Главная Физические и химические датчики



ловного мозга человека. Здесь, как и у человека, производятся расчеты и запоминание. Далее у человека согласно сигналам мозга приводятся в действие руки, ноги, тело, а в технической системе по командам процессора действует механическая рука или другое исполнительное устройство. Таким образом, система из микро-ЭВМ и датчиков весьма сходна по функциям отдельных элементов и по схеме поведения с человеком.

2. Специфика современных требований

В предыдущем параграфе датчики рассматривались как устройства, формирующие сигналы под воздействием внешних раздражающих факторов. Здесь акцентируется внимание на характеристиках датчиков, обусловленных современным развитием полупроводниковой техники. Значительно изменились требования к датчикам в связи с появлением микропроцессоров и больших интегральных схем (БИС). Как будет показано в гл. 2, несмотря на то что история микропроцессоров и микро-ЭВМ насчитывает уже более десяти лет, до сих пор их прогресс ощущается день ото дня. Ассортимент выпускаемых сейчас микро-ЭВМ очень широк: от малоразрядных с длиной информационного слова в 1, 2 и 4 бита до многоразрядных с длиной слова в 16 и 32 бита. Процессоры вычислительных машин этого класса весьма разнообразны по элементной базе: от биполярных с логикой транзисторно-транзисторной (ТТЛ), со связанными эмиттерами (ЭСЛ) и инжекционной интегральной логикой (ИЛ, или ИИЛ) до МОП-структур на полевых транзисторах с р- или п-проводимостью и дополняющих МОП-структур. Такое разнообразие позволяет создавать микро-ЭВМ в широком диапазоне быстродействия, энергопотребления и стоимости. Что же касается памяти, то, если следить за увеличением информационной емкости и уменьшением стоимости, темпы развития этих устройств еще более поразительны.

Таким образом, пользователь при проектировании системы может сравнительно тегко выбрать оптимальный вариант и процессора и памяти. Благодаря непрерывному и динамичному развитию технологии БИС «мозг* современно;! технической системы оттичается большим разнообразием по архитектуре и вычислительной мощности. Однако как наличие превосходного мыслительного аппарата у человека мало что значит при

отсутствии глаз, ушей, носа и других органов чувств, точно так же и технические системы, содержащие микропроцессор и память, практически бесполезны без сигналов об окружающей среде, т. е. без датчиков. Можно даже сказать, что тот, кто держит под своим контролем датчики, определяет и уровень системы. Безусловно, современные датчики намного превосходят своих старших собратьев по надежности, имея значительно меньшую стоимость, но развитие микропроцессоров настолько стремительно, что датчики поневоле отстают от них. Поэтому исследование и разработка новых датчиков являются целью концентрации усилий во многих странах.

3. Принцип действия и классификация

Как уже говорилось, датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. В табл. 1 приведен сравнительно скромный перечень.

При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах:

Температура Влажность, Давление ,

состав газов

Свет (инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи)

Звук (ультразвук и т.д.) ,

Электричество, (сопротивление, емкость)......

Магнетизм , ,.....

Механическая л.ефсолация

Радиация, рентгеновс:.Ос Hi-лучение.......

Электромагнитные СВЧ, волновое излучение ....

Термометр, датчик обледенения, датчик уровня жидкости

Газовый сигнализатор, гигрометр, датчик росы

Измеритель нагрузки, измеритель давления крови (сфигмома-нометр), расходомер

Фотодэтчик, датчик цвета, термограф, анализатор атмосферы

Датчик инфильтрации, уровне-мер, э.холот, устройства неразру-шающего контроля

Тер-морезистор, толщиномер, манометр

С-Яс.пныу пе-реключатель, га-xoMtrp, датчик потока кр )ви

Ibvepnre.u смещение датчик лгн-и-чтйя, латчн>. vaccu

Датчйч уровня, рйнтгеновский тсграф, толщиномер

Влагомер, датчик инфильтрации. 1имеритель скорости, радар



I- Таблица 1. Физические явления и преобразования энергии на их основе со

Эффект, явление, свойство

Физическая сущность преобразования

Теплопроводнооть (тепловая энергия изменение физических (тюйств)

Тепловое излучение (тепловая э11ергия->-нн-фракрасиые лучи)

Эффект Зосбека (температура -> электричество)

Пироэлектрический эффект (температура-> электрич(чмио)

Гермоэлек1р()И1П.1Й эффект (тепловая энергия-*-электроии)

Электрогермичсскин эффект Псльтье (электричествоюинонля энергия)

Электрокрмическин эффект Томсона (температура и электрнч1с i во-> тепловая энергия)

Фогогал1.н;ип1ческий эффект (свет ~)-электри-чество)

Эффект фоюироводимости (свет->-электрическое сопроi пиление)

Эффект Зеемана (свет, магнетизм спектр)

Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область с более низкой температурой

Оптическое излучение при повышении температуры физического объекта

Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев

Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при новьниснип температуры

Испускание электронов при нагревании металла в вакууме

Поглощение или генерация тепловой энергии при электрическом токе в цепи с биметаллическими соединениями

Генерация или поглощение тепловой энергии в электрической цепи из однородного материала при разных температурах участков цепи

Появление свободных электронов и положительных дырок (возникновение ЭДС) в облучаемом светом р-«-переходе

Измене1Н1е электрического сопротивления полупроводника ири его облучении светом

Расщепление спектральных линий при прохождении света в магнитном поле

ю Эффект Рамана или комбинационное рассеяние света (свет-*-свет)

Эффект ИоКкел)Са (свет и элекгрнчесгно свет)

Эффек! Керра (свет и электричество-> свет)

Эффе,\-1 Ф;11);1цея (свит и мигиетизм-свет)

Эффект Холла (магнетизм и электричество - элек11)ачее1 но)

Магниюсонропшлсиие (магнетизм и электричество-- электрическое сопротивление)

Магии гое грикн.пл (магнетизм деформация)

Пьезоэлектрический э()фект (давление->-электричество)

Эф({)ект Доплера (звук, свет -v частота)

Возникновение в веществе светового излучения, отличного по спектру от исходного монохроматического

Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный при прохождении через пьезокристалл с приложенным к нему электрическим нанряжеиисм в перпендикулярном лучу направлении

Расщепление светового луча на обыкновенный и необыкновенный в изотропном веществе с приложенным к нему электрическим напряжением в нериеидикуляриом к лучу направлении

Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитное вещество

Возпикнонеиие разности потенциалов на гранях твердого тела ири пропускании через него электрического тока и приложении магнитного ноля перпендикулярно направлению электрического тока

Увеличение электрического сопротивления твердого тела а магнитном поле

Деформация ферромагнитного тела, помещенного в магнитное иоле

Возникновение разности потенциалов на гранях сегнето-электрика, находящегося под давлением

Изменение час готы при взаимном перемещении объектов по сравнению с частотой, когда эти объекты неподвижны



Входная физическая величина

Электрический сигнал

Входная физическая величина А

Физическая

Электрический сигнал

величина В

Рис. 3. Принцип работы датчиков с прямы.м (а) и косвенным (б) преобразователем

Для датчиков технической системы в связи с обработкой их сигналов на микро-ЭВМ обязательно требуется преобразование сигналов в электрические. Однако среди датчиков далеко не все построены на основе прямого преобразования того или иного явления в электрические сигналы. Во многих датчиках необходимы еще дополнительные преобразования. Датчики подобного типа называются косвенными в отличие от прямых, или непосредственных, где электрические сигналы формируются без промежуточных преобразований (рис. 3). Возьмем, например, оптический датчик. Это фотоэлектрический элемент на основе CdS. В зависимости от освещенности изменяется электрическое сопротивление между выводами элемента (рис. 4). Другим примером датчика прямого типа служит терморезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры.

В датчиках косвенного типа явление, обусловленное непосредственным взаимодействием с внешней средой, преобразуется в другое явление (или ряд других), а последнее-в электрический сигнал (рис. 3,6), Примером такого типа может быть датчик массы на основе измерения деформз-циг. В нем осуществл.чет-ся следующая цепочка Рис. 4. Характеристика фотодат- преобразований: масса- чика механическое смещение-


изменение электрического сопротивления, в результате которых получается электрический сигнал. Еще одним примером датчика косвенного типа может служить датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Здесь осаждение инея вызывает изменение освещенности, которое, в свою очередь, преобразуется в выходной электрический сигнал.

По принципу действия датчики укрупненно делятся на физические и химические. Первые построены на основе физических, вторые - на основе химических явлений. Но, строго говоря, имеются датчики, которые нельзя четко отнести к тому или иному типу. Практически подавляющее большинство современных датчиков работаег на основе физических принципов. Для химических датчиков характерно наличие многих проблем, связанных преимущественно с надежностью, приспособленностью к массовому производству и стоимостью, В настоящее время многие из этих трудностей постепенно преодолеваются, и в будущем химические датчики найдут широкое применение, особенно как датчики запаха, вкуса или датчики медицинской электроники, вводимые в тело.

4. Основные виды

В данном параграфе представлено пять видов датчи ков и на их примере прослеживаются тенденции, харак терные для развития техники датчиков.

Температурные датчики. С температурой мы сталки наемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физи ческая величина. Среди прочих датчиков температурньи отличаются особенно большим разнообразием типов i являются одним из самых распространенных (табл. 2)

Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Тер морезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в самых разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков этого типа. Существует три вида терморезисторов: г отрицательной характеристикой (их сопротивление ; меньшается с повышением температуры), - поюжительной характеристикой (с повышением температуры сопротлвленгм увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление резко изменяется при пороговом значении температуры). На



0 [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17


0.0288