Материалы за 2005 - 2006 год / Датчики 2006

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ

1. Датчики, их классификация. В чем отличие датчиков активного и пассивного типа.

биообъект

Устройство съёма

усилитель

Регистрирующее устройство

Датчики Электроды

(сигнал неэлектрического происхождения) (сигнал электрического происхождения)

• Датчики – устройства съема измеряемой величины, осуществляющие ее преобразование в электрический сигнал, поэтому их ещё называют измерительными преобразователями.

ДАТЧИКИ

Биоуправляемые Энергетические

(изменяют свои характеристики под (воздействуют на ткани и органы энергетическим влиянием измеряемого потоком. Измеряемый биопараметр воздействует

биологического параметра) на этот поток и порождает его изменения)

(фотоплетизмограф)

генераторные (активные) параметрические (пассивные)

(под воздействием входного сигнала (под действием входного сигнала изменяется

генерируют напряжение Uили ток I - какой-либо параметр датчика.

электрический сигнал. (термопара) (термистор)

2)Зависимость сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

Сопротивление металлов при увеличении температуры линейно увеличивается, т.к. подвижность носителей заряда (свободных электронов) уменьшается вследствие возрастания числа столкновений их с атомами кристаллической решетки.

R,Ом металлы:

R = R_о (1 + α ∆T), где ∆Т = Т - Т_о

α - температурный коэффициент металла.

R_о – сопротивление при 0˚С (237К).

Если температура металла изменится на 1 К

(

∆R_п/п

∆Т=1К), сопротивление изменится на 0,3%

металл полупроводники:

k - постоянная Больцмана,

T - абсолютная температура

∆R_м

A, ∆Е – const завис. от св-в проводника

полупроводник

Если температура металла изменится на 1 К

(∆Т=1К), сопротивление изменится на 3%

∆Т T,˚C

Сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается по экспоненциальному закону.

Полупроводники не имеют свободных электронов, поэтому при Т=0К являются диэлектриками. При нагревании полупроводника кинетическая энергия валентных электронов повышается и наступает разрыв отдельных связей, и число свободных электронов увеличивается, а сопротивление уменьшается. При изменении температуры на 1К сопротивление полупроводников изменяется в 8-10 раз больше, чем у металлов.

Датчики на основе металлов называются термометрами сопротивления. Они основаны на зависимости сопротивления металлов от температуры. В этих датчиках входная величина – температура T, выходная – сопротивление R. В простейшем варианте такой датчик состоит из тонкой металлической проволоки, намотанной на каркас из изолятора. Такие датчики характеризуются линейной зависимостью сопротивления от температуры R=f(T) и небольшой температурной чувствительностью.

Чувствительность датчика показывает, на сколько изменяется выходная величина при изменении входной величины на единицу.

Датчики на основе полупроводников называются термисторами. Они основаны на зависимости сопротивления R полупроводников от температуры T. Термисторы изготавливают из кристаллических полупроводников. Эти датчики характеризуются малыми размерами, малой теплоемкостью (что повышает точность измерений), высокой температурной чувствительностью и нелинейной зависимость сопротивления от температуры R = f(t).

Примечание: для медицинских целей термометры измеряют ∆Т≤10С, поэтому на небольших участках график R = f(t) для полупроводников почти прямолинеен R= R_о(1– β·∆T), где

β - температурный коэффициент полупроводника, R_о – сопротивление при 0˚С (237К).

Для измерения температуры термометрами сопротивления и термисторами их предварительно градуируют.

3)Контактная разность потенциалов. Термо ЭДС

Если привести в полное соприкосновение (сварить) 2 конца проволочек из различных металлов, то в области соединения возникает контактная разность потенциалов.

Так как плотность свободных электронов и силы, связывающие электроны с кристаллической решеткой различны для различных металлов, поэтому при соприкосновении двух различных металлов начинается диффузия электронов из одного металла в другой.

Т

n₁ +

– n₂

ак как концентрация электронов в этих проводниках неодинакова n₁>n₂, то диффундирующие потоки различны. Один зарядится (+), другой (–) , то есть возникнет скачок потенциала на границе проводников.

Д

ē

иффузия электронов прекратится, установится подвижное равновесие

между числом электронов, переходящих с одного проводника в другой

и

UT₁

обратно, а между проводниками установится контактная разность потенциалов

Е

UT₂

сли из двух таких проводников составить замкнутую цепь и поддерживать точки контактов при одинаковой температуре (Т1=Т2), тока не будет, так как скачки потенциалов на обоих концах одинаковы и направлены навстречу друг другу. Если температуры контактов разные Т1>Т2, то в горячем спае разность потенциалов будет больше, чем в холодном U1>U2. ε = U₁ + U₂ = + = (T₁-T₂)

П

α

ри небольшом изменении температуры ε = α ·(Т₁-Т₂)

4) Термопара как датчик температуры. Ее чувствительность

Термопара – устройство состоящее из двух пар соединённых между собой разнородных проводников. Если один из спаев поместить при 0˚, а другой в среду с измеряемой температурой, то в цепи возникает ЭДС=разности контактных разностей потенциалов горячего и холодного спаев. ε=U₁+U₂ =α·(Т₁-Т₂), где α–чувствительность термопары.

Термопарой можно измерять только разности температур. Если температура одного из спаев Т₂= const (0 или комнатная), то термоЭДС будет зависеть только от температуры другого спая Т₁ (измерительный спай).

Для измерения температур, термопару предварительно градуируют – строят график зависимости термоЭДС от температуры ε (Т).

5)Градуировка термопары и термистора

Градуировка термопары – построение графика зависимости ε(Т). Градуировка производится по показаниям эталонной термопары или термометра. Данные заполняются в таблицу, по которой строят график зависимости R(T).