2.2. Основные типы чувствительных элементов датчиков

Элемент, преобразующий физическую величину в электрический сигнал, принято называть чувствительным элементом.

Разнообразность и противоречивость требований, предъявляемых к датчикам физических величин в различных условиях эксплуатации, определяют жесткие ограничительные условия к физическим явлениям, положенным в основу преобразования измеряемого или управляемого параметра в электрический сигнал.

К наиболее употребительным в настоящее время и перспективным следует отнести следующие типы чувствительных элементов датчиков: полупроводниковый пьезорезистивный, терморезисторный, емкостный, индуктивный, пьезоэлектрический, механотронный, химотронный, ультразвуковой, фотоэлектрический, гальваномагнитный, оптический, струнный.

Здесь рассматриваются лишь датчики с полупроводниковыми тензорезистивными, терморезисторными и гальваномагнитными ЧЭ.

Индуктивные чувствительные элементы получили достаточно широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Один из первых миниатюрных электроманометров с индуктивным чувствительным элементом был разработан А.Г. Семеновым в 1956 году, но в связи с малой надежностью этот датчик не получил широкого распространения. Сложность конструкции индуктивных чувствительных элементов, высокие требования, предъявляемые к применяемым магнитным материалам, точность изготовления, а также необходимость использования высокостабильных измерительных высокочастотных схем в значительной степени сдерживают развитие этого перспективного направления.

Электронные чувствительные элементы с механическими управляемыми электродами (механотроны) начали применяться в датчиках в основном в 50-х годах. Однако нестабильность работы механотронов и высокая температурная чувствительность задерживали их внедрение. В настоящее время отечественной промышленностью разработано для серийного выпуска несколько типов механотронных преобразователей с высокими метрологическими характеристиками (например, сверхминиатюрные механотроны 6М1Б и 6М2Б) [78].

Использование высокостабильных механотронов открывает новые возможности при разработках датчиков физических величин.

Электрохимические чувствительные элементы (химотроны) основаны на использовании электрохимических процессов, протекающих на электродах, погруженных в электролиты или полярные жидкости. В последние годы разрабатываются электрохимические элементы и приборы самого различного назначения: диоды, триоды, интеграторы, датчики механических и физических величин, управляемые резисторы, стабилизаторы макротоков, усилители постоянного тока, счетчики времени и др.

Химотронные элементы отличаются малым током потребления (в 100–1000 раз менее, чем полупроводниковые приборы) и высокой чувствительностью, которая позволяет в ряде случаев исключить из измерительных и управляющих систем усилительные устройства. Эти элементы наиболее перспективны для датчиков медленно изменяющихся давлений. Возможность миниатюризации, простота конструкции и дешевизна будут содействовать широкому распространению химотронов при конструировании различных самонастраивающихся и самообучающихся систем, они также станут одним из важнейших чувствительных элементов в бионике.

Ультразвуковые чувствительные элементы, основанные на использовании эффекта Допплера, широко используются в датчиках для измерения скорости кровотока. Впервые в мире этот метод для диагностических целей был применен у нас в стране. В датчиках широкое применение нашли пьезоэлементы из цирконата титаната свинца (ЦТС).