Основные типы датчиков и их назначение

Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам.

Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.

Аналогичная система формируется и в автоматике.

Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п. 2. Принцип действия и классификация Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы.

Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для - 2 - создания датчиков. В табл. 1 приведен сравнительно скромный перечень. При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах. 3. Основные виды _Температурные датчики . С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространненых (табл. 2) Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни.

Терморезисторы сопротивления которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа.

Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.

Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами.

Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов.

Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные темпера- - 3 - турные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др. _Оптические датчики . Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. Как видно из табл. 3, по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.

Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект, - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер.

Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/л (где h - постоянная Планка, с - скорость света, л - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект, - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости, - ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др.

Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения.

Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фотои кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др.

Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более). Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах p n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний.

Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчакам - 4 - широкую сферу применения.

Пироэлектрические эффекты - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного 'рельефа' возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: и множество других так нызываемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики. Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне.

Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.

Основные преимущества перед датчиками других типов: 1. Возможность бесконтактного обнаружения. 2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами. 3. Высокая скорость отклика. 4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы. 5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры (при полупроводниковой основе). _Датчики давления . В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение.

Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жид- - 5 - кости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов.

Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении. В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры.

Особенно перспективными представляются полкпроводниковые тензометры диффузионного типа.

Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с n -продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие p -проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается.

Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которою входят эти резисторы.

Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах.

Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы. _Датчики влажности и газовые анализаторы .. Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги.

Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. - 6 - Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды.

Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью.

Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности , или устройства, работающие по принципу каталитического горения. При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности. _Магнитные датчики . Главной особеностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению.

Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю. Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке.

Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития.

Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики.

Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля.

Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде - 7 - ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества. _Список использованной литературы 1. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. Л: Энергоатомиздат, 1986г. 2. У.Титце, К.Шенк.