Классификация датчиков

Ёмкость конденсатора ,

Где е0- 8,85*10-12 Ф\м, е - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

В ёмкостном преобразователе переменной величиной (входной) может быть зазор м/у обкладками, площадь обкладок или диэлектрическая проницаемость среды.

Функция преобразователя С=f(д) оказывается нелинейной, следовательно, приходится прибегать к линеаризации. Чувствительность этого преобразователя возрастает с уменьшением зазора. Минимальное значение зазора д определяется напряжением пробоя конденсатора. Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений < 1мм (рис1.а). На рис.1.б показан дифференциальный ёмкостной преобразователь, в котором при перемещении центральной пластины, ёмкость одного конденсатора увеличивается, а другого уменьшается.

На рис.1.в изображён дифференциальный преобразователь, но в нём происходит изменение активной площади пластины. В таком преобразователе можно получить функцию преобразования путём профилирования пластины. Их целесообразно использовать для сравнения больших линейных величин >1 мм, а также угловых перемещений.

Достоинства.

Простота конструкции, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Недостатки .

Влияние внешних магнитных полей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость специальных источников питания повышенной частоты.

10.Пьезоэлектрические преобразователи. Прямой и обратный пьезоэффект

Чтобы измерять статические величины нужно использовать кварцевый резонатор. Опорная частота и частота от датчика используются как разностные частоты:

Схема подключения Схема усиления заряда

Схема подключения №1 служит для сохранения заряда. Для этого существует обратная связь. Во второй схеме для этого используется конденсатор, который хранит заряд порядка нескольких секунд. Что позволяет иметь достаточное время для снятия информационных сигналов.

11.Пьезорезонансные преобразователи

В пьезоэлектрическом резонаторе происходит преобразование электрического напряжения между электродами в деформацию и механические напряжения в пьезоэлементе, которые вызывают ответную реакцию по выходу в виде зарядов на электродах, возникающих под действием механических напряжений. Обратимость пьезоэлектрического эффекта позволяет выполнять пьезорезонатор в виде двухполюсника, объединяющего системы электрического возбуждения механических колебаний и съема электрического сигнала.

Резонансные колебания в пьезоэлементе возникают в результате установления в нем стоячих ультразвуковых волн. Длина волны , где v -- скорость распространения ультразвука; f -- частота излучения. Скорость распространения ультразвука в материале определяется как , где Eij - константа упругости; с -- плотность материала. Следовательно, длина волны .

Если длина волны л такова, что на отрезке h между гранями, от которых отражаются волны, укладывается целое число полуволн, то в пьезоэлементе устанавливаются стоячие волны. Таким образом, стоячим волнам соответствует частота возбуждающего напряжения , где n -- число уложившихся полуволн. Частота колебаний, при которой на длине h укладывается одна полуволна, является основной частотой .

Основой любого пьезорезонансного частотного датчика является пьезорезонатор, частота которого изменяется под действием измеряемой величины. Изменение частоты может происходить под воздействием:

температуры, которая влияет на геометрические размеры образца, плотность и упругие свойства материала;

механических напряжений в резонаторе или его деформации, также вызывающих изменение h, с и n;

при присоединении дополнительной массы к резонатору, изменяющей его толщину h и среднюю плотность с.

Таким образом, различают термо-, тензо- и массочувствительные пьезорезонаторы. Кроме этого, используются пьезорезонансные датчики с амплитудным выходом. В этих датчиках, работающих на близких к резонансной частотах при изменении акустических потерь изменяется амплитуда колебаний.

При построении пьезорезонансного датчика к пьезорезонатору предъявляются следующие требования: высокая добротность и чувствительность к измеряемой величине, малая чувствительность к помехам и возможность колебаний только на определенной частоте (моночастотность). Это обеспечивается выбором среза пьезоэлемента и типа возбуждаемых колебаний.

Конструкция термочувствительного пьезорезонансного датчика приведена на рис.1:

В миниатюрном металлическом герметизированном баллоне (диаметр 6--8 мм) размещен линзовый кварцевый резонатор 1, укрепленный, как на растяжках, на токоподводах 2 и 3. Для уменьшения тепловой инерционности баллон заполнен гелием, обладающим хорошей теплопроводностью. Выпускаются также датчики с резонаторами в стеклянных вакуумированных баллонах. Эти датчики имеют большую инерционность, но более высокую временную стабильность и разрешающую способность.

Схематические конструкции и схемы нагружения тензочувствительных пьезорезонаторов показаны на рис.2.

В качестве тензочувствительных резонаторов применяются пьезоэлементы температурно-независимого АТ-среза, в которых используются колебания сдвига по толщине к колебания изгиба, так как только для этих типов, колебаний удается решить проблему развязки между колеблющейся частью резонатора и конструктивными элементами, через которые передается механическая нагрузка.

Рис.2

В резонаторах (рис. 2, а и б) используются колебания сдвига по толщине, поэтому закрепление резонатора и передача усилий могут осуществляться по свободной от колебаний периферии. Резонаторы подобного типа реализуются на диапазон частот 0,3--100 МГц, имеют толщину 0,05--5 мм при поперечных размерах 3--30 мм, относительное изменение частоты при номинальной входной величине .

В резонаторах (рис. 2, б) используются изгибные колебания, которые возбуждаются системой из четырех электродов, обеспечивающей противоположные по знаку сдвиговые деформации так, как показано на рис. 2, г. Так, если при положительном потенциале на верхнем электроде происходит в надэлектродной области сдвиг «вправо», то при отрицательном потенциале -- «влево» и пластина изгибается. Деформации, вызываемые в ножках «камертона» колебаниями верхней и нижней пластин, взаимно гасятся, так как пластины перемещаются в противофазе. Резонаторы с изгибными колебаниями реализуются на диапазон частот 1-100кГц, но имеют меньшую жесткость и, следовательно, большую чувствительность, чем резонаторы с колебаниями сдвига; относительное изменение частоты достигает значений .

Масс-чувствительные резонаторы выполняются из тонких пластин или линз кварца температурно-независимого АТ-среза. В резонаторах возбуждаются колебания сдвига по толщине. Присоединяемая масса может наноситься с одной или с двух сторон, как на электроды, так и на периферию резонатора. Наращивание массы, т. е. процесс сорбции вещества, может происходить по-разному и носить как необратимый, так и обратимый характер. Например, при отработке технологии процессов напыления в установке заподлицо с поверхностью, на которую производится напыление, помещается пьезорезонатор-толщиномер, позволяющий непрерывно контролировать процесс по изменению частоты пьезорезонатора в зависимости от толщины напыленной на него пленки. В гигрометрах и газоанализаторах пьезорезонаторы покрываются специальными сорбционными покрытиями, удерживающими исследуемое вещество. Так, измерительный резонатор гигрометра покрывается тонкой (мкм) пленкой окислов кремния. После измерения резонатор может быть «высушен», т.е. происходит десорбция вещества.

Максимальная присоединяемая масса не должна превышать г/см2, и толщина пленок должна быть не более 1--2 мкм, в противном случае резко падает добротность резонатора, что приводит к нестабильности и большой погрешности измерения.

12.Измерительные преобразователи, основанные на использовании ПАВ

Поверхностные акустические волны (ПАВ) находят широкое применение при разработке фильтров и линий задержек, применяемых в радиотехнических устройствах. В последнее время ПАВ используются также при разработке измерительных преобразователей.

Известно несколько видов ПАВ, наиболее часто на практике применяют волны Релея. Смещение частиц твердого тела при распространении волны Релея в направлении оси Х иллюстрируется рис.1. Как видно из рис. 1, волны распространяются вблизи границы твердого тела и затухают почти полностью на расстоянии Z от поверхности, примерно равном длине волны . Одной из основных причин возрастающего интереса к ПАВ является именно сосредоточенность энергии в тонком слое, так как благодаря этому к технологии изготовления ПАВ-элемента предъявляется лишь одно требование - тщательна обработка рабочей поверхности, по которой распространяется акустическая волна.

Для возбуждения ПАВ на поверхности пьезоэлемента наносятся гребенки встречно включенных электродов (рис. 2), представляющие собой встерчноштыревой преобразователь (ВШП), имеющий шаг . При подключения напряжения к ВШП под ним вследствие обратного пьезоэффекта происходят смещения частиц и возникает ПАВ, распространяющаяся в обе стороны. Если при этом длина волны совпадает с шагом ВШП, то вследствие суперпозиции колебаний, возникающих под каждой парой электродов, суммарная энергия достигает максимума; если длина волны не совпадает с шагом ВШП, энергия ПАВ уменьшается и при определенном соотношении между и волна за пределами ВШП может полностью погаситься.

Для приема энергии ПАВ используется второй ВШП, также имеющий шаг, равный длине волны. На электродах приемного ВШП вследствие прямого пьезоэффекта возникают заряды и появляется напряжение. Линия задержки состоит из входного н выходного ВШП. В первом приближении оба ВШП можно рассматривать как локальные электроды, расположенные па расстоянии L, равном расстоянию между геометрическими центрами ВШП. Время задержки t равно времени прохождения акустической волны между ВШП, т.е. , где - скорость распространения ПАВ; - константа упругости; - плотность материала.

Изменение времени задержки ПАВ-структуры под воздействием внешних факторов используется в измерительных преобразователях с частотным выходом. При изменении относительное изменение частоты генератора составляет . Изменение времени задержки определяется изменением длины L и фазовой скорости V и равно .

Изменение времени задержки может происходить при механических деформациях ПАВ-структур под воздействием температуры, при нагружении поверхности тонкими пленками (толщина пленки h' < 0,1), при изменении зазора между поверхностью распространения ПАВ и токопроводящим экраном ( <). Соответственно, на базе ПАВ-структур могут быть созданы преобразователи для измерения механических величин ( - до 1%), температуры ( - до 1%), микроперемещений, для микровзвешивания и исследования параметров тонких пленок ( - до 10%). При бесконтактной системе возбуждения ПАВ-преобразователи могут быть использованы также для измерения перемещения объекта, вызывающего перемещение одного из ВШП и приводящего к изменению L.

13.Вихретоковые преобразователи

Принцип действия вихретоковых индукционных преобразователей основан на изменении индуктивности катушек при приближении к ним токопроводящего тела. При этом глубина проникновения электромагнитной волны определяется так: , где Z - расстояние проникновения, г - проводимость материала, м - магнитная проницаемость среды, щ - частота тока.

Например, для 50Гц Z=10мм. Если же частота тока 500кГц, то Z=0,1мм.

Вследствие приближения проводящего материала к катушке, её магнитное поле будет изменяться. На рис.1. показано, как искажается магнитное поле катушки при приближении к ней проводящей пластины.

Рис. 1а. Электромагнитное поле без внесённого проводника.

Рис. 1б. Электромагнитное поле с внесённым проводником.

Присутствие вблизи витков с переменным током проводящей среды ведёт к изменению первоначального электрического поля, а значит активного и реактивного сопротивления витков катушки. При этом активное сопротивление витка растёт за счёт роста потерь энергии в проводящей среде, а индуктивное падает. Значение этих сопротивлений при постоянной частоте питания при постоянных геометрических размерах катушки зависит от расстояния д до этой пластины, электрической проводимости материала пластины г и толщины пластины d. Оптимально считается, если d<2Z. Вихретоковые преобразователи находят широкое применение в области бесконтактного контроля линейных размеров тонких пластин и толщины покрытий, а также для обнаружения дефектов в деталях (царапин, трещин). Для этих целей используются накладные, экранные и щелевые датчики (рис.2).

Рис.2а. Накладной вихретоковый преобразователь.

Рис.2б. Экранный вихретоковый преобразователь.

Рис.2в.Щелевой вихретоковый преобразователь.

Применение вихретоковых датчиков для измерения перемещения целесообразно, когда предмет не и имеет ферромагнетиков, та как чувствительность ВТД к перемещению в 5-20 раз меньше, чем у индуктивного преобразователя с катушкой, помещённой в магнитопровод с перемещающимся сердечником. Кроме того, эти датчики имеют значительные погрешности, обусловленные температурными изменениями электрической проводимости проводящего тела.

14.Фотоприемники. Фоторезисторы и фотодиоды. Схемы включения

Классификация фотоприемных устройств:

Интегральные

Селективные

Интегральные фотоприемники. Принцип действия их основан на изменении механических или иных свойств при изменении температуры, изменение которой осуществляется под действием светового потока

Различают следующие типы:

Болометры, у которых под действием температуры изменяется сопротивление.

Термоэлементы, используют термоэлектрический эффект, заключающийся в том, что под действием тепловой энергии на обкладках термочувствительного элемента возникает ЭДС.

Пироэлектрические, их действие основано на изменении параметров сегнетоэлектрика под действием изменяющегося светового потока.

Селективные фотоприемники. В таких фотоприемниках имеет место прямое взаимодействие падающих фотонов с электронами чувствительного слоя.

Селективные фотоприемники делятся на типы:

С внутренним фотоэффектом;

С внешним фотоэффектом.

К селективным фотоприемникам с внешним фотоэффектом относятся:

Вакуумный фотоэлемент - это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток.

Газонаполненный фотоэлемент - это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток, при этом величина фототока в нем в несколько раз превосходит токи в вакуумных фотоэлементах. Это достигается за счет того, что при движении фотоэлектроны ионизируют молекулы газа, вызывая газовый разряд.

Фотоумножители - это электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение в электронный поток с последующим усиление на катодах. В этих приборах кроме первичного фотокатода имеются вторичные катоды (эмиттеры), на которых происходит вторичная термоэлектронная эмиссия.

К селективным фотоприемникам с внутренним фотоэффектом относятся:

Фоторезисторы. У них изменяется сопротивление под действием световой энергии;

Фотодиод. Под действием фотонов светового потока происходит увеличение количества неосновных носителей заряда в области базы, тем самым изменяется ширина p-n перехода. Поскольку световой поток переменен во времени, то изменение ширины перехода переменно. В результате проводимость диода становится переменной и зависит от изменения светового потока.

Фототранзистор. Под действием переменного светового потока изменяется концентрация неосновных носителей заряда в области базы, т.к. облучается база, тем самым изменяется проводимость между коллектором и эмиттером.

Фототиристор. Под действием светового потока, облучая управляющую зону, мы будем изменять порог электрического пробоя тиристора.

Фотоварикап. Под действием светового потока происходит изменение емкости p-n перехода.

Оптрон. Это комбинированный источник света и приемник излучения. Между элементами оптронной пары отсутствует электрическая связь, а передача сигнала происходит посредством световой энергии. Оптроны получили широкое распространение как элементы схем измерительных приборов, позволяющие осуществить гальваническую развязку сетей.

Характеристики фотоприемников.

Монохроматическая чувствительность - отношение приращения фототока к изменению плотности монохроматического потока с длиной волны л, а именно: в микрометрах на ватт.

Спектральная характеристика фотоприемника - зависимость . Практически чаще используется относительная спектральная характеристика - зависимость , где - максимальное значение монохроматической чувствительности.

Интегральная чувствительность - отношение приращения величины фототока к изменению спектральной плотности лучистого потока, а именно:

.

Фотоприемники, предназначенные для работы в видимой области спектра, характеризуются интегральной световой чувствительностью:

.

Где - относительная спектральная чувствительность глаза (Кл = 1 при л = 0,555 мкм)

Vл - спектральная чувствительность глаза, отражающая реакцию человеческого глаза на свет видимой части спектра.

Вольт - амперная характеристика - зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фотоприемнику при постоянном значении светового потока.

Световая характеристика - зависимость фототока от значения светового потока неизменного спектрального состава - характеризует нелинейность фотоприемника.

Постоянная времени - определяет быстродействие фотоприемника и возможность измерения светового потока переменной интенсивности.

Порог чувствительности - минимальное значение потока излучения, которое вызывает на выходе фотоприемника сигнал, в заданное число (m) раз превышающий уровень шума. Т. к. уровень шума обычно задается дисперсией , порог чувствительности определяется формулой: .

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется под действием света. Принцип действия фоторезистора основан на внутреннем фотоэффекте, который заключается в перераспределении электронов по энергетическим состояниям, происходящем в конденсированных средах при поглощении света. Толщина рабочего тела фоторезистора обычно соизмерима с глубиной проникновения света в полупроводник. Для обеспечения необходимой механической прочности служит подложка из материала с хорошими диэлектрическими свойствами.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от -60 до +60єС.

Зависимость темнового сопротивления от температуры называют температурной характеристикой фоторезистора.

Инерционность фоторезистора характеризуют постоянной времени--временем, в течение которого фототок при освещении или затемнении фоторезистора изменяется в е раз. Измерение постоянной времени делается при определенных условиях (освещенность 200 лк, температура среды 20 °С,

сопротивление нагрузки 1 кОм). Различают постоянные времени нарастания Тна и спадания Тсп. Постоянная времени уменьшается с ростом освещенности и температуры. Численные значения постоянных времени различных фоторезисторов -- от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Уровнем собственных шумов называют наибольшее за конечный промежуток времени амплитудное значение флуктуации напряжения, получающееся на нагрузке приемника при отсутствии облучения. Оцениваются шумы по их среднеквадратичному значению. Уровнем шумов определяется пороговый поток, под которым понимают минимальный световой поток, обусловливающий появление на фоторезисторе сигнала, вдвое превышающего уровень его шумов.

Допустимая рассеиваемая на фоторезисторе мощность определяется из уравнения теплового баланса при температуре рабочего тела, равной допустимому значению

Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоянного, так и переменного напряжения питания. Допустимое напряжение питания определяется допустимой мощностью рассеяния и сопротивлением максимально освещенного фоторезистора как . Наиболее распространенной измерительной цепью является мостовая цепь, реже применяется включение фоторезистора в цепь делителя напряжения. При выборе элементов мостовой измерительной цепи следует иметь в виду, что сопротивление или проводимость фоторезистора меняются очень существенно и измерительная цепь может внести дополнительную нелинейность. В состав современных измерительных цепей включаются операционные усилители. Пример измерительной цепи с операционным усилителем показан на рис. 12-14. Выходное напряжение усилителя пропорционально отношению проводимостей двух фоторезисторов дифференциального преобразователя. При использовании одинарного преобразователя и замене фоторезистора 2 резистором R0, напряжение пропорционально изменению проводимости фоторезистора 1; при замене фоторезистора 1 резистором R0, напряжение пропорционально изменению сопротивления фоторезистора 2.

Фотодиод представляет собой открытую для доступа света пластинку полупроводника, в которой имеются области электронной и дырочной электропроводности, разделенные р-n переходом.

ФД могут работать в двух режимах - фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении р-n перехода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Затемненный фотодиод не отличается от полупроводникового диода, и для него справедливы те же соотношения. Обратный ток в этом случае называют темновым током.

Под действием света, падающего на поверхность полупроводника, в последнем образуются пары электрон--дырка. Неосновные носители диффундируют в область р-n перехода, втягиваются его полем и выбрасываются в область, расположенную за переходом, образуя в ней заряд.

ВАХ фотодиода описывается выражением:

где IФ -- фототок, т. е. ток, созданный носителями, возбужденными светом; I -- ток во внешней цепи.

Схемы включения фотодиодов показаны на рис. 12-17. В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рис. 12-17, а) или мостовые измерительные цепи (рис. 12-17, б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению питания хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместно с операционными усилителями. На рис. 12-17, в показана схема включения ФД, работающего в фотогенераторном режиме. Благодаря тому, что входное сопротивление усилителя () не превышает 10 Ом, ФД работает в режиме, близком к короткому замыканию (прямая 2 на рис. 12-15, б) и обладает достаточно линейной характеристикой. Использование низкоомной нагрузки позволяет также увеличить быстродействие фотодиода за счет снижения постоянной времени.

Датчики Холла. Области применения, конструкция.

Датчики Холла относятся к гальваномагнитные преобразователи (ГМП), они основаны на физических эффектах, возникающих в находящихся в магнитном поле твердых телах при движении в них заряженных частиц. Датчики Холла основаны на использовании эффекта Холла. Эффект Холла заключается в возникновении поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла) на боковых гранях пластины. Обусловлен изменением траектории движения заряженных частиц в магнитном поле.

В магнитном поле носители заряда под действием сил Лоренца F = evB (заряд * ск-ть дрейфа * магн. индукция) изменяют свою траекторию, вследствие чего на одной из боковых граней концентрация зарядов одного знака увеличивается, в то время как на противоположной грани -- уменьшается.

Преобразователь Холла представляет собой четырехполюсник, обычно выполняемый в виде тонкой пластинки или пленки из полупроводникового материала. Токовые электроды 1 и 2 (рис. 1) выполняются по всей ширине поперечных граней, что обеспечивает равномерное распределение входного тока по сечению преобразователя. Потенциальные (Холловые) электроды 3 и 4 расположены в центральной части продольных граней.

Возникающая разность потенциалов (ЭДС Холла) определяется выражением

(1)

где Rхл -- постоянная Холла, зависящая от свойств материала преобразователя;

--функция, зависящая от геометрии преобразователя и так называемого угла Холла между векторами плотности тока и напряженности вызывающего его электрического поля, определяемого подвижностью носителей зарядов и значением магнитной индукции (при l/b = 2 и a/l 0,1 функция 1); --угол между вектором магнитной индукции и магнитной осью преобразователя, совпадающей в первом приближении с нормалью к плоскости преобразователя.

Особенно сильно эффект Холла проявляется в германии (Ge), кремнии (Si) и в полупроводниках, состоящих из элементов III и V групп периодической системы. преобразователь датчик тензорезистор

Постоянные Холла для полупроводниковых материалов имеют порядок 10-2--10-4 м3 /(А*с), в то время как для чистых металлов, например для меди, Rxл= 6*10-11 м3 /(А*с).

Кристаллические преобразователи Холла выполняются в виде тонких пластинок (d = 0,01 -- 0,2 мм), которые вырезаются из монокристаллов и шлифовкой доводятся до необходимой толщины. Выводы укрепляются на боковых гранях путем пайки или сварки. Пластинки наклеиваются на подложки из радиотехнической слюды, ультрафарфора или ситалла.

Хорошими метрологическими характеристиками отличаются пленочные преобразователи Холла из тонких поликристаллических пленок InAs и InSb на стеклянных подложках и преобразователи на основе гетероэпитак-сиальных структур InSb и GaAs на подложках из полуизолирующего арсенида галлия. Чувствительный элемент преобразователя выполняется в виде тонкой пленки (5--10 мкм) способом фотолитографии. Такие преобразователи можно выполнять сложной формы с малой площадью чувствительной зоны (0,2 X 0,05 мм и менее).

Основная погрешность большинства приборов, в которых используются преобразователи Холла, составляет 0,5--1,0 % и более. Только при применении сложных методов коррекции можно снизить погрешность измерения до 0,1-- 0,2 % при работе в узком диапазоне температур.

Нашли широкое применение из-за простоты конструкции и дешевизны. Наиболее широкое применение преобразователи Холла получили для измерения параметров постоянных, переменных и импульсных магнитных полей и для определения характеристик ферромагнитных материалов. Кроме этого, они используются для измерений ряда других физических величин, которые легко преобразуются в изменение магнитной индукции (электрические токи, угловые и линейные перемещения и др.) (Применялись в клавиатурах с клавишами на магнитах.)

Размещено на Allbest.ru