Основные типы датчиков и их назначение

 21. 0  2Понятие датчика 0

   Человек глазами воспринимает форму,  размеры и  цвет  окружающих

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.