Генераторные датчики

Темы рефератов

1. Датчики линейных и угловых перемещений

2. Датчики влажности

3. Контактные датчики

4. Тензодатчики

5. Датчики для измерения температуры

6. Погрешности датчиков активного сопротивления

7. Погрешности емкостных датчиков

8. Погрешности индуктивных датчиков

9. Индуктивные датчики

10. Датчики Холла

11. Потенциометрические датчики

12. Методы дистанционных измерений с помощью датчиков

13. Параметрические датчики в системах охранной сигнализации

14. Перспективные датчики активного сопротивления

15. Новые датчики реактивного сопротивления

16. Датчики тока

17. Погрешности датчиков температуры

18. Дистанционные измерения с помощью емкостных датчиков

19. Дистанционные измерения с помощью индуктивных датчиков

20. Примеры использования датчиков Холла в измерительной технике.

К генераторным датчикам, в принципе, могут быть отнесены все те, которые не относятся к параметрическим. Это термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, тахометрические, электролитические, химические и др.

Принцип действия термоэлектрических датчиков основан на явлении термоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что если два разнородных проводника соединить одними концами к одной точке, получить термопару, и место соединения нагреть, то между свободными «холодными» концами проводников появится ЭДС. Величина этой ЭДС зависит от материалов, из которых изготовлены элементы термопары и от разности температур соединённых и свободных концов (t – t).

К материалам, используемым для изготовления электродов термопар, предъявляются требования: механическая и химическая устойчивость при высоких температурах; хорошая электропроводность; постоянство термоэлектрических свойств; однозначная зависимость термо-ЭДС от температуры.

(3.1)

Чувствительность термопары S определяется из градуировочного графика

где ΔЕ приращение ЭДС, обусловленное малым изменением температур Δ(t - t).

Свободные концы электродов термопары соединяются с измерителем посредствам проводов. Если материал соединительных проводов и материалы электродов термопары различны, то в местах соединения их также будут создаваться термо-ЭДС, величины которых зависят от температуры окружающей среды.

Для уменьшения погрешности термопары из-за паразитных ЭДС за счёт температур свободных концов и подводящих проводов могут использоваться мостовые схемы измерения с компенсирующими терморезисторами.

Инерционность термопар определяется их конструкцией, условиями теплообмена с окружающей средой. Постоянная времени термопар может находится в пределах от единиц до нескольких сотен секунд.

К недостатку термопар следует отнести малую величину их выходного напряжения. Для повышения выходного напряжения с термодатчика осуществляют включение нескольких (n) термопар последовательно. В результате выходное напряжение термодатчика увеличивается в n раз.

Весьма перспективными и постоянно совершенствующимися являются пьезоэлектрические датчики. В них используется эффект появления зарядов на гранях кристалла при его механической деформации. Наибольший пьезоэффект проявляется у кристаллов турмалина, кварца, сегнетовой соли, поляризованной керамики титаната бария и ряда других материалов.

(3.2)

При силе, действующей на пластину вдоль электрической оси, величина разности потенциалов, образуемая между металлическими электродами, сжимающими пластину (рис, 3,1) может быть определена из выражения

U

где - коэффициент пьезоэффекта, P – усилие, C – ёмкость конденсатора, образуемого электродами и пластиной между ними, - ёмкость измерительной схемы датчика.

Чувствительность датчика

(3.3)

P

Она может быть повышена за счёт уменьшения ёмкости измерительной схемы. С этой целью датчик изготавливается из нескольких (n) включенных механически последовательно, а электрически параллельно пластин. Следовательно, увеличивается выходное напряжение Uвых датчика (рис. 3.1 а, б).

Чувствительность такого датчика определяют как

(3.4)

Пьезоэлектрические датчики практически безинерционны, поэтому их используют для исследования быстропротекающих процессов. Для исследования статических режимов эти датчики не применяются из-за утечки зарядов через объёмную и поверхностную проводимость пластины и сопротивление изоляции соединительных проводов. Так как пьезодатчики являются одними из наиболее перспективных, то необходимо привести их классификацию.

Одна из главных целей любой классификации – выделение общего, присущего ряду объектов или явлений. С этой точки зрения классификация пьезорезонансных датчиков ставит одной из главных целей то общее, характерное, что присуще отдельным разновидностям измерительных преобразователей, относящихся к группе пьезорезонансных датчиков. С этих позиций более полезной является классификация по типу основного эффекта (механизма), ответственного за преобразование, т.е. модуляцию параметров пьезорезонатора. Такая классификация позволяет вести с единых позиций анализ измерительных приборов, используемых при измерениях величин, разных по своей природе, но работающих на одном и том же физическом механизме преобразования. В конечном счете это упрощает оценки метрологических характеристик и конструирование приборов.

Классификация датчиков может быть сделана по следующим признакам:

по применяемому материалу: монокристаллические (кварц, ниобат лития и др.), поликристаллические; по виду колебаний: по линейному размеру, радиальные, изгибные, крутильные, сдвиговые, на поверхностных акустических волнах, комбинированные; по виду физических эффектов: термочувствительные, тензочувствительные, акусточувствительные, гирочувствительные, контактные (использующие контактную жидкость и фактическую площадь контакта), доменно-диссипативные и др.; по количеству пьезоэлеменотов: моноэлементные, биморфные (симметричные, асимметричные), триморфные и т.д.; по назначению: для измерения статических и динамических давлений и усилий, для измерения линейных ускорений и угловых скоростей, для измерения параметров вибрации, для измерения параметров удара, для измерения звукового давления, для измерения влажности, для измерения вязкости, для гидроакустики, в ультразвуковой технологии, в электроакустике, в устройствах автоматики, в электронной технике и радиотехнике, в медицине и т.д.

Согласно предлагаемой классификации, практически все пьезорезонансные датчики могут быть отнесены к одной из следующих групп.

1. Пьезорезонанасные датчики на основе тензочувствительных пьезорезонаторов, в которых измеряемое воздействие прямо или косвенно создает в пьезоэлементе механические деформации. Преобразование в параметр реализуется через тензочувствительность пьезорезонатора.

2. Пьезорезонансные датчики на основе термочувствительных пьезорезонаторов. В этих датчиках измеряемый параметр прямо или косвенно воздействует на среднюю температуру (или ее распределение по объему) пьезоэлемента. Преобразование параметра осуществляется посредством термочувствительности пьезорезонатора.

3. Пьезорезонансные датчики на основе пьезорезонаторов, чувствительных к акустической нагрузке, комплексному сопротивлению. В этих устройствах измеряемый параметр модулирует условия излучения ультразвука с колеблющихся поверхностей пьезоэлемента. Механизм, лежащий в основе работы акустических пьезорезонансных датчиков, будем называть механизмом акусточувствительности.

4. Пьезорезонансные датчики на основе масс-чувствительных пьезорезонаторов, использующие зависимость параметров резонаторов от массы вещества, присоединенного (сорбированного) поверхностью пьезоэлемента. Преобразование параметра в них осуществляется через масс-чувствительность пьезорезонатора.

5. Пьезорезонансные датчики на основе чувствительности к вариациям геометрии прибора, в которых эквивалентные параметры резонаторов меняются при взаимном смещении элементов конструкции пьезорезонатора, например при изменении зазора между электродом и вибратором.

6. Пьезорезонансные датчики на основе гирочувствительных пьезопреобразователей. В этих устройствах измеряемым воздействием является частота вращения пьезовибратора вокруг оси, перпендикулярной к плоскости колебаний. Работа гиропреобразователей основана на появлении во вращающемся и одновременно колеблющемся с резонансной частотой вибраторе знакопеременных сил Кориолиса, пропорциональных частоте вращения, и изменяющих направление с частотой колебаний. Силы Кориолиса порождают дополнительные деформации пьезоэлемента, преобразуемые через пьезоэффект в электрическое переменное напряжение с амплитудой, пропорциональной частоте вращения, фазой, соответствующей направлению вращения.

Фотоэлектрические датчики – это ещё одна разновидность генераторных датчиков. Они изменяют свои параметры при воздействии на них световой энергии. Достоинствами их являются простота, малые габариты, высокая чувствительность, отсутствие механической связи с преобразуемым процессом. Основными характеристиками фотоэлектрических датчиков являются:

1. Световая характеристика – зависимость фототока от интенсивности падающего на фотоэлемент светового потока.

2. Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины падающих лучей при постоянной освещённости.

3. Инерционная (частотная) характеристика – зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока.

4. Вольтамперная характеристика – зависимость фототока от прикладываемого между электродами фотоэлемента напряжения при постоянном световом потоке.

Ещё имеются временные и температурные характеристики работы элементов.

(3.5)

Существуют различные виды фотоэлементов: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Чувствительность фотоэлемента определяется как отношение приращения фототока к приращению светового потока

Она зависит от типа элемента и величины нагрузочного сопротивления. Для повышения чувствительности фотоэлементы могут быть включены электрически последовательно друг с другом. Инерционность фотоэлементов разного типа различна.

Радиационные датчики – это те, где используются , или лучи. В состав датчика входят источник и приёмник проникающего излучения.

В качестве источников излучения применяются искусственные радиоактивные вещества (изотопы). Ионизирующие свойства радиоактивных излучений (, , - лучи) в соединении с явлениями поглощения (а так- же отражения) излучений, могут быть использованы для построения самых разнообразных воспринимающих элементов, преобразующих различные неэлектрические параметры в электрическое напряжение.

В авиационных системах автоматики наиболее удобно применение радиоизотопов для преобразования в напряжение линейных и угловых перемещений, а так же плотностей газов. Радиоактивные датчики сходны со схемами, использующими искусственные источники света и фотоэлементы.

-13

-7

Несмотря на кажущуюся простоту устройств, применение радиоактивных воспринимающих элементов затрудняется малой величиной тока и большим выходным сопротивлением схем с ионизационными камерами. Ионизационные токи, возникающие в камере, имеют величину порядка

10 – 10 А.

Приёмниками жёстких излучений могут быть: ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера - Мюллера, сцинтилляционные счётчики. Три первых вида приёмников основаны на измерении интенсивности ионизации, возникающей при действии , и -лучей. В сцинтилляционных счётчиках используются явления люминесценции кристаллов некоторых веществ, под воздействием , и -лучей. Возникающий при этом световой поток измеряется фотоэлементом (фотоумножителем). Действие кристаллических счётчиков основано на явлении возникновения проводимости в кристаллах некоторых веществ при их облучении жесткими лучами ( -лучами).

К генераторным относятся и тахометрические датчики (тахогенераторы). Это маломощные электрические машины, преобразующие механическое вращение в электрический сигнал. Тахогенераторы выдают напряжение пропорциональное частоте вращения. Они могут быть датчиками угловой скорости. Их можно классифицировать на тахогенероторы постоянного и переменного тока.

Тахогенераторы постоянного тока имеют возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов.

(3.6)

При вращении с частотой n ЭДС со щёток будет определяться формулой

Е = kФn

где k – коэффициент, зависящий от конструкции и схемы якоря, он постоянен. Ф – магнитный поток. В данном случае Ф постоянен, так как создаётся постоянным магнитом. Обозначим kФ = A и получим E = An.

Тахогенераторы переменного тока делятся на асинхронные и синхронные. Они отличаются от тахогенераторов постоянного тока: отсутствием коллектора и щёток, синусоидальной формой выходной ЭДС, большей надёжностью, стабильностью характеристик. Синхронные применяются реже асинхронных из-за таких недостатков как:

1. При изменении частоты вращения ротора частота выходного напряжения изменяется, что затрудняет их использование в обычных схемах переменного тока.

2. Фаза выходного напряжения не зависит от направления вращения ротора, то есть он нечувствителен к изменению направления вращения.

Синхронные тахогенераторы используются в индикаторных тахометрах для измерения частоты вращения различных механизмов. В них нагрузкой является вольтметр, шкала которого отградуирована в числах оборотов в минуту.

Асинхронный тахометр не имеет этих недостатков и широко используется в автоматике.

Специфичный недостаток асинхронного тахометра – это изменение выходной ЭДС при изменении температуры.

Химические датчики реагируют либо на химические вещества, либо на химические реакции. Их назначение – идентификация в газовой и жидкой фазах (химические датчики для твердотельных веществ практически не используются).

Эти датчики используют для контроля окружающей среды, при производстве пластмасс и литье металлов, где количество диффундированных газов влияет на характеристики продуктов производства.

В медицине химические датчики применяются для тестирования состояния здоровья людей по анализам состава крови и газов, находящихся в лёгких, а также для определения уровня алкоголя в крови, для диагностирования проблем пищеварения.

Имеются общие и специфические характеристики химических датчиков. Общие: стабильность, воспроизводимость, линейность, гистерезис, насыщение, время реакции, диапазон измерений.

Специфические: избирательность и чувствительность.

Избирательность – это способность датчика (детектора) реагировать только на определённое химическое вещество и не реагировать на все остальные (селективность).

Чувствительность характеризуется либо минимальной концентрацией детектируемого вещества, либо минимальным изменением его концентрации (разрешающая способность), достаточных для надёжного детектирования датчиком. Химических датчиков с идеальной селективностью не существует. Основной недостаток химических датчиков в том, что исследуемые химические реакции часто необратимо меняют сам датчик.

Широкое распространение получили полупроводниковые химические сенсоры. Это электронные приборы, предназначенные для контроля за содержанием в окружающей среде частиц того или иного газа. Принцип действия основан на эффекте трансформации величины адсорбции непосредственно в электрический сигнал, соответствующий количеству частиц, адсорбированных из окружающей среды или же появившихся на поверхности рабочего элемента сенсора благодаря гетерогенной химической реакции. Полупроводниковые химические сенсоры можно условно классифицировать по следующим признакам: типу выбранных для контроля электрофизических характеристик, таких, как электропроводность, термоэдс, работа выхода электрона и т.д.; типу и природе полупроводникового адсорбента, используемого в качестве рабочего элемента сенсора и по методу регистрации адсорбированного отклика его электрофизических характеристик.

Сенсорный эффект заключается в изменении различных электрофизических характеристик полупроводникового адсорбента при появлении на его поверхности детектируемых частиц независимо от механизма их появления. Происходит это потому, что возникающие в результате взаимодействия достаточно устойчивые поверхностные химические соединения в многих случаях обладают способностью либо обмениваться зарядом с объемными зонами в абсорбентах, либо непосредственно взаимодействовать с электрически активными дефектами полупроводника, и, таким образом, изменять как непосредственно концентрацию свободных носителей тока, так и, в определенных случаях, зарядовые состояние поверхности.

Для полупроводниковых химических сенсоров характерны низкая стоимость, малые размеры, сверхвысокая чувствительность, зачастую недостижимая в других методах анализа, надежность. Кроме того, концентрация детектируемых частиц преобразуется непосредственно в электрический сигнал, а электронная оснастка сенсора – это простейшая электрическая схема, которая может быть реализована в активной части несущей подложки.

Общими требованиями к полупроводникам всех типов, используемых в качестве рабочих элементов сенсоров, являются следующие: достаточная химическая стойкость, они не должны образовывать устойчивых химических соединений с адсорбированными частицами и, кроме того, должны обладать достаточной термической и механической прочностью. Таким требованиям удовлетворяют металло-оксидные полупроводники и др. Сенсоры их этих материалов имеют высокую чувствительность и селективность в отношении контролируемого газа или изучаемого тела активных частиц. Для данных датчиков имеет место воспроизводимость величины сигнала при многократных изменениях в одних и тех же условиях. А так же имеется возможность регенерации адсорбента, т.е. наличия технологических приемов, позволяющих возвращать измеряемые характеристики адсорбента к их первоначальным значениям. К важным требованиям следует отнести требование обратимости сигнала сенсора, т.е. способности измеряемой характеристики адсорбента отслеживать обратимые изменения содержания контролируемого газа в окружающем пространстве (объеме), а также требования низкой инерционности сигнала, т.е. малого времени необходимого для установления нового значения измеряемой характеристики при изменении газовых условий, обеспечивающих требуемую точность измерения. Имеются требования к стабильности температуры для получения заданной точности измерения интересующих концентраций, к сроку службы рабочего элемента без его регенерации.

В зависимости от задачи эксперимента чувствительные элементы сенсоров делают в виде пластинок толщиной 2÷4мм разной формы (круглые, квадратные, прямоугольные), небольших размеров (от долей единиц мм). На пластинах платиновой пастой делают миниатюрные контакты, к которым привариваются платиновые отводы.

Датчики могут подвергаться воздействию большого числа разных комбинаций химических реагентов, все их которых невозможно смоделировать. При этом загрязнения влияют на рабочие параметры датчиков, определяемых при калибровке. Иногда для предотвращения загрязнения в датчик встраивают фильтры, задерживающие ненужные вещества, не оказывая при этом влияния на исследуемые компоненты. Химические датчики на основе ПАВ, подвергаются механическому загрязнению чувствительных адсорбирующих плёнок исследуемыми реагентами, что приводит к необратимому изменению их массы и изменению параметров.

Существует две классификации химических датчиков: по типу явления, лежащего в основе принципа действие и по методу измерения.

Все химические детекторы можно разделить на две большие группы: прямого изменения (простые) и косвенные (составные). Каждая группа, в свою очередь, делится на устройства химического и физического типа.

Датчики прямого действия основаны на свойствах некоторых химических реакций менять параметры электрической цепи: напряжения, сопротивления, тока или ёмкости. Такие датчики используют дополнительные схемы для согласования выходных электрических сигналов с интерфейсной схемой, но в них нет никаких преобразователей, конвертирующих (преобразующих) одну форму энергии в другую. Датчик косвенного типа основан на химических реакциях, не вызывающих непосредственного изменения электрических параметров, поэтому в его состав всегда входят дополнительные преобразователи, конвертирующие побочные явления реакций (изменение физических размеров, сдвиг частоты, фазы, модуляция света, изменения температуры и т.д.) в электрические сигналы. В датчиках физического типа химические реакции не протекают, но в присутствии определённых химических реагентов происходит изменение их физических свойств. Эти датчики имеют меньший дрейф характеристик, лучшую стабильность по сравнению с химическими. Но они дорогие и имеют малое быстродействие.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается принцип действия термоэлектрических датчиков?

2. Какие материалы используются для изготовления термопар?

3. Что влияет на погрешность измерения температуры с использованием термопар?

4. Какие недостатки имеются у термопар?

5. Для каких целей используются пьезодатчики?

6. Какие материалы используются для изготовления пьезодатчиков?

7. Каков принцип действия пьезодатчиков?

8. Как выражается чувствительность пьезодатчика?

9. Каковы разновидности фотоэлектрических датчиков?

10. Каковы характеристики фотоэлектрических датчиков?

11. Какие типы датчиков используются для определения радиации?

12. Назовите типы тахометрических датчиков.

13. На что реагируют химические датчики?

14. Для каких целей химические датчики используются в медицине?

15. Каковы недостатки химических датчиков?

16. Какова классификация пьезодатчиков?

Рекомендуемая литература

1. Благовещенский, В.С. Полупроводниковые приборы. Измерение параметров, испытания / В.С. Благовещенский – Чита, Изд-во ЧитГУ, 2008.

2. Благовещенский, В.С. Управление и измерение в больших и малых системах: монография / В.С. Благовещенский – Чита, Изд-во ЧитГУ, 2007.

3. Благовещенский, В. С. Средства преобразования и передачи информации / В. С. Благовещенский, Ю. Н. Давыдов – Томск, Изд-во ТГУ 1986.

4. Гайдук А.Р. Теория автоматического управления в примерах и задачах с решениями в MATLAB / А.Р. Гайдук, В.Е. Беляев, Т.А. Пьявченко – СПб. Лань, 2011 – 464с.

5. Джексон, Р.Г. «Новейшие датчики» / Р.Г. Джексон – М.: Техносфера, 2007.

6. Коновалов Б.И. Теория автоматического управления / Б.И. Коновалов, Ю.М. Лебедев – СПб.: Лань, 2010 – 224с.

7. Красовский, А.А. Основы автоматики и технической кибернетики / А.А. Красовский, Г.С. Поспелов – Л.:ГЭИ, 1962.

8. Мясников И.А. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников, В.Я. Сухарев, Л.Ю. Куприянов и др. – М.: Наука, 1991 - 327с.

9. Солодовников, В.В. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов / В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, А.В. Яковлев А.В. – М.: Машиностроение, 1985.

10. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден – М.:Техносфера, 2005.

Дата добавления: 2014-12-27