Основные типы датчиков и их назначение
предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно гово-
рят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием,
вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо
внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для
различных видов 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, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им
управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема ин-
формации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом,
контролируется температура, механические перемещения, наличие или
отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость
вращения и т.п.
22. Принцип действия и классификация 0
Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодейс-
твия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в элект-
рические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов
преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для
- 2 -
создания датчиков. В табл. 1 приведен сравнительно скромный пере-
чень.
При классификации датчиков в качестве основы часто используется
принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на
физических или химических явлениях и свойствах.
23. Основные виды 0
_Температурные датчики. С температурой мы сталкиваемся ежедневно,
и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих
датчиков температурные отличаются особенно большим разнообра-
зием типов и 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 температуры изменяется
довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения
параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резис-
торы.
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 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-
твительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчи-
кам, 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 от-
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-
пускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета
электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергети-
ческий барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна
1hc/л 0 (где 1 h 0 - постоянная Планка, 1 с 0 - скорость света, 1 л 0 - 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-
ности CdS 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 эффект 0 заключается в возникновении ЭДС на
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
имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков
изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью
(ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальваничес-
ких 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.
1Пироэлектрические эффекты 0 - это явления, при которых на по-
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 преобразовывать высокое полное сопротивление
пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими заряда-
ми в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из
датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.
Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые облада-
ли 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. Возмож-
ность бесконтактного обнаружения. 2. Возможность (при соот-
ветствующей оптике) измерения объектов
как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми раз-
мерами.
3. Высокая скорость отклика. 4. Удобство применения интег-
ральной технологии (оптические дат-
чики, как правило, твердотельные и полупроводниковые),
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 и некото-
рыми 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 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 -
кости и 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
давления имеют на выходе электрический 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-
ми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем
травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла
кремния с 1 n 0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях ди-
афрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие
1p 0-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, с которым, 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 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 домаш-
них помещениях - 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 газовые компо-
ненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладаю-
щих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут
быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элемен-
тов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интер-
ференции, 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 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 близость к воз-
действующему магнитному полю.
Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В нас-
тоящее время 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 исследования и разработки
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.