Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Датчики и сенсорная электроника. Учебно-методическое пособие
.pdf
1
Федеральное агентство связи
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
А. Е. Аникеева, И. Б. Елистратова
Датчики и сенсорная электроника
Учебно-методическое пособие
Новосибирск
2021
2
УДК 681.51.(076.5), 531.7.08
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент: канд. техн. наук, доц. Архипов С.Н.
Аникеева А.Е., Елистратова И.Б. Датчики и сенсорная электроника:
Учебно-методическое пособие / Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики; каф. технической электроники. –
Новосибирск, 2021. – 73 с.
Учебно-методическое пособие разработано в соответствие с
государственным образовательным стандартом по дисциплинам «Датчики и
сенсорная электроника» и «Интеллектуальная электроника». В нем
рассматриваются теоретические сведения по разным видам датчиков, основные
формулы для расчета параметров датчиков и варианты для студентов по
выполнению практических индивидуальных заданий. Пособие предназначено
для студентов, обучающихся по направлениям 11.03.04 «Электроника и
наноэлектроника» и 11.03.03 «Конструирование и технология электронных
средств», а также всех, занимающихся вопросами проектирования электронных
интеллектуальных систем различного назначения.
© Аникеева А.Е., Елистратова И.Б., 2021
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2021
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ....................................................................................................................... 4
Правила выполнения практической части лабораторных работ ............................ 5
Лабораторно-практическая работа № 1 .................................................................... 6
Лабораторно-практическая работа № 2 .................................................................. 18
Лабораторно-практическая работа № 3 .................................................................. 28
Лабораторно-практическая работа № 4 .................................................................. 42
Лабораторно-практическая работа № 5 .................................................................. 57
Лабораторно-практическая работа № 6 .................................................................. 63
Список литературы.................................................................................................... 72
4
Введение
Данное учебно-методическое пособие для выполнения лабораторно-
практических работ по дисциплинам «Датчики и сенсорная электроника» и
«Интеллектуальная электроника» разработано в соответствие с
государственным образовательным стандартом по этим дисциплинам.
Назначение данных методических указаний – закрепить теоретические
знания и практические умения студентов по темам лабораторных работ.
В сборнике содержатся методические указания по выполнению
следующих лабораторных работ:
Лабораторная работа № 1. «Исследование тензорезистивных датчиков
малых перепадов давления».
Лабораторная работа № 2. «Исследование датчиков температуры».
Лабораторная работа № 3. «Исследование индуктивных датчиков и
датчиков магнитного поля».
Лабораторная работа № 4. «Исследование термоэлектрических датчиков».
Лабораторная работа № 5. «Исследование емкостных датчиков».
Лабораторная работа № 6. «Исследование датчиков на эффекте Холла».
Пособие предназначено для обучающихся по направлениям 11.03.04
«Электроника и наноэлектроника» и 11.03.03 «Конструирование и технология
электронных средств», а также всех, занимающихся вопросами проектирования
электронных интеллектуальных систем различного назначения.
5
Правила выполнения практической части лабораторно-
практических работ
1. Студент должен прийти на лабораторно-практическое занятие
подготовленным к выполнению практической части.
2. После проведения занятия студент должен предоставить отчет о
проделанной работе с результатами расчетов и результатами измерений.
3. Отчет о проделанной работе следует выполнять на листах в
клеточку формата А5. Содержание отчета указано в описании практической
части.
4. Расчет следует производить с точностью до двух значащих цифр.
5. Вспомогательные расчеты можно выполнять на отдельных листах, а
при необходимости, чтобы проследить правильность расчетов, на листах
отчета.
6. Оценку по практическим расчетам студент получает, если:
- расчеты выполнены правильно и в полном объеме;
- результаты сведены в итоговую таблицу;
- может пояснить выполнение любого этапа работы;
- отчет выполнен в соответствии с требованиями к выполнению
лабораторных работ по данной дисциплине преподавателя;
- отвечает на контрольные вопросы на удовлетворительную оценку и
выше.
- студент прошел тестирование в электронном учебно-методическом
пособии по лабораторно-практическим работам.
7. Зачет по лабораторно-практическим работам студент получает при
условии выполнения всех предусмотренных программой работ после сдачи
всех отчетов и защиты каждой работы с оценкой.
6
Лабораторно-практическая работа № 1
«Исследование тензорезистивных датчиков малых перепадов давления»
1.1 Цель работы
1. Изучить назначения, принципы действия и устройства тензодатчиков
и их основные параметры.
2. Получить практические навыки определения основных параметров и
характеристик тензочувствительных преобразователей.
1.2 Теоретические сведения
Тензометр (тензодатчик) – устройство, прибор для измерения
деформации в твердых телах, возникающих под воздействием механических
нагрузок. Традиционно тензометры применяются для исследования
распределения деформаций и соответственно механических напряжений в
деталях машин, механизмов и конструкций. Применяют различные по
принципу действия тензометры – механические, оптические,
электромагнитные, резистивные и др.
Наиболее широкое применение получили резистивные тензометры, в
основе которых лежит использование резистивных тензопреобразователей, в
дальнейшем просто тензопреобразователей (ТП) или тензодатчик [1].
Естественной входной величиной таких преобразователей является
относительная деформация, естественной выходной – электрическое
сопротивление.
Приведем классификацию тензорезисторов (по конструкции):
1) проволочные;
2) жидкопроводниковые;
3) фольговые;
4) пленочные;
5) полупроводниковые дискретного типа;
6) интегральные полупроводниковые.
Принцип работы ТП заключается в следующем. При воздействии на
проводник длиной l и сопротивлением R механической нагрузкой F
(растяжение или сжатие) происходит изменение его сопротивления на величину
±∆R. Изменение сопротивления проводника объясняется двумя факторами:
изменением геометрических размеров – длины и сечения и изменением
удельного сопротивления (проводимости) материала проводника при его
деформации. Тот же эффект наблюдается и при деформации элемента,
выполненного из полупроводникового материала. В зависимости от того, какой
материал используется для изготовления ТП, различают тензопреобразователи
7
проводниковые и полупроводниковые (ППТП).
1.1) Наибольшее распространение получили петлевые проволочные
тензорезисторы. Петлевой проволочный тензорезистор представляет собой
несколько петель микропровода, прикрепленных клеем к пленочной или
бумажной основе (подложке), являющейся диэлектриком.
База таких тензорезисторов – от 5 до 100 мм. К достоинствам петлевых
проволочных тензорезисторов следует отнести простоту подготовки к
проведению эксперимента, значительный диапазон баз, возможность
использования в широком диапазоне температур (от -200º до +100º) и др., к
недостаткам – наличие поперечной чувствительности (частичное изменение
сопротивления тензорезистора, при его деформировании в поперечном
направлении). Вид представлен на рис. 1.1 [4].
1 – основа тензорезистора; 2 – микропровод (тензочувствительный
элемент); 3 – контактные провода (медные); l – база тензорезистора
Рисунок 1.1 – Петлевой проволочный тензорезистор
1.2) В целях уменьшения погрешностей от поперечной
чувствительности были разработаны беспетлевые (решетчатые) проволочные
тензорезисторы, вид представлен на рис. 1.2.
К достоинствам беспетлевых проволочных тензорезисторов следует
отнести низкую поперечную чувствительность.
Беспетлевые однопроволочные из тянутой проволоки диаметром 10...20
мкм, IБ от 10 мм и выше, предназначены для измерений на металлических и
неметаллических материалах.
Тензорезисторы беспетлевые из жилы литого микропровода диаметром
2... 6 мкм, IБ = 1 ... 3 мм используются для измерения в зонах со значительными
градиентами деформаций [4].
8
1 – основа тензорезистора; 2 – микропровод (тензочувствительный
элемент); 3 – контактные провода; 4 – медные перемычки; l – база
тензорезистора
Рисунок 1.2 – Беспетлевой проволочный тензорезистор
В варианте, когда в одном месте необходимо измерить деформации в
нескольких направлениях, применяют многоэлементные тензорезисторы
(розетки), образованные из двух, трех или четырех линейных
тензочувствительных элементов, объединенных общей основой.
Решетки проволочных тензорезисторов изготовляют из
тензометрической константановой проволоки. В высокочувствительных
тензорезисторах используют отожженную в вакууме мягкую константановую
проволоку с относительным удлинением 10...20 %. Высокотемпературные
тензорезисторы для измерений при температуре свыше 525 К изготовляют из
хромоникелевых, никель-молибденовых, а также легированных
хромоникелевых сплавов. Тензорезисторы общего назначения обычно имеют
бумажную и пленочную основу с ограниченной термо- и морозостойкостью и
пригодны для измерений в диапазоне температур 225...325 К. Диапазон
измеряемых деформаций для них составляет +3...10 тыс. ед.
2) Жидкостные тензопреобразователи представляют собой резиновый
капилляр с внутренним диаметром 0,1–0,5 мм, заполненный ртутью или
электролитом. Жидкостные ТП позволяют преобразовывать большие
относительные деформации до 30–50 %.
Недостатками этих ТП являются низкое начальное сопротивление,
например, ртутные преобразователи имеют начальное сопротивление единицы
Ом, и большой ТКС.
3) Наиболее универсальными являются фольговые тензорезисторы,
которые выполняются из тонкой тензофольги толщиной 5–10 мкм
фотолитографским способом.
9
Фольговые тензорезисторы имеют решетку из тонколистового металла
(фольги) толщиной 5...10 мкм. Основой тензорезистора является пленка из
синтетической смолы или бумага, пропитанная клеем. Толщина пленочного
основания тензорезистора составляет 30...40 мкм, бумажного – 80...100 мкм.
Выводы обычно изготовляют из медной проволоки 0,12...0,15 мм. Фольговые
тензорезисторы по сравнению с петлевыми проволочными имеют, как правило,
лучшие технико-метрологические характеристики. Решетка может быть
выполнена практически любой формы и размеров. Элементы решетки
фольговых тензорезисторов имеют прямоугольное сечение с более выгодным
отношением периметра к площади поперечного сечения, чем в тензорезисторах
с круглым сечением элементов решетки. Благодаря этому рассеяние тепла
фольговым тензорезистором происходит гораздо лучше, а допустимый рабочий
ток и выходной сигнал могут быть значительно больше, чем у проволочного
тензорезистора при тех же размерах. Фольговые по сравнению с проволочными
имеют существенно более низкую чувствительность в поперечном направлении
за счет увеличения ширины поперечных участков решетки. Технология
изготовления фольговых тензорезисторов основана на использовании
фотохимических процессов и обеспечивает получение решетки любой формы с
базами от 0,3 мм и более. Технология удобна для массового производства [1].
Основные технологические этапы технологии изготовления фольговых
тензорезисторов:
1. Проектирование тензорезистора и изготовление чертежа решетки.
2. Изготовление фотошаблона. Фотошаблон – изображение тензорезистора на
фоточувствительной пленке или пластине в натуральную величину. На
одном фотошаблоне обычно помещают от 60 до 200 изображений решеток
тензорезисторов.
3. Нанесение рисунка решетки на фольгу. Эту операцию осуществляют путем
контактного копирования с негатива на фольгу, предварительно покрытую
светочувствительным кислотоупорным составом.
4. Травление. Участки фольги, не покрытые кислотоупорным составом,
растворяются.
5. Присоединение выводных проводников.
6. Заделка в пленку.
Вид представлен на рис. 1.3.
В качестве подложки у таких тензорезисторов используется пленочная
или бумажная основа.
Достоинства – низкая поперечная чувствительность; высокая
технологичность изготовления; возможность получения тензорешётки любой
формы, возможность изготовления тензорезисторов практически любой базы
(от 0,2 до 100 мм), измерение деформаций в зонах с высоким градиентом на
малых базах, измерение больших пластических деформаций, деформаций как
при статических, повторных, так и при высоких скоростях нагрузки.
4) Тензорезисторы пленочного типа получают путем вакуумной
10
возгонки (сублимации) тензочувствительного материала и последующей его
конденсации на подложку [4].
1 – основа тензорезистора; 2 – микропровод (тензочувствительный
элемент); 3 – контактные провода; l – база тензорезистора
Рисунок 1.3 – Фольговой тензорезистор
5) Полупроводниковые тензорезисторы дискретного типа представляют
собой тонкие полоски из кремния или германия. Толщина 20...50 мкм, длина
2...12 мм, ширина 0,15...0,5 мм. Изменение сопротивления полупроводникового
элемента при деформации в десять раз больше, чем проводникового.
Существенно выше и величина выходного сигнала. Изготавливаются обычно
путем резки монокристалла с последующим травлением. Травление
необходимо для того, чтобы на поверхности тензочувствительного элемента не
осталось микротрещин от механической обработки.
Поликристаллические не используют из-за большого гистерезиса и
временной нестабильности их характеристик.
6) Интегральные полупроводниковые тензорезисторы изготавливают по
методу планарной технологии. Выращивают непосредственно на упругом
элементе, выполненном из кремния или сапфира. Выращивают структуры в
виде полумоста или моста и термокомпенсирующие элементы.
КНК – кремний на кремнии.
КНС – кремний на сапфире.
Наибольшее распространение получили КНС. Недостатком КНК
является невысокая надежность ввиду несовершенства электроизоляционных
свойств р-n перехода.
Вид приведен в соответствии с рис. 1.4 [4].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]