1.2.3 Классификация датчиков и требования, предъявляемые к ним
Датчики (сенсоры) позволяют получать, регистрировать, обрабатывать и передавать информацию о состоянии различных объектов и систем. Передаваемая информация может нести сведения о физическом строении, химическом составе, форме, положении и динамике исследуемой системы. Существуют различные типы датчиков. Принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах. Примерами могут быть широко известные температурные датчики, радары, эхолоты, датчики уровня радиации, датчики давления, гигрометры и др.[19, 20]
Датчики (в литературе часто называемые также измерительными преобразователями), или по-другому, сенсоры – это устройства, предназначенные для получения информации о реальном состоянии исследуемого объекта.
В автоматизированных системах управления с их помощью осуществляется обратная связь системы регулирования с объектом. Автоматизация различных технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, машинами, механизмами требуют многочисленных измерений разнообразных физических величин. Таким образом, это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы.
При систематизации сенсоров зачастую рассматривается принцип их действия, который может быть обусловлен физическими или химическими явлениями и свойствами. На рисунке 2 приведена обобщенная функциональная схема измерения с помощью химического датчика.
Существует множество явлений, эффектов и видов преобразования энергии, которые могут быть использованы для построения датчиков [21, 22].
Рисунок 2 – Функциональная схема измерения с помощью химического сенсора
К современным датчикам предъявляются следующие основные требования:
высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум;
высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к условиям внешней среды, безотказность в работе;
технологичность: малые габариты и масса, простота конструкции, интегральное исполнение, низкая себестоимость.
Основное внимание в дальнейшем уделим различным типам химических сенсоров. Внимание к химическим сенсорам продиктовано рядом причин, среди которых проблемы безопасности являются сейчас наиболее актуальными.
Химические сенсоры представляют собой датчики, в которых два типа преобразователей – химический и физический – находятся в тесном контакте между собой.
Химический преобразователь обязательно имеет в своём составе слой из чувствительного материала. На поверхности этого слоя формируется избирательный отклик на определяемый компонент: он способен регистрировать наличие определяемого компонента и динамику изменения его концентрации.
Физический преобразователь – трансдьюсер – преобразует энергию, которая возникает в ходе реакции селективного слоя с определяемым компонентом, в электрический или световой сигнал. Этот сигнал затем измеряется с помощью светочувствительного и/или электронного устройства.
Химические преобразователи устроены таким образом, что при их использовании возможна работа на принципах химических взаимодействий и на физических принципах. В первом случае аналитический сигнал обусловлен химической реакцией определяемого компонента с чувствительным слоем датчика, который выполняющего функцию преобразователя. В случае физического взаимодействия измеряется физический параметр (коэффициент поглощения или отражения света, масса, проводимость и др.).
В зависимости от характера отклика (первичного сигнала), возникающего в чувствительном слое химических сенсоров, их подразделяют на следующие типы:
электрохимические (потенциометрические, кулонометрические и др.);
электрические (полупроводниковые на основе оксидов металлов и др.);
магнитные (датчики Холла, магниторезистивные полупроводниковые элементы и др.);
термометрические;
оптические (люминесцентные, спектрофотометрические и др.);
биосенсоры (на основе различного биологического материала: ферментов, тканей, бактерий, антигенов, рецепторов и др.);
другие.
Электрохимические сенсоры
В электрохимическом сенсоре определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя раствора около электрода. Типы электрохимических сенсоров:
– потенциометрические,
– амперометрические,
– кондуктометрические,
– кулонометрические.
Требования к датчикам регулируются нормативными документами:
ГОСТ 2.710-81 – «обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах».
ГОСТ 2.755-87 – «Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения»;
ГОСТ 14254-96 – «Защищённость от твёрдых посторонних тел (пыли) и воды»
ГОСТ 12997 – «Стойкость к климатическому и механическому воздействию» (интервал температур от минус 40 до плюс 70 градусов по Цельсию).