Информационно-измерительные системы

Оглавление

Лекция 1 Общие свойства датчиков

Лекция 2 Алгоритм измерения

Лекция3 Датчики температуры

Лекция4 Указатели,логометры

Лекция 5 Схемы включения терморезистора

Лекция 6 Камеры инфракрасного диапазона

Лекция 7Технологии датчиков ИК-спектра

Лекция 8 Пироэлектрические детекторы

Лекция9 Интегрированный датчик температуры с МК

Лекция10 Устройства для измерения расхода жидкости или газа.

Лекция 11Устройства измерения давления газа,жидкости

Лекция 12 Давление в шинах автомобиля

Лекция13 Методы измерения часторы вращения.

Лекция14 Технология iMEMS

Лекция16 Акселерометры

Лекция17 Применение акселерометров

Лекция18 Частотные свойства акселерометров

Лекция19 Датчик удара (шок-датчик)

Лекция20 Датчики скорости потока

Лекция21 Датчики количества и качества топлива и масла.

Лекция22 Оптические датчики расстояния

Лекция23 Автомобильные преобразователи свет/цвет–частотата

Лекция24 Система контроля цветов

Лекция25 МОДУЛЬНЫЕ И КОМПОНЕНТНЫЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ ДАТЧИКИ И КОМПАСЫ HONEYWELL.

Лекция26 Система динамической стабилизации (VDC) - общая информация, принцип функционировании.

Лекция 27 Измерение шума, состава выхлопных газов.

Лекция28Автомобильная навигационная спутниковая система и автоматика автомобиля

Лекция29ОРГАНИЗАЦИЯ МУЛЬТИПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМОБИЛЯ

Лекция30 СИСТЕМА КРУИЗ-КОНТРОЛЬ ДЛЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА PIC18F452

Лекция 1 Общие свойства датчиков

На датчик могут одновременно воздействовать различные физические величины (давление, температура, влажность, вибрация, ядерная реакция, магнитные и электрические поля и т. д.), но воспринимать он должен только одну величину, называемую естественной величиной .

Функциональную зависимость выходной величины датчика от естественной измеряемой величины в статических условиях, выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической характеристикой датчика.

Статическая чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических условиях. По определению, статическая чувствительность равна или, переходя к пределу, будем иметь.Это соотношение является постоянным, когда выходная величина (выходной сигнал) представляет собой линейную функцию входной величины (выходного сигнала). Если имеется нелинейная функция, то должны быть указаны точки, к которым относится данная чувствительность. В некоторых случаях чувствительность может быть представлена в виде наклона секущей между двумя характеристическими точками статической нелинейной характеристики.Понятие статической чувствительности аналогично понятию коэффициента усиления; градиента; коэффициента чувствительности.

Чувствительность датчика – это, как правило, именованная величина с разнообразной размерностью, зависящей от природы входной и выходной величин.Понятие чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом под чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

.В случае периодических, в частности синусоидальных, сигналов чувствительность может быть определена как отношение амплитуд выхода и входа.

Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала. Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением

,где - естественный предел измерения; - порог чувствительности датчика.Для каждого типа датчиков существует практически достижимый предел величины , определяемый принципом действия и характеристиками чувствительного элемента.

Гистерезисом называют неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении и уменьшении входной величины.Для упругих элементов (мембраны, пружины и т. д.) в понятие гистерезис также включают понятие упругое последействие.Гистерезис относится в общем случае к случайным погрешностям, так как его величина определяется не только значениями входной величины, но и временными характеристиками работы датчика. Гистерезис выражается в процентах

,где - изменение выходной величины в рабочих пределах.Гистерезис возникает в датчиках из-за внутреннего трения в упругих элементах, трения в подвижных элементах, ползучести (например, в наклеиваемых тензодатчиках), магнитного гистерезиса и т. п.

Основной погрешностью датчика является максимальная разность между действительным значением выходного сигнала и его величиной, соответствующей истинному значению входного параметра. Эта разность определяется по статической характеристике датчика при нормальных условиях и обычно относится к разности предельных значений выходной величины:

.

Нормальными условиями эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды ; атмосферное давление Па/мм рт. ст.; относительная влажность окружающего воздуха ; отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного.

Дополнительные погрешности датчика – это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по сравнению с нормальными. Они выражаются в процентах, отнесённых к изменению неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность на и т. д.).Первичной погрешностью датчика называют отклонение его параметра от расчётного значения:

,где - первичная погрешность параметра ; - расчётное значение параметра ; - индекс (номер) преобразователя; - индекс (номер) параметра.Первичная погрешность датчика вызывает отклонение выходной величины от её расчётного значения при заданном значении входной величины . Это отклонение принято называть частной погрешностью датчика:

;.

Суммарная погрешность датчика определяется как сумма частных погрешностей. Способ суммирования определяется природой первичных погрешностей.При систематических первичных погрешностях частная погрешность датчика определяется по зависимости .

Если первичные погрешности случайные, то предельное значение погрешности датчика можно определить квадратичным суммированием предельных значений частных погрешностей:.

Практическая оценка погрешности измерений различных физических параметров часто усложняется большим числом одновременно действующих независимых факторов, вызывающих частные погрешности.

Лекция 2 Алгоритм измерения

К измеряемому объекту подсоединяется измерительный инструмент и параметры объекта сравниваются с показаниями измерительного прибора, который проградуирован в долях измеряемой величины. Это принцип прямого измерения.Косвенные измерения (с помощью датчиков) Сенсорика - наука о датчиках.Измеряемая величина датчиком (сенсором) преобразуется в другую физическую величину, которая удобна для помещения в измерительный прибор.Погрешность - разница между измеряемой величиной и истинной.Точность - обратная величина погрешности.Погрешность должна быть больше, чем минимальное деление шкалы.Точность прибора зависит от технологического уровня и от экономических соображений.Два вида ошибок измерения:1)Постоянные во времени ошибки.

2)Зависящие от времени (от внешних условий) ошибки, например от температуры t0C.

Постоянные во времени ошибки могут быть компенсированы приборным путем, либо смещением начальной точки отсчета, если известен закон распределения по шкале этой ошибки - запись в таблице поправок.Ошибки возникают при воздействии дестабилизирующих факторов(температура, условия освещения, влажность, скорость потока воздуха и др.)Меры компенсаций переменных погрешностей измерений:1) Создание комфортных условий для измерительных приборов и объекта (корпус).2) Включение в процесс измерения элемента, чувствительного к дестабилизирующему фактору и сложение результатов компенсированного элемента со знаком минус с основным результатом (компенсация) - пассивные компенсационные устройства.3) Активный способ компенсации дестабилизирующих факторов (наличие второго контура измерений).

Всякое измерение вносит дестабилизирующий фактор (погрешность) в измеряемый объект.Процесс измерения сопровождается активным воздействием измерительного прибора на объект измерения. Задача создания измерительного комплекса заключается в минимизации этого воздействия.

Пример: цепь измерения тока должна создавать минимальное падение напряжения на измерительном шунте, чтобы это не влияло на измерение. Стандартный шунт - 0,075 В.Точность и погрешность прибора должна быть согласована с возможностями аналого-цифрового преобразования.АЦП - аналого-цифровой преобразователь.ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Среднее значение импульсной функции определяет КЗИ - коэффициент заполнения импульсов:;где tИ - длительность импульса; Т - период; КЗИ - коэффициент заполнения импульсов, а также

;

Классы точностей - цифры I, II, III... и т. д., каждой из которых соответствует определенный допуск или погрешность измерения.Абсолютная погрешность Δ=Хизм – Хист. Относительная погрешность - отношение Δ к максимуму шкалы или к Хист. Диапазон измеряемой величины-это ΔX=Хmax – Хmin.

Методы повышения точности измерения при пользовании стандартными приборами.

1) Среднеквадратичная погрешность нескольких измерений:

;где n - число измерений.

При повторении измерений одного и того же объекта погрешность может быть как с минусом, так и с плюсом.Чем больше попыток измерения n, тем больше точность имерений (осредненный результат).

2) Одновременное измерение несколькими приборами и так же осреднение результатов:X=;;где σ - среднеквадратичное отклонение измерения; n - число измерений или число измерительных приборов.Чем больше n, тем больше точность.Применение статистических формул не дает абсолютное повышение точности, а дает повышение точности с некоторой степенью вероятности (вероятность стремится к 1 при росте числа измерений).

3)Метод мажоритарного измерения - измерение производится одновременно n приборами, и не учитываются крайние показания приборов относительно среднего показания, которое считают истинным.

Выбор наименьшей и наибольшей величины.

Рис.1 Выбор наибольшего значения.

Определение канала с наибольшим сигналом осуществляется определением знака напряжения на диодах.

Выбор наименьшего значения.

Рис.2 Выбор наименьшего значения

Два действия - выделения минимального и максимального сигнала при трех каналах позволяет осуществить мажоритарное измерение.

Всякому процессу измерения сопутствует так называемый шум - случайные отклонения параметров измерительного устройства (необходимо, чтобы шум был ниже минимального деления измерительного прибора).Характеристики шума:- амплитуда колебаний;- частотный диапазон.

Наиболее часто используются такие методы борьбы с шумом - включение фильтров, которые не пропускают высокие частоты, увеличение массы стрелки, которая не колеблется (увеличение инерции).Фильтрация шумовых сигналов замедляет процесс измерения, так как предполагается увеличение постоянной времени объекта.

Прибор измеряющий и запоминающий максимальное значение измеряемой величины - пик-детектор.

Вывод сигналов измерительных систем: Неотложная информация, поступающая водителю в виде визуальной информации. В опасных случаях визуальная информация дублируется звуковой.

Информация, используемая в дальнейшем при эксплуатации транспортного средства может записываться в память ПК и годографа.

Лекция3 Датчики температуры

Используются сенсоры температуры:1)Термобиметаллические пластины, изменяющие свой размер с изменением температуры (указатели).2) Металлы,имеющие зависимость сопротивления от температуры3) Терморезисторы (термисторы(↑t0 ↓R), Рис.3

Рис.3 Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

4)Используются для измерения температуры позисторы(↑t0 ↑R). Позистор благодаря высокой крутизне характеристики в зоне повышенной температуры может совмещать функции измерения и ограничения тока (неплавкий предохранитель).

Как правило используют два типа терморезисторов:

а) Со+Мn·О2 б) Сu+Mn·О2;

R=R0·(1±α·ΔT) - приближенная запись для узкого диапазона температур.

R0 - сопротивление при базовой температуре Т0.Т=Т0±ΔТ; R при Т; R0 при Т0;

Для широкого диапазона температур:R=R0·eβ/T;

При известных R1 при Т1; R2 при T2; Т2>Т1;

R0=R1·e-β/T1

Свойства терморезисторов:- нестабильность характеристик во времени;

- большой разброс номинальных значений (±20-17%).

Саморазогрев терморезистора.

Р=U·I=B·ΔT; ΔТ=ТК-Т0;В - коэффициент, учитывающий отдачу тепла терморезистором; Т0 - температура окружающей среды;ΔT - ограничение перегрева при изменении температуры.

R293 - номинальное сопротивление резистора;

;

В автомобильных системах используется зависимость коэффициента В от конвекции (от скорости перемещения среды относительно терморезистора). Это можно использовать для измерения скорости среды относительно терморезистора или наоборот.

В=0,3-10(мВт/град) =constСуществуют подогревные терморезисторы, которые окружены подогреваемой спиралью. Коэффициент α - выражает изменение абсолютной величины R, при изменении температуры на 1 градус:;

Постоянная времени τ - время, в течение которого температура перегрева терморезистора при его свободном охлаждении понижается на 63% относительно первоначального перегрева.

Теплоемкость (Н) - количество тепла, которое нужно передать терморезистору, чтобы увеличить его температуру на 10С.Н=τ·в;

Коэффициент энергетической чувствительности (G) - мощность, которую нужно выделить в терморезисторе для уменьшения его сопротивления на 1%.

G=в/α;

Максимально допустимый ток - ток, при котором температура терморезистора равна максимально допустимой.

Датчик аварийной температуры жидкости ДАТЖ, ДАТЖ-01(аналог ТМ111)

Рис.4 Аварийный датчик Т

Предназначены для включения сигнальной лампы на щитке приборов при аварийном повышении температуры жидкости в системе охлаждения и устанавливается на автомобилях, тракторах, автобусах, спецтехнике (МАЗ, МТЗ, МоАЗ, «Неман»). Тип датчиков — термобиметаллический. Напряжения питания от бортовой сети 12, 24 В.

Таблица 1

Температура срабатывания и возврата	Температура, С
срабатывания (при повышении температуры)	возврата (при понижении температуры)
Верхнее значение, Т1	Верхнее значение, Т2	Нижнее значение, Т3
ДАТЖ, ДАТЖ-01

Лекция4 Указатели,логометры

Рис.5 Панель приборовро

Рис.6 Логометр с одним терморезисторомромРис.7 Указатели

Двухполюсник с одним терморезистором, работающим в линейном режиме.

Линейный режим - режим по току без заметного разогрева терморезистора, сопротивление которого определяется только температурой среды.

Нелинейный режим - режим, при котором температура терморезистора складывается из температуры среды Т0 и температуры перегрева ΔТ.

;

Реальный терморезистор включается в схему через дополнительное сопротивление.

Рис.8 Схема включения терморезистора

R1 и R2 включаются в схему для линеаризации характеристик.

Желательно иметь температурную характеристику R(t) близкую к линейной зависимости от температуры.

Датчик температуры в виде терморезистора обычно используется в двух режимах:

1) Режим измерения температуры в интервале TMAX - TMIN; Требования к датчику: линейное изменение сопротивления(линейная характеристика) датчика.

Рис.9 Линейная характеристика

Iпит=const; Iпит·Rt=Uдатчика=var.

2)Релейная характеристика в системе термостабилизации

Рис.10 Релейная характеристика

Система термостабилизации (стабилизации температуры) характеризуется переключением исполнительного органа в точке стабилизации температуры. Требования: не должно быть изменения характеристик датчика под влиянием условий окружающей среды (стабильность характеристик в точке регулирования).

Датчики указателя температуры жидкости ДУТЖ, ДУТЖ-01, ДУТЖ-02 (аналог ТМ 100)

Датчики указателей температуры жидкости ДУТЖ предназначены для работы в электрической цепи указателя температуры индикаторного типа и устанавливаемые на двигателях с водяным охлаждением автомобилей, тракторов и спецтехники (МАЗ, МТЗ, МоАЗ, БелАЗ, комбайны). Датчики применяются в однопроводной системе электрооборудования с номинальным напряжением 12 или 24 В постоянного тока в комплекте с соответствующим указателем (приемником) магнитоэлектрического типа. Тип датчика — терморезисторный. Вид климатического исполнения О, категория размещения 1 по ГОСТ 15150. Датчики предназначены для эксплуатации в умеренном и тропическом климате. Датчики соответствуют всем требованиям ТУ РБ 07513211.001-95.

Таблица2

Сопротивление датчика при заданных контрольных значениях температуры Контрольные точки температуры, °С	Сопротивление датчика, Ом
ДУТЖ, ДУТЖ-01 при U=14 или 28 В	ДУТЖ-02 при U=14 В
	400-530	222-267
	130-157	63-78
	80-95	36-42

Рис.11 Датчик указателя температуры. Аварийные датчики

Датчик аварийной температуры жидкости ДАТЖ, ДАТЖ-01(аналог ТМ111)

Предназначены для включения сигнальной лампы на щитке приборов при аварийном повышении температуры жидкости в системе охлаждения и устанавливается на автомобилях, тракторах, автобусах, спецтехнике (МАЗ, МТЗ, МоАЗ, «Неман»). Тип датчиков — термобиметаллический. Напряжения питания от бортовой сети 12, 24 В.

Температура срабатывания и возврата Обозначение датчика	Температура, С
срабатывания (при повышении температуры)	возврата (при понижении температуры)
Верхнее значение, Т1	Верхнее значение, Т2	Нижнее значение, Т3
ДАТЖ, ДАТЖ-01

Примечание. Верхнее значение температуры возврата соответствует температуре Т2.

Сопротивление изоляции вывода ДАТЖ относительно корпуса — не менее 1 МОм.
Датчики работоспособны в диапазоне рабочих температур окружающей среды от минус 50 С до +125 С и сохраняют работоспособность после пребывания в неработающем состоянии при температурах от минус 60 С до +125 С.
Датчики имеют степень защиты 1РХ7 по ГОСТ 14254.
Металлические покрытия деталей ДАТЖ являются устойчивыми к воздействию соляного (морского) тумана для групп условий эксплуатации 5,6 по ГОСТ 3940.
Датчики выдерживают воздействие вибрационных нагрузок по трем осям при ускорении 100 м/с и частоте (50-250) Гц и воздействие ударных нагрузок при частоте (80-120) ударов в минуту и ускорении 150 м/с.
Датчики стойки к воздействию рабочих значений влажности воздуха для исполнения О1 по ГОСТ 15150 и к воздействию плесневых грибов.
Масса датчика не более 0,04 кг.
Датчики работоспособны в кратковременном рабочем режиме S2 ГОСТ 3940.
90%-ная наработка до отказа ДАТЖ составляет не менее 6 000 моточасов работы двигателя или не менее 350 000 км пробега автомобиля, или 1 000 срабатываний датчика.
Изоляция токоведущих деталей относительно корпуса выдерживает без повреждений в течение 1 мин воздействие практически синусоидального переменного тока частотой 50Гц напряжением 550 В.

Рис.12 Расчет первого режима работы:

SЦ - крутизна температурной характеристики двухполюсника с терморезистором.

если R2>RT1,2;ри R2 → ∞ кривая функции температуры будет пересекать прямую линию только в двух точках.1) URt=0,5·UП;в - коэффициент теплоотдачи, [мВт/град].ΔТ=20С (обычно).PRt=2·вт.

Определяется Rt, а затем Rt1, Rt2;

R2 влияет на крутизну характеристики и при приближении его к нулю (с уменьшением R2 уменьшается крутизна) чувствительность этой цепи падает.

Лекция 5 Схемы включения терморезистора

Схемы включения терморезистора в линейном режиме

Рис.13 Четырехпроводная схема

UВЫХ сравнивается с напряжением, синтезированном в цифровом виде.Автонулевой выравнивающий модулятор сравнивает выход ОУ с синтезированным в цифровом виде из единиц младшего разряда напряжением, при их равенстве цифровой сигнал поступает на выходной регистр. Компенсация погрешности от нестабильности тока I0, питающего датчик: используется в качестве опорного напряжения для синтеза цифрового напряжения падение напряжения от тока i0 на резисторе R0 = 6,25кОм; UR0 = UОПОРН = 2,5 В. Одновременно с I0 изменяется цифровое напряжение и нестабильность тока I0 не влияет на результат превращения в цифру.R0 = 6,25кОм;UR0 = UОПОРН = 2,5 В.

Рис.14 Трехпроводная схема включения датчика температуры

R1, R2, R3 - сопротивления соединительных кабелей.I1, I2, - источники тока.

UВЫХ = I1·R1 + I1·Rt - I2·R2 ≈ I1·Rt;

Рис.15 Схема релейного типа (термореле)

Условие переключения:

Рис.16 Двухпроводная схема включения термореле

ток I0 = 85 мкА.В режиме, когда не активен температурный датчик,со схемы питания потребляется ток 85 мкА, который замыкается через цепь делителя и ОУ, но его недостаточно для включения VT2.Т~ТПЕР_- переключается ОУ и ток протекает через открытый VT1 и I0 = 3 мА (до 30 мА), открывается VT2.

I0·R6>0,6 B - условие включения.

.17 Датчик

Инфракрасный бесконтактный термометр- принцип улавливания теплового излучения предмета.

Рис.18 Инфракрасный датчик

Излученная энергия собирается объективом и фокусируется на детекторе (термочувствительные элементы), их сигналы преобразуются и поступают на цифровой индикатор. В качестве индикатора может использоваться дисплей - позволяет построить тепловую картину в темноте.

Лекция 6 Камеры инфракрасного диапазона

Инфракрасные камеры инфракрасного диапазона, или Far-IR-датчики, позволяющие визуализировать изображение объекта или воссоздать картину нагрева, например прогрева двигателя, — один из наиболее новых и малоизвестных для широкого круга специалистов видов автомобильных датчиков, но при этом — один из наиболее перспективных. Известные также как FLIR (Forward Looking InfraRed), тепловые, термографические камеры или тепловизоры, эти датчики часто называются просто ИК-камерами — устройствами, которые формируют изображение подобно обычным камерам, но используют для этого не видимый свет (450–750 нм), а длины волн порядка 14 мкм.

До недавнего времени ИК-камеры (главным образом из-за высокой цены) применялись только в узкоспециальных областях — таких как военная техника и пожарная безопасность [35–77]. За последние годы цена модулей снизилась в среднем от $25 000 до $10 000, а для некоторых модулей она составляет даже $1000 и менее, что позволяет использовать их в системах безопасности автомобилей верхнего ценового класса. Так, система NightDriver Raytheon успешно применяется в автомобилях Cadillac и Hummer H1 & H2 (начиная с системы Night Vision в автомобилях DeVille 2000 года, введенной GM). С апреля 2006 года компании Flir Systems Inc. и Autoliv Inc. поставляют ИК-датчики в системы ночного видения для автомобилей BMW. В high-end-автомобили тепловые камеры вводит, в частности, Honda.

Дальнейшее распространение длинноволновых ИК-камер возможно при снижении их цены. При условии стоимостной эффективности многих вновь разрабатываемых технологий ИК-считывания тепловые камеры могут получить более широкое распространение и спустя некоторое время мигрировать в менее дорогие автомобили. Потенциальный рынок ввиду полезности применения тепловизоров в системах автомобильной безопасности и из-за сходности задач приблизительно сопоставим с продажами автомобильных камер, которые, согласно прогнозам Strategy Analytics, в 2010 году составят почти 20 млн единиц

В пользу применения тепловых инфракрасных камер в автомобильных системах свидетельствуют следующие признаки:

1. Эти датчики позволяют осуществлять формирование изображений объектов, находящихся как внутри, так и снаружи автомобиля.

2. Отличная работа в условиях плохой освещенности — датчики хорошо «видят» тепло в ночное время суток, в условиях дождя, снега, тумана, смога.

3. Тепловизоры не чувствительны к бликам от солнца и ослеплению от фар встречных автомобилей — датчики позволяют «видеть» события в темном месте между двумя автомобилями.

4. Достигается значительная экономия мощности ИК-светодиодов или ИК-прожекторов фар.

5. Высокая дальность действия — до 500 м и более даже в условиях ночного освещения.

6. Тепловые датчики допускают обзор не только дороги — на пути следования прожектора луча фар или системы ночного видения, но и объектов, находящихся в стороне от дороги.

7. освещение является менее надежным и более заметным для систем автомобильной охранной безопасности.

Системы активной безопасности — наиболее значительная ниша сбыта тепловых датчиков, осуществляющих мониторинг окружения автомобиля и предотвращающих аварии. Примерами являются автоматические системы переднего обозрения для защиты пешеходов, ночное видение, LDW. В условиях плохой видимости тепловые камеры быстро и эффективно распознают людей, причем независимо от цвета их одежды, животных, мотоциклистов, движущихся по дороге, остановившиеся или сломавшиеся автомобили, не успевшие остыть, которые могут находиться в темных точках дороги.

Условия мониторинга значительно различаются и в зависимости от темноты, дождя, снега, тумана или дымки, смога или дыма. Так, дождь значительно снижает характеристики стандартных видеокамер вследствие того, что капли дождя имеют большую отражательную способность, чем воздух, и становятся видимыми, отражая свет. Снег и туман — ввиду малого размера капель и их высокой плотности — являются еще большими негативными факторами для стандартных видеокамер, чем дождь, но на передачу тепловой энергии практически не влияют. Имеется только очень малая зависимость рассеяния тепловой энергии в условиях дождя или снега, причем на дальних расстояниях (более 30 м) тепловое излучение проникает лучше, чем видимый или близкий к ИК свет.

Смог, пыль, выхлопы и дым представляют собой твердые частицы, полностью рассеивающие видимый свет, но тепловая энергия передается через эти частицы также без рассеяния и практически без поглощения, в отличие от стандартных видеокамер.

Ограничения тепловых камер основаны именно на том, что тепловизор «видит» тепло, поэтому они обнаруживают более эффективно теплые препятствия — нагретые солнцем поребрики, столбы. Тепловые камеры — датчики теплового излучения — «видят» лучше ночью, так как днем объекты нагреваются солнцем и поглощают тепловую энергию, а ночью излучают тепловую энергию, охлаждаясь.

Исходя из своей природы, IR-камеры распознают разницу температур (объекта и фона, тепловые контрасты), поэтому днем человек может слиться с фоном. Остывающий объект также по-разному будет восприниматься ИК-камерой, в зависимости от времени суток. Тепловые камеры практически не «видят» сквозь стекла, распознавание лиц также затруднено.

Очевидно, что для эффективного мониторинга в любых условиях освещения или погодных условиях требуется объединенное решение, включающее стандартные камеры видимого или близкого к инфракрасному света и тепловые камеры, которые определяют длинноволновые излучения нагретых объектов или тепла. Логично, следовательно, что самый актуальный вариант для систем активной безопасности — сочетание технологий сканирования невидимого и видимого спектра.

Следующая по важности ниша для сбыта датчиков теплового излучения — мониторинг водителя и пассажиров, системы пассивной безопасности, автоматически реагирующие на присутствие и положение пассажиров.

Помимо того, применения предусматривают автомобильный климат-контроль, системы entertainment, спортивные автомобили SUV (известны применения в задних камерах), системы автомобильного тестирования (контроль прогрева двигателя или нагрева скоб тормозов).

Лекция 7Технологии датчиков ИК-спектра

Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитные волны с длинами волн от 0,75 до 1000 мкм, превышающими длины волн видимого спектра, но более короткими, чем микроволновое излучение. Из-за атмосферного поглощения ИК-излучения реальный диапазон, пригодный для детектирования, ограничивается приблизительно 30 мкм. ИК-детекторы используют, как правило, длины волн, лежащие в окнах прозрачности атмосферы — в диапазоне 3–5 мкм (MIR) и 8–14 мкм (FIR).

С помощью FIR-детекторов можно получить значительную информацию о слабонагретых объектах. Так, спектральная длина волны теплового излучения человека с температурой 37 °C составляет примерно 9,3 мкм.

Инфракрасные камеры воссоздают образ теплого объекта по сигналам от первичных преобразователей — датчиков теплового излучения. Современные датчики включают подложку, на которой размещен массив детекторов в фокальной плоскости focal plane array (FPA) — множество детектирующих элементов, представляющих собой пиксели. Подложка также включает ИС, обычно называемую Read Out Integrated Circuit (ROIC), которая электрически соединяется с детектирующими элементами. Инфракрасная энергия от объектов сцены фокусируется посредством оптики на ИК-детектор, информация от него передается на мультиплексирующую сенсорную электронику для обработки изображения, которое транслируется на стандартный видеомонитор.

За последние годы разработано много типов матричных ИК-детекторов. Многие из существующих технологий считывания тепла интересны для автомобильных применений.Наиболее широкое распространение получили следующие технологии теплового сканирования:

1. Системы, требующие криогенного охлаждения.

2. Микроболометры — приборы для измерения тепловой энергии, использующие эффект изменения теплового сопротивления, включающие датчики из аморфного кремния, различных модификаций ванадий-оксидных (VOx) и других материалов.

3. Пирометры — приборы, основанные на эффекте тепловой поляризации пироэлектрических материалов.

4. Двухслойные изгибные микробалки Bi-Layer Microcantilevers, отражающие свет на CCD- и CMOS-датчики.

5. MEMS-терпопили (Thermopile MicroElectro-Mechancial Systems).

6. Термооптические датчики (технология RedShift Systems).

Основные рабочие характеристики ИК-камерВажнейшими характеристиками ИК-детекторов, предназначенными для их сравнения (некоторые из них приведены в таблице 3), являются:

1. детектируемый спектральный диапазон и спектральная характеристика;

2. NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) — эквивалентная шуму разница температур, выражаемая в мК — показатель чувствительности, разрешения и достижимой точности датчика;

3. NEP (Noise Equivalent Power) — эквивалентная шуму сила света (количество света с SNR = 1);

4. SNR-стандартный спектр;

5. фоточувствительность — выходное напряжение или фототок, отнесенное к энергии воздействующего света (обычно измеряется в В/Вт);

6. квантовая эффективность;

7. обнаружительная способность D* — фоточувствительность единицы площади детектора (используется для сравнения различных типов детекторов);

8. ограничивающий D* шум фоновых флуктуаций BLIP (Background Limited Infrared Photodetection);

9. время срабатывания — показатель быстродействия датчика;

10. размер матриц детекторов, размер и форма активной области датчика, угол обзора, схема обработки сигнала (ROIC), метод охлаждения и другие характеристики, типичные для автомобильных датчиков.

Таблица 4. Сравнительные технические данные некоторых автомобильных тепловых камер

Охлаждаемые и неохлаждаемые FPA-детекторы Выделяются два наиболее широких класса тепловых камер: с охлаждаемыми cooled FPA и неохлаждаемыми Uncooled Focal Plane Array (UFPA) детекторами. Также ИК-детекторы делятся на фотонные, или квантовые, и тепловые приемники, что практически тождественно первому классификационному делению.

Фотонные, или квантовые детекторы преобразуют воздействующую ИК-радиацию фотонов в электрический сигнал посредством прямого взаимодействия с атомной решеткой материала детекторов. Тепловые приемники, поглощая фотоны, изменяют температуру материала детектора и за счет этого — его свойства, что также позволяет сгенерировать электрический сигнал. К первому типу устройств относятся фоторезисторы (или фотопроводники), фотогальванические p-n-переходы с фотоэлектрическим током, фотодиоды, фотокатодные материалы, фототранзисторы и некоторые другие структуры. Ко второму типу — тепловым датчикам — относятся болометры и микроболометры, пироэлектрики, термопили, ячейки Голея (вырабатывающие электрический сигнал при тепловом расширении), сверхпроводники (или фотоэлектромагнитные детекторы).

Материалы фотонных детекторов включают силицид платины PtSi, а также недорогие полупроводниковые устройства на основе материалов InSb, InAs, теллуриды кадмия и ртути HgCdTe или CdHgTe (КРТ), сульфидно-свинцовые PbS, селенидно-свинцовые PbSe и другие материалы.

Для многих из этих материалов характерна относительно узкая спектральная полоса срабатывания, не позволяющая детектировать длинноволновый ИК-диапазон (1,5–5,2 мкм для PbSe, 1–5 мкм для PtSi; для сравнения, HgCdTe характеризуется чувствительностью в диапазоне 2–25 мкм), и пиковая спектральная чувствительность к определенной длине волны, зависящая от состава материала. Быстродействие и чувствительность этих датчиков является очень высокой, но они требуют глубокого криогенного охлаждения до низких температур порядка 77–80 K (в диапазоне значений 4–110 K) для удаления влияния тепловых шумов вследствие освобождения электронов, сгенерированных температурой, или темнового тока.

В последнее время были разработаны FРА-приемники на квантовых ямах — QWIР-детекторы (Qantum Well Infrared Photo-detector), производимые по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии из материалов GaAs/AlxGa1-xAs и некоторых других. В полупроводниковой структуре с широкой запрещенной зоной формируются потенциальные ямы для электронов с низким энергетическим уровнем. Фотоны, попадая в ямы, обеспечивают переход электронов в состояние высокого энергетического уровня, которые под действием смещающего напряжения генерируют фотоэлектрический ток. Фиксированное смещение необходимо для того, чтобы образовывать выходной сигнал — фототок, по которому посредством зарядового конденсатора интегрируется ИК-излучение, полученное каждой ячейкой ROIC.

Существенным признаком этого типа устройств является то, что детектор состоит из некоторого числа изолированных квантовых ям, чувствительных только к определенной частоте детектирования, но он может быть настроен так, чтобы определять различные длины волн.

Квантовые QWIР-детекторы позволяют детектировать длинноволновый FIR-диапазон 8–14 мкм (и даже более широкий — 6–25 мкм), но для достижения высоких показателей NETD порядка 36 мК для этого типа детекторов необходимо охлаждение.В результате охлаждения температура детекторов становится значительно ниже температуры детектируемых объектов — за счет этого удается повысить чувствительность детекторов и избавиться от шумов. В итоге получается изображение высокого качества — с высоким разрешением, чувствительностью, SNR. Эти камеры могут видеть от 0,1 °C с дальностью до 3000 м и быстродействием порядка 1 мкс.

Существуют различные способы охлаждения: термоэлектрическое, криогенное, механическое газоциркуляционное охлаждение, известное как цикл Стирлинга. Охлаждаемые элементы детекторов обычно содержатся в уплотненных металлических или стеклянных вакуумных контейнерах, охлаждаемых жидким азотом при температуре 77 К, которая может быть снижена и далее за счет сжатия (детекторы Дюара). Детектор может работать до 8 часов без заполнения азотом.Термоэлектрические охладители основаны на эффекте Пельтье, согласно которому при протекании тока по определенным типам полупроводников один конец соединения нагревается, а другой охлаждается, и могут быть реализованы по технологии MEMS.Размер охлаждаемого элемента — главный ограничивающий фактор охлаждаемых фотонных или квантовых ИК-детекторов, далее следуют потребление мощности и цена. Без охлаждения такие детекторы будут «затопляться» собственным излучением, но с охлаждением оказываются громоздкими, дорогими и трудоемкими. Эксплуатация данных камер характеризуется некоторым временем, необходимым на охлаждение для возобновления работы. Время охлаждения самых первых детекторов достигало 10 минут.Необходимо учитывать, что для различных материалов охлаждение дает различные результаты (например, спектральное срабатывание селенида и сульфида свинца, а также материала MCT сдвигается в длинноволновую область ИК-спектра, а материалов InAs и InSb — в коротковолновую).Таким образом, уровень развития технологий охлаждаемых детекторов подходит для ручных камер, преимущественно специального назначения, но противоречит важнейшим автомобильным требованиям, таким как соотношение- высокие объемы/низкая цена, возможность автоматического распознавания объектов в течение всего времени вождения.

Неохлаждаемые методы детектирования для автоэлектроники имеют много преимуществ — во-первых, отсутствие охлаждающего фрейма и, следовательно, сниженный размер, малое потребление мощности и меньшую стоимость.

Неохлаждаемые UFPA-датчики, широко известные и как Uncooled Infrared Detectors или Uncooled Thermal Cameras, используют датчик, работающий при окружающей температуре, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к окружающей. Современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, срабатывающие на изменение сопротивления, напряжения или тока при нагреве инфракрасным излучением. Эти изменения затем измеряются и, например, в болометрах сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.

Основные материалы неохлаждаемых датчиков — пироэлектрические или материалы для микроболометров.Сверхпроводники также могут служить в качестве инфракрасных датчиков. Соединение Джозефсона (два сверхпроводника, соединенных очень тонким изолирующим оксидным барьером), отличающееся тем, что в нем возникает ток через сверхпроводники, при приложении малого магнитного поля может быть преобразовано в туннельное соединение Гиавье Superconducting Tunneling Junction (STJ), которое используется как очень чувствительный фотонный детектор в широком спектральном диапазоне, включая ИК. Каждый фотон разрывает число существующих пар, которое зависит от энергии фотона и зазора материалов соединения. Высокая чувствительность этих датчиков требует изоляции от фонового излучения и охлаждения до температур ниже 1 К.

Для снижения шумов неохлаждаемые ИК-датчики могут быть стабилизированы к рабочей температуре. Такие камеры меньше по размеру и цене. Хотя их разрешение и качество изображения ниже, чем у охлаждаемых, уровень развития технологий предполагает адекватные результаты при их использовании в автомобильных системах (например, скорость работы 200 кадр/с и другие показатели).

Лекция 8 Пироэлектрические детекторы

Это широко распространенный тип датчиков теплового типа, используемых для детектирования ИК-излученияПироэлектрики представляют собой кристаллические диэлектрики со спонтанной поляризацией при отсутствии внешних воздействий, которая увеличивается или уменьшается при изменении температуры, что сопровождается возникновением электрического поля (пироэлектрический эффект). При постоянной температуре поляризация пироэлектрика нейтрализуется за счет взаимодействия поверхностных зарядов со свободными электрическими зарядами воздуха. Если температура материала увеличивается, например, при поглощении любого видимого или невидимого излучения, поляризация также возрастает, что наблюдается как электрический сигнал, обычно при подсоединении электродов для формирования конденсатора. Датчик будет производить выход только при изменении температуры, следовательно, он не будет чувствителен к фоновому излучению, и температурной компенсации не потребуется. Так как пироэлектрики не дают статический сигнал (DC-сигнал), температура поверхности модулируется во времени посредством прерывателя излучения (известного под названием chopper), для того чтобы измерять температурные контрасты с фоном неподвижных объектов.

Известно также последовательное включение двух заряжаемых конденсаторных пироэлектрических элементов с противоположной полярностью (соединяемых их однополярными знаками). Этот способ позволяет устранить влияние фоновых температурных воздействий (вследствие солнца, вибраций) и применяется для детектирования подвижных объектов.

Заряды, наведенные в электродах, будут образовывать напряжение на пироэлектрическом слое, для снятия которого необходим сравнительно высокий входной импеданс ROIC, либо на выходе первичного преобразователя генерируется переменный ток, обрабатываемый во внешней схеме, подсоединенной к противоположным поверхностям детектора.

Пироэлектрические датчики могут изготавливаться, например, из барий-стронциевого титаната BaStTiO3 (BST), танталата лития LiTaO3, ниобата танталата калия KTaNbO3 (KTN), модифицированного титаната цирконата свинца PbZrTiO3 (PZT) или других материалов с высоким пироэлектрическим коэффициентом, генерирующих электрический заряд в ответ на температурные изменения. Благодаря кристаллической структуре пироэлектрики устойчивы к механическим разрушениям и стабильны при значительных перепадах температур и в условиях температурных флуктуаций (шумов).

Ниже температуры Tc порядка 250–450 °C, известной как точка Кюри, многие сегнетоэлектрические материалы (такие как танталат лития), которые входят в группу пироэлектриков, демонстрируют высокую спонтанную электрическую поляризацию (выше температуры Кюри поляризация исчезает).

Этот детектор представляет собой тонкопленочный конденсатор, выполненный из сегнетоэлектрических материалов группы, включающей ниобат танталат калия (KTN), BST и титанат цирконат свинца, дотированный лантаном.

Как и пьезоэлектрики, пироэлектрики — это пассивные датчики, не требующие питания. За счет этого значительно снижаются шумы (1/f) и NETD-температурный коэффициент.

Пироэлектрический процесс не зависим от длины волны воздействующего излучения. Ограничивающим фактором для спектрального диапазона является материал окна, используемый в производстве корпуса датчика. Таким материалом часто служит кремний. Различные оконные материалы и их комбинации позволяют детектировать излучение различных частот в определенном спектральном диапазоне.

KTN и BST, а также другие материалы имеют диэлектрические постоянные и температуры Кюри, которые могут различаться в зависимости от их химического состава. Максимальное ИК-срабатывание — пироэлектрический эффект — в KTN или BST может быть настроено на любую окружающую температуру, что востребовано рыночной нишей высокообъемных систем. Поскольку пироэлектрический эффект зависит от поляризации материала, пиродатчики могут иметь чувствительность, варьируемую в зависимости от применения.

Ввиду дифференциального характера сигнала пироэлектрических детекторов повышается чувствительность к ИК-излучению объекта на уровне фона. Еще более высокая чувствительность достигается за счет тепловой изоляции детектора от ROIC, но технология получения теплоизолированных пироэлектрических пленок пока еще не вполне совместима со стандартными технологиями микроэлектроники.

Для пироэлектрических матриц могут также использоваться сополимеры винилиденфторида PVDF, совместимые со стандартными технологиями микроэлектроники, но требующие поляризации пленки.

Первый пироэлектрический датчик изображения — пироэлектрический видикон — был разработан в начале 1970-х.

Затем технология пироэлектрических детекторов постепенно переместилась к массивам в фокальной плоскости, осуществляющим двумерное сканирование изображений.Компания Texas Instruments в 1976 году впервые создала двумерные массивы термодатчиков, используя пироэлектрические свойства керамических материалов.Новые разработки ориентированы на создание MEMS-технологий, применение КМР-материалов.Дальнейшие перспективы технологии относятся к разработке ROIC с ЦОС, выравнивающих неоднородности чувствительности пикселей, корректирующих дефектные пиксели, а также к запасанию и применению различных корректирующих коэффициентов.

Опубликованы сведения об успешном создании пироэлектрического электронно-оптического преобразователя (ПЭОП) диапазона 8–14 мкм в излучении видимого спектра способом попиксельной дискретизации ИК-изображения и модуляции однородного (моноэнергетического) потока электронов матричным пироприемником. ИК-изображение, преобразованное в видимое, отображается на катоднолюминесцентном экране ЭОП, без применения схемного мультиплексирования, как у пировидиконов. NETD прибора оценивается в 0,05–0,1 К, стоимость — в 45–50 тыс. рублей.

Тепловые камеры от Raytheon Commercial Infrared на основе UFPA-массива детекторов из материала BST с ROIC и LCD HUD применяются в системе GM Night Vision Cadillac и других автомобилей (Hummer H1 и H2, Volvo XC90 SUV). Для стабилизации температуры детекторов использованы термоэлектрические охладители, но эти температуры не криогенные, а комнатные. Массив пикселей, каждый из которых представляет собой температурно-зависимый конденсатор, включает решетку 320×240 или 160×120. Дисковый модулятор (chopper) вращается во фронте детектора, модулируя тепловую энергию сцены для очистки (blank on and off) пикселей. Вращение диска согласовывается по фазе с сигналами синхронизации ROIC, что обеспечивает электронное, не механическое сканирование. Считывание сцены затем преобразуется ROIC в монохроматический видеосигнал, отображаемый HUD.

Для уменьшения размеров устройств система линз использует рефракционную (преломляющую) оптику, сходную с той, что имеется в камерах видимого диапазона. Дальность видения системы оптимизирована до 80 м, с фиксированным фокусом 20 м. Горизонтальная область обзора HUD — 11°, вертикальная — 4°, изображение объектов на дисплее обеспечивается тех же размеров, что и видимые водителем в хороших условиях освещения.

Современная система Nidth Driver Raytheon — высокотехнологичная автомобильная тепловая система, впервые разработанная для военных применений и сейчас применяемая на автомобилях Cadillac и Hummer H1 & H2, а также коммерчески доступная для любых транспортных средств. Эта система «видит» в 5 раз дальше фар дальнего света, как и микроболометрическая камера Autoliv и Flir. Cтоимость системы ночного видения для автомобилей Cadillac Deville составляла около $1000–2000, цена систем NightDriver в розницу — приблизительно $4000. По статистике NHTSA 25% вождений приходится на ночное время суток, причем смертельные исходы выше ночью (55% от общего числа аварий), 62% пешеходов гибнет ночью, 300 тыс. аварий ежегодно случаются в США вследствие столкновений автомобилей с животными. На скорости 60 миль/час система NidthDriver увеличивает время для реагирования водителя от 3,5 до 15 с, снижая вероятность аварии.

Структуры «кремний на изоляторе» (SOI — Silicon-On-Insulator)

ИК-детекторы данного типа включают несколько последовательно включенных p-n-переходов, размещенных на подложке, состоящей из однокристальной кремниевой пленки, находящейся поверх изолятора — пленки диоксида кремния SiO2 или другого материала, депонированной на объемную кремниевую подложку.

Основной вариант этого устройства основан на вариации электрических свойств в зависимости от температуры изолированных частей кремния — кремниевого диода, транзистора, которые производятся по технологии SOI. Значительным преимуществом данной конструкции, по сравнению с пироэлектриками, является ее полная совместимость со стандартными кремниевыми технологиями микроэлектроники.

Термодетекторы, основанные на пироэлектрическом эффекте в сегнетоэлектриках, также могут применяться в этом устройстве, если оно выполняется как конденсатор с тонкой сегнетоэлектрической пленкой в качестве диэлектрика, однако возможны и другие варианты исполнения.

SOI-детекторы отличаются сниженным уровнем шумов из-за высокой однородности структуры из двух монокристаллических кремниевых слоев. Изолятор из диоксида кремния позволяет достичь высокой тепловой изоляции.

Многие разработки технологии SOI достигли уровня промышленного применения (акселерометры, гироскопы, тепловые детекторы), но массовая коммерциализация тепловых датчиков этого типа для автоэлектроники пока еще в перспективе.

Термопары и термопили

Рис.19 Термопара U=k(T1-T2) хромель - алюмель

Под действием разницы температур заряженные частицы начинают перемещаться из зоны с более высокой температурой в зону с более низкой температурой. Составляющие термопары создают разницу сопротивлений этому перемещению, следовательно возникает разница давления этих частиц, следовательно появляется ЭДС.Существуют термоэлектрические генераторы, в которых используются полупроводниковые пары p-n и n- типа (до 0,5 В на одну пару).

Термопары, в основе которых лежит термоэлектрический эффект Зеебека, широко используются для температурных измерений.При возникновении температурной разницы между двумя металлами с различными проводящими свойствами генерируется диффузионный ток. Для его компенсации на концах двух металлических проводов генерируется напряжение Зеебека, измеряя которое, можно определить температурную разницу на концах термопары. В дальнейшем сгенерированное температурой напряжение может быть усилено при последовательном соединении множества термопар для того, чтобы формировать термопили. Выходное напряжение термопилей будет равно напряжению одной термопары, помноженной на их число.

Разработка технологий кремниевых MEMS и подвешенных мембранных структур позволила увеличить срабатываемость и скорость работы термопилей за счет снижения тепловой емкости и высокой тепловой изоляции. Кроме производства одиночного датчика, становится возможным выпуск монолитных сенсорных массивов FPA для теплового сканирования изображений. Такой термопиль включает подложку и подвешенную мембрану со множеством термопар.

Преимущество термопилей в том, что они не требуют питания, являясь пассивными устройствами. Следовательно, отсутствуют шумы от флуктуаций напряжения питания, присущие микроболометрам. Поскольку ток, текущий через термопиль, мал или равен нулю, низкочастотный 1/f-шум от тока также сводится к нулю. В связи с тем, что термопили определяют температурную разницу между горячим и холодным концом, они не нуждаются в температурной стабилизации, как резистивные болометры.

Коммерчески доступная элементная база датчиков этого типа представлена фирмами Melexis, HlPlanartechnik. MLX90247 Melexis использует термопиль, предназначенный для измерений температурной разницы между объектом и детектором, и термистор для измерения температуры детектора. Кремниевое окно блокирует видимый свет и коротковолновый инфракрасный свет. Измерение абсолютной температуры объекта возможно посредством комбинирования обоих выходов. Горячее соединение термопиля позиционировано близко к центру мембраны, холодные соединения расположены выше края объемной кремниевой подложки. Инфракрасное излучение, воздействующее на мембрану с низкой теплопроводностью, создает температурную разницу между мембраной и окружающим объемным кремнием. Напряжение термопиля соответствует разнице между температурным объектом и детектором.

Вместе с интерфейсом MLX90313 датчик MLX90247 составляет основу инфракрасных модулей термометров MLX90601. Основное назначение модулей — автомобильный климат-контроль, а также обнаружение пассажиров.

Основываясь на разработках сенсорных модулей, Melexis также создает автомобильные датчики, включающие массив пикселей 10×10. Эти ИК-массивы позволят более комплексно оценивать присутствие, число и положение пассажиров.

Совместно с Ann Arbor Sensor Systems LLC компания MemsTech производит MEMS-термопили с низким температурным коэффициентом чувствительности, постоянным срабатыванием в области ИК-спектра, долговременной стабильностью. Достижимы значения точности в ±1 °C, в зависимости от температурного диапазона. Для узких температурных диапазонов, таких как измерение температуры тела, возможно получение точности в 0,1 °C.

Термопильный массив MemsTech, предлагаемый в корпусе LCC, представляет собой MEMS-устройство верхнего рыночного сегмента, состоящее из массива тонких термопилей 32×32, чувствительных к тепловому излучению.

Термопили с применением MEMS-детектора относительно низкой цены при сравнительно высоком уровне исполнения, что перспективно для многих автомобильных применений. Ограничения технологии — большой размер сенсорных элементов (около 250m250 мкм) — не позволяют пока производить датчики для систем ночного видения, где требуется более высокое разрешение.

Лекция9 Интегрированный датчик температуры с МК

Функция МК - получение в цифровом виде значения температуры.

Рис.20 Схема интегрированного датчика

Рис.21 Заряд -разряд конденсатора С.

Rt - терморезистор, сопротивление которого зависит от температуры.

Рис.22 Температурная характиристика терморезистора

R2 - служит для линеризации температурной характиристики чувствительного элемента в области измерений.В диапазоне ΔТ=50 0С R2 позволяет обеспечить отклонение от линейности в пределах ±1,5 0С.R1 - резистор, который обеспечивает функционирование процесса измерения, обеспечивает фиксированный режим заряда конденсатора С.Выбор резисторов R1 и R2:

В заданном интервале температур 25...75 0С определяется сопротивление термистора в середине интервала.Rt = 10к;Rt при 50 0С = 3,6к;R2 = Rt90 0C = 3,6к;

R1 = R2 = Rt при 50 0С = 3,6к.R1 = R2 (всегда - не зависят от температуры - термостабилизированные).

1) Команда МК: заряд конденсатора С через резистор R1 от источника VDD (с начальным Uc = 0) P1 - разомкнут.

2) Остановка заряда, когда Uc = V0.

3) Измерение t2.

4) Отключение выхода P2 и соединение выхода P1 с землей (заземление).

5) Разряд конденсатора С с начальным напряжением Uc = U0 до Uc = 0.

6) Измерение t1. Тизм = t1 + t2.Поскольку разряд конденсатора С производится через параллельно соединенные резисторы R2 и Rt, то время t1 будет зависеть от температуры.V0 < VDD;;

Рассчитывается t1 по аналогичной формуле, но вместо R1 подставляется R2.

Лекция10 Устройства для измерения расхода жидкости или газа.

Термоанемометры- устройства для измерения расхода жидкости или газа, или их скорости потока.

Рис.23 Термоанемометрический расходомер

Терморезистор Rt1 и Rt2 находятся в сечении потока и омываются газом или жидкостью. Поток охлаждает Rt1 и Rt2, но температурный режим Rt1 существенно не меняется, так как у него мал начальный перегрев, но перегрев Rt2 большой и влияние на него потока значительно больше.

Q=S·U·q; где Q - массовый расход; S - площадь; U - скорость потока; q - удельный вес [кг/м3]

.1) PН=const; ΔT=var=T2-T1.

2) ΔT=T2-T1=const; PH=var.

Термоанемометрический расходомер с непосредственным нагревом.Подогрев током, протекающим непосредственно через терморезистор.

Q=S·U·q; ΔТ=const; PQ=var;

Рис.24 Схема термоанемометра

U↑, Q↑, ΔRt2↑, T2↓, Rt2↑, Iб2↑, I2↑ следовательно РRt2↑, ΔТ = const (восстановление перегрева), I2 UR2↑, UВЫХ↑.С увеличением потока, и соответственно увеличением расхода газа или жидкости увеличивается отбираемая тепловая мощность от резистора Rt2, уменьшится его температура, увеличится его сопротивление, вследствие чего UR2↓, увеличится ток Iб2, следовательно I2↑, следовательно мощность, рассеиваемая в резисторе Rt2 увеличится, возрастет все напряжение питания моста, следовательно I2R2↑ и установится новый режим увеличения тока I2, URt2↑, но ΔTRt2 = const (перегрев).Рис.25 Характери

Дата добавления: 2014-01-14