Для отечественной отрасли измерительных систем является первостепенной задачей остаться в лидирующем положении на расширяющихся рынках сенсоров. Вдобавок к общему усовершенствованию традиционных сенсорных устройств в течение последних двадцати лет появился ряд специфических областей, сконцентрировавших в себе новейшие измерительные технологии и материалы. Мировой рынок всех сенсорных устройств оценивается в 15-30 млрд евро/год.

Текущий рост продаж обычных датчиков составляет примерно 4% в год в сравнении с 10% для сенсоров новейших конструкций.

Изначально лидерами коммерческого использования новых научных разработок были японцы. Однако сейчас промышленно развитые страны Запада принимают, как на государственном, так и на корпоративном уровне, участие в стратегических программах по созданию сенсоров. Финансовые ведомства регулярно выбирают наиболее перспективные области в целях поощрения научных исследований и содействия коммерческому использованию результатов.

Следствием усовершенствования датчиков будет улучшение качества и увеличение производительности в промышленности и других областях. Например, считается, что в настоящее время прогресс в автоматизации технологических процессов лимитируется качеством измерительных систем и, в частности, интерфейсом промышленного оборудования. В медицине новейшие разработки для диагностического оборудования уменьшат стоимость и время, необходимое для ответа, повысят пропускную способность. Бесконтактные датчики и инвазивные микросенсоры сделают медицинское вмешательство менее травматичным для пациентов. В сфере транспорта следует отметить наличие большого количества датчиков безопасности, контроля эффективности работы двигателя, систем глобального позиционирования в современном автомобиле.

Применение сенсоров в медицине, экологии и транспорте обеспечит потенциально огромный рост рынка.

Для любого нового устройства важно, чтобы технические, а точнее переходные характеристики были правильно определены и стабильны. Часто именно это становится наиболее сложной для решения задачей при переходе от лабораторного прототипа к коммерческому продукту.

1. Варианты построения одномерных многоступенчатых датчиков

В технике измерений широко применяются многоступенчатые датчики, т.е. датчики, принцип действия которых основан на использовании нескольких физических эффектов.

Одной из причин создания таких датчиков является отсутствие физических эффектов, преобразующих входную величину непосредственно в электрический измерительный сигнал. Широкое распространение получили двухступенчатые датчики механических величин. Давление, например, можно воспринять мембраной (первая ступень преобразования), деформация которой преобразуется в электрическую величину тензопреобразователем (вторая ступень преобразования). Ниже приводятся иллюстрации использования нескольких физических эффектов в датчиках.

На рисунке 1 показан фрагмент конструкции высокочувствительного емкостного датчика давления, предназначенного для работы в области низких температур [1]. Принцип действия датчика следующий.

1 - капилляр в пробке 2,3 - мембрана корпуса 4, 5 - основание, 6 - изолирующая плёнка; 7 - конус (обкладка конденсатора); 8 - пластина (обкладка конденсатора), 9 - прокладка. 10 - подмембранная камера

Рисунок 1 - Двухступенчатый ёмкостный датчик давления

Измеряемое давление через капилляр 1 подается в подмембранную полость 10. Корпус 4 и мембрана 3 изготовлены из бериллиевой бронзы. К выступу мембраны через изолирующую прокладку прикреплена подвижная пластина 8 ёмкостного преобразователя. Неподвижная пластина 7 вгоняется в основание 5 в виде конусной пробки, обернутой изолирующей плёнкой 6. Таким образом, обе пластины емкостного преобразователя изолированы от корпуса. Сопрягающие плоскости корпуса и основания обрабатываются совместно с электродами емкостного преобразователя после закрепления электродов на корпусе и в основании. Благодаря такой обработке и изолирующей прокладке 9 устанавливается зазор между электродами ёмкостного преобразователя около 15…20 мкм. Ёмкость изготовленного преобразователя равна 30 пФ. Порог чувствительности составил 10^-14м.

Другой причиной использования многоступенчатых датчиков является расширение функциональных возможностей традиционных и хорошо себя зарекомендовавших в измерительной практике одноступенчатых датчиков. Например, ртутные стеклянные термометры расширения до сих пор широко используются, в частности, в химической промышленности. Простота их реализации, широкий диапазон измерения температур (-55…+700°С), отсутствие источника внешнего питания, равномерность шкалы измерения, химическая инертность стеклянного корпуса - все эти преимущества обеспечивают «долгожительство» термометров расширения [2].

К одному из недостатков таких термометров следует отнести отсутствие выходного электрического сигнала и как следствие невозможность дистанционной передачи показаний. На рисунке 2 приведена конструкция двухступенчатого термометра расширения, лишенного указанного выше недостатка.

1 - стеклянный ртутный термометр; 2 - обмотка индуктивности

Рисунок 2 - Двухступенчатый датчик температуры

Принцип действия такого датчика очень прост. При перемещении ртути по капилляру (первая ступень) изменяется индуктивность L обмотки 2 (вторая ступень), к которой подключен источник переменного напряжения (индуктивный преобразователь).

Третьей причиной использования многоступенчатых датчиков является возможность минимальных изменений датчика определённой величины с целью его применения при измерении другой входной величины.

При измерении оптического излучения используются термоэлементы, одна из конструкций которых показана на рисунке 3. Принцип действия таких многоступенчатых датчиков основан на преобразовании энергии оптического излучения в тепловую энергию.

1 - металлический диск; 2 - слой черни; 3 - дифференциальная термопара

Рисунок 3 - Двухступенчатый датчик оптического излучения

многоступенчатый датчик автоматизация метрологический

Диск покрыт слоем черни, поглощающей оптическое излучение. Коэффициент поглощения чернёной поверхности приблизительно равен единице, если слой черни имеет толщину, большую максимальной длины волны излучения. Для ультрафиолетового и инфракрасного излучения толщина черни 30…40 мкм. Диск нагревается, и выходной сигнал термопары (ЭДС) несет информацию об интегральной мощности падающего излучения. Эта ЭДС не зависит от спектрального состава излучения [3]. Для уменьшения конвективных потерь элементы датчика помещают в стеклянный баллон, в котором создают вакуум. Баллон имеет специальные окна из кварцевого стекла, которое прозрачно для ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Четвёртая причина увеличения количества используемых физических явлений в датчиках - это повышение требований к условиям их эксплуатации.

При измерении влажности газов широко используются алюминиево-оксидные преобразователи (ёмкостные датчики). Датчик состоит из алюминиевой подложки 1 (рисунок 4), на которой электрохимическим окислением сформирована окись алюминия (А1₂O₃). На эту окись вакуумным напылением нанесены «прозрачные» для молекул воды тонкие слои золота и серебра 3. В рассматриваемом датчике, несмотря на кажущуюся простоту его конструкции, используются два физических явления (сорбция и электропроводность), т.е. он является двухступенчатым.

1 - подложка; 2 - окись алюминия; 3 - электрод

Рисунок 4 - Двухступенчатый ёмкостный датчик влажности газов

Такой датчик, выпускаемый фирмой Testoterm (Германия), позволяет измерять влажность воздуха в диапазоне от 2 до 90%, имеет погрешность 2% и постоянное время реакции около 1 с [4]. Метрологические характеристики датчика довольно высоки, если учесть, что отечественный эталонный генератор влажности воздуха «Родник-2» имеет основную погрешность преобразования, равную 1% [5]. Этот датчик предназначен для использования при температурах от 0 до 40°С.

На рисунке 5 приведена конструкция четырёхступенчатого электролитического датчика влажности, пригодного для эксплуатации при температуре окружающей среды от -50 до +100°С [6, 7].

1 - корпус из диэлектрика; 2 - платиновый термометр сопротивления; 3 - стекловолокно, пропитанное хлористым литием; 4 - нагреватель; 5 - выводы источника переменного тока; 6 - выводы термометра сопротивления

Рисунок 5 - Четырехступенчатый датчик влажности воздуха

Датчик состоит из изоляционной трубки - корпуса 1, который обернут тканью 3, пропитанной хлористым литием. На корпус также намотана обмотка нагревателя 4. Внутрь корпуса помещён датчик температуры - термометр сопротивления 2. В данном случае используются два свойства хлористого лития. Во-первых, он является гигроскопичным веществом, поглощающим из воздуха молекулы воды (явление сорбции). Во-вторых, возникающий при этом водный раствор хлористого лития представляет собой электролит, способный проводить электрический ток (явление электропроводности жидких сред). При подключении нагревателя 4 к источнику переменного тока 5 возникает ток, ведущий к нагреву всего датчика (эффект Джоуля). Проводимость обмотки увеличивается, и влага испаряется. В итоге устанавливается равновесное состояние между фазой водяного пара и жидкой фазой. Температура, устанавливающаяся автоматически в этом равновесном состоянии, является мерой концентрации водяных паров в окружающей среде.

Многоступенчатые датчики используются при проведении специальных измерений, например при измерении энергии микрочастиц, где требуется высокая чувствительность. На рисунке 6 показана упрощённая конструкция сцинтилляционного детектора ядерного излучения (-частиц). Чувствительным элементом такого датчика является вещество 1, которое позволяет преобразовать энергию попадающей активной частицы в кванты света (явление флуоресценции).

1 - сцинтиллятор (NaJ); 2 - фотокатод; 3 - динод; 4 - анод; 5 - источник постоянного напряжения

Рисунок 6 - Четырёхступенчатый датчик радиации

Гамма-частицы детектируются фотоумножителем по эффекту сцинтилляции, которые вызываются электронами [6]. В фотоумножителях для усиления первичного фототока помимо фотокатода 2 и анода 4 используются вторичные катоды (диноды 3) и система фокусировки электронного пучка. Высокоэнергетичные электроны, бомбардируя поверхность фотокатода, выбивают электроны из его поверхности (явление вторичной электронной эмиссии). Эти электроны фокусируются элекгростатическим полем на первый из последовательно расположенных электродов - динодов, покрытых материалом, для которых вторичная электронная эмиссия значительна (эффект Комптона). Потенциалы к последовательно расположенным динодам подводятся от резистивного моста (подключенного к источнику постоянного напряжения 5) и непрерывно возрастают от динода к диноду таким образом, что вторичные электроны, вылетевшие из k-то динода, фокусируются на k+1 диноде. При этом каждый из электронов выбивает несколько вторичных электронов и осуществляется процесс их «умножения». Амплитуда выходного сигнала пропорциональна теряемой энергии частицы и зависит от ее природы.

Многоступенчатые датчики применяются тогда, когда по условиям измерительной задачи требуется осуществить бесконтактный метод измерения.

Например, тепловой датчик массового расхода жидкости (рисунок 7) состоит из тонкостенной трубки 1, на поверхность которой намотана обмотка 2 нагревателя [6]. При подключении обмотки к источнику тока U происходит ее нагрев (эффект Джоуля). С противоположных от нагревателя двух сторон симметрично установлены два чувствительных элемента температуры 3, 4, воспринимающих соответственно температуру Т₁ выше по потоку и температуру Т₂, ниже по потоку нагревателя. Когда расход жидкости равен нулю, нагрев симметричен и Т₁= Т₂. При наличии расхода температура Т₁, уменьшается, а температура Т₂, увеличивается. Разность этих температур пропорциональна массовому расходу.

1 - трубка, 2 - обмотка нагревателя; 3, 4 - чувствительные элементы температуры, например, термометры сопротивления

Рисунок 7 - Двухступенчатый датчик массового расхода жидкостей

В многоступенчатых датчиках имеется возможность введения в конструкцию элементов компенсации (коррекции) его погрешности. На рисунке 8 показана конструкция трёхступенчатого датчика давления, в котором компенсация его дополнительных погрешностей производится с помощью процедуры сравнения входной величины с мерой.

Датчик работает следующим образом. Измеряемое давление через мембрану 1 и силопередающий элемент 8 вызывает деформацию чувствительного элемента, а следовательно, сопротивления тензорезисторов моста 2.

С другой стороны, на электроды 4 узла принудительных эталонных деформаций 6, состоящего из пьезоэлемента 7, помещенного внутрь чувствительного элемента 3, подается известное эталонное электрическое напряжение U_ЭТАЛ.вызывающее деформацию чувствительного элемента 3 (обратный пъезоэффект). Так как пъезоэлемент жестко связан с упругим чувствительным элементом 3, эта деформация вызывает соответствующую деформацию чувствительного элемента и изменение сопротивлений тензорезистивного моста 2. Размер деформации узла 6 является эталонной величиной («мерой»).

1 - мембрана; 2 - тензорезистивный мост; 3 - упругий чувствительный цилиндрический элемент; 4 - электроды; 5 - узел поджатия; 6 - узел создания принудительных эталонных деформаций; 7 - пъезоэлемент; 8 - силопередаюший элемент

Рисунок 8 - Трехступенчатый датчик давления

Таким образом, осуществляется компенсация дополнительных погрешностей датчика давления, например, от влияния температуры окружающей среды. Узел эталонных деформаций может быть выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, термодеформационного преобразователя и др. Размер эталонных деформаций, создаваемый узлом 6, может задаваться дискретно или непрерывно, в зависимости от применяемого метода измерений. В случае применения нулевою метода измерений происходит процесс постоянного сравнения измеряемой величины с «мерой». Компенсация воздействия влияющих величин оказывается более полной [8].

2. Метрологические характеристики многоступенчатых датчиков

Многоступенчатые датчики в большинстве случаев не уступают по своим метрологическим характеристикам одноступенчатым датчикам На качественные свойства датчика как средства измерений влияют эффективность и обоснованность выбора физического явления при реализации датчика конкретной величин, а также степень чистоты материала чувствительного элемента и наличие у него требуемых свойств.

Например, представим, что по условиям измерительной задачи необходимо измерить температуру в области низких температур от 70 до 273 К с максимально возможной точностью. При использовании одноступенчатого датчика - термопары (эффект Зеебека) в заданном диапазоне обеспечивается погрешность порядка 0,5…1%. Это связано с низкой чувствительностью термопар, с необходимостью обеспечения стабилизации или компенсации температуры холодных спаев термопары и другими причинами. В случае выбора термопреобразователя. основанного на ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР), достигается более высокая точность в заданном диапазоне измерения.

Принцип действия этой измерительной установки основан на двух физических явлениях: прецессии атомных ядер, обладающих квадрупольным моментом, и явлении резонансного поглощения излучения веществом. При этом используется зависимость частоты поглощения высокочастотных колебаний в некоторых веществах от температуры (рисунок 9). Например, частота поглощения хлората калия (КСlO₃) при 0°С составляет 28 213 421 ±2 Гц.

Датчик температуры состоит из цилиндра 1, в котором размещена катушка индуктивности 2 генератора высокочастотных колебаний, окруженная термочувствительной солью 3. Полость датчика вакуумируется и заполняется инертным газом (гелием). С помощью измерительной установки катушка индуктивности подключается к высокочастотному LC-генератору и производится автоматический поиск и настройка на частоту ЯКР. Установки, в которых используется ЯКР одних и тех же ядер в образцах идентичного состава, имеют одинаковую и стабильную зависимость частоты ЯКР от температуры.

Датчик с чувствительным элементом из хлората калия обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 77 до 303 К с абсолютной погрешностью ± 0,005…0,015 К.

Идентичность и стабильность градуировочных характеристик ЯКР-датчиков в сочетании с частотным выходом позволяет использовать их при дистанционных измерениях температуры в метеорологии, океанографии и других областях. Кроме того, ЯКР-датчики применяются при создании эталонов температуры, например при воспроизведении практической температурной шкалы.

Следует учесть, что в многоступенчатых датчиках физические эффекты не обязательно образуют только лишь последовательную цепь при преобразовании измерительных сигналов.

Они могут быть использованы параллельно и способствовать повышению качественных характеристик датчика. Например, при измерении влажности газов распространены конденсационные датчики (датчики точки «росы»). Принцип действия такого многоступенчатого датчика основан на следующем (рисунок 10). При равномерном охлаждении некоторого объёма газа парциальное давление составляющих газового состава и водяного пара остается постоянным до момента насыщения (конденсация пара). При этом существует зависимость давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды от температуры (принцип Реньо). Определение парциального давления (влажности газа) сводится к измерению температуры насыщения.

Основными элементами такого датчика являются зеркало 3, система регулирования его температуры, состоящая из охладителя 10 и нагревателя 9, и чувствительный элемент температуры 8. Источник света 1 освещает металлическое зеркало таким образом, что при отсутствии конденсата влаги на нём свет не попадает на фотоприёмник 5. Затем зеркало охлаждается (эффект Пельтье) вплоть до появления росы. При появлении росы или инея рассеянный свет попадает на фотоприёмник и зеркало начинает подогреваться с помощью нагревателя сопротивления 9 (эффект Джоуля). При повышении температуры роса и соответственно рассеянный свет исчезают и вновь производится охлаждение зеркала. Терморезистор 8, закрепленный на обратной стороне зеркала, измеряет температуру при появлении росы (термоэлектрическая зависимость), по которой судят о влажности газа.

Следует заметить, что и при последовательном сочетании физических эффектов в многоступенчатых датчиках в ряде случаев удаётся достигнуть приемлемых метрологических характеристик датчиков конкретных величин. Задача нахождения таких сочетаний относится к оптимизационным задачам.

В этом датчике реализован термошумовой метод измерения температуры. Чувствительным элементом датчика является резистивный переход 2 сверхпроводящего кольца 1, переход Джозефсона 3 которого индуктивно связан с LC-контуром. Резистивный участок 2 с сопротивлением R=10^-5Ом служит источником тепловых шумов (шумов Найквиста). Так как напряжение шумов может принимать значение, близкое к нулю, то через резистор R пропускают ток смещения I=10^-6 А. Таким образом, к переходу 3 приложена сумма напряжения теплового шума и начального напряжения. В соответствии с нестационарным эффектом Джозефсона приложенное напряжение вызывает через переход 2 переменный ток, который модулирует высокочастотное напряжение на LC-контуре. В данном случае переход Джозефсона используется как преобразователь напряжение - частота. Напряжение с контура подается в дальнейшем на усилитель высокой частоты. Затем выделяется сигнал переменного тока, флуктуации частоты которого несут информацию об измеряемой температуре. Практически реализованные средства измерений с таким датчиком позволяют измерять температуру в диапазоне от 10 мК до 10 К с погрешностью около 1%.

В заключение уместно заметить, что при измерении многих физических величин, таких как давление, влажность газов, концентрация различных веществ, широко используются двух - трёх-ступенчатые датчики (из-за отсутствия подходящих единичных физических эффектов) для реализации принципа действия соответствующего одноступенчатого датчика, с требуемыми метрологическими характеристиками.

3. Автоматизация поиска набора последовательности физических явлений