Приборы и датчики экологического контроля

Министерство образования и науки Российской Федерации 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ 

УПРАВЛЕНИЯ И 

РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

 

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга  

(РЭТЭМ) 

УТВЕРЖДАЮ 

Заведующий кафедрой   

__________________ В.И. Туев  

«____» ______________2015 г. 

 

  

ПРИБОРЫ И ДАТЧИКИ 

ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 

Учебное   пособие   

 

Разработчики: 

заведующий кафедрой   

__________________ В.И. Туев;  

профессор  

__________________ Г.В. Смирнов; 

доцент 

__________________ В.С. Солдаткин. 

  

    

 

 

Томск 2015 

Смирнов Г.В., 
Солдаткин В.С., 
Туев В.И. 
Приборы 
и 
датчики 

экологического 
контроля: 
Учебное 
пособие. 
– 
Томск: 
Томский 

государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2015. – 

117 с. 

 

Настоящие 
учебное 
пособие 
составлено 
с 
учетом 
требований 

федеральных 
Государственных 
образовательных 
стандартов 
высшего   

образования (ФГОС ВО) по направлениям подготовки 05.03.06 «Экология и 

природопользование» и 20.03.02 «Техносферная безопасность». Учебное 

пособие предназначено для студентов, изучающих специальную дисциплину 

«Приборы и датчики экологического контроля» и содержат необходимую 

информацию, используемую в курсе лекций изучаемой дисциплины. 

СОДЕРЖАНИЕ 

 

Введение 

Глава 1. Приборы и датчики экологического контроля. Основные понятия и 

определения                                                                              
 
 
7 

1.1 Определения и основные характеристики                        
 
 
7 

1.2 Назначение и области применения датчиков                        
 
 
10 

1.3 Технические характеристики                                                 
 
 
12 

Глава 2. Активные, пассивные и комбинированные датчики          
 
15 

2.1 Активные датчики                                                                    
 
 
15 

2.2 Пассивные датчики                                                                      
 
17 

2.3 Комбинированные датчики                                                      
 
 
18 

Глава 3. Шкалы термодинамических приборов                           
 
 
19 

3.1. Шкалы Кельвина, Ренкина, градусы Цельсия и Фаренгейта     
 
19 

3.2 Измеренная и измеряемые температуры                                
 
 
20 

Глава 4. Термометры расширения                                              
 
 
23 

4.1. Стеклянные жидкостные термометры                                      
 
23 

4.2 Манометрические термометры                                           
 
 
29 

Глава 5. Термоэлектрические термометры                                   
 
 
34 

5.1 Основы теории, термоэлектрические цепи                                  
 
34 

5.2 Устройство термоэлектрических термометров и применяемые 

материалы                                                                                        
 
 
41 

Глава 6. Термометры сопротивления и методы измерения сопротивления 
48 

6.1. Общие сведения о термометрах сопротивления                            
 
48 

6.2 Устройство термометров сопротивления                                            
55 

6.3 Особенности измерения сопротивления термометров и способы их  

подключения                                                                                                 
58 

Глава 7. Термопары, термотранзисторы оптическая пирометрия           
62 

7.1 Измерение температуры термопарой                                                 
 
62 

7.2 Термометры термотранзисторные                                                   
 
65 

7.3 Оптическая пирометрия                                                       
 
 
66 

Глава 8. Оптические датчики                                                      
 
 
68 

8.1 Общие сведения об оптических датчиках                                 
 
68 

8.2 Метрологические характеристики оптических датчиков          
 
70 

Глава 9. Оптико-электронные датчики                                                 
 
73 

9.1 Фоторезисторы                                                                               
 
73 

9.2 Фотодиоды                                                                                       
 
75 

9.3 Фототранзистор                                                                                 
 
76 

9.4 Фотоэмиссионные   
 
 
 
 
 
 
 
 
77 

9.5 Фотоэлектронные умножители                                                           
 
79 

Глава 10 Тепловые приёмники излучения, датчики изображения, волоконная 

оптика, лазерные и волоконно-оптические гироскопы                      
 
80 

10.1 Тепловые приемники излучения                                                         
80 

10.2 Датчики изображения                                                                           
81 

10.3 Волоконная оптика                                                                        
 
85 

10.4 Лазерные и волоконно-оптические гироскопы                          
 
87 

Глава 11. Датчики деформации                                                           
 
89 

11.1 Общие сведения о датчиках деформации                                     
 
89 

11.2 Закон Гука                                                                                             
89 

11.3 Экстензометр  с вибрирующей струной                                        
 
95 

Глава 12. Электрохимические датчики                                                
 
96 

12.1 Общие сведения                                                                             
 
96 

12.2 Потенциометрические датчики                                                       
 
97 

Глава 13. Датчики влажности воздуха                                                
 
99 

13.1 Общие сведения                                                                            
 
99 

13.2 Конденсационные гигрометры                                                      
 
100 

13.3 Сорбционные  датчики                                                                   
 
100 

Глава 14. Датчики газового состава                                                   
 
106 

14.1 Общие сведения                                                                            
 
106 

14.2 Датчик на основе твердых электролитов                             
 
 
106 

14.3 Кварцевый пьезоэлектрический датчик                               
 
 
109 

14.4 Катарометры                                                                        
 
 
110 

14.5 Парамагнитные датчики                                                             
 
111 

Глава 15. Приборы для определения радиационного фона              
 
114 

Список литературы                                                                                        
116 

Приложение А. – Диапазоны электромагнитных волн                             
118 

ГЛАВА 1. ПРИБОРЫ И ДАТЧИКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО 

КОНТРОЛЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 

 

1.1 Определения и основные характеристики 

  

Физическая величина – какое-либо свойство физического объекта 

(предмета, процесса). 

Датчик (сенсор, от англ. sensor) – первичный преобразователь, элемент 

измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства 

системы, преобразующий контролируемую величину в сигнал, удобный для 

измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для 

воздействия им на управляемые процессы. Датчик – это устройство, которое, 

подвергается воздействию физической величины, выдавая эквивалентный 

сигнал, являющийся функцией измеряемой величины: 

  
 
 
 
S = F(m) 
 
 
 
 
 
(1.1) 

где 
S – выходная величина датчика, 

 
m – входная величина. 

Сигнал (от лат. signum — знак) – знак, физический процесс или явление, 

несущие сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта, либо 

передающие команды управления, оповещения и т. д. Посредством 

совокупности сигналов можно с той или иной степенью полноты представить 

любое, сколь угодно сложное событие. По своей природе сигнал может быть 

механическим, 
тепловым, 
световым, 
электрическим, 
электромагнитным, 

звуковым и др. 

Соотношение (1.1) в общей   форме выражает физические законы, поло
женные в основу работы датчика. Однако характеристики преобразования в 

численной форме определяются экспериментально в результате градуировки. 

Градуировка – измерение значений S для ряда точек известных значений 

m, что позволяет построить градировочную кривую. 

Градуировка средств измерений (от лат. gradus – шаг, ступень, степень), 

метрологическая операция, при помощи которой средство измерений (меру или 

измерительный прибор) снабжают шкалой или градировочной таблицей 

(кривой). Отметки шкалы должны с требуемой точностью соответствовать 

значениям измеряемой величины, а таблица (кривая) с требуемой точностью 

отражать связь эффекта на выходе прибора с величиной, подводимой к входу 

(например, зависимость ЭДС термопары пирометра от температуры её рабочего 

спая). 

На практике целесообразно использовать датчики, у которых существует 

линейная зависимость между малыми приращениями входной m и выходной S 

величинами: 

  
 
 
 
S = s × m,  
 
 
 
 
(1.2) 

где 
s – чувствительность датчика. 

Чувствительность – способность объекта реагировать определённым 

образом на определённое малое воздействие, а также количественная 

характеристика этой способности. 

Важнейшей проблемой при проектировании датчика и использовании 

датчиков является обеспечение постоянства чувствительности датчика, которая 

должна как можно меньше зависит от входной величины, частоты измерений, 

времени и воздействия других физических величин, характеризующих 

окружающие объекты. 

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения 

физической величины заданного размера. 

Погрешность (Δ) – это разность между показаниями средства измерения 

(СИ) X и истинным (действительным) значением измеряемой физической 

величины (Q): 

Δ=X-Q. 

Случайная погрешность – неизбежна и неустранима. 

Систематическая погрешность – постоянная погрешность результата 

измерений. 

Погрешность является показателем точности. 

Эталон – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и 

хранения единицы величины с целью передачи ее другим средствам измерений 

данной величины. 

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты 

выражены в допущенных к применению в РФ единицах величин, а показатели 

точности измерений не выходят за установленные границы. 

Классификация физических величин приведена в таблицах 1 и 2. 

Таблица 1. Классификация физических величин 

Величины

Реальные
Идеальные

Физические
Нефизические
Математические

Измеряемые
Оцениваемые

Таблица 2. Классификация физических величин 

Величины 

Энергетические

(активные)

Вещественные

(пассивные)

Характеризующие

процессы

 

Энергетические 
(активные) 
– 
т.е. 
величины, 
описывающие 

энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и 

использования энергии. 

Вещественные (пассивные) – описывающие физические и физико
химические свойства вещества, материалов и изделий из них. 

Характеризующие протекание процессов во времени – различного вида 

спектральные характеристики, корреляционные функции и др. 

Измерения бывают прямые и косвенные: прямые – искомое значение – 

непосредственно из опытных данных; косвенные – на основании зависимости 

между искомой и полученной при прямом измерении величинами. 

Средства измерения бывают механические, пневматические, оптические, 

электрические. 

  

1.2 Назначение и области применения датчиков 

Сравнение биологическая и техническая система принятия, хранения и 

преобразования информации схематически представлено на Рис.1. 

Биологическая си
стема (человек)

Техническая система

(автоматика)

Получение сиг
нала

Чувства
Датчики

Обоняние
Газоанализатор

Вкус
pH-метр

Слух
Микрофон

Осязание

Температура

Перемещение

Поток

Усиление и р.д.

Зрение
Датчик излучения

Датчик положения

Телекамера (распознание образов)

Обработка сиг
нала

Мозг
ЭВМ

Память
Запоминающее

устройство

Преобразование

сигнала

Органы

Исполнительное устройство

Руки

Механика

Ноги

Речь
Динамик

Жестикуляция
Индукция

Письмо
Печать/ графопостроение

Рисунок 1. Сравнение биологической и технической систем принятия, 

хранения и преобразования информации 

По 
назначению 
и 
области 
применения, 
датчики 
можно 

классифицировать: 

 
по измеряемой физической величине 

(давление, температура, вибрация, частота вращения, усиление, деформация, 

линейные скорость и ускорение, длина и плоский угол, влажность, расход, 

уровень, сплошность, масса, состав и свойства жидкостей и газов и т.д.); 

 
по характеру изменения измеряемой физической величины 

(квазистатические, статические, динамические, импульсные); 

 
по свойствам физической величины 

(агрессивная, неагрессивная); 

 
по контакту с измеряемой величиной 

(контактные, бесконтактные); 

 
по категории применения  

(многократное, непрерывное, однократное, общее); 

 
по этапам применения 

(разработка, производство, испытание, эксплуатация); 

 
по условиям эксплуатации  

(обычные, умеренно холодные, тропические и т.д.); 

 
по виду объектов применения  

(наземные стационарные, наземные подвижные, морские, авиационные, 

космические, универсальные); 

 
по области применения 

(приборы и системы управления, приборы и системы регулирования, приборы и 

системы контроля, измерительные системы, системы диагностирования, 

приборы и системы сигнализации, системы жизнеобеспечения, системы 

энергопитания, 
навигационные 
системы, 
телеметрические 
системы, 

производственные роботизированные системы).