- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
3.1.2. Металлические термометры сопротивления
Для металлов при температурах, близких к температуре Дебая и выше, удельное сопротивление ρ линейно меняется с температурой Т
ρ = ρ0 [1 + αρ (T – T0)], (3.1)
где ρ0 и αρ – удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления.
αρ = 1/ρ·(dρ/dT) при температуре Т0. Это объясняется рассеиванием электронов на фононах.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)
αR = 1/R·(dR/dT) (3.2)
зависит от αρ и от коэффициента линейного расширения материала αL: αR = αρ – αL. Ввиду того, что αL на два порядка меньше, чем αρ, то αR αρ.
При небольших изменениях температуры ΔТ в окрестности значения Т зависимость сопротивления металлического резистора от температуры линейна
R(T + ΔT) = R(T)·(1 + αR ΔТ). (3.3)
В более широком диапазоне температур
R(T) = R0 (1 + AT + BT2 + CT3), (3.4)
где Т выражается в градусах Цельсия; R0 – сопротивление при 0 ºС.
Для измерения температуры используются терморезисторы с высокостабильным ТКС, линейной зависимостью R(T), хорошей воспроизводимостью свойств и инертностью к воздействию окружающей среды. К таким материалам в первую очередь относится платина. Из-за дешевизны используются медные терморезисторы, а также применяются вольфрамовые и никелевые. Платину можно получить очень высокой чистоты (99,999 %), химическая пассивность платины и отсутствие структурных изменений обеспечивают стабильность электрических свойств. Платиновые термометры сопротивления используются а диапазоне от –260 до 1100 ºС.
Зависимость сопротивления меди от температуры линейна с очень высокой степенью точности, но химическая активность меди ограничивает верхний температурный предел 180 ºС. Нижний температурный предел составляет –200 ºС. Из-за низкого удельного сопротивления меди приходится использовать длинные проводники.
У терморезисторов из вольфрама наблюдается большая чувствительность к низким температурам ( при менее 100 К), чем у платины. Вольфрам может примеряться при более высоких температурах, чем платина, и имеет лучшую линейность сопротивления. Недостатком его является худшая стабильность электрических характеристик, чем у платины.
3.1.3. Термисторы
Термистор – это полупроводниковый терморезистор с отрицательным ТКС. Они имеют чувствительность к температуре примерно в 10 раз большую, чем металлические. Отрицательный ТКС может быть вызван разными причинами: увеличением концентрации или подвижности носителей заряда с ростом температуры, а также фазовыми превращениями материала.
Первое явление характерно для термисторов из монокристаллов ковалентных полупроводников (Si, Ge, SiC, соединений типа А3В5 и др.). Они имеют отрицательный ТКС для температур, соответствующих участкам примесной и собственной проводимости. Зависимость сопротивления определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, температурным изменением подвижности можно пренебречь. Для этих диапазонов характерна температурная зависимость сопротивления
R = R0 exp(B/T), (3.5)
где В – коэффициент температурной чувствительности; R0 – постоянная, зависящая от материала и размеров термистора; Т – температура, К.
При неполной ионизации примесей и отсутствии компенсации В = ΔЕ/2k, где ΔЕ – энергия ионизации примеси, k – постоянная Больцмана. Для компенсированного полупроводника при неполной ионизации примеси В = ΔЕ/k. Для участка собственной проводимости В = Еg/2k, где Еg – ширина запрещенной зоны полупроводника.
Вторая причина изменения сопротивления характерна для термисторов из поликристаллических окисных полупроводников – из окислов металлов переходной группы таблицы Менделеева (от титана до цинка). Металлы этой группы имеют переменную валентность и незаполненные электронные оболочки. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия такого обмена мала, поэтому все электроны (или дырки) можно считать свободными, а их концентрацию – постоянной. Подвижность носителей заряда в таком полупроводнике мала, она экспоненциально возрастает с повышением температуры. В результате температурная зависимость сопротивления окисного полупроводника оказывается такой же, как у ковалентного, а коэффициент температурной чувствительности характеризует изменение подвижности носителей заряда, а не изменение их концентрации.
В окислах ванадия VO2, V2O3 при температуре фазовых превращений (68 и –110 ºС) наблюдается уменьшение сопротивления на несколько порядков. Это явление используется для изготовления термисторов с большим отрицательным ТКС при температурах фазовых превращений.
Сравним чувствительность к температуре металлических терморезисторов и термисторов с чувствительностью термопар. Для этого включим терморезистор в одно плечо моста Уитстона, а в три другие – постоянные сопротивления с R = R0, где R0 – начальное значение сопротивления терморезистора. Напряжение разбаланса моста равно
U = = ΔT, (3.6)
где ЕП – напряжение питания моста; ТКС.
Для платины = 3,9·10 – 3( -1 для термистора примем = 0,05( -1. При ЕП = 2 В и ΔТ = 1 U = 1,9 мВ для платинового термометра и U = 25 мВ для термистора. Эти величины значительно превышают эдс термопар: 0,05 мВ для термопары железо-константан, 0,005 мВ – для термопары платинородий – платина.