Цифрові датчики

1. Вимірювальні перетворювачі (датчики)

Поняттям “датчик” в загальному випадку позначають дешевий у виготовленні, але надійний приймач і перетворювач вимірюваної величини, наділений потрібною точністю і придатний для серійного виробництва.

Техніка конструювання і застосування датчиків, або, як її можна скорочено назвати, сенсорика, за останні роки розвилася у самостійну гілку вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиків фізичних параметрів стали пред'являтися все більш високі вимоги. При цьому наступним показникам:

· мініатюрність (можливість вбудовування),

· мала собівартість (серійне виробництво) і

· механічна міцність.

Для більшості фізичних величин існує багато різноманітних вимірювальних технологій, що характеризуються залежністю між сигналом на виході і вимірюваною величиною. Вимірювальний пристрій або датчик (sensor), складається з двох частин - вимірювальної головки (sensor head) і перетворювача (transducer). Термін “датчик” іноді помилково застосовують замість “вимірювальної головки”. В цій книзі під датчиком завжди розуміють повний пристрій, що включає в себе вимірювальну головку і перетворювач.

“Датчик” - У відповідності з ГОСТ 16263-70 цей пристрій називається первинним вимірювальним перетворювачем (primary measuring transducer), його частина на яку безпосередньо діє вимірювана величина, - чутливим елементом (detector), а всі наступні складові вимірювального ланцюгу - вимірювальним перетворюванням (measuring transducer). Використання терміну “датчик” не рекомендується, та для простоти в подальшому будуть використовуватися терміни “датчик” і “вимірювальна головка”

Отже вихідний сигнал вимірювального пристрою (датчика) є вихідний сигнал перетворювача. В більшості керуючих систем цей вихідний сигнал, як правило, - і переважно електричний, однак доволі часто зустрічаються і пневматичні датчики. Головна перевага електричних датчиків - це гнучкість і різноманітність способів обробки сигналу. В умовах вибухо- і пожежо-небезпечного середовища пневматичні датчики більш безпечні, ніж електричні.

Розрізняють три класи датчиків:

- аналогові датчики, тобто датчики, що виробляють аналоговий сигнал;

- цифрові датчики, що генерують послідовність імпульсів або двійковий код;

- бінарні (двійкові) датчики, які виробляють сигнал тільки двох рівнів: “включено/виключено” (тобто 0 чи 1).

2. Характеристики (параметри) датчиків

2.1 Статичні характеристики датчиків

Статичні характеристики датчиків показують, наскільки коректно вихід датчика відображає вимірювану величину через деякий час після її зміни, коли вихідний сигнал встановлюється у нове значення. Важливими статистичними параметрами являються: чутливість, роздільна здатність, лінійність, дрейф, робочий діапазон, повторюваність і відтворюваність результату.

1. Чутливість (sensitivity) датчика визначається як відношення величини вихідного сигналу до одиничної вхідної величини (для тонких вимірювальних технологій визначення чутливості може бути більш складним).

2. Роздільна здатність (resolution) - це найменша зміна вимірюваної величини, котра може бути зафіксована і точно показана датчиком.

3. Точність (accuracy) визначає різницю між вимірюваною і дійсною величиною; вона може бути стосуватися датчика в цілому або до конкретного його показника.

4. Лінійність (linearity) не описується аналітично, а визначається виходячи з градаційної кривої датчика. Статична градаційна крива показує залежність вихідного сигналу від вхідного при стаціонарних умовах. Наближення цієї кривої до прямої лінії і визначає степінь лінійності. Максимальне відхилення від лінійної залежності виражається у відсотках.

5. Статичне підсилення (static gain) чи підсилення по постійному струму (d.c. gain) - це коефіцієнт підсилення датчика на дуже низьких частотах. Більший коефіцієнт підсилення відповідає високій чутливості вимірювального пристрою.

6. Дрейф (drift) визначається як відхилення показників датчика, коли вимірювана величина залишається постійною на протязі довготривалого моменту часу. Величина дрейфу може визначатися при нульовому, максимальному чи деякому проміжному значенні вхідного сигналу. При перевірці дрейфу нуля вимірювана величина підтримується на нульовому рівні або рівні, який відповідає нульовому вихідному сигналу, а перевірка дрейфу не максимумі виконується при значенні вимірюваної величини, що відповідає верхній границі робочого діапазону датчика. Дрейф датчика називається нестабільністю підсилювача, зміною навколишніх вимог (наприклад, температури, тиску, вологості чи рівня вібрацій), параметрів електропостачання чи самого датчика (старіння, виробітку ресурсу, нелінійність, тощо).

7. Передаточна характеристика ВП U=f(S), де S - сигнал довільної фізичної природи; передаточна характеристика лінійна та нелінійна.

8. Смуга пропускання (bandwidth) при передачі інформації і керування зі зворотнім зв'язком означає діапазон частот, в межах якого амплітудно-частотна характеристика залишається менша заданого значення (як правило 0,707 від максимального). При обробці сигналів керування і моніторингу смуга пропускання визначається як діапазон робочих частот датчика чи виконавчого механізму - тільки ті фізичні величини, робочі частоти яких лежать в смузі пропускання, можна належним чином виміряти чи змінити. При передача аналогових сигналів існують специфічні проблеми, що пояснюються електричними збудженнями. Сигнал, що передаються від датчика по електричному провіднику, може піддаватися дії шумів під впливом середовища через небажані зв'язки резистивного, індуктивного чи ємнісного характеру. Цей шум може спотворити вихідний сигнал. Одне з можливих рішень - перетворювати аналоговий вимірювальний сигнал в послідовність імпульсів, частота чи тривалість (ширина) яких певним чином зв'язана з рівнем вихідного сигналу, а після того передавати цей перетворений вимірювальний сигнал. Послідовність імпульсів може передаватися чи по електричному, чи по волоконно-оптичному кабелю.

2.2 Динамічні характеристики датчиків

Динамічні властивості датчика характеризуються цілим рядом параметрів, які, однак, доволі рідко наводяться в технічних описах виробників. Динамічну характеристику датчика можна експериментально отримати з реакції на стрибок вимірюваної вхідної величини. Параметри, що описують реакцію датчика дають уяву про його швидкодію (наприклад час нарощення, запізнювання, час досягнення першого максимуму), інерційних властивостей (відносне перерегулювання, час встановлення) і точності (зміщення).

В принципі треба намагатися мінімізувати наступні параметри.

1. Час проходження зони нечутливості (dead time) - час між початком вимірювання фізичної величини і моментом реакції датчика, тобто моментом початку зміни вихідного сигналу.

2. Запізнювання (delay time) - час, через який показання датчика перший раз досягають 50 % значення, що встановилося. В літературі зустрічаються і інші визначення запізнення.

3. Час нарощення (rise time) - час, через який вихідний сигнал збільшується від 10 до 90 % значення, що встановилося. Інше визначення часу нарощення - величина, зворотна нахилу кривої реакції датчика на стрибок вимірювання величини в момент досягнення 50 % від значення, що встановилося, помножене на значення, що встановилося. Іноді використовують інші визначення. Малий час нарощення завжди вказує на швидку реакцію.

4. Час досягнення першого максимуму (peak time) - час досягнення першого максимуму вихідного сигналу (перерегулювання).



2.3 Сфери застосування датчиків

Можливі області застосування датчиків дуже різноманітні, можливо виділити лише окремі сфери:

· промислова техніка вимірювання і регулювання,

· робототехніка,

· автомобілебудування,

· бітова техніка,

· медична техніка.

Застосування того чи іншого датчика в цих сферах визначається перш за все відношенням ціна / ефективність. В промисловому застосуванні визначаючим фактором являється похибка, яка при регулюванні процесів повинна складати 1…2%, а для задач контролю - 2…3%. Завдяки упровадженню нових технологій виготовлення (високовакуумне напилення, розпилення, хімічне осадження з газової фази, фотолітографія, тощо) і нових матеріалів безперервно розширюють сфери застосування датчиків, недосяжні раніше через високу вартість. Високий попит на промислові датчики пояснюється перш за все тим, що автоматизація набуває дедалі більший масштаб у виробництві. До стандартних застосувань в області промислової техніки вимірювань відносяться:

· витрати, кількість,

· тиск, різниця тисків,

· температура,

· рівень,

· хімічний склад.

Крім цих стандартних датчиків все ростучим попитом користуються датчики нових типів, до яких відносять, наприклад:

· датчики положення і переміщення,

· датчики зображення на ПЗС, обробка зображення,

· оптичні датчики, волоконно-оптичні датчики,

· біодатчики (біотехнологія),

· багатокоординатні датчики (аналіз шумів, розпізнавання образів).

2.4 Класифікація ВП

І. Активні і пасивні перетворювачі

1) Пасивний отримує енергію від об'єкту дослідження (вимірюваної величини) / фотодіод.

2) Активний - отримує зовнішнє живлення (фоторезистор)

фотодіод

ІІ. По розмірності

1) одиничні (точкові)

2) одномірні (розміщені вздовж однієї лінії, датчик фотоприймачів сканера)

3) двомірні (ПЗЗ - матриця цифрового фотоапарату)

4) об'ємні (набір шарів датчиків, детектори космічних променів)

ІІІ. По зоні дії (локалізації)

1) контактні та ємнісні

2) дистанційні (випромінювач / не обов'язково/ + приймач).

ВП можна класифікувати:

1) по фізичному принципу дії датчика.

2) за фізичною природою вимірюваної величини.

2.4 Фізичний принцип дії датчиків

Методи ВП (за фізичним явищем, що використовується у перетворенні): термоелектричні, оптоелектричні, акустоелектричні, п'єзоелектричні, електромагнітні, магнітоелектричні.

1) Ємнісні перетворювачі: зміна вхідної величини - зміна С - напруга.

, де е - діелектрична проникливість діелектрика, А - площа кожної пластини, х -відстань між пластинами. Величини е, А, х - залежать від вологості, температури, переміщення. Способи вимірювання С: 1) мостова схема; 2) дільник для змінного струму.

Матриці ємнісних датчиків. чутливі до зовнішніх об'єктів на відстанях 10-15 мм.

2) П'єзоелектричні перетворювачі. Механічна сила приводить до виникнення електричної напруги. П'єзоелектричні матеріали: природні (кварц); синтетичні (сульфат літія).

3) Електромагнітні перетворювачі. Провідник рухається у магнітному полі, тому генеруються електрорушійна сила (ерс). (мікрофони)

4) Електромеханічні перетворювачі (механічний контакт, що керується зовнішнім впливом - біметалічна пластинка), ввимикачі - замикання і розмикання контакту

5) Резистивні ВП. Засновані на зміні опору певної області під дією зовнішньої дії (нагрівання, освітлення, вологість, деформація): Терморезистори. Фотопровідні перетворювачі (фоторезистори). Опромінення світлом приводить до зміни опору резистора (Se, CdS, CdTe)

6) Іонізаційні перетворювачі. В газі, рідині або твердому тілі при дії іонізуючого випромінювання виникає струм іонізації між електродами.

7) ВП на ефекті Холла. Через напівпровідник, розміщений в магнітному полі, пропускають електричний струм. При цьому в поперечному напрямі до магнітного поля і струму виникає різниця потенціалів, яка пропорційна до напруженості магнітного поля (в магнітному полі розділяються електрони та дірки).

8) ВП на основі термоелектричного ефекту.

9) Фотоелектричні перетворювачі (фотодіоди), засновані на явищі зовнішнього або внутрішнього фотоефекту, реагують на ІЧ, видиме, УФ, Х та г випромінювання (генерується напруга). ПЗС - матриці

3. Області використання датчиків

Більшість датчиків з перетворювачем, що використовуються в системах керування, генерують аналоговий сигнал. Як правило, при керуванні вимірюються наступні фізичні величини:

· Електричні і магнітні характеристики;

· Параметри переміщення;

· Сила, момент і тиск;

· Температура;

· Рівень заповнення ємкості;

· Витрачання;

· Щільність, в'язкість, консистенція;

· Концентрація (газу, рідини, розчинених і зважених речовин);

· Хімічна чи біохімічна активність

3.1 Вимірювання температури

Велика кількість процесів, в тому числі і в повсякденному житті, регулюються температурою, наприклад:

· регулювання опалення на основі вимірювання температури теплоносія на вході і на виході, а також температури в приміщенні і зовнішньої температури;

· регулювання температури води в пральній машині;

· регулювання температури електропраски, електроплитки, духовки, тощо.

Крім того, шляхом виміру температури можна посередньо визначити і інші параметри, наприклад потік, рівень, тощо.

При використанні такого роду датчиків температура вимірюється, як правило, на основі залежності електричного опору від температури. В залежності від того, зростає чи знижується електроопір датчика при зростанні температури, розрізняють напівпровідникові датчики відповідно з позитивним чи негативним температурним коефіцієнтом опору (ТКС). Металеві датчики температури із нікелю чи платини завжди володіють позитивним ТКС. У випадку датчиків на основі термопар з'являється ЕРС, пропорційна температурі.

При вимірюванні температури є два варіанти взаємодії датчика з об'єктом:

1) термометрична взаємодія, тепло від об'єкта передається датчику через середовище шляхом теплопровідності або конвекції.

2) Тепло передається через випромінювання (радіаційна пірометрія).

Залежність властивостей багатьох матеріалів від температури не завжди являється недоліком - з таких матеріалів виготовлюються датчики температури. Конструкція вибирається таким чином, щоб підсилити температурну залежність якої-небудь електричної характеристики. Ця залежність, як правило, являється нелінійною, що утворює додаткові труднощі при її застосуванні. Як правило, застосовуються три типи датчиків температури:

· термоелементи;

· резистивні детектори температури;

· термістори.

Термопари (Термоелементи)

Чутливість термопар до температури заснована на термоелектричному ефекті, при якому використовується з'єднання двох матеріалів (металів і сплавів, наприклад міді і мідно-нікелевого сплавів, заліза і мідно-нікелевого сплавів чи платини і платинорідного сплавів).

Одночасно використовується два спаї, один з яких знаходиться при відомій (опорній) температурі, а другий вимірює температуру об'єкту і називається чутливим або вимірювальним.

Перший термоелемент був створений в 1887 році французьким науковцем Ле Шателье (le Chatelier). В термоелементі дві точки контакту А і В з'єднані двома паралельними провідниками, виконаними з різних металів (наприклад, алюміній і мідь). Таким чином утворюється замкнутий ланцюг (рис.2.3).

Рис. 2.3. Принцип роботи термоелемента. Якщо температури точок А і В різняться то по замкнутому ланцюгу циркулює струм. На правому малюнку наведений реальний ланцюг для вимірювання цього струму. Точка А відповідає “горячому” спаю, а В і С холодному. Точки В і С повинні мати однакову температуру.

Якщо температури в точках А і В відрізняються, то по ланцюгу починає протікати електричний струм. Це явище називається термоелектричним ефектом, чи ефектом Сібека (Seebeck), по імені винайденим його в 1821 році дослідника.

Якщо між спаями є різниця температур, то на виході термопари буде напруга U. Залежності U(T) для різних матеріалів відомі, що дозволяє визначати T через U. Якщо один спай занурити, наприклад, в лід що тане (0°С), а інший ввести в контакт з об'єктом вимірювання, то між ними з'являється термо-ЕРС, яку можна виміряти, і яка складає, в залежності від виду термопари 7…75 мкВ/°С.

У випадку термопари з міді і мідно-нікелевого сплаву термо-ЕРС в діапазоні температур 0…100°С складає приблизно 40 мкВ/°С. При різниці температур спаїв в 100°С отримуємо приблизно 4.3 мВ. Для достатньо точного виміру такої незначної напруги необхідні дорогі та складні вимірювальні підсилювачі. Крім того опорна температура завжди має підтримуватися на одному рівні або також вимірюватися.

В майбутньому термопари повинні замінити ртутні термометри опору.

Типи термопар:

1) Платина і платинородій, де платинородій (90% платини і 10% родія)

2) Мідь і константан (57% міді, 43% нікелю)

Існують також високочутливі напівпровідникові термоелементи (10 мВ на 1 градус), напруга вимірюється на р-п переході.

Резистивні детектори температури

Резистивні датчики засновані на зміні опору провідників при зміні температури (при підвищенні температури опір збільшується).

Для точного виміру температури в діапазоні від -200 до +850°С частіш за все використовують датчики температури з нікелю чи платини. Електричний опір металевих провідників змінюється згідно рівнянню:

,

де - опір при 0°С (тобто при 273 К),

- опір при температурі ,

б - температурний коефіцієнт опору (платини б=0.004 [°C^-1]).

Рис.2.4. Температурна характеристика опору термістора і резистивного детектора температури (RTD)

В якості матеріалу часто використовується платина завдяки високій хімічній стійкості, стійкості до високих температур. Може бути використана при температурах від -220?С до +1050?С. В платинових термометрах платина може бути у вигляді дроту або плівки і звичайно покривається захисним матеріалом. Один з недоліків таких термометрів - малий опір (100 Ом).

Термістори

Термістор (thermistor) - це напівпровідниковий резистивний прилад, опір якого залежить від температури. Опір термістора при збільшенні температури зменшується, використовуються в діапазоні температур від -50?Сдо +300?С (600). Матеріалами для термісторів служать суміші сульфідів і селенідів. Його опір нелінійно залежить від температури (рис.2.4)

де Т - температура в градусах Кельвіна, R₀ - опір при опорній температурі T₀ (як правило 298 К, тобто 25 °С), а в - постійна.

Через опір термістора при протікання по ньому струму виділяється тепло. Енергія, що виділяється в термісторі при 25 °С, має, як правило, порядок 0.002 мВт. При постійній розсіювання близько 1 мВт/°С температура датчика буде підвищуватися на 1 °С (на повітрі) на кожний міліват розсіяної потужності.

Термістор не являється точним датчиком температури. Однак, завдяки своїй чутливості, він використовується для вимірювання малих відхилень температури. Цей пристрій доволі надійний як механічно, так і електрично. Нелінійна вихідна напруга термістора має бути перетворене в лінійну залежність від температури. Це можливо зробити за допомогою аналогового пристрою чи програмним способом. Програмними методами можна безпосередньо задати градуйовану таблицю чи функцію, обернену характеристиці термістора. Лінійність характеристики можна отримати, приєднавши до термістору нескладні електронні пристрої.

Радіаційна пірометрія

Радіаційна пірометрія - це вимірювання температури тіла без безпосереднього контакту з ним, як сигнал використовується енергія нагрітого тіла. Пірометр - це первинний перетворювач температури, який складається з :

1) оптичної системи, наприклад лінзи для фокусування енергії випромінювання на перетворюючому елементі.

2) Перетворюючий елемент енергії випромінювання в електричний сигнал.

3) Електричної схеми обробки сигналу (підсилювачі)

В якості перетворюючих елементів використовують термопари, резистивні елементи та напівпровідникові прилади. Пірометр з резистивним елементом (золота чернь) називається болометром.

Можливо вимірювати спектр.

У температурному діапазоні від -50 °С до +150 °С велику перевагу мають кремнієві датчики. Достатньо чутливі і часто володіючі хорошою лінійністю характеристик, вони, до всього іншого, дешеві і доступні.

Мікросхема LM 335 (або її варіанти LM 135 і LM 235) має корпус транзисторного типу і може розглядатися як стабілітрон з температурним коефіцієнтом напруги (ТНК) рівним 10 мВ/ °К. Робочий діапазон температур мікросхеми LM 335 лежить в межах від -40 °С до +100 °С (для варіанту LM 135 він складає від -50 °С до + 150 °С). При цьому нульова вихідна напруга відповідає температурі абсолютного нуля 0 °К (-273,15 °С).

Рис.2.5. Датчик температури

Для робіт, пов'язаних із зануренням в рідкі середовища, буде необхідно ізолювати датчик, помістивши його в корпус з термореактивного матеріалу, причому достатньо тонкого, щоб теплова інерційність датчика збільшилася не сильно. Ідеальний варіант - це корпус, заповнений термоклеєм.

Напруга калібрування залежить від температури навколишнього середовища: наприклад, при температурі 20 °С (або 293 °К) вихідну напругу датчика потрібно встановити, на величину 2,93 В.

Можна рекомендувати і простіший спосіб калібрування при 0 °С, не вимагаючий зразкового термометра. Для цього достатньо проробити в шматку льоду отвір (наприклад, остигаючим паяльником) і помістити корпус LM З35 (але не виводи!) в талу воду, яка почне швидко заповнювати поглиблення, - це «лід, що тане», температура якого за визначенням рівна 0 °С. Після цього треба буде за допомогою багатооборотного підстроєчного резистора відрегулювати датчик до отримання на табло віртуального вольтметра показання 2,73 В.

3.2 Вимірювання механічних величин

Вимірювання мех. властивостей твердих тіл: переміщення, швидкість, прискорення, деформація, тиск.

Деформація

Розповсюдженим пристроєм виміру деформації є тензометр, що містить тонкий провідний елемент, який деформується разом з поверхнею. Опір тензометра змінюється внаслідок п'єзоелектричного ефекту, що можна виміряти електрично.

Переміщення, швидкість, прискорення

Для зміни параметрів переміщення застосовуються наступні типи пристроїв:

· потенціометри для вимірювання переміщень; вони працюють як змінні резистори;

· датчики на основі принципу електромагнітної індукції, наприклад диференціальні трансформатори, резольвери, синхро-трансформатори (сельсини);

· ємнісні датчики для вимірювання переміщень, обертів і рівнів рідини;

· п'єзоелектричні датчики, для вимірювання тиску, напруги, прискорення, швидкості, сили і моменту (п'єзоелектричний матеріал деформується під дією прикладеної різниці потенціалів або виробляє різницю потенціалів під механічним впливом);

· лазерні датчики для точного вимірювання малих переміщень;

· ультразвукові датчики для вимірювання відстаней в медичних приладах, системах авто фокусування фото- і телекамер, вимірювання рівню і швидкості.

Для вимірювання переміщення використовують кодувальні пристрої, які можуть бути оптичними та магнітними. Знаючи переміщення об'єкта в певні моменти часу, можливо також визначити його швидкість та прискорення.

Оптичні кодувальні пристрої.

Основа таких пристроїв - це диск з отворами, який при обертанні перекриває пучок світла від світлодіода до фотодіода. Таким чином для обертанні диску система рахує число отворів в диску, через яке можна судити про поворот диска та переміщення датчика. Прикладом такої системи є маніпулятор мишка.

Магнітні кодувальні пристрої.

Основа магнітного датчика переміщення - це рухомий диск з нанесеним на нього періодичними мітками з магнітного матеріалу. При обертанні диску магнітні мітки проходять близько від магнітного датчика, який виконує підрахунок міток, а відповідно і визначає переміщення.

Кодувальні пристрої також використовуються для вимірювання швидкості або витрат газу чи рідини. Принцип дії таких пристроїв наступний: в трубі розміщується диск з лопастями, що обертається потоком газу чи рідини. Поворот диску несе інформацію про швидкість та витрату робочого тіла, а для визначення повороту диску використовуються кодувальні пристрої.

Бінарні датчики

Бінарні датчики використовуються для визначення положення при механічних переміщеннях, для підрахунку елементів в дискретних потоках (наприклад числа пляшок на виході лінії розливу), для контролю досягнення граничних значень рівня або тиску або крайніх положень рухомих частин.

Датчики положення

В якості датчиків положення (position sensor) на протязі багатьох десятиліть використовуються вимикачі. Вони складаються з електричних контактів, що механічно замикаються чи розмикаються, коли будь яка змінна (положення, рівень) досягає визначеного значення. Кінцеві вимикачі (limit switch) різних типів являються важливою складовою багатьох систем керування, надійність яких суттєво залежить від саме від них. Вони розміщуються там, де “відбувається дія”, і часто піддаються великим механічним навантаженням і струмам.

На рис.2.6 наведені нормально розімкнутий замикаючий вимикач (normally open, make-contact switch), нормально замкнутий розмикаючий вимикач (normally closed, break-contact switch) і перемикач (change-over switch) в нормальному положенню і при спрацюванні. На схемах контакти вимикача як правило зображують у нормальному положенні.

	Нормально розімкнутий замикаючий вимикач	Нормально замкнутий розмикаючий вимикач	Перемикач
Нормальне положення
Положення при спрацюванні

Порогові датчики

Різні типи датчиків використовуються для визначення моменту, коли аналогова величина (наприклад, рівень, тиск, температура чи витрати) досягає деякого порогового значення. Тому їх часто називають пороговими датчиками (point sensors, limit sensors). Вони як правило використовуються для подачі аварійного сигналу, а іноді і зупинки процесу у випадку досягнення величини певного значення, що вказує на небезпечну ситуацію. Такі датчики мають бути стійкими і надійними.

Індикатори рівня

Індикатор рівня (level switch) спрацьовую, якщо резервуар заповненим до заданої висоти. Принцип дії залежить від властивостей контрольованої речовини - рідина, цементний розчин, гранули чи пил. Індикатор може або показувати поточний рівень, або видавати сигнал, коли рівень досягає заданого.

Поплавок, що знаходиться на поверхні рідини, при досягнення визначеного рівня діє як кінцевий вимикач. Геркони являються ідеальними вимикачами для рідкого середовища, так як вони водонепроникні. На поплавку має бути встановлений магніт, щоб визвати спрацювання контактів геркона. Для тої ж самої мети часто використовуються фотоелектричні датчики. Для твердих матеріалів застосовуються ємнісні датчики наближення (proximity sensors). По мірі підвищення рівню заповнювача із простору між стінкою посуду і ємнісним зондом витісняється повітря, і цьому змінюється ємність утвореного ними конденсатора, яку можна виміряти стандартними методами. Рівень можна виміряти і датчиком тиску, встановленим на дні посудини, оскільки величина тиску на дні прямо пропорційна висоті стовпа речовини. В цьому випадку може вироблятися як аналоговий (індикація поточного рівню), так і бінарний (досягнутий пороговий рівень) сигнал.

Датчики сили, моменту і тиску

Багато типів датчиків сили/моменту (force/torque) основані на вимірюванні деформації. Датчики для вимірювання деформацій називаються тензодатчиками (strand gauge). Принцип дії таких датчиків - зміна електричного опору в зразку, який піддається дії зовнішніх сил (п'єзорезистивний ефект). Відносна зміна опору як функція, що діє на датчик сили, залежить від матеріалу, який в ньому використаний: у напівпровідниковому датчику вона на 1-2 порядки більша ніж у металевому. Чутливий елемент в напівпровідниковому датчику, виконаний з монокристалу п'єзорезистивного матеріалу. Додаткова перевага напівпровідникових тензодатчиків - більш високий питомий опір у порівнянні з металевими, і відповідно менше вживання потужності і виділення тепла.

Тиск можна виміряти по відповідній механічній деформації, наприклад по вигину трубки чи відхилянню мембрани. Мембрана приєднується до кристалу кварцу, електроду конденсатора чи диференційному трансформатору (рис.4.7). Завдяки п'єзоелектричному ефекту деформований кварцовий кристал генерує різність потенціалів. Зміна ємності конденсатора, приєднаного до мембрани, можна виміряти яким-небудь електричним методом.

Диференційний трансформатор (differential transformer) - це датчик, що використовується для вимірювання переміщень. Як правило він складається з феромагнітного осердя, яких рухається в середині двох обмоток трансформатора. Одна обмотка живиться змінною напругою, а з іншої знімається вихідний сигнал. Обмотки з'єднані таким чином, щоб в нейтральному положенні осердя вихідна напруга була рівна нулю. Будь-яке переміщення осердя пропорційно змінює вихідну напругу.

Датчики наближення

Зміна електричних властивостей елементів коливальних контурів при наближенні до зовнішнім об'єктам можна використати для виготовлення датчиків наближення (proximity sensors). Ці датчики можуть видавати аналоговий сигнал, пропорційний - хоча б у визначеному діапазоні - відстанню до заданого об'єкту, або цифровий сигнал при досягненні заданого порогового значення відстані. Електричні датчики наближення використовують наступні принципи.

· Індуктивні датчики наближення працюють на основі випромінювання високочастотного електромагнітного поля обмоткою, яка входить в коливальний контур. Електромагнітне поле індукує в провідному матеріалі об'єкту вихрові струми. Коли об'єкт, відстань до котрого контролюється, наближується до датчика (як правило на 2-30 мм), коливання починають затухати. Зміну струму в коливальному контурі можна використати для спрацьовування напівпровідникового ключа.

· Ємнісні датчики наближення містять затухаючий коливальний RC-контур. Ємність залежить від відстані між обкладинками конденсатора їх площі і властивостей діелектрика між ними. Датчик приєднаний до одної з обкладинок або до діелектрика. Коли об'єкт наближається до датчика, результуючу зміна ємності, а відповідно, і частоту коливань, можна зафіксувати електрично і використати для керування вимикачем. Ємнісний датчик може виявити об'єкти, котрі не проводять струм. Діапазон спрацювання для таких датчиків, як правило, лежить між 5 і 40 мм. Ємнісні датчики можна використовувати також для вимірювання сили і тиску.

Магнітні датчики наближення розпізнають наближення об'єкту по зміні характеристик магнітного поля і не мають рухомих частин. Принцип роботи може базуватися на індуктивності, магнітному опорі (reluctance), магніторезистивному ефекті або ефекті Холла. Магніторезистивний ефект і ефект Холла зумовлені одним і тим же фізичним явищем - опір проводимого матеріалу змінюється під впливом зовнішнього магнітного поля. Якщо провідний з електричним струмом піддається дії магнітного поля, його опір збільшується (магніторезистивний ефект). Крім того на протилежних сторонах цього провідника виникає різниця потенціалів, яку можна виміряти (ефект Холла). Провідник має бути розміщений таким чином, щоб магнітне поле було перпендикулярне напрямку струму; різниця потенціалів з'являється вздовж вісі перпендикулярній і магнітному полю і напрямку струму. Геометрична форма провідника вибирається так, щоб максимальним був або магніторезистивний ефект або ефект Холла. Датчики Холла часто виконують з напівпровідникових матеріалів.

Тиск

Для вимірювання тиску (рідини, газу) використовують ємнісні та індуктивні датчики. Під тиском чутлива платина переміщується, що змінює ємність або індуктивність датчика, а ця зміна перетворюється в електричний сигнал. Приклад - датчики тиску в сучасних автомобілях.

Перспективними є досить недорогі кремнієві датчики тиску, що часто мають вихідний сигнал порядку всього декількох вольт. Як правило, такий датчик виготовлюють з кремнієвої пластини, частину якої витравлюють до утворення тонкої мембрани. Методом іонної імплантації на мембрані виконують резистивні елементи з міжз'єднаннями. При зміні тиску мембрана вигинається, і під дією п'єзоелектричного ефекту відбувається зміна опору резистивних елементів. Товщина мембрани, як і геометрична форма резисторів, визначається діапазоном допустимих значень тиску. Перевагами широко розповсюджених датчиків цього типу являються:

· висока чутливість,

· достатня лінійність,

· незначні гістерезисні явища,

· малий час спрацьовування,

· компактна конструкція.

Вимірювання і реєстрація тиску широко поширені як в промисловості, так і в повсякденному житті: метеорологічні барометри показують атмосферний тиск, а медичні тонометри - тиск в надуваній манжеті. Не слід забувати і про висотоміри (альтиметри), які, по суті, є тими ж барометрами, але із спеціальною шкалою.

Нижчеописаний простий і дешевий датчик тиску, здатний працювати з АЦП, які розглянуті в даній книзі, може застосовуватися в самих різних цілях.

Залежно від використовуваної технології датчик тиску без електронної частини може бути і дуже дорогим, і відносно дешевим. Економічні датчики, побудовані на основі кристала кремнію, були настільки вдосконалені, що тепер параметри професійного рівня можна одержати, купивши виріб приблизно за 25 доларів. Такий датчик складається з двох основних частин: герметичного корпусу, звичайно забезпеченого штуцерами, що дозволяють під'єднувати гнучкі трубки, і дуже незвичайного напівпровідникового кристала. На одній і тій же кремнієвій пластині виконані і класичні електронні компоненти, і струнні датчики натягнення (мал. 6.11).

Революційна ідея полягає у тому, що саме сама пластина, певна частина якої зроблена дуже тонкою за допомогою мікрообробки, виконує роль мембрани, що деформується під впливом тиску.

Достатньо подати постійну напругу па одну діагональ моста, що складається із струнних датчиків натягнення, і знімати з іншої діагоналі цього моста напругу, пропорційну прикладеному тиску. Так, датчики компанії Моtоro1а з серії МРХ 2000 звичайно формують нульову напругу в діагоналі при нульовому тиску і 40 мВ (реально - в межах від 37,42 до 42.58 мВ) при тиску, відповідному їх повній шкалі.

3.3 Акустичні датчики

Для вимірювання звуку в повітрі використовують різні типи мікрофонів. Найбільш поширеними є кристалічні мікрофони, які працюють на п'єзоелектричному ефекті, і конденсаторні, які працюють на ємнісному ефекті.

В п'єзоелектричних мікрофонах мембрана зв'язана з п'єзокристалом (керамікою або кристалом кварцу).

В конденсаторних мікрофонах діафрагма утворює електрод конденсатора. Рух діафрагми змінює ємність такого конденсатора, а зміна ємності перетворюється у напругу.

Для вимірювання звуку в воді використовують спеціальні мікрофони (гідрофони), принцип дії яких п'єзоелектричний.

3.4 Оптичні вимірювання

Безконтактне вимірювання ряду фізичних величин, як, наприклад, переміщень, вібрувань, температури, тощо, виявляється можливим лише за допомогою оптичних датчиків. При цьому інформація передається не по кабелю, а світловими хвилями, котрі можуть змінюватися за інтенсивністю, по фазі, кольору чи геометричному розподіленню у просторі і завдяки цьому виявляються придатними для отримання і передачі інформації.

Світло - це електромагнітне випромінювання. Довжина Х-промені (0,01- 10 нм), ультрафіолет (10- 400 нм), видимого світла (400 - 700нм), , інфрачервоне (700 - 3000 нм), радіохвилі (більше 3 мкм).

Датчиком світла служить фотодетектор (звичайно фото діод, фототранзистор, фоторезистор), принцип дії якого заснований на внутрішньому фотоефекті (на різних сторонах р-п переходу виникає різниця потенціалів.

Сітківка ока - 125 млн. паличок (11000 * 11000) і 4 млн. колбочок (2000 * 2000).

Фотодіоди

При опроміненні кремнієвих фотодіодів світлом, в них виникає напруга, що певним чином залежить від сили світла. Ефект, що викликає виникання цієї напруги, називається внутрішнім фотоефектом.

На практиці частіше за все використовують pin-діоди. Ці діоди мають шарову структуру (рис. 2.8), в якій тонкі проводящі шари p- і n-типу розділені зоною нелегованого кремнію (і). При попаданні на pi-перехід світових промінів достатньо високої енергії (Е = hv) виникає фотострум I_ah (струм короткого замикання) порядку 0,1…1 А / Вт. Чуттєвість такого фотодіода дуже сильно залежить від довжини хвилі (кольору) використовуємого випромінювання.

Фоторезистори

У деяких матеріалів (наприклад CdS, CdSe, PbS, PbSe) електричний опір змінюється під дією світла із-за утворення електронно-дірочних пар. Виникаючі при цьому вільні носії заряду визивають різке зниження опору. CdS володіє максимальною чутливістю в зеленій ділянці спектру і тому особливо придатний для використання при вимірювання освітленості. У протидію цьому максимум спектральної чутливості CdSe знаходиться в червоній ділянці, а у фоторезисторів із PbS / PbSe - навіть і в ІЧ ділянці.

Теплові приймачі випромінювання

Тепловими приймачами випромінювання називають детектори, в яких під дією випромінювання світлом відбувається нагрівання, що викликає виникнення в них вторинних процесів (зміна опору, виникнення термічних напруг). Теплові приймачі випромінювання використовуються частіш за все для ІЧ ділянки спектру, так як для видимого і УФ-діапазонів спектра існують більш чутливі датчики. Значним достоїнством теплових приймачів випромінювання являється незалежність їх чутливості від спектрального складу випромінювання, тобто їх чутливість залишається майже постійною від УФ- до ІЧ-діапазону. В табл.2.1 приведені деякі типи таких детекторів. (Виглеб)

Таблиця 2.1

Тип датчику	Фізичний ефект	Вихідний параметр
Болометр	Зміна опору металу чи напівпровідника	Опір
Термобатарея	Мініатюризоване виконання термопари. Робочий спай піддається дії випромінювання, в той час як опорний спай екранований	Напруга
Піроелектричний детектор	Зміна поляризації деякий матеріалів. Реагує тільки на зміну випромінювання	Змінна напруга

Датчики зображення на основі приладів із зарядовим зв'язком (ПЗС)

Для здійснення міжопераційного контролю технологічного процесу необхідне постійне наглядання за якістю продукції (геометричні допуски, однорідність, якість поверхні, тощо). До недавнього часу ці характеристики якості оцінювалися виключно візуально.

Принцип дії датчиків зображення на ПЗП

Датчики зображення на ПЗС складаються з кремнієвих МОП-конденсаторів чи МОП-фотодіодів, з'єднаних у вигляді послідовного ряду чи матриці. На рис.4.9 схематично наведено будову такого датчика.

У випадку лінійного (однокоординатного) датчика зображення декількох сотень фотоелементів розміщується послідовно. Так, датчик зображення на ПЗС типу ТН7803 (фірма Thomson CSF) складаються з 1728 елементів, розміщених в один ряд. Середня відстань між цими фотоелементами розміром 10х13 мкм складаю 10 мкм, в результаті чого на стрічці ПЗС довжиною 17,28 мм досягається оптична роздільна здатність 50 ліній на 1 мм.

В якості фотоелементів використовуються фотодіоди np-типу. Кожному фотодіоду відповідає окремий МОП-конденсатор як елемент пам'яті.

Датчик шорсткості

Контроль якості поверхні деталей при автоматизованому виробництві являється можливим завдяки застосуванню лінійних датчиків зображення (чи послідовного ряду фотодіодів). Дія датчика шорсткості (тип RM400S, фірма Rodenstock) основана на вимірюванні світлорозсіювання.

Пучок світла, що випускає ІЧ-світлодіод (=810 нм), фокусується об'єктивом на деталі. Світлове пляма на поверхні деталі звичайно має розмір біля 1,8 мм, а в спеціальних випадках - 0,2…4 мм. В залежності від якості поверхні досліджуваного об'єкту в зоні світлової плями відбувається розсіювання світла, яку за допомогою світлороздільної пластинки направляється на датчик зображення. Дисперсія розподілення розсіяного світла дає характеристику оптичної шорсткості поверхні S_N.

Датчики ІЧ-випромінювання

Для ІЧ-діапазону від 0,8 до 12 мкм існує множина датчиків випромінювання на основі селеніду свинцю (PbSe), сульфіду свинцю (PbS), арсеніду індію (InAs), антимоніду індію (InSb) і германію, а також п'єзоелектричні детектори.

Важливою областю застосування таких детекторів являється виявлення людей (наприклад при захисті від злому приміщень і будівель). При розгляданні спектрального складу ІЧ-випромінювання, що випускається людиною при температурі тіла біля 36,4°С , можна відмітити виразний Максимум в ділянці довжин хвиль біля 10 мкм.

Волоконно-оптичні датчики

Волоконно-оптичні датчики використовують:

a. Як лінія передачі

b. Як сенсор

Волоконно-оптичні лінії чутливі до електричного поля (ефектр Керра), магнітного поля (ефект Фарадея), до вібрації, температури, тиску, деформації (вигину).

Чутливість волокна до зовнішніх дій для лінії передачі є недоліком, а для сенсором - основою його роботи. Одномодові (діаметр сердечника близько 10 мкм), багатоходові (більше 50 мкм), n2<n1.

Розробці волоконно-оптичних датчиків сприяли і сприяють перш за все досягнення у виготовленні скляних волокон і їх системних компонентів (роз'ємів, джерел світла, детекторів, тощо). Світловий пучок, що попадає в волоконно-оптичний детектор від джерела світла (рис.4.10) під дією вимірюваного

параметру (наприклад, тиску, температури, рівня, тощо) перетерплює в детекторі зміни за інтенсивністю, поляризацією, фазою чи кольором і тим самим забезпечує отримання інформації. Розповсюдження світлових хвиль в середині датчика здійснюється по скляним волокнам, що застосовують, наприклад, в техніці зв'язку. Ці датчики нових типів знаходять застосування перш за все в умовах, що характеризуються наявністю агресивних парів чи в вибухонебезпечних газових сумішей, в зонах підвищеної радіоактивності і сильних електромагнітних полів. Із множини використовуємих в теперішній час волоконно-оптичних датчиків описані три характерні типа.

Датчик рівня

На рис.4.11,а наведений волоконно-оптичний датчик, що забезпечує точне вимірювання рівня, тобто його завишення чи заниження відносно заданого значення. Світло від світлодіода по світловоду направляється до конічного закінченню датчику і відбившись від нього, попадає на детектор. При зануренні конічного кінця датчика в рідину різниця показників переломлень вимірюється, і світло, що раніше відхилялося із-за повного відбиття виходить з конічного кінця датчика і вже не попадає на детектор. Отримане в результаті зміни інтенсивності світла служить сигналом про досягнення заданого рівня. Принцип дії U-подібного датчика рівня аналогічний (рис.411,б).

Волоконно-оптичний датчик температури

У порівнянні зі звичайними способами вимірювання температури за допомогою волоконно-оптичних датчиків значно більш трудомістке. Однак для визначений випадків застосування ці затрати виправдані, так як виявляється звичайні способи піддаються дії поміх. Сюди, перш за все, відносять наступні області застосування:

· При промисловому використанні ВЧ- і мікрохвильової техніки (харчова промисловість, вулканізація, підігрів клеїв, нанесення пластикових покрить, індукційне нагрівання, тощо).

· В хімічній технології (вимірювання температури в сильно корозійних середовищ, в електрохімічних процесах, у випадку вибухонебезпечних і легкозаймистих матеріалів).

· В електротехнічній і електронній промисловості (компоненти схем високої напруги, теплові характеристики керуючих ланцюгів і електронних компонентів, вимірювання при виготовленні напівпровідників, горячі зони в трансформаторах високої потужності, тощо).

Принцип дії волоконно-оптичних датчиків температури заснований на температурній залежності інтенсивності різних флуоресцентних ліній деяких люмінофорів.

Вимірювання струму

Дія датчика для безконтактного вимірювання струму в діапазоні 0,2…6000 А заснована на ефекті Фарадея: лінійно-поляризований промінь лазера вводиться в котушку із світловода, по вісі якої проходить струмонесучий кабель. Під дією струму І площина поляризації світла обертається (ефект Фарадея) на певний кут.

Основні схеми оптичних сенсорних пристроїв



4. Хімічні виміри

Часто потрібно рівень кислотності розчину рН=-log₁₀[H⁺], де Н⁺ - концентрація іонів водню в грамах на літр. рН змінюється в діапазоні від 0 до 14; 0 - розчин повністю кислотний, 7 - нейтральний, 14 - повністю лужний.

Вимірювання кислотності виконується розміщенням у розчині двох спеціальних електродів. Один із них - опорний електрод, інший - рН- електрод. Вимірюється різниця потенціалів на електродах, що пропорційна до кислотності.

До хімічних датчиків відносяться газові датчики, які призначенні для виявлення різноманітних газів в приміщенні чи в складі вихлопних газів. В присутності визначених газів (наприклад СО₂, СО, О₂ чи Н₂) вони виробляють електричні сигнали, які більш менш специфічні для різних сполук. При цьому використовуються різні фізичні та хімічні ефекти, які більш менш докладно будуть розглянуті нижче. Крім цих простих і надійних газових детекторів, для більш відповідальних застосувань існують ще оптичні фотометри, що переважають газові по селективності і точності. Однак вони набагато вартісні у виготовленні і мають складніший пристрій.

Для простого застосування, коли можливо обійтися помірною точністю, використовують наступні пристрої:

· термокондуктометричні комірки (СО₂, SО₂, SF₅), сигнал датчика визначається зміною теплопровідності газової суміші;

· термохімічні (каталітичні) комірки (СО, вибухонебезпечні та горючі гази);

· напівпровідникові датчики (спирти, H₂S, вуглеводороди, токсичні гази);

· паливні комірки (кисень).

Хімічні і біохімічні вимірювання

В хімічних та біохімічних процесах дуже важко вимірювати ряд фізичних характеристик. Деякі з них можна постійно вимірювати в оперативному режимі, наприклад:

· концентрацію;

· провідність;

· вміст солей;

· оксидно-відновлюваний потенціал (redox potential - oxidation-reduction potential);

· величину pH;

· рівень розчиненого кисню (dissolved oxygen, DO);

· щільність зважених частинок.

Для всіх вказаних типів вимірювань в більшості випадків існують серійні промислові датчики з прийнятними характеристиками. Як було сказано, точність та похибка вимірювань залежать не тільки від самих датчиків, але і від того як вони використовуються, тобто від обслуговування, своєчасних повірок і градуювань. Це дуже суттєво по відношенню до хімічних і біохімічних вимірювань.

5. Датчики магнітного поля

Поміж датчиків магнітного поля розрізняють датчики трьох типів, що використовують різноманітні фізичні ефекти, а саме:

· магніторезистивні датчики.

· датчики Холла

· датчики Виганда.

В загальному випадку датчики магнітного поля відрізняються простотою пристрою і зв'язаною з цим надійністю. Завдяки таким властивостям вони насамперед придатні для використання в автомобілях і побутовій техніці. Важливими і цікавими способами використання магнітних датчиків являються, наприклад, вимірювання положення, швидкості обертання, тиску і лінійної швидкості.

Магніторезистивні датчики

Деякі феромагнітні матеріали, наприклад пермалой (80% Ni i 20% Fe), змінюють свій електричний опір при взаємодії магнітного поля. Ступінь цієї зміни залежить від величини напруженості магнітного поля і кута між вектором напруженості і напрямком струму. За допомогою сучасної тонкоплівочної технології можна виготовити невеликі і дуже дешеві магніторезистивні датчики.

Вони складаються з резистивного елемента що має форму меандру (мал. 7.1.1) опором від 30 Ом до 1 кОм. Так як отримувати сигнал за допомогою таких датчиків найбільш цілеспрямовано в мостовій схемі, у датчику розміщають дві меандрові структури (А / В) різної орієнтації.

На мал. 7.1.1,б продемонстрована можливість застосування такого датчика для вимірювання швидкості



Датчики Холла

Датчики магнітного поля, що використовують ефект Холла, відносяться до активним датчикам, так я к вони самі виробляють вимірювальну напругу, пов'язане з магнітним полем. На мал. 7.2.1 схематично дається пристрій і принцип дії датчика Холла.

Під дією струму I і магнітної індукції B , вектора яких взаємно перпендикулярні, на обкладинках датчика з'являється вимірювальна напруга U_H. Величина цієї напруги залежить від геометрії (довжини l і товщини d) датчика, струм І, коефіцієнта Холла R_H і магнітної індукції В:

.

Матеріалом для виготовлення датчика Холла, частіш за все служать кремній, арсенід індію (InAs). (Виглеб)

Література

1. Виглеб Г. Датчики. Устройство и применение. - М.: Мир, 1989. - 196 с.

2. Арутюнов О.С. Датчики состава и свойств вещества. - М.-Л.: Энергия, 1966. - 160 с.