Активные датчики

Принцип действия активных датчиков основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряемой величины в электрическую форму энергии.

Физические эффекты, использующиеся для построения активных датчиков.

Измерительная величина	Используемый физический эффект	Выходная величина
Температура	Термоэлектрический эффект	U
Поток оптического излучения	Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в - полупроводнике с “p-n” переходом; - в фототранзисторе Фотоэлектромагнитный эффект	q I U U, I U
Сила, давление, ускорение	Пьезоэлектрический эффект	q
Скорость	Электромагнитная индукция	U
Перемещение	Эффект Холла	U

Датчик реализующий термоэлектрический эффект – термопара содержит 2 проводника М₁ и М₂ различной химической природы. Их спаи, находящиеся при Т₁ и Т₂ являются местом возникновения термо э.д.с. пропорциональной Т₁. Температура второго спая Т₂ известна (обычно О°С).

В датчике с пироэлектрическим эффектом, определенные кристаллы пироэлектрики (например, триглицинсульфат), при действии оптического излучения испытывают спонтанную электрическую поляризацию в результате теплового нагрева. На двух противолежащих гранях при этом появляются электрические заряды.

Изменение поглощенного кристаллом оптический потока изменяет его поляризацию, которую измеряют, как падение напряжения U на зажимах конденсатора.

В датчике с пьезоэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле (обычно кварца) приводит к его деформации и появлению на противоположных поверхностях кристалла электрических зарядов противоположного знака. В качестве сигнала измеряется U между гранями кристалла пьезоэлектрика.

В датчике, использующем явление электромагнитной индукции при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле возникает э.д.с., пропорциональная изменению магнитного потока и, следовательно, скорости его перемещения.

Аналогично, когда замкнут контур, подвергающийся воздействию переменного магнитного потока из-за перемещения контура или источника поля (магнита) возникающая э.д.с пропорциональна магнитной напряженности поля (э.д.с. ~ В). Измерение э.д.с. электромагнитной индукции в таком датчике позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом подобного датчика.

В датчиках использующих фотоэлектрические эффекты общим является генерирование носителей электрических зарядов под действием света.

В вакуумном фотоэлементе (внешний фотоэффект) освобожденные фотоэлектроны покидают катод и образуют ток, текущий к аноду под действием приложенного электрического поля, величина которого пропорциональна оптическому потоку (I ~ Ф).

В полупроводниковом фотодиоде с внутренним фотоэффектом. Электроны и дырки, освобожденные в окрестностях р-n перехода, перемещаясь под действием электрического поля, вызывают изменение падения напряжения на границах полупроводникового кристалла. То же практически происходит в фоторезисторе: генерируемые световым потоком носители под действием приложенного напряжения создают ток. Для определения величины облученности можно измерять его величину, либо падение напряжения на нагрузочном сопротивлении. Максимальное значение падения напряжения имеет место при равенстве темнового сопротивления фоторезистора сопротивлению нагрузки (R_T = R_H).

Датчики на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пленку и кристалл) полупроводника, находящегося в магнитном поле, в направлении перпендикулярном полю возникает э.д.с. пропорциональная току и напряженности магнитного поля.

Датчик Холла используется для определения угла или расстояния перемещения объектов, а также величин преобразуемых в перемещения (давление). Постоянный магнит датчика механически связан с объектом и при смещении магнита пропорционально изменению напряженности магнитного поля изменяется выходное напряжение, снимаемое с датчика ( величина тока при этом должна быть постоянной).

В датчике на основе фотоэлектромагнитного эффекта полупроводник, размещенный между полюсами магнита освещается источником света. Вблизи поверхности кристалла возникает высокая концентрация электронно-дырочных пар, которые диффундируют внутрь. Заряды различного знака отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, устанавливая пропорциональную зависимость между величиной оптического потока и Разностью потенциалов (∆φ ~ Ф).