Сенсор

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом сенсоров с аналоговым сигналом является крайняя простота их использования с Arduino. Кроме того, поскольку показания датчика можно считывать «из коробки» всего одной командой, драгоценные килобайты памяти на микроконтроллере не расходуются на хранение алгоритма расшифровки протокола, присущего цифровым сенсорам.

Главным недостатком аналогового сигнала является неустойчивость к внешним шумам. Если провод от сенсора до микроконтроллера будет достаточно длинным, он начнёт работать как антенна и улавливать внешние электромагнитные поля: провод сам будет влиять на выходное напряжение и тем самым искажать показания. Поэтому разумный предел длины провода для аналогового сенсора — не более 50 см.

Чтобы уменьшить влияние помех на полезный сигнал можно воспользоваться усреднением. Так как помехи носят случайный характер, они будут влиять на полезный сигнал тем меньше, чем больше выборок используется для усреднения.
С усреднением наш пример будет выглядеть так:

#define SENSOR_PIN A5
 
void setup()
{
    Serial.begin(9600);
}
 
void loop()
{
    delay(1000);
    long val = ;
    for (int i=; i<100; ++i) {
        val = val + analogRead(SENSOR_PIN);
    }
    val = val100;
    Serial.println(val);
}

Аналоговый сигнал при чтении на Arduino может иметь максимум 1024 градации. С учётом того, что рабочий диапазон почти всегда уже допустимого, полезных градаций ещё меньше. Этого может оказаться недостаточно для высокоточных измерений.

На ATmega328p, установленном на Arduino, как и на большинстве других микроконтроллеров аналоговых входов не много. Поэтому количество одновременно контролируемых аналоговых сенсоров ограничено. У Arduino Uno — их 6, у Arduino Mega 2560 — 16.

Если какой-либо из недостатков существенен для вашего проекта, обратите внимание на цифровые сенсоры.

Общие сведения

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. В качестве отдельной категории использования датчиков в автоматических системах регистрации параметров можно выделить их применение в системах научных исследований и экспериментов.

Задать вопрос

Здравствуйте!
Можно ли вас подобрать аналог cr18-8ac датчик емкостной

Дата ответа: 21.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Ожидается ли у Вас производство лазерных датчиков типа O1D100?
https://www.ifm.com/ru/ru/product/O1D100

Дата ответа: 19.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Добрый день.
Прошу пояснить, производятся или планируются производиться индуктивные датчики, работающие в среде давления до 500 бар.
пример такого датчика:
https://www.balluff.com/local/ru/productfinder/#/ca/A0001/cg/G0101/product/F01101/variant/PV117434

Дата ответа: 18.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Здравствуйте. В чем отличие датчиков ВБИ-М12-65У-хххх-х
От ВБИ-М12-65В-хххх-х? В описании обозначения нет буквы «В».

Дата ответа: 17.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Здравствуйте, посоветуйте гидростатический датчик уровня для резервуара с водой, глубина 5м

Дата ответа: 17.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Здравствуйте! Столкнулся с несоответствием в каталоге и в паспорте на изделие. Речь идет о барьерах оптических защитных типа T. В паспорте ВФ.07.045-02 ПС на излучатель и на приемник подается «+» на 1(кор) и «-» на 3(син). В каталоге http://www.sensor-com.ru/files/pages/00-allcatalog.pdf стр.135 «+» подается на 2 контакт, а минус на 1. Я так понимаю соединитель ПВ-С19-03-2 используется один и для излучателя, и для приемника. Получается в каталоге опечатка?

Дата ответа: 13.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Здравствуйте! Для оптических барьеров в паспорте ВФ.07.045-02 ПС сказано: «- соединитель с разъёмом 2 шт. (выбирается и заказывается отдельно)». Каким образом правильно оформить заказ и указать в ведомости покупных изделий данную позицию?

Дата ответа: 13.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Индуктивный датчик, PNP, нормально открытый, d 12мм, 12-30в.
Нужен датчик устойчивый к влажной и агрессивной(щелочь) среде. Есть ли такие?

Дата ответа: 12.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Сообщите цену и срок поставки на датчик ВБИ-М08-45У-1112-3. Спасибо!

Дата ответа: 11.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Добрый день!
Приемник фотобарьера, датчик вбо-э40-1000р-9183-с, имеет разрешение? т.е. есть какой то минимальный размер препятствия который барьер не фиксирует?

Дата ответа: 10.08.2020

Ответил: Инженер отдела маркетинга

Протокол

Есть простые сенсоры у которых есть всего два состояния: чёрный/не-чёрный, лево/право и т.д. Их очень легко подключить и считать показания: сенсоры передают свой сигнал непрерывно, а значение на сигнальном проводе напрямую соответствует их показаниям. Такой простой протокол называется бинарным.

Существуют также сенсоры с цифровым сигналом, которые измеряют множество градаций определённой физической величины вроде расстояния или температуры. Но для передачи своих данных с использованием лишь двух значений, каждый такой сенсор определяет собстенный протокол. В нём описывается какие последовательности нулей и единиц, с какими задержками, как несут в себе передаваемые данные. Принимающая сторона, такая как Arduino, должна реализовать алгоритм, который будет считывать показания в соответствии с протоколом. Протокол у каждого сенсора свой, он описывается в его документации. Arduino — очень популярная платформа, поэтому чаще всего реализацию алгоритма расшифровки можно найти в виде готовой библиотеки, написанной энтузиастами или самим производителем сенсора.

Программирование

Если говорить о цифровых сенсорах с бинарным протоколом, считать данные с него — крайне просто.

Поскольку цифровые контакты могут являться как входами, так и выходами, для начала нужно сконфигурировать контакт, к которому подключен сенсор в режим ввода. Это нужно сделать единожды, поэтому функция — подходящее для этого место. Для конфигурирования режима используется стандартная функция pinMode. Так, например, если вы подключили сенсор к контакту 9, код конфигурации будет выглядеть так:

void setup()
{
    pinMode(9, INPUT);
}

Затем, чтобы считать состояние в любой момент времени, существует стандартная функция digitalRead. Продолжая пример, чтобы получить состояние сенсора в переменную достаточно исполнить:

int value = digitalRead(9);

Входное напряжение до 2 В проецируется на целочисленное значение 0, что соответствует значению константы LOW; напряжение более 3 В проецируется на целочисленное значение 1, что соответствует значению константы HIGH. Напряжение от 2 до 3 В спроецируется на 0 или 1 случайным образом, но это не является проблемой, так как цифровые сенсоры не должны выдавать такой сигнал.

Таким образом, программа, которая раз в секунду считывает показания цифрового сенсора с двумя состояниями, подключенного к контакту 9, и посылает их на компьютер может выглядеть так:

digitalSensorRead.pde

#define SENSOR_PIN 9
 
void setup()
{
    pinMode(SENSOR_PIN, INPUT);
    Serial.begin(9600);    
}
 
void loop()
{
    delay(1000);
    int val = digitalRead(SENSOR_PIN);
    Serial.println(val);
}

Применение датчиков

Датчики используются во многих отраслях экономики — добыче и переработке полезных ископаемых, промышленном производстве, транспорте, коммуникациях, логистике, строительстве, сельском хозяйстве, здравоохранении, науке и других отраслях — являясь в настоящее время неотъемлемой частью технических устройств.

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем всё чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определённая тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массового использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические.

Датчики по своему назначению и технической реализации близки к понятию «измерительный инструмент» («измерительный прибор»). Однако показания приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую (посредством дисплеев, табло, панелей, световых и звуковых сигналов и проч.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Датчики могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора.

В автоматизированных системах управления датчики могут выступать в роли инициирующих устройств, приводя в действие оборудование, арматуру и программное обеспечение. Показания датчиков в таких системах, как правило, записываются на запоминающее устройство для контроля, обработки, анализа и вывода на дисплей или печатающее устройство. Огромное значение датчики имеют в робототехнике, где они выступают в роли рецепторов, посредством которых роботы и другие автоматические устройства получают информацию из окружающего мира и своих внутренних органов.

В быту датчики используются в термостатах, выключателях, термометрах, барометрах, смартфонах, посудомоечных машинах, кухонных плитах, тостерах, утюгах и другой бытовой технике.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

Преимуществом сенсоров с цифровым сигналом и всего двумя состояниями является крайняя простота их использования с Arduino.

Однако, если речь идёт о цифровом сенсоре с множеством градаций измеряемой величины, их использование с Arduino не так тривиально, как бинарных или аналоговых: необходимо реализовать расшифровку данных, что требует определённых усилий, а также занимает память микроконтроллера.

Поскольку возможных значений в цифровом сигнале всего 2, а возможные отклонения в напряжении «округляются» микроконтроллером в ближайшую сторону, такие сенсоры можно подключать с помощью достаточно длинных (много метров) проводов, не опасаясь искажения сигнала из-за влияния на провод внешних электромагнитных полей.

Ссылки

• Датчики: Справочное пособие / В.М. Шарапов, Е.С. Полищук, Н.Д. Кошевой, Г.Г. Ишанин, И.Г. Минаев, А.С. Совлуков. — Москва: Техносфера, 2012. — 624 с.
• Г. Виглеб. Датчики. Устройство и применение. Москва. Издательство «Мир», 1989
• M. Kretschmar and S. Welsby (2005), Capacitive and Inductive Displacement Sensors, in Sensor Technology Handbook, J. Wilson editor, Newnes: Burlington, MA.
• C. A. Grimes, E. C. Dickey, and M. V. Pishko (2006), Encyclopedia of Sensors (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-056-X
• Современные датчики. Справочник. ДЖ. ФРАЙДЕН Перевод с английского Ю. А. Заболотной под редакцией Е. Л. Свинцова ТЕХНОСФЕРА Москва Техносфера-2005
• Датчики. Перспективные направления развития. Алейников А. Ф., Гридчин В. А., Цапенко М. П. Изд-во НГТУ — 2001.
• Датчики в современных измерениях. Котюк А. Ф. Москва. Радио и связь — 2006

Классификация датчиков

Различные источник дают различные классификации датчиков, в частности:

По методу измерения (виду входных величин)

• Активные (генераторные)
• Пассивные (параметрические)

По динамическому характеру сигналов преобразования

• Дискретные (дискретное представление в виде импульсной последовательности)
• Непрерывные (в виде непрерывного процесса)

По виду измерительных сигналов

• Аналоговые
• Цифровые

По среде передачи сигналов

• Проводные
• Беспроводные

По количеству входных величин

• Одномерные
• Многомерные

По количеству измерительных функций

• Однофункциональные
• Многофункциональные

По количеству преобразований энергии и вещества

• Одноступенчатые
• Многоступенчатые

По наличию компенсационной обратной связи

• Компенсационные
• Некомпенсационные

По взаимодействию с источниками информации

• Контактные
• Бесконтактные (дистанционного действия)

По принципу действия

• Волоконно-оптические
• Оптические датчики (фотодатчики)
• Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)
• Пьезоэлектрический датчик
• Тензопреобразователь
• Ёмкостной датчик
• Потенциометрический датчик
• Индуктивный датчик

По технологии изготовления

• Элементные
• Интегральные

По измеряемому параметру

• Датчики давления
  • абсолютного давления
  • избыточного давления
  • разрежения
  • давления-разрежения
  • разности давления
  • гидростатического давления
• Датчики расхода
  • Механические счетчики расхода
  • Перепадомеры
  • Ультразвуковые расходомеры
  • Электромагнитные расходомеры
  • Кориолисовые расходомеры
  • Вихревые расходомеры
• Уровня
  • Поплавковые
  • Кондуктометрический
  • Ёмкостные
  • Радарные
  • Ультразвуковые
• Температуры
  • Термопара
  • Термометр сопротивления
  • Пирометр
  • Датчик теплового потока
• Датчик концентрации
• Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)
  • Ионизационная камера
  • Датчик прямого заряда
• Перемещения
  • Абсолютный шифратор
  • Относительный шифратор
  • LVDT
• Положения
  • Контактные
  • Бесконтактные
• Фотодатчики
  • Фотосопротивление
  • Фотодиод
  • Фотоматрица
• Датчик углового положения
  • Сельсин
  • Преобразователь угол-код
  • RVDT
• Датчик вибрации
  • Датчик виброускорения (акселерометр)
  • Датчик виброскорости (велосиметр)
  • Датчик виброперемещения (проксиметр)
• Датчик механических величин
  • Датчик относительного расширения ротора
  • Датчик абсолютного расширения
• Датчик влажности
• Датчик дуговой защиты

Протокол

Между измеряемой величиной и возвращаемым обратно напряжением установлена определённая зависимость. Например: чем больше величина, тем больше напряжение; или наоборот: чем больше величина, тем напряжение меньше. Иногда зависимость более сложная: напряжение растёт до определённого значения, затем падает пропорционально ему. Всё зависит от сенсора.

Так например, инфракрасный дальномер измеряет расстояние до объекта перед ним. Для него чем меньше расстояние, тем больше напряжение. Если объект находится на расстоянии 20 см, сенсор выдаёт ~2.5 В на сигнальном проводе; на расстоянии 60 см ~ 1 В; на расстоянии 150 см ~ 0.4 В. Точная диаграмма зависимости напряжения от расстояния для инфракрасного дальномера от Sharp приведена в его datasheet’е.

Для других сенсоров диаграммы можно так же найти в документации или получить экспериментально.

Программирование

Считать данные с аналогового сенсора крайне просто. Для этого в Arduino существует стандартная функция analogRead. Так, например, если вы подключили сенсор к контакту A5, чтобы получить показания сенсора в переменную достаточно исполнить:

int value = analogRead(A5);

Диапазон входного напряжения от 0 до 5 В в программе проецируется на диапазон целочисленных значений от 0 до 1023. Перевести полученное значение в физические единицы, такие как, например, расстояние, поможет функция map. Подробнее об этом рассказывает Джереми Блюм, в своём 4-м видеоуроке по Arduino.

Таким образом, программа, которая раз в секунду считывает показания аналогового сенсора, подключенного к контакту А5, и посылает их на компьютер может выглядеть так:

analogSensorRead.pde

#define SENSOR_PIN A5
 
void setup()
{
    Serial.begin(9600);
}
 
void loop()
{
    delay(1000);
    int val = analogRead(SENSOR_PIN);
    Serial.println(val);
}