнал 60
Инкрементный датчик 58
К
Калибровочный множитель 95
Квадратура 50,57
Код Грея 61
Кодирующая дорожка 50
Кодирующая полоска 57
Кодирующий диск 51,57
отражательный 57
просветный 57
Концевые ограничители 55
Коэффициент рассеивания мощности 171
Л
Линейный потенциометрический датчик 49
Линза Френеля 32
Лопастное колесо 122
Магнитное поле
плотность потока 8
силовые линии 8
Магнитное склонение 10
Магнитные меридианы 10
Магнитометр 75,82
векторный 7
индукционный 10
искажения мягкого железа 12
искажения твердого железа 12
с вращающейся катушкой индуктивности 10
скалярный 7
Массовый расход 141
Микродеформация 95
Микроконтроллер 160
Микрофон
волоконно-оптический 220
диаграмма направленности 221
динамический 218
импеданс 222
конденсаторный 219
лазерный 220
ленточный 220
микроэлектромеханический 220
направленность 221
отношение сигнал/шум 223
пьезоэлектрический 220
спад частотной характеристики 221
с подвижной катушкой 218
суммарный коэффициент гармонических
искажений 223
угольный 218
частотная характеристика 221
чувствительность 221
электретный 219
Микрофотодатчик 17
Мост Уитстона 95,168,178
Мультиметр 225
Микроэлектромеханическая система, МЭМС
XXV
Предметный указатель
251
Область лавинного пробоя 154
Ограничитель
броска тока 169
перегрузки 169
Опорный сигнал 60
Оптическая мышь 59
Оптический изолятор 148
Оптический прерыватель 25,59
Оптопара 148,160
Оптопрерыватель 25
Ось вращения Земли 9
Отражательный фотопрерыватель 17
п
Переключатель
герконовый 14,19
маятниковый 69
мембранный 104
опрокидывающийся 68
оптический 15.17
ртутный 68,90
термостатический 174
Перекрестная чувствительность 134
Перепад давления 130
Пироэлектрический детектор 30
Полумост 168
Полупроводниковый датчик температуры 174
аналоговое выходное напряжение 201
аналоговый выходной ток 203
КМОП 206
схема Брокау 200
цифровой выход 204
Поплавковый переключатель 68
Постоянная времени 171
Потенциометр
движок 48, 54
дорожка 48,54
концевые ограничители 55
линейный 48
логарифмический 54
многовитковый 55
ползунковый 48
с дуговой дорожкой 54
сенсорный 107
Преобразователь
напряжения в частоту 239
Пропан 133
Разделительный конденсатор 92
Регистр 11
Резистивный полимер 48,54
Резистор
для измерения тока 227
нагрузочный 162,241
Ротор 122
Светодиод 234
Свободное падение 83
Сенсорная линейка 107
Сенсорная панель 104
Сенсорный диск 106
электроды 106
Сенсорный потенциометр 107
Сенсорный экран 109
емкостный 110
резистивный 109
резистивный, четырехпроводной 110
Серое тело 211
Силистор 173,176
Система отделения пыли 145
Скважность 242
Спутниковая навигационная система
Beidou 3
Galileo 3
GLONASS 3
GPS 1
Схема Брокау 200
Считывающая головка 49
252
Предметный указатель
Температурный коэффициент 171
отрицательный 165,173
Тензодатчик 93
Тепловидение 214
Тепловое излучение 29
Теплопроводность 144
Термистор 166
NTC 165,173
РТС 173,175,176
диапазон рабочих температур 172
допуск 172
номинальная мощность 172
переключательный 176
постоянная времени 171
рабочий ток 172
Термический датчик массового расхода 141
Термическое получение изображений 214
Термобатарея 143,189
Термометр сопротивления
достоинства и недостатки 192
трехпроводной 194
Термопара 173
измерительный спай 186
обработка выходного сигнала 188
опорный спай 186
эффект Зеебека 185
Термоэлемент 212
Тестер 225,231
Ток
возбуждения 165
рабочий термистора 172
смещения 44
Точка росы 136
Транзистор Дарлингтона 161
Трансформатор
линейно-регулируемый дифференциальный 51
Триангуляция 39
Трубка Бурдона 129
Угарный газ 133
Угловая скорость 8,81
Уровень звукового давления 220
Ускорение свободного падения на поверхности
Земли 81
Устранение дребезга контактов 22
Устройство
ведомое 243
ведущее 243
пьезоэлектрическое 30
ф
Фотодарлингтон 161
Фотодиод
PIN 154
лавинный 154
обратное смещение 153
полуугол 156
темновойток 153
фотопроводящий режим 153
Фотодиодная матрица 155
Фотопрерыватель 15
Фоторезистор
в делителе напряжения 150
размеры компонента 148
спектральная чувствительность 150
Фототранзистор
подбор параметров 162
подключение базы 160
полевой 161
расчет выходного сигнала 163
угол поля зрения 161
Фотоэлемент 147
Холловское напряжение 22
ц
Цель 14,38
Цифровой
выход 237
термометр 174
термостат 174
Предметный указатель
253
Чувствительный элемент
емкостный 137
резистивный 137
ш
ШИМ-кодирование 220
Шина 243
I2C 243
SPI 243
Ширина запрещенной зоны 154
Широтно-импульсная модуляция, ШИМ 220,
242
Экранирование 107
Электрический ход 55
Электроды 106
Энкодер
абсолютный 50
инкрементный 50
магнитный 49,50
механический 56
оптический линейный 50,57
поворотный 56
Эффект
Зеебека 185
магниторезистивный 11
фотогальванический 153
Холла 11,22
щ
Щитовой измерительный прибор 225,231
Ячейка Нернста 136
254
Предметный указатель