Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое Электрические сенсоры, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Электрические сенсоры , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы .
|
5.1. Физические основы работы электрических сенсоров-датчиков К электрическим сенсорам мы относим те сенсоры, первичные сигналы в которых появляются в виде изменения электрических свойств физических тел, веществ или связанных с ними электрических цепей. Электрические сенсоры , в ряде случаев, могут являться составными частями других сенсоров, обычно рассматриваются в таких случаях как "трансдьюсеры", – преобразователи других видов сигналов в электрическую форму.
Классификация электрических сенсоров По физическому принципу действия чувствительного элемента электрические сенсоры обычно классифицируют (рис. 5.1) на сенсоры с пассивными и с активными чувствительными элементами.
Рис. 5.1. Классификация электрических сенсоров по физическому принципу действия К активным чувствительным элементам относят транзисторы, диоды, нелинейные электронные элементы, имеющие участки вольтамперной характеристики с отрицательным наклоном, газоразрядные и другие элементы, внутри которых вызванные внешним влиянием небольшие изменения сразу же значительно усиливаются за счет внешнего источника энергии.
|
|
|
|
|
|
5.2. Резистивные сенсоры Одними из простейших электрических сенсоров-датчиков являются резистивные сенсоры, в которых под действием внешнего фактора изменяется сопротивление того или иного участка электрической цепи. Как сказано уже выше, их мы будем классифицировать, исходя из того внешнего фактора, под действием которого изменяется электрическое сопротивление резистора. Терморезисторы Датчики– терморезисторы, у которых электрическое сопротивление проводника или полупроводника зависит от температуры. Точность измерения температуры с использованием терморезисторов зависит от ряда факторов. С точки зрения теплофизики терморезистор характеризуется собственной теплоемкостью Обычно теплоемкость На самом деле терморезистор далеко не всегда находится при температуре, совпадающей с температурой объекта. Ведь он обменивается теплом не только с объектом, температуру которого он должен измерять, но также с окружающей средой и со схемой измерения. Пользуясь известной электротепловой аналогией, эквивалентную теплоэлектрическую схему измерения можно представить в виде, показанном на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Эквивалентная теплоэлектрическая схема измерения температуры Расчет этой схемы в стационарном режиме, т.е. в состоянии уже достигнутого теплового равновесия, дает для температуры, измеряемой температурным сенсором, следующую формулу
где Отсюда видно, что сенсор будет верно измерять температуру объекта лишь при условии, что Следует помнить, что t = T- T0 , где t –температура по Цельсию; T - температура по Кельвину; T0 = 273,15К, Из схемы, показанной на рис. 5.2, вытекает также, что, когда температура объекта быстро изменяется, то реакция терморезистора на эти изменения будет зависеть от его тепловой инерции. Она характеризуется временной постоянной Известно, что электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры по закону, известному из школьного курса физики:
где Термисторы Более значительные по величине и разные по знаку температурные коэффициенты электрического сопротивления имеют полупроводники. Полупроводниковые терморезисторы принято называть термисторами. Фоторезисторы Следующим видом резистивных сенсоров являются фоторезисторы. Их электрическое сопротивление зависит от освещенности. Фоторезисторы изготавливают чаще всего из полупроводников группы
|
|
|
|
|
Если на металлическую проволоку действует сила, которая растягивает ее, то в результате деформации длина проволоки несколько увеличивается, а площадь поперечного сечения несколько уменьшается. Из-за этого электрическое сопротивление проволоки возрастает. Такое явление называют пьезорезистивным (от греческого корня) или тензорезистивным (от латинского корня) эффектом.
Значительно более высокую тензочувствительность, чем металлические, имеют полупроводниковые пьезорезисторы, поскольку механизм изменения электрического сопротивления в них намного сложнее. Тензочувствительность резисторов, например, из кремния в десятки раз выше, чем у металлических.
В магниторезистивных сенсорах используется способность некоторых материалов существенно изменять свою электропроводность в зависимости от направления и напряженности внешнего магнитного поля. К таким материалам относятся, например, пленки пермаллоя (
). Чаще всего применяют структуру, в которой чувствительный элемент состоит из 4 пленочных резисторов из пермаллоя, напыленных на поверхность кремния и соединенных в виде мостовой измерительной схемы.
Не менее широко для создания сенсоров используют изменения электроемкости чувствительных элементов под влиянием факторов, которые надо контролировать. На рис. 5.3, в качестве примера, в продольном сечении показан цилиндрический конденсатор, в котором внутренний цилиндрический электрод 1 может двигаться вдоль оси цилиндра относительно внешнего цилиндрического электрода 2.
Рис. 5.3 Цилиндрический конденсатор с подвижной сердцевиной как сенсор линейного перемещения
Электрическая емкость цилиндрического конденсатора, как известно, описывается формулой
|
|
(5.3) |
где 
– электрическая постоянная; 
и 
– радиусы внутренней и внешней обкладок конденсатора; 
– длина зоны взаимодействия цилиндров. Поэтому в достаточно широком диапазоне емкость пропорциональна длине 
, т.е. является линейной функцией перемещения сердцевины. Такие конденсаторы успешно используют для точного преобразования в электрический сигнал взаимного положения и перемещения тел.
Электрическая емкость плоского конденсатора описывается, как известно, формулой
|
|
(5.4) |
где 
– площадь его пластин; 
– расстояние между ними; 
– диэлектрическая проницаемость материала между пластинами. Изменение любой из этих величин приводит к изменению емкости и таким образом может быть зафиксировано. Например, в классических конденсаторах переменной емкости одна группа металлических пластин при повороте вокруг оси сдвигается относительно другой. При этом изменяется площадь их взаимодействия 
и соответственно электрическая емкость. Такой конденсатор можно использовать, например, как чувствительный элемент в сенсоре угла поворота.
. Примерами емкостных электрических сенсоров являются, а) сенсор линейного перемещения, в котором при перемещении внутреннего стержня цилиндрического конденсатора изменяется его емкость; б) сенсор давления, в котором емкость 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 емкость между двумя гребенчатыми электродами меняется в зависимости от наличия и концентрации в атмосфере молекул определенных паров или газов.
У многих веществ под действием внешних факторов изменяется не только диэлектрическая постоянная, но и электропроводность. В общем случае такие вещества принято характеризовать комплексной диэлектрической проницаемостью. А промежуток между электродами в этом случае характеризуют импедансом – комплексным электрическим сопротивлением переменному току. Конструктивно импедансные чувствительные элементы выполняются так же, как и емкостные. Но измерения производятся на переменном токе оптимально подобранной частоты. При пропускании через них переменного электрического тока соответствующей частоты можно измерять не только абсолютное значение импеданса, но и сдвиг фазы между током и напряжением на чувствительном элементе, что дает дополнительную информацию.
Вопросы для самопроверки 5
По какому принципу классифицируют электрические сенсоры?
Что такое "трансдьюсер"? Почему электрические сенсоры часто применяют в качестве трансдьюсеров?
Что такое "терморезисторы"? Имеется ли различие между "терморезисторами" и "термисторами"?
Что такое "фоторезисторы"? Объясните физический механизм их действия. Что такое "спектральная характеристика" фоторезистора?
Что такое "пьезорезисторы"? Для чего их применяют?
Что такое "магниторезистивные датчики"? Из какого материала их преимущественно делают?
Приведите примеры емкостных электрических сенсоров.
Чем отличаются емкостные и импедансные сенсоры?
Исследование, описанное в статье про Электрические сенсоры, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Электрические сенсоры и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
и собственным тепловыделением 
, где 
– величина электрического тока, который течет через терморезистор, 
– его электрическое сопротивление. Величину 
называют еще "мощностью саморазогрева" терморезистора. Температура саморазогрева t зависит от рассеиваемой мощности и коэффициента рассеивания.
терморезистора тем меньше, чем меньше его масса.
(5.1)
– тепловые сопротивления между температурным сенсором и объектом, температурным сенсором и окружающей средой, температурным сенсором и измерительной схемой соответственно; 
– абсолютные температуры объекта, окружающей среды и измерительной схемы соответственно; t-температура саморазогрева.
и 
, т.е. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . если терморезистор находится в тесном тепловом контакте с объектом, а от окружающей среды и от измерительной схемы хорошо теплоизолирован, и если измерительный ток достаточно мал.
. Для того чтобы измерение температуры было малоинерционным, теплоемкость терморезистора СТ должна быть по возможности меньшей, а его тепловой контакт с объектом по возможности лучшим. Подчеркнем, что изложенные соображения относятся не только к терморезисторам, но и ко всем другим температурным сенсорам.
(5.2)
– сопротивление проводника при данной температуре 
– сопротивление того же проводника при абсолютной температуре 
– температурный коэффициент сопротивления. Все металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. С целью уменьшения теплоемкости терморезисторы из металлов обычно изготавливают в виде очень тонких проволочек или пленок. Чаще всего используют платину, вольфрам, никель, которые имеют высокую температуру плавления, отличаются своей химической, термической и механической стойкостью и долговременной стабильностью. Однако температурные коэффициенты сопротивления у них относительно невелики.
путем напыления тонких слоев или намазывания толстых слоев с последующим спеканием пластин, реже – из монокристаллов. Изменение их электрического сопротивления под действием света происходит благодаря внутреннему фотоэффекту, т.е. благодаря тому, что при поглощении квантов света в полупроводнике появляются дополнительные свободные носители электрического заряда.
Комментарии
Оставить комментарий
Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы
Термины: Датчики и сенсоры, Технические измерения и измерительные приборы