Компьютеризированный сбор данных. Датчики и их классификация (стр. 2 из 3)
При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах:
Рис. 4.4. Виды датчиков
Ниже рассмотрим основные типы датчиков:
а) температурные
С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных (табл. 4.2).
Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы, сопротивление которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в самых разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков этого типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), с положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление резко изменяется при пороговом значении температуры). На рис.4.5 показана зависимость сопротивления от температуры для каждого вида терморезистора. Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются посто
янные резисторы.Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости р—п-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.
Таблица 4.2.
| Принцип действия | Тип датчика (примеры) | Диапазон измеряемых тзмпаратур, °С | ||||
| -273 | 0 | 500 | 1000 | 1500 | ||
 Тепловое расширение | Термометр на основе измерения давления герметизированных | |||||
| Ртутный термометр | ||||||
| Биметаллический датчик | ||||||
| Изменение электрического сопротивления | Термометр сопротивления платиновый | |||||
| Терморезистор с отрицательной характеристикой | ||||||
| Терморезистор с положительной характеристикой | ||||||
| Терморезистор с критичной характеристикой | ||||||
| Генерация Термо-ЭДС | Термопара хромель-алюмель | |||||
| Полупроводниковый (НдСаТе) элемент | ||||||
| Изменение магнитной проницаемости | Термочувствительным феррит | |||||
| Изменение электрической емкости | Термочувствительный конденсатор | |||||
| Явления в полупроводниках | Диод,транзистор | |||||
| Тиристор | ||||||
| Интегральная схема | ||||||
| Тепловое излучение | Инфракрасный детектор пироэлектрического типа | |||||
| Изменение частоты | Кварцевый резонатор | |||||
| Изменение цвета | Термочувствительная краска | |||||
| Тепловые шумы | Платиновый провод | |||||
| Деформация, разрушение | Плавкий предохранитель | |||||
б) оптические
Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения. Как видно из табл. 4.3, по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических.
Фотоэлектронная эмиссия, или внешний фотоэффект,— это испускание электронов при падении света на физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна hc/K (где ft—постоянная Планка, с—скорость света, К—длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление, ими указанного барьера.
Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,— это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом (см. рис. 4.4). Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,—ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500—550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото- и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков—замедленная реакция (50 мс и более).
Фотогальванический эффект заключается в возникновении ЭДС на выводах р—п-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри р—п-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу,— фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Рис. 6 помогает лучше понять принцип действия фотогальванических элементов.
Пироэлектрические эффекты—это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного «рельефа» возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами: LiTaOa, РЬТЮз, ВаТЮз и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовать высокое полное сопротивление пироэлектрического элемента с его мизерными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики.
Таблица 4.3.
| Вид | Принцип оптико-электрического преобразования | Основное назначение | Исполнение | Рабочая область спектра | Тип | Достоинства и особенности |
| Фотоприемные | Фотоэлектронная эмиссия | - | - | - | Фотоэлемент электровакуумный | Высокая чувствительность, высокая скорость отклика, возможность счета фотоимпульсов |
| Фотоэлектронный умножитель | хорошее отношение сигнал-шум, большой выходной сигнал, возможность счета фотоимпульсов, быстрый отклик | |||||
| Фотопроводимость | Фоторезистор | малые габариты, малая стоимость, максимальная чувствительность CdS на волне 520 нм | ||||
| Фотогальванический эффект | Фотообнаружение | Одиночный элемент | Ультра-фиолетовая | Фотодиод, чувствительный к УФ-лучам | Малые габариты, твердотельная конструкция, не требуется источника электрического питания | |
| Видимая | Фотодиод, чувствительный к видимой области спектра | Не требуется источника электрического питания | ||||
| То же со встроенной схемой усилителя | Широкий динамический диапазон, значительный выходной сигнал, в фотокамере используется логарифмичность характеристики | |||||
| Ближняя инфракрасная | Фотодиод, чувствительный к ближней инфракрасной области спектра | Малые габариты, низкая стоимость, твердотельная конструкция, простота согласования с транзисторами, не требуется источника электрического питания | ||||
| То же, малоинерционный | Малые габариты и быстрота отклика, особенно у PIN-дио-дов | |||||
| Фототранзистор | Мощный выходной сигнал, малая стоимость, хорошее согласование с транзисторами |
Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью в. всем световом диапазоне. Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра.
Основные преимущества перед датчиками других типов:
1. Возможность бесконтактного обнаружения.
2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.
3. Высокая скорость отклика.