Первичные изм. преобразователи. Часть 2

В. Е. Поляков

Первичные

преобразователи

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СЗТУ

2008

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности

В. Е.Поляков

Первичные

преобразователи

Учебное пособие

Часть II

Фотоэлектрические, термоэлектрические, проволочные и реостатные, электромагнитные и электронномеханические преобразователи. Преобразователи на основе перепада давления и измерители давления

Санкт-Петербург Издательство СЗТУ

2008

Утверждено редакционно– издательским советом университета УДК 62-791.2 (035.5)

Поляков, В. Е. Первичные преобразователи: учебное пособие, часть II / В. Е. Поляков. СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008.- 237 с.

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования.

Дисциплина охватывает основные классы первичных преобразователей, включающих в себя понятия передаточной функции, чувствительности преобразователей к измеряемой физической величине, схеме включения в измерительную цепь, некоторые варианты использования первичных преобразователей в контрольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности.

Учебное пособие состоит из двух частей. Первая часть посвящена изучению преобразователей механического сигнала, конденсаторных и пьезоэлектрических преобразователей. Во второй части рассматриваются фотоэлектрические, термоэлектрические, проволочные и реостатные, электромагнитные и электронно-механические преобразователи, а также преобразователи на основе перепада давления и измерители давления.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 200101.65

– « Приборостроение», специализации: 200101.65-05 - «Контрольноизмерительные приборы и системы» и 200101.65-20 - «Приборы и системы таможенного экспортного и импортного контроля».

Рецензенты: кафедра приборов контроля и систем экологической безопасности - зав. каф. приборов контроля и систем экологической безопасности А. И. Потапов , д-р техн. наук, проф.;

-В. А. Тарлыков, д-р техн. наук, проф. кафедры квантовой электроники и биомедицинской оптики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики; А. А. Сарвин, д-р техн. наук, проф., зав. каф. автоматизации производственных процессов, директор института системного анализа, автоматики и управления СЗТУ, Северо-Западный государственный заочный технический университет.

© Северо-западный государственный заочный технический университет,

2007 © Поляков В. Е., 2008

Предисловие

Современный этап развития человечества характеризуется огромными потоками информации, циркулирующей во всех сферах его деятельности. Если в середине XIX века увеличение объёма информации за 50 лет происходило вдвое, то в начале XX века его удвоение происходило уже за 20 лет, а в начале 80-х годов этот срок уменьшился до 3-4 лет. Поэтому XX век был назван веком информации.

Важную роль среди различных видов информации играет измерительная информация, которая несёт количественную оценку состояния технологических процессов, характеристик изделий, результатов научных исследований, параметров окружающей среды, физиологического состояния человеческого организма и т. д.

Автоматизация технологических процессов, эффективное управление различными агрегатами, развитие научных исследований требуют измерений разнообразных физических величин. О количестве и разнообразии физических величин можно судить по тому факту, что система единиц СИ включает в себя 7 основных, 2 дополнительных и 113 производных единиц, в том числе пространства и времени 6, механических 14, электрических 4, магнитных 40, тепловых 11, световых 15, акустических 14, ионизирующих излучений 2, молекулярной физики и физической химии 11.

Различные физические величины имеют существенно разную физическую природу, поэтому отличаются методы и средства их измерений. Для удобства разработки или выбора тех или иных методов и средств измерений все физические величины делят на электрические, магнитные и неэлектрические.

Характерной особенностью современных измерений является то, что не только электрические и магнитные, но и большинство неэлектрических величин измеряются электрическими методами, т.е. путем

3

предварительного преобразования неэлектрической величины в электрическую.

Это обусловлено следующими достоинствами:

∙электрические величины удобно передавать на расстояние, причём передача осуществляется с высокой скоростью;

∙электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;

∙электрические величины легко точно и быстро преобразуются в цифровой код;

∙электрические измерения позволяют достигнуть высокой точности и

быстродействия средств измерений.

Получение измерительной информации связано с использованием контрольно-измерительных приборов, основными узлами которых являются первичные преобразователи.

Целью преподавания дисциплины «Первичные преобразователи» является подготовка инженеров, знакомых с методами выбора первичных преобразователей контрольно-измерительных средств и имеющих достаточную квалификацию для эксплуатации и проектирования контрольно-измерительных преобразователей.

Основные задачи, стоящие перед студентами при изучении дисциплины «Первичные преобразователи» включают в себя: освоение теории преобразования физических величин; принципов построения и проектирования первичных преобразователей; схем включения первичных преобразователей в измерительные цепи; привитие навыков экспериментирования в области механических величин и параметров электрическими методами.

Дисциплина «первичные преобразователи» базируется на знаниях, полученных при изучении общетеоретических дисциплин, в том числе: «Высшая математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Теоретические основы электротехники», «Теория электромагнитного поля», «Сопротивление материалов» а также общеинженерных дисциплин: «Теория механизмов и машин», «Детали приборов», «Взаимозаменяемость,

4

стандартизация и технические измерения», «Основы метрологии, точность и надежность», «Элементы точных приборов».

Знания, полученные при изучении дисциплины «Первичные преобразователи», используются в дисциплинах «Электронные устройства контроля и микропроцессоры», «Теория и проектирование автоматизированных контролирующих систем», «Физические методы контроля параметров окружающей среды, веществ, материалов и изделий».

Учебно-методическое пособие «Первичные преобразователи» состоит из двух частей.

В первой части (гл.1-5) особое внимание уделяется теории первичных преобразователей, формулируются определения и терминология, рассматриваются принципы преобразования физических величин и приводится классификация первичных преобразователей (гл.1). В следующих четырех главах достаточно подробно рассматриваются преобразователи механического сигнала, включающие преобразователи силы, давления, деформаций, датчики линейных перемещений и угла поворота.

При описании конденсаторных (емкостных) преобразователей рассмотрены датчики с переменным зазором, переменной площадью пластин конденсаторов, а также некоторые накладные конденсаторные преобразователи.

Глава «Пьезоэлектрические преобразователи» включает в себя теорию пьезоэлектричества, описание различных видов пьезоэффекта, пьезоэлектрических материалов и конструкций пьезоэлектричских преобразователей.

Во второй части учебно-методического пособия (гл.1-8) рассмотрены фотоэлектрические, термоэлектрические, проволочные и реостатные, электромагнитные и электронно-механические преобразователи. Там же приведены принципы построения и конструктивные характеристики преобразователей на основе перепада давления и измерителей давления с электрическим и пневматическим выходными сигналами.

Во всех случаях при рассмотрении различных типов преобразователей особое внимание уделяется передаточной функции, чувствительности преобразователей к измеряемой физической величине, схемам включения в измерительную цепь. Приводятся некоторые варианты использования первичных преобразователей в контрольно-измерительных приборах и их конструктивные особенности.

5

Автор выражает свою благодарность и признательность студентамдипломникам университета Криницыной Е.С. (г. Выборг), Сенько В.В. (г. Пушкин) и Кравченко Н.А. (г. Санкт-Петербург) за помощь, оказанную при написании и оформлении учебно-методического пособия «Первичные преобразователи».

6

О Вы, которых ожидает	О, ваши дни благословенны!
Отечество от недр своих	Дерзайте, ныне ободренны
И видеть таковых желает,	Раченьем вашим показать,
Каких зовет от стран чужих,	Что может собственных Платонов
	И быстрых разумом Невтонов
	Российская земля рождать.

М.В.Ломоносов. «Ода на день восшествия на всероссийский престол ее величества государыни

императрицы Елисаветы Петровны 1747 года»

Введение

Оптоэлектронные датчики (фотодатчики) являются оптоэлектронными элементами (компонентами), которые воспринимают падающее на них излучение преимущественно видимого спектра или области инфракрасного излучения электромагнитного спектра и превращают его в соответствующий электрический сигнал. Сюда относятся: фотосопротивления, фотодиоды и фотоэлементы, фототранзисторы, фотополевые транзисторы и фототеристоры. Они применяются как в качестве отдельного датчика, так и в случае фотодиодов многоэлементного датчика с помощью линейного или поверхностного (плоскостного) расположения нескольких датчиков. Особый случай представляют оптоэлектронные датчики, которые в пределах оптоэлектронной цепи передачи (фотоячейка, световой затвор) имеют еще один источник света, излучение которого на пути к датчику испытывает постороннее влияние и таким образом поддается оценке (оцениваемому изменению). Оптоэлектронные датчики можно реализовать в большом числе разнообразных вариантов, они имеют широкую область применения, так что они все более и более вытесняют датчики других видов. При этом они тесно связаны с развитием техники интегральных схем и с непосредственно следующей сигнальной обработкой на той же самой стружке (интегральный датчик). Оптоэлектронные датчики состоят из однородного или разнородного материала. К первой группе относятся фотопроводники, соответственно, фотосопротивления. Датчики 2-й группы называются также

7

часто фотоэлектрическими (фотогальваническими) элементами и включают в себя фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фототеристоры и фотополевые транзисторы.

Фотопроводники выполняются главным образом в виде тонкопленочных фотопроводников и примесных фотоприемников. Предпочтительно употребимыми материалами являются в последнее время полупроводники с тернарной связью.

В качестве примесных фотопроводников используют германий с цинком или медью в качестве примеси.

Сенсорная ячейка (ФЕБ, завод «Телеэлектроника») - является фотоэлементом который изготовляется по улучшенной эпитаксиальнопланарной технологии и предназначен специально для применения в качестве оптоэлектронного преобразователя в электронных фото- и кинокамерах, но может применяться и для других целей. Максимальная спектральная чувствительность располагается в области 555 Нм. Ячейка отличается высокой фоточувствительностью в видимом диапазоне спектра. Среди фотодиодов широкое распространение получил кремниевый фотодиод, максимальная чувствительность которого располагается в области 0,5-0,8 мВ. Кремниевые фотодиоды находят применение главным образом в научном приборостроении, где они применяются в измерительных и контрольных приборах, а также в качестве световых детекторов -для лазерных и люминесцентных диодов.

Для измерения света в камерах (кинокамера, фотоаппаратах и т.п.) можно применять также, что позволяет использовать фотодиоды, которые лучше согласуются с чувствительностью глаза и применение которых исключает необходимость применения инфракрасных фильтров.

Следующими преимуществами являются: малая величина темнового тока, большой измерительный диапазон, малый температурный коэффициент и малая инерционность в короткозамкнутом режиме.

8

Обзор оптоэлектронных датчиков					Таблица 1
Оптоэлектронные	Оптоэлектронные	датчики		с	внутренним
датчики с внешним	фотоэффектом
фотоэффектом
	датчики с запорным		датчики		без запорного
	слоем		слоя
вакуумные фотоячейки,	фотодиоды		фотосопротивление
газонаполняемые,	фотоэлементы		источник света
фотоумножители	фототранзисторы
	фототеристоры
	оптоэлемент	связи
	(осветлитель)

У гетеро-фотодиодов область чувствительности лежит в диапазоне 0,5- 1,28 мВ. Для конструкции фотодиодов для дальней области инфракрасного диапазона спектра подходящими оказались (0,5-3,5 мВ) и ( 2 ... 5,6 мВ).

Применение этих датчиков конструируется главным образом на приеме теплового излучения и на СО2 лазерах серии 10,6 мкм. Можно применять также СО2 лазер в качестве датчика инфракрасного излучения. Как показала многоэлементная конструкция из 6 отдельных датчиков в виде строчечного датчика для регистрации температурных распределений.

Специально для оптической передачи новостей исследуются тернарные и квартернарные Ш-У-полупроводниковые соединения, которые превосходят по характеристикам применяемые германиево-лавинные фотодиоды в диапазоне вплоть до 1,6 мкм. Дальнейшими областями применения для быстрых фотодиодов являются техника измерений и регулирования, а также информатика (ЭВМ). Здесь в качестве основных практических примеров можно назвать фотоячейки, фотозатворы самых различнейших типов, устройства считывания с перфоленты, фотооптические измерительные устройства и автоматические устройства измерения освещенности (экспонометры). Дифференциальный фотодиод состоит из 2-х фотодиодов на одной кремниевой стружке с общим катодом, приемные поверхности

9