Информационно-измерительные устройства

Лекция 4

Физические принципы датчиков прямого действия

План лекции:

1. Резистивные чувствительные элементы

2. Чувствительные элементы на основе реактивного сопротивления

3. Датчики генераторного типа

Поскольку датчик является преобразователем неэлектрического воздействия в электрический сигнал, часто приходится делать несколько шагов преобразования разных видов энергии до того, как будет окончательно сформирован выходной сигнал нужного электрического формата. Как мы уже знаем, существует два типа датчиков: датчики прямого действия и составные (комплексные) датчики. Некоторые физические явления, которые приводят к непосредственной генерации электрического сигнала в ответ на неэлектрическое воздействие, могут быть заложены в основу работы датчика прямого действия. К таким явлениям относятся термоэлектрический ​​эффект (эффект Зеебека), пьезоэлектрический, а также фотоэффект. К прямому получению электрического сигнала можно отнести и преобразование, связанное с использованием резистивных элементов, подключенных к подходящему источнику электрической энергии.

В данной лекции рассмотрим различные физические явления, которые могут быть использованы для прямого преобразования физических параметров в электрический сигнал.

1. Резистивные чувствительные элементы

Электрическое сопротивление. Резистивный датчик

При помощи электрического тока можно получить сигнал в виде напряжения. Для этого ток пропускают через элемент с известной величиной сопротивления и используют закон Ома, чтобы иметь возможность инструментально (вольтметром) измерить отклик датчика:

V = R i (4.1)

… физическим содержанием электрического тока является движение (изменение) электрического заряда, когда скорость изменения заряда и задает величину тока:

i = dq/dt. (4.2)

Любой материал характеризуется проводимостью, т.е. способностью больше или меньше влиять на скорость перемещения зарядов (лучше или хуже проводить электрический ток). Специально изготовленный элемент электроники, включаемый в электрическую цепь и предназначенный для изменения проводимости определенного участка цепи, называется резистором. Если свойства резистора изменяются под действием каких-либо внешних факторов, получаем чувствительный элемент резистивного электрического датчика.

Изначально мерой проводимости является удельное сопротивление используемого в резисторе материала, ρ . Удельное сопротивление материала можно найти, зная напряжённость электрического поля Е и плотность тока j (j =i/s, где s – площадь поперечного сечения проводника с током):

ρ = ?, (4.3)

Для нахождения полного сопротивления резистора R, зависящего как от удельного сопротивления, так и от геометрии проводящего слоя, пользуются формулой

R =ρ(l/ s), (4.4)

где l – длина проводника, характеризующая вместе с s его геометрию…

Резистор - один из самых распространенных элементов электроники. Напомним, что при работе чистого сопротивления в электрической цепи (когда резистор не имеет дополни-тельных ёмкостных либо индуктивных свойств) напряжение и ток совпадают друг с другом по фазе, т.е. их изменения абсолютно синхронны. Это следует из закона Ома, где R есть просто константа.