Основные типы датчиков и их назначение


	Загрузить архив:
	Файл: datchik.zip (13kb [zip], Скачиваний: 143) скачать

21.0 2Понятие датчика0

Человек глазами воспринимает форму,размеры и цветокружающих

предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно гово-

рят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием,

вкусоми осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо

внешнее раздражение определенных органов - "датчиковчувств". Для

различныхвидов ощущений роль датчиков играют определенные органы

чувств:

Зрение......Глаза

Слух........Уши

Вкус........Язык

Обоняние....Нос

Осязание....Кожа

Однако для получения ощущения одних только органов чувств недос-

таточно.Например, при зрительном ощущении совсем не значит,что

человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через гла-

за раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам

передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большо-

го 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 управ-

ления заключается в приеме информации о состоянии объекта управле-

ния, ееконтроле иобработке центральным устройством и выдачи им

управляющих сигналов на исполнительные устройства.Для приемаин-

формации служатдатчикинеэлектрическихвеличин. Таким образом,

контролируется температура,механические перемещения,наличие или

отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость

вращения и т.п.

22. Принцип действия и классификация0

Датчики информируют о состоянии внешней среды путемвзаимодейс-

твияс ней и преобразования реакции на это взаимодействие в элект-

рические сигналы.Существует множество явлений иэффектов,видов

преобразованиясвойств и энергии,которые можно использовать для

- 2 -

создания датчиков.В табл.1 приведен сравнительно скромный пере-

чень.

При классификации датчиков в качестве основы частоиспользуется

принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на

физических или химических явлениях и свойствах.

23. Основные виды0

_Температурные датчики. С температурой мы сталкиваемсяежедневно,

и это наиболее знакомая нам физическая величина.Среди прочих

датчиков температурные отличаются особенно большимразнообра-

зием типови являются одним из самых распространненых (табл. 2)

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних вре-

мен и широко используется в наши дни.Терморезисторы сопротивления

которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно

часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой сто-

имости датчиков данного типа.Существует три вида терморезисторов:

с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с по-

вышением температуры), С положительной характеристикой (с повышени-

ем температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характе-

ристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении темпе-

ратуры).Обычно сопротивление под влиянием температурыизменяется

довольнорезко. Длярасширения линейного участка этого изменения

параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резис-

торы.

Термопары особенно широко применяются в областиизмерений.В

нихиспользуется эффектЗеебека:в спае из разнородных металлов

возникает ЭДС,приблизительно пропорциональная разности температур

междусамим спаем и его выводами.Диапазон измеряемых термопарой

температур зависит от применяемых металлов.Втермочувствительных

ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответс-

твенно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с не-

которого значения, которое называется температурой Кюри и для конк-

ретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувс-

твительныедиоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчи-

кам,в которых используется температурная зависимость проводимости

p──n-перехода(обычно накристаллекремния). В последнее время

практическое применение нашли так называемые интегральные темпера-

- 3 -

турныедатчики, представляющиесобой термочувствительный диод на

одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

_Оптические датчики. Подобно температурным оптические датчикиот-

личаются 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 фо-

тоэлектронной эмиссии,фотопроводимости, фотогальванического и пи-

роэлектрических.

1Фотогальваническая эмиссия,или внешний фотоэффект,0 - это ис-

пусканиеэлектронов при падении света физическое тело.Для вылета

электронов из физического тела им необходимо преодолетьэнергети-

ческийбарьер. Посколькуэнергияфотоэлектронов пропорциональна

1hc/л0 (где1 h0 - постоянная Планка,1 с0 - скорость света,1 л0 - длина вол-

ны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше

энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.

1Эффект фотопроводимости,или внутренний фотоэффект,0 - это из-

менение электрического сопротивления физического тела при облучении

его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,

- ZnS,CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствитель-

ностиCdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550

нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности

человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фо-

топроводимости,рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и

кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обна-

ружителях пламени и др.Недостаток этих датчиков - замедленная ре-

акция (50 мс и более).

1Фотогальванический эффект0 заключается в возникновенииЭДСна

выводах p──n-перехода в облучаемом светом полупроводнике.Под воз-

действием 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

имеетоптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков

изображения,например датчиковна приборахсзарядовой связью

(ПЗС-датчиков).В качестве материала подложки для фотогальваничес-

ких датчиков чаще всего используется кремний.Сравнительно высокая

скоростьотклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней

инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчакам

- 4 -

широкую сферу применения.

1Пироэлектрические эффекты0 - это явления,при которыхнапо-

верхности физического тела вследствие изменений поверхностного тем-

пературного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствую-

щие этим изменениям.Среди материалов, обладающих подобными свойс-

твами: и множество других так нызываемых пи-

роэлектрических материалов.В корпус датчика встроен полевой тран-

зистор, позволяющий преобразовыватьвысокоеполное сопротивление

пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими заряда-

ми в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из

датчиковэтого типа наиболее часто используются ИК-датчики.

Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые облада-

ли бы достаточной чувствительностьювовсем световомдиапазоне.

Большинстводатчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно

узкой зоне ультрафиолетовой,или видимой,или инфракраснойчасти

спектра.

Основные преимущества перед датчиками других типов: 1. Возмож-

ность бесконтактного обнаружения.2. Возможность (при соот-

ветствующей оптике) измерения объектов

как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз-

мерами.

3. Высокаяскорость отклика.4. Удобство применения интег-

ральной технологии (оптические дат-

чики, какправило, твердотельныеиполупроводниковые),

обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

5. Обширная сфера использования: измерение различных физичес-

ких величин,определение формы,распознавания объектов и

т.д.

Наряду с преимуществами оптические датчики обладают инекото-

рыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены

влиянию постороннего света,светового фона,а такжетемпературы

(при полупроводниковой основе).

_Датчики давления. В датчиках давления всегда испытывается боль-

шая 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 -

костии др.В подавляющем большинстве случаев индикация давления

осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафраг-

мы,трубки Прудона,гофрированной мембраны.Такие датчики имеют

достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получе-

ние электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), ем-

костные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики

давленияимеют навыходеэлектрический сигнал,но сравнительно

сложны в изготовлении.

В настоящее время в качестве датчиков давления все шире ис-

пользуются тензометры. Особенно перспективными представляются полк-

проводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензомет-

ры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малы-

миразмерами и легко интегрируются с периферийными схемами.Путем

травления по тонкопленочнойтехнологиина поверхностикристалла

кремния с1 n0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях ди-

афрагмы методом диффузиинаносятсяпленочные резисторы,имеющие

1p0-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопро-

тивление одних резисторов увеличивается,а других- уменьшается.

Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в ко-

торою входят эти резисторы.

Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа,по-

добные вышеописанному, широко используются в автомобильной электро-

нике,во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это темпе-

ратурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.

_Датчики влажности и газовые анализаторы..Влажность - физичес-

кий параметр,скоторым, как и с температурой,человек

сталкивается с самых древних времен; однако надежных

датчиков не было в течение длительного периода.Чаще всего для по-

добных датчиков использовались человеческий или конский волос, уд-

линяющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее

время для определениявлажностииспользуется полимернаяпленка,

покрытая хлористым литием,набухающим от влаги.Однако датчики на

этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во

времении 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 датчикишироко используютсянапроизводственных

предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домаш-

нихпомещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих

случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно

иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой от-

носительно газовой среды.Однако реакция на другие газовыекомпо-

ненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладаю-

щих высокой чувствительностью и надежностью.Газовые датчики могут

бытьвыполнены на основе МОП-транзисторов,гальванических элемен-

тов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интер-

ференции,поглощения инфракрасныхлучейи т.д. Для регистрации

утечки бытового газа,например сжиженного природного илигорючего

газатипа пропан,используется главным образом полупроводниковая

керамика,в частности , или устройства, работающие по принципу

каталитического горения.

При использовании датчиков газа ивлажности длярегистрации

состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возника-

ет проблема долговечности.

_Магнитные датчики. Главной особеностью магнитных датчиков,как

и оптических, является быстродействие и возможность обнару-

жения и измерения бесконтактным способом,но в отличие от оптичес-

ких этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу

характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в зна-

чительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обыч-

но для магнитных датчиков необходима достаточная близостьквоз-

действующему магнитному полю.

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В нас-

тоящеевремя они применяются в качестве дискретных элементов,но

быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС,выполнен-

ных на кремниевой подложке.Подобные ИС наилучшим образом отвечают

современным требованиям к датчикам.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю ис-

торию развития.Сейчас снова оживились исследованияиразработки

магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики.

Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон об-

наруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствитель-

ность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде

- 7 -

ИС путем напыления,т. е. технологичность их производства, состав-

ляют несомненные преимущества.

_Список использованной литературы

1. Како Н.,Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. Л: Энергоатомиз-

дат, 1986г.

2. У.Титце, К.Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М: Мир,

1982г.

3. П.Хоровиц,У.Хилл. Искусство схемотехники т.2, М: Мир,

1984г.

4. Справочная книга радиолюбителя-конструктора.М: Радио и

связь, 1990г.