4.4. Основные виды датчиков, применяемых в системах автоматизации

4.4. Основные виды датчиков, применяемых в системах автоматизации

Очевидно, что рассматривать все виды датчиков в объеме данно^ го учебного пособия практически невозможно, поэтому представим наиболее популярных пять видов датчиков и на их примере рассмот. рим тенденции, характерные для развития техники датчиков.

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 распространенных (табл. 4.2).

10

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в самых разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков этого 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 резко изменяется при пороговом значении температуры).

На рис. 4.2 показана зависимость сопротивления от температуры для каждого вида терморезистора. Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются постоянные 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 соотвеї-ственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов.

Принцип действия	Тип датчика (примеры)	Диапазон измеряемых температур, °С
		-273	0	500	1000	1500
Тепловое расширение	Термометр на основе измерения давления герметизированнык паров или газов	**	****
	Ртутный термометр	*	****
	Биметаллический датчик	*	*****	*
Изменение электрического сопротивления	Термометр сопротивления платиновый	*	****
	Терморезистор с отрицательной характеристикой		***
	Терморезистор с положительной характеристикой	*	**
	Терморезистор с критичной характеристикой		**
Генерация термо-ЭДС	Термопара хромель-алюмель	****	*****	********	*****
	Полупроводниковый (HgCdTe) элемент		***
Изменение магнитной проницаемости	Термочувствительный феррит	*	**
Изменение электрической емкости	Термочувствительный конденсатор		**
Явления в полупроводниках	Диод, транзистор	*	**
	Тиристор		**
	Интегральная схема	*	**
Тепловое излучение	Инфракрасный детектор пироэлектрического типа	* * >|е *	*****	*******	***,*	***
Изменение частоты	Кварцевый резонатор	ФФ	***
Изменение цвета	Термочувствительная краска		***
Тепловые шумы	Платиновый провод		*>*,*	*******
Деформация, разрушение	Плавки Гі 11 редо храп иге л ь		****

Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости /7-и-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термо-чувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.

Оптические датчики. Подобно температурным оптические дат» чики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. По принципу оптико-электрического преобразования эти датчи-ки можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических (в табл. 4.3, приведена классификация трех типов).

Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект, - это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/Л (где /^-постоянная Планка, с-скорость света, Х-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 сере-дине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Не-достаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).

Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах /?-7?-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри р-п-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 датчикам широкую сферу применения.

Таблица 4.3

Классификация оптических датчиков

 

Вид	Принцип преобразования	Основное назначение	Исполнение	Рабочая область спектра	Тип	Достоинства и особенности
Фото-приемные	Фотоэле к- тронная эмиссия				Фотоэлемент электровакуумный	Высокая чувствительность, высокая скорость отклика, возможность счета фотоимпульсов
					Фотоэлектронный умножитель	Высокая чувствительность, большой выходной сигнал, возможность счета фото импульсов, быстрый отклик
	Фотопроводимость				Фоторезистор	Высокая чувствительность, малые габариты, малая стоимость
	Фото-гальва-ниче-ский эффект	Фотообнаружение	Одиночный элемент	Ультрафиолетовая	Фотодиод	Малые габариты, не требуется источник электрического питания
				Видимая	Фотодиод	Не требуется источник электрического питания
					То же, со встроенной схемой усилителя	Широкий динамический диапазон, значительный выходной сигнал
Фото-приемные
				Ближняя инфракрасная	Фотодиод	Малые габариты, низкая стоимость, не требуется источник электрического питания
					То же, малоинерционный	Малые габариты и быстрота отклика, особенно у PIN-диодов
					Фототранзистор	Мощный выходной сигнал, малая стоимость, хорошее согласование с транзисторами

Пироэлектрические эффекты - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными 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:

Возможность бесконтактного обнаружения.

Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.

Высокая скорость отклика.

Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.

Обширная сфера использования: измерение различных физических величин - перемещения, температуры, давления, плотности и др., определение формы, распознавание 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 жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например, диафрагмы, гофрированной мембраны и т.д. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитострикционные, 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 полупроводниковые тензометры. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с необходимыми периферийными схемами. Технология изготовления таких тензометров достаточно хорошо освоена. Она выглядит так: путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с п-проводимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы R1 и R2, имеющие /?-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одной из пар резисторов увеличивается, а другой - уменьшается. Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которую входят эти резисторы.

Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются для измерения артериального давления крови, в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы, которые характерны для этих датчиков и которые, по всей видимости, будут решены в ближайшем будущем, - это устранение температурной зависимости, повышение устойчивости к внешней среде и увеличение срока службы,

Датчики влажности и газовые анализаторы. Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков влажности 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. В последнее время у датчиков влажности появилась новая, быстро расширяющаяся область применения, а именно системы автоматизации управления электронной кухонной плитой и устройства обнаружения повышенной влажности (нерабочее состояние) в видеомагнитофонах.

Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в до. машних 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 пропана, используется главным образом полупроводниковая керамика 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 недолговечности.

Магнитные датчики. Главной особенностью магнитных датчиков (табл. 4.4), 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.

Таблица 4.4

Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В ^стоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные интегральные схемы наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Особенно эффективно применение элементов Холла в бесколлектор-ных двигателях видеомагнитофонов, где они используются для определения положения угла поворота и управления частотой вращения.

Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давкою историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используются ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т.е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества. Одна из сфер применения датчиков этого типа-многодорожечные магнитные головки в цифровых магнитофонах для записи и воспроизведения звуковых сигналов импульсно-кодовой модуляции (ИКМ-сигналов).

Взяв за основу элементы Холла или магниторезистивные, можно с помощью промежуточных преобразований явлений создать датчики давления, массы, расхода жидкости и др.

Эффект Джозефсона или, иными словами, эффект сверхпроводимости при очень низких температурах позволяет получить сверхчувствительные магнитные датчики. С их помощью можно обнаруживать микроизменения магнитного поля, связанные с потоками крови в системе кровообращения человека. Не исключено, что подобные датчики потребуются в медицине.