Загальна характеристика датчиків

>

Тензорезистивний ефект – зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули:

R = rL/S,

де r - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу, L- довжина дроту, S – його зріз. Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на рис.14.

Рис.14 Конструкція тензорезистивного датчика

Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на рис.15.

Рис.15. Схема використання тензорезистивного датчика

Зміна опору тензорезистивного датчика Rs1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.

Фірма TekscanTechnology виробляє тензодатчики у вигляді тонких плівок, які можна розмістити між будь-якими поверхнями. Опір плівки максимальний при відсутності тиску і зменшується при зростанні тиску. Якщо від плівки зробити декілька відводів, то можна вимірювати профілі тиску. Фірма виробляє також матриці датчиків, які дозволяються досліджувати двомірні профілі тиску. На рис.16 показана схема такого датчика та інтерфейсні пристрої до неї. Такі датчики використовуються, наприклад, для вимірювання тиску у медичних пристроях (протезах, тощо).

Рис.16. Матриця датчиків для двомірних вимірювань тиску

У якості тензорезисторів можуть використовуватись напівпровідникові матеріали, але вони мають більш високу температурну залежність. Якщо у мікросхемі зробити термокомпенсацію, то датчики такого типу можуть працювати як сканери тиску з великою кількістю точок вимірювання і з великою швидкість опитування.

Датчики сили і тиску дуже розповсюджені в промисловості та побуті.

Автомобільні та авіаційні застосування

- вказівними рівня та витрати палива;

- висотоміри;

- індикатори швидкості потоків газів та рідин;

- індикатори роботи та стану фільтрів;

- керування засобами безпеки пасажирів.

Медичні та біологічні застосування

- вимірювання тиску крові;

- моніторинг стану організму;

- керування засобами дихання, вентиляції та фільтрації.

Промислові та комерційні застосування

- системи керування роботами;

- засоби автоматизації будівельних робіт;

- промислові верстати та устаткування;

- системи кондиціювання;

- керування потоками газів та рідин;

- побутова техніка.

Датчики рівня рідини

Рідкі матеріали (паливо, олія, вода тощо) звичайно зберігаються у металевих ємностях. Скільки рідини залишилось в цій ємності потрібно знати увесь час. У давні часи робили скляні вікна, через які можна було бачити рівень. Але ці вікна розбивались, засмічувались, це було найслабкіше місце в усій конструкції. Використовувались також поплавці, відстань до яких контролювалась. Сучасні засоби дозволяють більш надійно визначати рівень рідини.

Використання датчику тиску показане на рис.17.

Рис.17. Датчик тиску у якості датчика рівня рідини.

У донній частині контейнеру роблять порт для підключення датчику тиску. Зрозуміло, що чим вище рівень рідини, тим більший тиск у донній частині контейнеру. Звичайно, цей тиск треба перерахувати у рівень в залежності від питомої щільності рідини.

Ємнісний датчик тиску показаний на рис.18.

У рідину встановлюється вертикальний конденсатор, довжина якого дорівнює висоті контейнера. Частина конденсатора знаходиться у повітрі, діелектрична постійна якого e = 1, а частина – у рідині з більшою діелектричною постійною e. Чим вище рівень рідини, тим більша ємність конденсатора. Масла мають діелектричну постійну між 1,8 та 5, гліцерин – 37, а водні розчини різних речовин – від 50 до 80. У якості другої обкладинки конденсатора можна використовувати стінку контейнера. Якщо рідина електропровідна, то пластини конденсатору треба покрити ізоляційною плівкою.

Рис.18. Ємнісний датчик тиску

Ультразвуковий датчик рівня закріплюється на верхній кришці контейнера. Він випромінює ультразвуковий імпульс, який відбивається від поверхні рідини. По запізненню прийнятого імпульсу відносно випроміненого можна визначити рівень рідини. Використання такого датчика показане на рис.19.

Рис.19. Ультразвуковий датчик рівня

На цьому ж принципі працює радіолокаційний датчик рівня.

Потенціометричний датчик рівня

По всій висоті контейнера встановлюється вертикальна нитка з високорезистивного сплаву. Через цю нитку пропускається струм, який її нагріває до досить високої температури. Але та частина нитки, що знаходиться у воді Rin, охолоджується, а та частина, що знаходиться на повітрі Rout– нагрівається. Сума опорів Rin + Routдає значення рівня – чим вище рівень, тим менша сума. Див. рис.20.

Рис.20. Потенціометричний датчик рівня.

Оптоелектронний датчик

В цьому датчику у полімерному корпусі міститься світло випромінюючий діод інфрачервоного діапазону та фотоприймач. Якщо датчик не контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання повністю відбивається від границі полімер-повітря (рис.21).

Рис.21. Оптоелектронний датчик рівня

Якщо датчик контактує з рідиною, то інфрачервоне випромінювання не приходить на оптоелектронний приймач і струм через цей приймач різко спадає. Такі датчики встановлюють в контейнерах з рідиною на різних рівнях. Для таких датчиків не важливо, яка рідина. Часто їх використовують в бензобаках.

Датчики кутових величин

Потенціометричний датчик кута нахилу

Цей датчик використовується, коли об’єкт, на якому він встановлюється, змінює своє положення у просторі (транспортний засіб, корабель тощо). На засобі встановлюється потенціометр, у якого є початок та кінець резистивної обмотки. Рухома частина потенціометру (повзунець) закріплений за допомогою тяги на вертикальному вантажі. Якщо нахил об’єкту змінюється, потенціометр змінює своє положення у просторі, а вантаж – ні. Тому відношення опорів плечей потенціометра R1/R2 залежить від куту нахилу, як це показано на рис.2

Рис.2 Потенціометричний датчик кута нахилу

Кодоперетворювач кута

Цей пристрій дозволяє перетворити кут повороту у цифровий код. Для цього треба створити кодову матрицю, яка показана на рис.23.

Рис.23. Кодова матриця для перетворення кута

Зовнішнє кільце матриці поділене на два сектори: перший 180° - світлий, другий від 180° до 360° - темний. Це самій старший розряд двійкового коду. Наступне кільце поділене на 4 частини по 90°: перша світла, друга темна, знову світла і знову темна. Це другий розряд двійкового коду. Трете кільце поділене на 8 частин по 45°, четверте – на 16 частин по 22,5°, п’яте – на 32 частини по 12,25° і т. і. Кожне наступне кільце має удвічі більше ділень, ніж попереднє. Кодову матрицю виготовляють на диску, який встановлюють на пристрої, що повертається. Диск освітлюється, а відбите світло попадає на фотодіоди ФД, кожен з котрих встановлений над відповідним сектором кодового диску, як це показане на рис.24.

Рис.24. Обробка даних кодової матриці

Сигнали фотодіодів оброблюються у блоках обробки, де вони підсилюються та проходять через компаратори, в результаті чого визначаються розряди цифрового коду кута повороту.

Датчики прискорення та удару

Акселерометри за технологією MEMS

Технологія MEMS (MicroElectroMechanicalSystem – мікро електронно-механічні системи) дозволяє у корпусі мікросхеми розмістити як електронні, так і механічні системи. Завдяки цьому можна механічні переміщення елементів мікросхеми перетворювати у електричні сигнали, зокрема цифрові. Типова структура такого датчика показана на рис.25.

Рис.25. Структура датчика MEMS

У якості кристалу може бути ємнісна, п’єзоелектрична, оптична, ферроелектрична система, що реагує на прискорення або удар. На рис.26 показана структура ємнісної системи, пластини якої мають товщину 20 мікронів.

Рис.26. Структура ємнісної системи

Під дією прискорення або удару пластини однієї групи зміщуються відносно другої групи, тому змінюється ємність конденсатора, яка потім перетворюється у електричний сигнал. Діапазон прискорень, наприклад для датчика ADXL202 складає ±2g.

Іншим прикладом є гіроскоп або датчик кутового прискорення. Принцип дії приладу показаний на рис.27.

Рис.27. Структура гіроскопу

Під дією кутового прискорення або кутового переміщення ротор повертається відносно електродів виявлення, завдяки чому змінюється ємність системи. Ця ємність перетворюється у вихідну напругу, що пропорційна куту переміщення. У гіроскопа ADXRS300 цей кут досягає ±300°.

3. Датчики температури

Термічні резистори

Як відомо, опір металічних провідників залежить від температури відповідно до формули:

Rt = R0[1 + a(T2 – T1)],

де Rt – опір при температурі Т2,R0 – опір при температурі Т1, a - температурний коефіцієнт, що залежить від металу, який використовується, наприклад, для заліза a = +0,005; для платини a = 0,0038; для алюмінію a = 0,0038 тощо. Зараз, як правило, використовують платинові датчики, які на відміну від інших металів мають високу лінійність (у діапазоні температур від 0 до +100°С лінійність складає ±0,2%). Платинові датчики використовуються в широкому діапазоні температур – від -183 до +630°С. При більш низьких температурах використовують датчики з родію.

Термістори

Термістори – це нелінійні напівпровідникові резистори. Вони являють собою тонкий шар напівпровідника, що розміщується на оксидах міді, кобальту, нікелю, або інших металів. На відміну від термічних резисторів зміна опору таких резисторів дуже велика: від 4 до 6% на один градус Цельсію. Термістори бувають двох типів: негативні та позитивні. У перших опір зменшується при зростанні температури, у других – збільшується. Залежність опору від температури описується формулою:

Rt = R0 exp[b(1/T2 – 1/T1)],

де Rt – опір при температурі Т2, R0 – опір при температурі Т1, b - фактор, що залежить від матеріалу і виражається у градусах Кельвіна, він звичайно знаходиться між 1500°К та 7000°К. Для порівняння зміна опору від температури для термічних резисторів та термісторів показана на рис.28.

Термопари

Термоелектричні явища були відкриті Томасом Зеебеком у 1821 р. Якщо підігріти спай двох різних металів, то на кінцях їх виводів з’явиться напруга пропорційна зміні температури з коефіцієнтом, залежним від того, яка пара металів використовується (рис.29).

Рис.28. Зміна опору від температури для термічного резистора

Рис.29. Схема ефекту Зеебека

Ці спаї в типовому випадку використовуються парами – гарячий спай та холодний спай, тому потенціал Зеебека пропорційний різниці температур між спаями. Холодний спай потрібно поміщати, наприклад, у холодну воду з температурою 0°С. Але в апаратурі частіше роблять штучний холодний спай, як це показано на рис.30.

Рис.30. Схема зі штучним холодним спаєм

Замість холодного спаю вміщують схему, яка має такий самий потенціал Зеебека, як холодний спай.

Термопари частіше використовують для вимірювання високих температур, наприклад, 1500°С.

Мікросхемні датчики температури

Ці датчики являють собою стабілітрони, у яких напруга стабілізації залежить від температури з коефіцієнтом 10 мВ/°K. Еквівалентний стабілітрон має динамічний опір менший за 1 Ом і працює в діапазонах температур від -55 до +150°С. Для таких мікросхем, як LM135, LM235, LM335 похибка вимірювань складає менша за 1°С. Схема включення мікросхем такого типу показана на рис.31.

Рис.31. Схема включення мікросхемного датчика температури

4. Датчики вологості

Сорбційно-ємкісні датчики

Принцип дії таких датчиків заснований на залежності діелектричної проникливості сорбенту від кількості вологи, яка в ньому знаходиться. Шар сорбенту знаходиться між двома пласкими електродами, що утворюють конденсатор. У якості сорбенту використовують окисли металів та кремнію. Сорбційно-ємкісні датчики мають практично лінійну залежність „вологість-ємкість”. Сучасні датчики такого типу мають діапазон вимірювання вологості від 0 до 100%, лінійність у цьому діапазоні 1%.

Резистивні датчики вологості

У датчиків цього типу при зміні вологості змінюється опір сорбенту (чергування шарів пористої платини та полімеру, що нанесені на підложку з кремнію) . Вони є менш точними і мають велику залежність від температури (до 0,6% опору на 1 градус Цельсія). Без кіл температурної компенсації їх можна використовувати тільки у приміщеннях зі стабільними температурними умовами (комори, овочесховища). Діапазон вимірювання вологості: від 30 до 90%, лінійність у цьому діапазоні 5%.

Термісторні датчики вологості

У схемі рис.32 у вимірювальний міст включені два однакові термістори Rt1 та Rt2, що прогріваються струмом від джерела +U.

Рис.3 Термісторний датчик вологості

Різниця між ними у тому, що один з них поміщений у скляну оболонку, а другий – ні. Чим більша вологість, тим більше охолоджується термістор, що не знаходиться у скляній оболонці, тим більше розбаланс мосту, що підсилюється операційним підсилювачем ОП. Тому напруга на виході прямо пропорційна вологості. Перевага такої схеми – у незалежності від температури, бо опори термісторів від температури змінюються однаково.

5. Датчики газу

Датчики газу поділяються на:

- детектори вибухонебезпечних газів;

- детектори токсичних газів;

- детектори вентиляції автомобіля (пари бензину);

- детектори органічних розчинників;

- детектори фреону;

- детектори вуглекислого газу;

- детектори концентрації кисню тощо.

Принцип дії датчика на основі оксиду олова оснований на зміні електропровідності напівпровідникової плівки внаслідок абсорбції газу на її поверхні. Побудова датчика показана на рис.33.

Рис.33. Побудова датчика газу

1 – керамічна трубка тримача; 2 – резистивний нагрівач; 3 – електрод; 4 – затиски; 5 – легований оксид олова.

На трубку з оксиду алюмінію нанесений тонкий шар оксиду олова (SnO2
), що легований деякими металами (платина, мідь, нікель, паладій), кожний з яких підвищує чутливість до конкретного газу. При нагріванні до 400°С за допомогою нагрівача на поверхні оксиду олова має місце адсорбція кисню, яка залежить від газу домішки. Тому змінюється електрична провідність датчика. Такий датчик включають у резистивний міст по схемі рис.34. Щоб компенсувати температурну залежність датчика, у такий міст включають також термістор Rt.

Рис.34. Схема включення датчика газу

6. Датчики струму

Звичайно у приладах у якості датчика струму використовують резистор з малим опором і вимірюють падіння напруги на такому резисторі. Але коли струм дуже великий доводиться використовувати дуже малі опори, які важко калібрувати. Вище вже згадувалось, що у якості датчика струму можна використовувати датчик Хола, який є безконтактним датчиком і не вносить похибок у вимірювальне коло. Приклад використання такого датчика показаний на рис.35.

Рис.35 Схема датчика струму

7. Інтерфейси датчиків

Існує велика кількість датчиків з різними вихідними характеристиками. Для сполучення датчиків з аналого-цифровими перетворювачами та іншими вимірювальними засобами потрібні інтерфейси. Це підсилювачі з різними вхідними можливостями. На рис.36 показані чотири типи таких підсилювачів.

Рис.36. Чотири типи підсилювачів датчиків

Інтерфейс першого типу призначений для однополярних датчиків, з досить значною напругою на виході. Якщо така напруга мала (на рівні мілівольт), ця схема непридатна.

Інтерфейс другого типу призначений для двополярних датчиків, дві напруги яких перетворюються у одну вихідну напругу.

Інтерфейс третього типу призначений для „плаваючих” датчиків, у яких напруга не пов’язана з зовнішніми колами (оптоелектронний зв’язок). Інтерфейс четвертого типу – теж саме, але для двополярних датчиків.