- •Часть 1 (сенсоры-датчики).
- •Часть1-анализа наиболее распространенных сенсоров-датчиков.
- •Часть2-анализа элементной базы электронных схем измерительных приборов.
- •Литература
- •1.2 Системы единиц физических величин
- •1.3 Погрешности измерений физических величин
- •Вопросы для самопроверки 1(1) Дать кратко письменные ответы:
- •2. Классификация средств измерений.
- •2.1 По техническому назначению.
- •2.2Классификация структуры приборов
- •2.3 Классификации сенсоров по принципу действия.
- •2.4Обобщенная функциональная блок-схема многоканального интеллектуального измерительного прибора.
- •Вопросы для самопроверки 2 Дать кратко письменные ответы:
- •2 Классификации сенсоров по принципу действия
- •3. Виды механических сенсоров
- •Вопросы для самопроверки 3 (а) Дать кратко письменные ответы:
- •Вопросы для самопроверки 3 (б) Дать кратко письменные ответы:
- •Вопросы для самопроверки 4 Дать кратко письменные ответы:
- •5. Электрические сенсоры
- •Пьезорезисторы ( Тензорезисторы)
- •Магниторезистивные сенсоры
- •5.3 Емкостные сенсоры
- •Импедансные сенсоры
- •6 Вольтаические сенсоры-датчики
- •6.1 Сенсоры на основе термо-эдс
- •6.2 Сенсоры на основе фотовольтаического эффекта
- •6.3 Пьезоэлектрические сенсоры
- •6.4 Датчики Холла
- •Сенсоры на диодах и биполярных транзисторах Полупроводниковые диоды
- •Фотодиоды
- •6.6 Фотодиоды Шотки
- •6.7 Схемы включения фотодиодов
- •Фототранзисторы
- •7. Магнитные сенсоры
- •7.1. Необходимые сведения из физики
- •7.2 Магнитодиагностика изделий из ферромагнитных материалов
- •7.3 Магнитные считывающие головки
6 Вольтаические сенсоры-датчики
Напоминаем, что к этому виду мы относим те сенсоры, в которых под действием внешнего фактора первичный информационный сигнал возникает в виде электрического потенциала, разности потенциалов или напряжения между какими-то точками электрической цепи. Вольтаические сенсоры мы будем дальше классифицировать по физической природе того фактора, под влиянием которого возникает и изменяется электрический потенциал, напряжение или электродействующая сила (ЭДС).
6.1 Сенсоры на основе термо-эдс
Широко известным является применение для измерения температуры термопар – электрически соединенных между собой проводников из двух разных материалов. Если места их электрического контакта ("спаи") находятся при разных температурах, то между ними возникает разность потенциалов, которую называют "термо-ЭДС". Ее физической причиной служит то, что в области "горячего" контакта носители электрического заряда (электроны или "дырки") имеют более высокие скорости теплового движения. Поэтому диффузионный поток носителей от "горячего" спая к "холодному" больше, чем диффузионный поток от "холодного" спая к "горячему". В полупроводниках к этой причине добавляется еще и то, что концентрация носителей заряда у "горячего" спая тоже заметно выше. В результате носители заряда скапливаются возле "холодного" спая, и возникает разность потенциалов.
На не слишком больших температурных интервалах термо-ЭДС в термопарах из металлов пропорциональна разности температур:
|
(6.1) |
В этом выражении называют коэффициентом термо-ЭДС .
и – это температуры "горячего" и "холодного" спаев соответственно. У термопар из металлических проводников значения коэффициента термо-ЭДС лежат в пределах , а у полупроводников могут быть и на порядок выше.
По величине термо-ЭДС всегда можно однозначно определить разность температур. Наиболее широкий диапазон измерения температуры (от – 270°С до 1300°С) обеспечивает термопара хромель/алюмель. К наиболее употребительным термопарам принадлежат медь/константан, нихром/ константан, железо/константан и т.д. Роль одного из проводников с успехом может выполнять, например, и легированный кремний, который имеет коэффициент термо-ЭДС даже более высокий, чем у металлов.
Чтобы уменьшить их собственную теплоёмкость, термопары делают проволочными или пленочными. Благодаря незначительной толщине и массе измерительный спай пленочной термопары может иметь очень малую собственную теплоемкость и поэтому достаточно малую тепловую инерционность (меньше 10 мс). С помощью пленочной термопары можно измерять температуру даже очень малых тел миллиметровых и субмиллиметровых размеров, к которым ее приклеивают.
6.2 Сенсоры на основе фотовольтаического эффекта
Иногда в сенсорах, которые фиксируют и измеряют интенсивность света, используют фотовольтаический эффект – появление под действием падающего света разности потенциалов между освещенной и темной зонами полупроводника. Это связано с появлением в полупроводнике при поглощении фотонов дополнительных носителей электрического заряда (внутренний фотоэффект), которые начинают мигрировать в темную зону. Возникающую фото-ЭДС измеряют электронными схемами с очень высоким внутренним сопротивлением на разомкнутых выводах полупроводника. Благодаря весьма малой инерционности, её используют для контроля мощности и формы сверхкоротких импульсов излучения лазеров.