Дисциплина: “Технология производства твердотельных сенсоров”.

«Наука, начинающаяся там, где появляются измерения».

Знания, не имеющие количественного выражения, теряют ценность

Рекомендуемая литература по дисциплине:

1. Ж. Аш с соавторами. «Датчики измерительных систем» в 2х кн. (пер. с франц.). М. Мир.1992 г.

2. «Измерения в промышленности» (пер. с нем.) в 3х томах. 1992 г.

3. В.В. Козелкин, И.Ф. Усольцев. «Основы инфракрасной техники». «Радио и связь». 1988 г.

4. Г. Виглеб «Датчики». М. Мир. 1989 г.

“sensus” (лат.) – «чувство», «ощущение».

Человек имеет 5 органов чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. Насколько они совершенны и достаточны для современной жизни?

Глаза человека воспринимают свет в диапазоне 0,4÷0,7 мкм. Это ничтожно малый участок в интервале волнового спектра, который от γ излучения до радиоволн, т.е. от 10^-5 мкм до 10⁹ мкм охватывает 14 порядков. Глаз же воспринимает интервал длин волн всего 0,3 мкм. Однако в этом диапазоне глаз очень чувствителен: воспринимает 5 – 10 млн. оттенков цвета, может фиксировать единичные фотоны в полной темноте.

Диапазон звуковых частот воспринимаемый человеком 16 – 20000 Гц (старше 35 лет до 15000 Гц). Летучая мышь - до 170 тыс. Гц, сорока - до 100 тыс. И опять восприятие очень дифференцировано. Ухо различает 3 – 4 тыс. звуков по их высоте.

Обоняние. На 5 см² поверхности носа расположено 1 млн. обонятельных нервных окончаний. Чувственность высокая может быть, но не для всех веществ. .

Осязание. На поверхности тела расположено около 500 тыс. рецепторов тактильной чувствительности:

1 млн. – болевых окончаний.

250 тыс. рецепторов холода.

30 тыс. рецепторов тепла.

Однако чувствительность людей очень субъективна. Она может быть сильно изменена в результате длительного действия внешнего фактора (закаливание, тренировка). Потом восприятие воздействий не подчиняется линейному закону, а закону Вебера-Фехнера – оценка раздражителя нелинейно связана с его силой.

Восприятие вкуса. Здесь субъективизма еще больше. Вкусовые рецепторы расположены на языке. При этом неравномерно по его площади. «На вкус и цвет товарища нет». Кончик языка более чувствителен к сладкому и соленому, корень к горькому, края к кислому.

Есть люди – экстрасенсы, обладающие более высоким уровнем чувствительности по сравнению со средним человеком: «Третий глаз», «Человек – рентген». Однако, это требует своего научного объяснения.

Человеку требуется:

1. расширение диапазонов восприятия действия внешних физических факторов, особенно волнового излучения;

2. повышение уровня чувствительности и надежности восприятия.

Эту проблему уже в настоящее время решают разнообразные датчики.

Определение датчика. Виды датчиков.

Человеку требуются специальные материалы и устройства, которые называются сенсорами, датчиками, детекторами, а по ГОСТУ «измерительными приборами». Они дополняют и расширяют возможности чувств и ощущений человека.

Органам чувств человека соответствуют в автоматах или роботах следующие датчики:

Биологическая система

(человек)

Техническая система

(автомат)

Чувства Датчики

Получение Обоняние газоанализатор

сигнала

Вкус иономер

Слух микрофон

Осязание д. температуры

д. перемещения

потока

д. усилия

Зрение ФПД излучения

Д положения

Телекамера (образ)

О

Запоминающее

устройство

бработка Мозг ЭВМ

с

память

игнала

Преобразование Органы Исполнит. устройство

сигнала

Руки механика

Ноги

Речь динамика

Письмо печать

Жестикуляция индикация

Техника конструирования и применения датчиков развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники – сенсорику.

Без современных датчиков невозможен прогресс техники, науки, общества; невозможен контроль технологических процессов, качества продукции, состояния здоровья, окружающей среды.

Датчик – это устройство, которое, подвергаясь воздействию физической величины, преобразует ее в эквивалентный сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения.

Требования к датчикам:

- миниатюрность;

- дешевизна (серийность);

- надежность.

Сигнал, как правило, имеет электрическую природу. Это заряд, ток, падение напряжения, электрическое сопротивление, емкость и т.д.

Датчик устанавливает коррелирующую зависимость между величиной сигнала и изменяющейся физической величиной: S = f (m). Измеряя “S” можно определить “m”.

Зависимость между S и m устанавливается экспериментально в результате градуировки “S” по известным значениям “m”.

Пусть

Стараются найти линейную зависимость между “S” и “m”. По ней определяют значение физического параметра.

Датчик в своем составе может иметь вторичный преобразователь первичной информации, осуществляющего предварительную обработку сигнала или усилитель отклика.

Важной проблемой при использовании датчиков является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от поведения “m”, частоты ее изменения, от времени измерения, от воздействия других физических величин, т.е. датчик должен иметь максимально возможную селективностью

Датчик с точки зрения вида сигнала на его выходе может быть активным (генераторным), т.е. генератором, выдающим заряд, U или I, либо пассивным (параметрическим) с выходными R, C, L (сопротивлением емкостью индуктивностью), изменяющимися соответственно входной величине.

Под сигналом в общем случае подразумевают материальный носитель информации. Различают непрерывную и дискретную форму сигнала. Непрерывная имеет вид какого-то физического процесса (информация в нем определяется размером измеряемого параметра: A, I, f). Дискретную форму называют еще кодированной, информация в ней заключена в числе элементов кода, их расположении во времени и пространстве.

Различие между активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими отличия в природе физических явлений и процессов.

Активные датчики - являются источником выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров пассивных датчиков производится косвенно, в результате его обязательного включения в схему с внешним источником тока. Так измерение “R” осуществляется по изменению “I” или “U” внешнего источника.

Источником электрического сигнала пассивных датчиков является совокупность самого датчика и электрической схемы, формирующей его сигнал.