3. Основные требования к датчикам

В целом датчики физических величин, преобразующие измеряемые параметры в выходной электрический сигнал, должны разрабатываться в соответствии со стандартами. Конструкция и исполнение датчиков должны удовлетворять ряду специальных требований, которые в значительной степени определяются средой, окружающей датчик в рабочих условиях. Например, датчики, контактирующие с человеком, не должны раздражать живой организм.

Датчики, работающие в бортовых условиях, должны быть стойкими к вибрации. Во всех случаях должна обеспечиваться безопасность обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

В настоящее время отсутствует единая международная терминология не только по датчикам физических величин в целом, но и по отдельным классам датчиков. Это затрудняет сравнительный анализ характеристик датчиков различных фирм. К датчикам физических величин могут быть предъявлены самые разнообразные требования, определяемые условиями их применения.

Основные требования следующие: 1) отсутствие воздействия на функционирование организма человека; 2) необходимые чувствительность и точность; 3) высокая перегрузочная способность (отношение предельно допустимого значения входной величины к номинальному ее значению); 4) устойчивость к химическим и биологическим воздействиям измеряемой и окружающей сред; 5) направленность действия (малое влияние нагрузки в выходной цепи датчика на режим входной цепи); 6) малая чувствительность к неизмеряемым параметрам и компонентам полей (электрических, магнитных, гравитационных, радиационных и др.); 7) унифицированность и взаимозаменяемость; 8) малая масса и габаритные размеры; 9) экономичность и технологичность производства.

4. Надежность и вопросы миниатюризации

Конструкции датчиков постоянно усложняются. Имеется тенденция размещения большого числа деталей в ограниченных объемах. В то же время требования к надежности и увеличению срока службы датчиков неуклонно возрастают. Имеется также ряд классов датчиков, к которым предъявляются требования особо высокой надежности. Это датчики автоматических систем летательных аппаратов, контроля и регулирования в атомной энергетике, датчики для биомедицинских исследований и др.

В последние годы были проведены экспериментальные исследования по отработке методики определения срока службы отдельных деталей и конструкций. При этом сопоставляемые результаты получают при испытаниях в течение одинакового времени и при равнозначных внешних условиях. На основании опытов можно установить вероятность того, что данная деталь или элемент через определенное число часов работы еще сохранит работоспособность. Имея характеристики надежности отдельных деталей, можно определить вероятный срок службы датчика в целом. Сроком службы при этом называют ожидаемое время работы до первого повреждения.

При повышении температуры, влажности, при воздействии вибраций и ускорений срок службы деталей снижается. Действие радиоактивного излучения резко уменьшает срок службы полупроводниковых приборов и радиодеталей. Германиевые и кремниевые транзисторы полностью выходят из строя после нейтронного облучения энергией 10¹¹ – 10¹² нейтронов/см², а под влиянием меньшего облучения их срок службы значительно снижается. Также снижается срок службы деталей, имеющих такие изоляционные материалы, как слюда, керамика, полиэтилен, пластмасса, бакелит и др. Причем темп снижения срока службы этих материалов в зависимости от величины радиоактивного излучения близок по величине и линеен в значительных пределах интенсивности облучения.

Под сроком службы деталей обычно понимают число часов работы, на протяжении которых они сохраняют свою первоначальную характеристику в пределах заводских допусков. Неправильное изготовление деталей выявляют в начале их рабочих испытаний, и самое большое число повреждений происходит, как правило, в первые 100 часов их работы.

Обычно экспериментально определяют число деталей в процентах, поврежденных в течение 1000 ч испытаний. Если эту величину обозначить _а, а n – число всех деталей в приборе, n_а – число деталей каждого вида, m – ожидаемый срок службы прибора в тысячах часов, _к – число приборов в процентах, вышедших из строя за 1000 ч работы, то

. (11)

При миниатюризации датчиков физических величин перед конструктором возникает ряд специфических задач. Эти задачи связаны с использованием достижений микроэлектроники в разработках чувствительных элементов датчиков, основанных на ряде эффектов и явлений, происходящих в твердом теле. Таким комплексным чувствительным (информационным) элементом может быть полупроводниковый блок, в котором преобразование измеряемых параметров в электрический сигнал основано на тензорезисторном эффекте. Твердотельный элемент может содержать в своем объеме или на поверхности специальную интегральную схему, выполняющую роль фильтров, усилителя или согласующего устройства электрических сигналов. Совмещение комплексных упругочувствительных полупроводниковых элементов с интегральными схемами позволяет значительно уменьшить паразитные шумы и открывает новые возможности для телеметрической техники. Внедрение микроэлектроники в разработку датчиков ведет к расширению функциональных возможностей аппаратуры, резкому повышению надежности, уменьшению габаритных размеров, массы, потребляемой мощности и в ряде случаев – к снижению стоимости.

Конструктор миниатюрных датчиков должен решать следующие основные задачи [10]:

1. Правильно выбрать тип чувствительного элемента в соответствии с требованиями к характеристикам датчика, обеспечивающим достаточно высокое отношение сигнал – шум.

2. Согласовать чувствительный элемент с упругим элементом с выбором и расчетом оптимальной конструктивной схемы по чувствительности.

3. Умело выбрать материал основных деталей датчика (упругий элемент, рабочая камера, корпус и т.д.) с обеспечением минимального гистерезиса, старения и температурной чувствительности. Всегда желательно, чтобы коэффициенты линейного расширения материалов были малы по величине и близки по значениям.

4. Заложить в конструкцию датчика возможность использования современных методов создания герметичных и вакуумплотных неразъемных соединений между металлическими и неметаллическими деталями (рельефная электросварка, плазменная сварка, применение галлиевых сплавов для пайки, спекание на эмали, вакуумная сварка и т.д.).

5. Стремиться конструировать детали, изготовляемые без снятия стружки.

6. Правильно выбрать защитные покрытия.

7. Правильно выбрать типы электроэлементов и способы электросоединений.

8. Стремиться получить в конструкции высокие компоновочные характеристики и обеспечить максимально возможное значение коэффициента заполнения по объему К^v_зап.

9. Всегда при конструировании представлять проектируемый датчик в действии, в реальных окружающих условиях.

Динамическая характеристика зависит от метода измерений и внутренних свойств элементов датчика. Она может задаваться различными зависимостями:

1. переходной характеристикой B = f(t), где t – время скачкообразного изменения входной величины, А;

2. частотной характеристикой S_д = F(f_вх) – зависимостью чувствительности датчика от частоты изменения входного сигнала;

3. фазовой характеристикой – зависимостью сдвига фаз между векторами входной и выходной величины от частоты синусоидального изменения входной величины.