Датчики. Классификация. Характеристики. Принципы работы презентация

Содержание

План занятия Датчики. Определения. Классификация датчиков. Термодатчики. Акселерометры. Датчики на основе гироскопа. Сенсорные экраны. Другие типы датчиков. Характеристики датчиков.

Слайд 1ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ И СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф.

М.А. Бонч-Бруевича

Выборнова Анастасия Игоревна

Лекция 2
Датчики. Классификация. Характеристики. Принципы работы

Слайд 2План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 3План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 4Определение
Первичный измерительный преобразователь (sensor) — устройство, используемое при измерении,
которое обеспечивает

на выходе величину, находящуюся в определенном соотношении с входной величиной,
и на которое непосредственно воздействует явление, физический объект или вещество, являющееся носителем величины, подлежащей измерению (ГОСТ Р 8.673-2009).

Слайд 5Определение
Датчик — конструктивно обособленное устройство, содержащее один или несколько первичных измерительных

преобразователей (ГОСТ Р 8.673-2009).

Датчик — средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (ГОСТ Р 51086-97).

Слайд 6Определение
Слово «сенсор» в настоящий момент в русском языке используется как синоним

слова «датчик».

Слайд 7Сенсоры
Окружающий мир

Вычислительные системы



Датчик

Слайд 8План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 9Классификация
Существует множество систем классификации датчиков.

По типу выходного сигнала:
Электрические.
Неэлектрические.

По представлению выходного сигнала:
Аналоговые.
Цифровые.

Слайд 10Классификация
По необходимости электропитания:
Активные
(необходим внешний источник энергии).
Параметрические (входной сигнал изменяет какой-либо

параметр внешнего электрического сигнала).

Пассивные
(не нуждаются во внешнем источнике энергии, энергия входного воздействия преобразуется в выходной сигнал).

Слайд 11Классификация
По структуре:
Датчики прямого действия
(внешнее воздействие -> электрический сигнал).
Составные датчики
(внешнее

воздействие -> другие виды энергии -> электрический сигнал).

По точке отсчета:
Абсолютные.
Относительные (измеряют разницу было-стало).

Слайд 12Классификация
По измеряемой величине:
Температурные.
Датчики давления.
Датчики влажности.

Датчики расхода.
Датчики уровня.
Датчики количества.

Датчики положения.
Датчики ускорения.

Слайд 13Классификация
По измеряемой величине (продолжение):
Магнитные.
Электрические.
Фотодатчики.
Звуковые.

Радиоактивности.
Содержания химических веществ.

Времени.
И другие.

Слайд 14Классификация
По принципу работы (используемому физическому принципу):
Изменение электрических характеристик (сопротивление, активное и

реактивное) при изменении внешней среды.
Детектирование электромагнитных волн различной частоты.
Химические реакции.
И т.д.

Слайд 15План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 16Датчики температуры
Измеритель температуры?

Слайд 17Датчики температуры
Для «визуальных» датчиков температуры часто используется свойство веществ увеличиваться в

объеме при увеличении температуры.

Но это свойство сложно использовать для получения электрического сигнала:

Слайд 18Датчики температуры
Датчики температуры могут использовать несколько физических явлений:
Изменение сопротивления вещества при

изменении температуры (терморезисторы).
Эффект Зеебека (термопары).
Измерение инфракрасного излучения (пирометры).
Кварцевые преобразователи.
И другие.

Слайд 19Датчики температуры: терморезисторы
Сопротивление материалов в зависимости от температуры:

R=R0⋅(1+a⋅(t-t0))
R0 — удельное сопротивление

при температуре t0.
a — функция зависимости сопротивления от температуры.

Для некоторых веществ в ограниченных диапазонах температур можно считать, что a=const (температурный коэффициент).

Слайд 20Датчики температуры: терморезисторы
Какое вещество выбрать:
Вещество не должно изменять агрегатное состояние и

вступать в реакции с окружающей средой в рабочем диапазоне температур
Вещество не должно иметь слишком большое сопротивление в рабочем диапазоне температур
Функция a(t) по возможности должна быть линейна.

Металлы
Полупроводники

Слайд 21Датчики температуры: терморезисторы
Медный термодатчик

Слайд 22Датчики температуры: терморезисторы
Металлы:
Платина
цена
Медь
коррозия при больших температурах
Никель

Полупроводниковые (темисторы):
Кремниевые
Металл-оксидные

Слайд 23Датчики температуры: термопары
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) — возникновение ЭДС в электрической

цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников или полупроводников, контакты между которыми находятся при разной температуре.
Причины:
Объемная ЭДС: чем выше температура, тем больше энергия электронов (в полупроводниках — выше концентрация электронов проводимости) -> поток электронов от горячей части к холодной.

Слайд 24Датчики температуры: термопары
Контактная ЭДС: температура -> энергия Ферми -> разность потенциалов.


Если температура контактов равна, то эти разности потенциалов равны, но разнонаправлены, поэтому ЭДС не возникает.
Если части имеют два контакта и температура их различна, то различны и энергии Ферми, и разности потенциалов, и электрические поля -> ЭДС.
Фононое увлечение: усиление объемной ЭДС за счет колебания атомов кристалла.

Слайд 25Датчики температуры: термопары
T1 — известна;
VAB — измеряется;
Т2 — рассчитывается.

Слайд 26Датчики температуры: термопары
К вольтметру
К тому, температуру чего
нужно измерить

Слайд 27Датчики температуры: термопары
Выбор металлов или полупроводников — зависит от предполагаемого рабочего

диапазона (до 1000 градусов — неблагородные металлы, выше — платина, еще выше — сплавы на основе тугоплавких металлов).
Термопара измеряет относительную температуру (Т1 относительно Т2).

Слайд 28Датчики температуры: пирометры
Тепло — ощущение, возникающее при восприятии теплового излучения (электромагнитных

волн инфракрасного диапазона).

Пирометр — прибор для определения температуры тел за счет анализа мощности и частоты (спектра) поступающих от них электромагнитных волн.

Предназначен для измерения температуры на расстоянии.

Слайд 29Датчики температуры: пирометры

Слайд 30Тепловизоры

Слайд 31План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 32Акселерометры
Ускорение — быстрота изменения скорости объекта.
Кажущееся ускорение — разность между истинным

ускорением тела и гравитационным ускорением.
g = 9,8 м/с2

Акселерометр — датчик, предназначенный для определения кажущегося ускорения объекта.

Слайд 33Акселерометры
Простейший механический акселерометр:
При движении массы с ускорением вверх или вниз пружина

сжимается или растягивается.
По степени деформации пружины оценивается ускорение.

Слайд 34Акселерометры
Акселерометр, определяющий отклонение груза по изменению емкости конденсатора:
Груз на упругих
креплениях

+
отведенные в сторону
проводники

Корпус

Вторая обкладка
конденсатора

Слайд 35Акселерометры
Три акселерометра, ориентированные по трем взаимно перпендикулярным осям, могут отслеживать поворот

объекта в любом направлении.

Слайд 36Акселерометры

Слайд 37План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 38Датчики на основе гироскопа
Угловая скорость — векторная величина, характеризующая скорость вращения

материальной точки вокруг центра вращения.

Гироскоп — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации объекта, на котором оно установлено.

Гироскоп позволяет определить угловые скорости объекта относительно одной или нескольких осей.

Слайд 39Датчики на основе гироскопа
Механический гироскоп — массивный диск, вращающийся вокруг закрепленной

в объекте оси.
Корпус объекта поворачивается, однако ось вращения сохраняет положение в пространстве и устойчива к внешним воздействиям.

Слайд 40Датчики на основе гироскопа
В основе поведения гироскопа — сила Кориолиса.

Сила Кориолиса

— инерциальная сила, которая приводит к «закручиванию» траектории движения объекта по другому, вращающемуся вокруг своей оси, объекту:

Слайд 41Датчики на основе гироскопа
Компактный вариант гироскопа — вибрационный гироскоп:

Слайд 42Датчики на основе гироскопа

Слайд 43Замечание между делом
Современные микрофоны также работают по принципу фиксации изменений емкости

конденсатора, образованного неподвижной частью, зафиксированной на корпусе, и подвижной — мембраной, которая прогибается под действием звуковых волн.

Слайд 44План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 45Сенсорные экраны
Сенсорная панель — устройство ввода информации, представляющее собой покрытие, реагирующее

на прикосновение, которое обычно накладывается на экран устройства (смартфона/планшета).

Слайд 46Сенсорные экраны
Виды сенсорных панелей:
Резистивные.
Матричные.
Инфракрасные.
Индукционные.
Ёмкостные.
Проекционно-ёмкостные.

Слайд 47Резистивные сенсорные панели
Состоят из токопроводящего стекла и токопроводящей мембраны, разделенных слоем

гелеобразного диэлектрика.
На мембрану подается небольшое напряжение.
При продавливании мембраны происходит касание стекла и замыкание цепи.
Напряжение подается на верхний электрод стекла, нижний заземляется. По напряжению на мембране вычисляется координата X.
Затем напряжение подается на левый электрод стекла, правый заземляется. По напряжению на мембране вычисляется координата Y.

Слайд 48Резистивные сенсорные панели
Необходимо нажимать на экран, не прикасаться.
Нажимать можно чем угодно.
Не

реагируют на загрязнение.

Слайд 49Резистивные сенсорные панели
Матричные резистивные панели — упрощенная конструкция, состоящая из вертикальных

и горизонтальных прозрачных токопроводящих лент.
При нажатии на экран замыкаются две ленты — вертикальная и горизонтальная. По тому, какие именно летны замкнулись, определяются координаты.
Низкая точность, зато недорогие и простые.

Слайд 50Инфракрасные и индукционные сенсорные панели
Инфракрасные сенсорные панели состоят из сетки вертикальных

и горизонтальных инфракрасных лучей. Координата прикосновения вычисляется по тому, какой именно вертикальный и горизонтальный луч прервался.
Индукционные сенсорные панели используют три катушки индуктивности для создания резонансного контура — две в экране и одну в специальном пере. Реагируют только на прикосновение специального пера.

Слайд 51Ёмкостные сенсорные панели
В ёмкостных сенсорных панелях используется способность человеческого организма проводить

переменный ток.

Ёмкостные сенсорные панели делятся на:
Поверхностно-ёмкостные.
Проекционно-ёмкостные.

Слайд 52Поверхностно-ёмкостные сенсорные панели
Поверхностно-ёмкостные сенсорные панели создаются на основе токопроводящего материала.
По углам

панели располагаются электроды для подачи небольшого переменного тока и датчики для замера его характеристик.
При касании экрана происходит утечка переменного тока в тело человека.
По показателям датчиков в углах панели вычисляется расстояние от точки касания до каждого из углов, затем рассчитываются координаты точки касания.

Слайд 53Поверхностно-ёмкостные сенсорные панели
Не реагируют на прикосновение диэлектриком.
Плохо реагируют на прикосновение небольшим

изолированным проводником.
Не терпят токопроводящих загрязнений.

Слайд 54Проекционно-ёмкостные сенсорные панели
Проекционно-ёмкостные сенсорные панели состоят из диэлектрического стекла, на внутренней

стороне которого расположена сетка электродов.
На электроды подаются короткие импульсы тока.
При касании экрана из тела человека и электродов образуются конденсаторы.
Измеряя напряжение импульсов тока на каждом из электродов можно вычислить, в какой точке палец прикасается к экрану.

Слайд 55Проекционно-ёмкостные сенсорные панели
Реагирует только на прикосновения токопроводящих предметов.
Не терпит токопроводящих загрязнений.
Поддерживает

«мультитач».

Слайд 56План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 57Другие виды датчиков
Фотодатчики — фотоэлементы, преобразующие свет (электромагнитное излучение) в электрическую

энергию при помощи эффекта фотоэмиссии (испускания электронов веществом под действием света) или других эффектов.
Датчики радиоактивности — счетчик Гейгера (трубка-конденсатор, заполненная газом; при прохождении частицы происходит лавинообразная ионизация и разряд конденсатора) и др.

Слайд 58Другие виды датчиков
Датчики влажности — зависимость сопротивления от влажности.
Барометр — деформация

контейнера, в котором создан вакуум, измерение уровня жидкости.
Химические датчики — оптические (разные вещества поглощают свет разной длины волны), реакция с веществами-индикаторами.
Пульсометр — фиксирует электрические сигналы от сердца (по аналогии с ЭКГ).

Слайд 59План занятия
Датчики. Определения.
Классификация датчиков.

Термодатчики.
Акселерометры.
Датчики на основе гироскопа.
Сенсорные экраны.
Другие типы датчиков.

Характеристики

датчиков.

Слайд 60Характеристики датчиков
Размеры
Вес
Энергопотребление (для активных датчиков)

Слайд 61Характеристики датчиков
Диапазон входных значений — диапазон внешних воздействий, которые датчик может

воспринять и преобразовать, не выходя за пределы допустимых погрешностей.
Диапазон выходных значений — алгебраическая разность между электрическими выходными сигналами, измеренными при максимальной и минимальной величине внешнего воздействия.

Слайд 62Характеристики датчиков
Погрешность — величина максимального расхождения между показаниями реального и идеального

датчиков. Погрешность датчика можно также представить в виде разности между значением входного сигнала, вычисленным по выходному сигналу датчика, и реальным значением поданного сигнала.
Чувствительность, разрешающая способность — величина минимального изменения входного сигнала, приводящая к появлению минимального изменения выходного сигнала датчика.

Слайд 63Характеристики датчиков
Воспроизводимость — способность датчика при соблюдении одинаковых условий выдавать идентичные

результаты. Воспроизводимость результатов определяется по максимальной разности выходных значений датчика, полученных в двух циклах калибровки.
Гистерезис — разность значений выходного сигнала для одного и того же входного сигнала, полученных при его возрастании и убывании (трение, структурные особенности или изменения материалов).

Слайд 64Характеристики датчиков
Передаточная функция — теоретическая функция, связывающая входной и выходной сигналы

(может быть линейной или нелинейной).

Слайд 65Практическое занятие
Вариант 1: Система мониторинга окружающей среды.
Нет возможности регулярного обслуживания.
Расположение

в дикой природе.

Вариант 2: Система дистанционного наблюдения за здоровьем человека.
Показания датчиков используются в том числе для определения необходимости экстренной помощи.
Система применяется в домашних условиях.

Какие датчики использовать?
Какие характеристики датчиков важно учесть при выборе конкретных моделей?

Слайд 66Лабораторная работа
1. Выяснить, как реагирует сенсорный экран телефона на нажатие:
а. Деревом.
б.

Пластиком.
в. Металлом (фольга), при условии контакта пальцев с фольгой.
г. Металлом (фольга), без контакта пальцев с фольгой.
д. Мокрым деревом.

Для каждого материала провести 5 попыток нажатия, зафиксировать число удачных.

2. Сделать вывод о типе сенсорного экрана.

Похожие презентации

Презентация "Минем әнием" 383
Соотношения между сторонами и углами в прямоугольном треугольнике 208
Открытие детского клуба 366
Экономическая ИГРА 485
shkola budushchego 238
Раскрытие творческих способностей в процессе обучения рисованию по правополушарной методике за 25 часов! 243

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика