- •1. Первичные преобразователи (датчики)
- •Измерения. Основные понятия
- •Метрологические характеристики
- •2. Схемы формирования сигналов пассивных датчиков
- •Потенциометрические схемы с резистивными датчиками
- •Дифференциальное включение датчиков
- •Использование мостовых схем
- •Расчёт мостового чувствительного элемента
- •Емкостные преобразователи перемещений
- •3. Разомкнутая и замкнутая структура измерительных устройств для датчиков
- •4. О физических свойствах веществ и эффектах в них, использованных в изделиях мст. Понятие тензора
- •О тензорном описании физических свойств кристаллов
- •Тензорное описание воздействий на кристалл (электрические, механические и тепловые воздействия) Электрическое воздействие
- •Механические воздействия
- •Тепловое расширение
- •5. Взаимная связь физических свойств и явлений в кристаллах
- •Пироэлектрический эффект
- •Пьезоэлектрический эффект
- •Историческая справка
- •Пьезоэлектрические материалы
- •6. Тензорезисторы
- •Конструкции тензорезисторов
- •7. Микросистемные датчики давления
- •8. Датчики ускорения, вибрации, удара, положения
- •Акселерометры
- •9. Вибрационные гироскопы
- •О применении микроакселерометров и гироскопов
- •10. Субмикронные магнитные сенсоры
- •Гигантское магнитное сопротивление (гмс)
- •11. Микросенсоры расхода (газа, жидкости)
- •12. Микронасосы
- •Клапанные микронасосы
- •Пьезоэлектрический возбудитель
- •Двухклапанный поршневой насос
- •Термопневматический микронасос
- •Бесклапанные микронасосы
- •Электрические микронасосы
- •13. Термоэлектрические сенсоры температуры
- •2. Резистивные сенсоры температуры
- •3. Полупроводниковые сенсоры температуры
- •4. Пьезоэлектрические датчики температуры
- •5. Использование сенсоров температуры в комбинации с другими преобразователями
- •5.1. Каталические сенсоры концентрации газов
- •5.2. Тепловые расходомеры
- •5.3. Акселерометры с нагревом газа
- •6. Бесконтактное измерение температуры
- •6.2. Принцип действия приемников теплового излучения
- •6.3. Сенсоры излучения на основе термоэлектрического и терморезистивного эффектов
- •6.4. Пироэлектрические датчики ик - излучения
- •6.5. Термопневматические детекторы
- •14. Характерные черты кристаллической структуры и виды химических связей
- •2. Описание структуры кристаллов. Пространственная решетка
- •3. Структура алмаза
- •4. Связь свойств кристаллов кремния со структурой его кристаллической решетки
- •5. Механические свойства монокристаллического кремния
- •6. Травление – один из способов формообразования при изготовлении элементов мст
Измерения. Основные понятия
Обозначим буквой m физическую величину, которую мы измеряем
(температура, давление,…).
Процесс измерения – это совокупность операций направленных на установление численного значения это величины. Часто необходимо преобразовать измеряемую величину в электрическую, в чём-то эквивалентную, причём как можно точнее.
Датчик – это устройство, которое под воздействием измеряемой величины выдает эквивалентный сигналS, обычно электрический (заряд, ток, напряжение), являющейся функцией измеряемой величины:
S = F(m), |
где S- выходная величина датчика.
m - входная измеряемая величина.
Физическая связь между m и s может быть самой разнообразной, на вид функции влияют материалы, конструкция датчика, технология, окружающая среда и др. Проще всего определять вид функции F экспериментально при градуировке. Но грамотно спроектировать датчик, получать оптимальную точность, чувствительность и другие параметры, его характеризующие, можно только на основе понимания физики его работы и основных количественных соотношений, её характеризующих.
На рисунке приведена типичная градуировочная кривая S=F(m). Стрелки вверх – влево соответствуют процессу градуировки, вправо – вниз использованию градуированной кривой для определения измеряемой величины по отсчёту показаний датчика S:
Рис. 2. Градуировочная кривая датчика
Идеальной градуировочной характеристикой является прямая линия, отклонения от неё характеризует нелинейность преобразования.
С точки зрения формирования сигнала датчик может быть активным (генератором), выдающим заряд, напряжение или ток, либо пассивным с выходным сопротивлением, индуктивностью или ёмкостью, изменяющимися под влиянием входной величины. Иногда их называют соответственно генераторными и параметрическими.
В случае, активного датчика выдаваемый им переменный электрический сигнал может измеряться непосредственно или после вспомогательных преобразований. При использовании пассивных датчиков обязательно присутствует электрическая схема, формирующая электрический сигнал. В таблицах 3 и 4 приведены примеры физических эффектов, используемых для построения активных датчиков и преобразований, характерных для пассивных.
Наряду с активными и пассивными возможны комбинированные датчики, реализующие цепочку последовательных преобразований.
Например, давление измеряется с помощью мембраны (первичный преобразователь) деформация которой вызывает изменения сопротивления.
Колоссальное практическое значение имеет вопросы влияния внешней среды (стабильность), погрешностей измерения и др., которые здесь не рассматриваются.
Таблица 3 - Физические эффекты, используемые для построения активных датчиков
Измеряемая величина |
Используемый эффект |
Выходная величина |
Температура
|
Термоэлектрический эффект Пироэлектрический эффект
|
Напряжение Заряд |
Поток оптического излучения
|
Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводниках с p-n переходом Фотоэлектромагнитный эффект |
Ток Напряжение
Напряжение |
Сила, давление, Ускорение
|
Пьезоэлектрический эффект
|
Заряд
|
Скорость |
Электромагнитная индукция
|
Напряжение |
Перемещение |
Эффект Холла
|
Напряжение |
Таблица 4 - Физические принципы преобразования величин, используемых для построения пассивных датчиков
Измеряемая величина |
Электрический параметр, изменяющийся под действием измеряемой величины |
Используемые материалы (тип) |
Температура
Сверхнизкие температуры
Поток оптического излучения Деформация
Перемещение
Влажность
Уровень |
Сопротивление
Диэлектрическая проницаемость
Сопротивление
Сопротивление
Магнитная проницаемость, сопротивление, ёмкость
Диэлектрическая проницаемость, сопротивление Диэлектрическая проницаемость, коэффициент преломления
|
Металлы (платина, никель, медь), полупроводники
Стекло, керамика
Полупроводники
Сплавы никеля, легированный кремний Ферромагнетики магниторезистивные материалы, висмут, антимонид индия
Хлористый литий, окись алюминия, полимеры. Жидкие материалы
|