Ответы на вопросы (5)
1. Электрические сенсоры классифицируют по физическому принципу действия их чувствительного элемента на активные и пассивные. Пассивные классифицируют по виду той конкретной электрической характеристики, которая изменяется под влиянием контролируемого фактора, на: резистивные, ёмкостные, импедансные, вольтаические, токовые. Активные чувствительные элементы обычно считают токовыми. Дальше электрические сенсоры можно классифицировать на подвиды в зависимости от того, под действием какого именно внешнего фактора изменяются их электрические характеристики.
2. "Трансдьюсер" – это преобразователь сигналов из одной физической формы в другую. Электрические сенсоры, в частности, преобразуют механические, акустические и другие виды сигналов в электрическую форму. Поскольку микрокомпьютер в интеллектуальных сенсорах работает именно с электрическими сигналами, то в большинстве таких сенсоров, независимо от их вида, в качестве трансдьюсеров применяют электрические сенсоры.
3. Терморезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от температуры. Термисторами называют полупроводниковые терморезисторы.
4. Фоторезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых уменьшается при освещении. Это связано с внутренним фотоэффектом – генерированием в веществе при поглощении квантов света дополнительных свободных носителей электрического заряда. Спектральная характеристика фоторезистора – это зависимость его чувствительности от длины волны или от частоты падающего света.
5. Пьезорезисторы – это чувствительные элементы, электрическое сопротивление которых зависит от механического напряжения. Их применяют для измерения силы, давления, механического напряжения, деформации, для фиксации даже легчайших прикосновений. Такие сенсоры могут сигнализировать об угрожающей локальной или общей перегрузке, фиксировать и отслеживать перемещение объектов по опоре и т.д.
6.
В магниторезистивных датчиках используется
способность некоторых материалов
существенно изменять свою электропроводность
в зависимости от направления и величины
внешнего магнитного поля. Чаще всего
применяют пленки пермаллоя (
),
а датчик состоит из 4 пермаллоевых
пленочных резисторов, напыленных на
поверхность кремния и соединенных в
виде мостовой измерительной схемы. В
том же кристалле кремния формируют
электронные схемы усиления и обработки
сигналов.
7. Примерами ёмкостных электрических сенсоров являются, в частности, описанные в данной лекции: а) сенсор линейного перемещения, в котором при перемещении внутреннего стержня цилиндрического конденсатора изменяется его ёмкость; б) сенсор давления, в котором ёмкость плоского конденсатора меняется при изменении внешнего давления и соответственно расстояния между пластинами; в) сенсор уровня жидкости, в котором емкость измерительного конденсатора прямо зависит от уровня жидкости; г) гребенчатые газовые сенсоры, в которых ёмкость между двумя гребенчатыми электродами меняется в зависимости от наличия и концентрации в атмосфере молекул определенных паров или газов.
8. В ёмкостных сенсорах существенным является только изменение электрической ёмкости чувствительного элемента. Измерение её проводят либо на постоянном токе, либо на переменном токе высокой частоты. В импедансных сенсорах существенно не только изменение ёмкости, но и изменение активного сопротивления чувствительного элемента. Измерения импеданса проводят на оптимальных средних частотах. Информативным может быть, скажем, и сдвиг фазы между переменным током и напряжением.
.
|
Вопросы для самопроверки (6)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ответы на вопросы (6) 1. "Вольтаическими" называют сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала или разности потенциалов (напряжения) между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры классифицируют по виду того физического фактора, под влиянием которого появляется и изменяется электрический потенциал или ЭДС. 2. "Термопара" – это пара электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов – термо-ЕДС. Это явление называют эффектом Зеебека. Его физической причиной является то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда имеют более высокие скорости теплового движения. В результате диффузионный поток носителей от горячего спая к холодному больше, чем диффузионный поток от холодного спая к горячему. В полупроводниках к этой причине добавляется еще и возрастание концентрации носителей заряда у горячего спая. 3. "Пьезоэлемент" – это пластина из пьезоэлектрического материала, на противоположные грани которой нанесены электроды. В основе его работы лежит пьезоэлектрический эффект: возникновение разности потенциалов между электродами при деформации пластины в поперечном направлении. 4. "Пьезоэлектрический резонатор" – это пьезоэлемент, включенный в схему генератора незатухающих электрических колебаний. Благодаря прямому и обратному пьезоэлектрическому эффекту в нем возникают не только электрические, но и механические колебания на механических резонансных частотах. Если к пьезоэлектрическому резонатору приложить силу или давление, то условия механического резонанса несколько изменяются, вследствие чего несколько изменяется и частота его колебаний. Измеряя изменение частоты, можно определить действующую силу. 5. Действие датчиков Холла основано на том, что на носители электрического заряда, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Поэтому, если через пластину проводника или полупроводника пропускать электрический ток, то при наличии внешнего магнитного поля носители электрического заряда под действием силы Лоренца отклоняются в направлении, перпендикулярном вектору индукции магнитного поля и направлению тока. Вследствие этого возникает поперечная разность потенциалов, пропорциональная силе тока и величине индукции магнитного поля. 6. Полупроводниковый диод можно использовать в качестве датчика температуры, поскольку его вольтамперная характеристика зависит от температуры. Если зафиксировать, например, приложенное напряжение, то от температуры будет экспоненциально зависеть протекающий через диод ток. 7. Фотодиод – это полупроводниковый диод, открытый для проникновения и чувствительный к падающему на него свету. Под действием света в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда, которые тут же вытягиваются электрическим полем р-п-перехода, увеличивая протекающий через диод ток. Спектральная чувствительность фотодиода зависит от материала, из которого он изготовлен, и от прозрачности верхних слоев фотодиода. 8. Основными режимами работы фотодиодов считаются: а) фотовольтаи-ческий (режим измерения фото-ЭДС), при котором через фотодиод протекает совсем незначительный ток, определяемый большим внутренним сопротивлением прибора или схемы, измеряющей напряжение на фотодиоде; б) фотоэлектрический режим, при котором напряжение на фотодиоде почти не меняется, благодаря чему сводятся к минимуму потери на перезарядку входной емкости; в) режим фотопроводимости, при котором на фотодиод подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако при этом возрастают темновой ток и собственный дробовой шум фотодиода.
9. В фотодиоде Шотки вместо
10. Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют значительно лучшую интегральную чувствительность к свету. Однако они несколько проиграют фотодиодам в быстродействии. Поэтому им отдают предпочтение там, где световые сигналы очень слабы, а максимальное быстродействие не требуется, например, в люминесцентных сенсорах.
Вопросы и Ответы к упражнениям (6) Упражнение 6.1
Вариант
1.
Какую температуру имеет горячий спай
термопары хромель/алюмель
Вариант 1.
Из формулы (6.1) находим, что
Вариант
2.
Горячий спай термопары медь/константан
Вариант 2.
Подставляя данные задачи в формулу
(6.1), находим:
Вариант
3.
Какую температуру имеет холодный спай
термопары железо/константан
Вариант 3.
Из формулы (6.1) находим, что
Вариант 4. Рассчитайте коэффициент термо-ЭДС термопары платина/родий, если ее холодный спай находится при температуре 22°С, горячий спай – при температуре 1782°С, а регистрируемая термо-ЭДС составляет 20,6 мВ?
Вариант 4.
Из формулы (6.1) находим, что
|
-перехода
формируют т.н. "барьер Шотки",
возникающий на границе раздела "металл
– полупроводник". Для этого на
фоточувствительную область кремния
напылением в вакууме наносят очень
тонкий, достаточно прозрачный слой
золота. Этим обеспечивается
чувствительность кремниевых фотодиодов
также в фиолетовой и ультрафиолетовой
областях спектра.
термо-ЭДС
коэффициента термо-ЭДС
,
если её холодный спай находится при
температуре 20°С, а регистрируемая
термо-ЭДС составляет 48,00 мВ?
.
Подставляя данные задачи, находим:
.
находится
при температуре 400°С, а её холодный
спай – при температуре 10°С. Рассчитайте
измеряемую термо-ЭДС.
.
,
если её горячий спай находится при
температуре 782°С, а регистрируемая
термо-ЭДС составляет 42,3 мВ?
.
Подставляя данные задачи, находим:
.
.
Подставляя данные задачи, находим:
.
Вопросы для самопроверки 7 .
-
Какие сенсоры относятся к классу электромагнитных?
-
Назовите основные диапазоны радиоволн.
-
Что такое магнитодиагностика?
-
Назовите основные виды индуктивных сенсоров.