Структура, функциональное назначение и эксплуатационно-технические характеристики датчиков

 

1.3.1. Датчики (детекторы) контроля присутствия и идентификация объектов

 

Датчики присутствия детектируют нахождение людей (а иногда и животных) в контролируемой зоне. Они вырабатывают выходной сигнал независимо от того, движется объект или замер, в то время как сигнал на выходе появляется только в случае перемещения объекта. Такие датчики применяются в системах наблюдения и охраны, устройствах управления энергией для управления включением/выключением электрического света, интерактивных игрушках и т. д. В зависимости от конкретной ситуации присутствие может определяться по некоторым параметрам тела или характеристикам поведения. Например, датчик может реагировать на вес человека, тепло от его тела, звуки, изменения диэлектрической проницаемости и т. д. Для определения присутствия людей и их передвижений в настоящее время применяются следующие типы датчиков:

Датчики давления воздуха: детекторы перепадов давления воздуха, возникающих при открывании дверей и окон.

Акустические датчики: детекторы звуков, производимых людьми.

Фотоэлектрические датчики: детекторы пересечения луча света движущимися объектами.

Детекторы напряжений: датчики деформации, встроенные в пол, ступени и другие конструктивные элементы.

Детекторы открывания: электрические контакты, встроенные в двери и окна

Магнитные детекторы открывания: бесконтактная версия детекторов открывания

Детекторы вибраций: устройства, реагирующие на вибрации стен или других конструкций зданий; могут крепиться к дверям и окнам обнаружения передвижений объектов.

Детекторы разбитых стёкол: датчики, реагирующие на специфические вибрации, характерные для бьющегося стекла

СВЧ‑детекторы (микроволновые датчики): активные устройства, реагирующие на СВЧ электромагнитные волны, отражённые от объектов.

Видеодетекторы появления новых объектов: видеоустройства, сравнивающие текущее изображение охраняемой зоны с записанным в памяти эталонным изображением

Системы видеораспознавания: анализаторы изображений, сравнивающие характерные особенности лиц людей с портретами, хранящимися в базе данных.

Лазерные детекторы: устройства, использующие узкие лучи света и комбинацию отражателей.

Ёмкостные датчики: детекторы изменения ёмкости человеческого тела.

Оптоэлектронные датчики: детекторы уровня освещённости или контрастности в охраняемой зоне

Ультразвуковые датчики: устройства, аналогичные СВЧ‑датчикам, только в них вместо электромагнитных волн используются ультразвуковые колебания.

Электростатические детекторы: датчики, способные детектировать статические электрические заряды, переносимые движущимися объектами.

Микроволновые детекторы: устройства,принцип действия которых основан на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону охраняемой зоны, что позволяет контролировать большие площади; работает в широком температурном диапазоне и сильно зашумлённых условиях (при ветре, пыли, влаге и т. д.).

ИК‑детекторы движения: устройства, реагирующие на тепловые волны, испускаемые тёплыми или холодными движущимися объектами.

Принцип работы ИК‑детектора движенияоснован на отслеживании уровня ИК-излучения в поле зрения датчика (как правило, пироэлектрического). Сигнал на выходе датчика монотонно зависит от уровня ИК‑излучения, усреднённого по полю зрения датчика. При появлении человека (или другого массивного объекта с температурой большей, чем температура фона) на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение. Для того чтобы определить, движется ли объект, в датчике используется оптическая система ‑ линза Френеля. Иногда вместо линзы Френеля используется система вогнутых сегментных зеркал. Сегменты оптической системы (линзы или зеркала) фокусируют ИК-излучение на п+

ироэлементе, выдающем при этом электроимпульс. По мере перемещения источника ИК-излучения оно улавливается и фокусируется разными сегментами оптической системы, что формирует несколько последовательных импульсов. В зависимости от установки чувствительности датчика, для выдачи итогового сигнала на пироэлемент датчика должно поступить два или три импульса. [3]

Датчик движения обнаруживает только изменения ИК‑фона, т. е. неподвижный объект не будет обнаружен.

Рис 2. Пироэлектрический датчик движения.

1.3.2. Датчики перемещения, положения, уровня, ускорения

 

Датчики перемещения, положения, уровня бывают потенциометрические, гравитационные, ёмкостные, индуктивные, магнитные, оптические, ультразвуковые, датчики толщины и уровня ‑ пьезорезистивные, пьезоэлектрические, датчики ускорения ‑ ёмкостные.

Датчик перемещения – это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Все датчики перемещения можно разделить на две основные категории: датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть: ёмкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными и на основе эффекта Холла.

Ёмкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия.

Индуктивные датчики перемещения. В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Вихретоковые датчики перемещения. Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи, создающие, в свою очередь, вторичное магнитное поле.

Ультразвуковые датчики перемещения. В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, которые обычно заключены в компактный корпус.

Магниторезистивные датчики перемещения. В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля.

Датчики на основе эффекта Холла. Датчики этого типа имеют конструкцию, подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла: прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Потенциометрические датчики перемещения. Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора).

Датчик движения представляет собой устройство, при помощи которого в зоне обнаружения можно определить движение объекта. Применяются такие приборы в охранной сигнализации (в таком случае они имеют название инфракрасных извещателей), а также в быту – для автоматического включения освещения. Мы рассматриваем датчики, которые используются в системах охранной сигнализации.

Виды датчиков движения:

1. По принципу действия:

– инфракрасные;

– ультразвуковые;

– радиоволновые;

– совмещённые.

2. По конструкционным особенностям:

– однопозиционные (приёмник и передатчик расположены в одном блоке);

– двухпозиционные (передатчик и приёмник – в разных блоках);

– многопозиционные (в системе находится больше двух блоков приёмников и передатчиков).

Датчики движения бывают активные и пассивные.

Активные датчики движения. В этом случае используется передатчик, который излучает один или несколько инфракрасных лучей, и приёмник, который их улавливает. В случае пересечения человеком лучей выдаётся соответствующий сигнал.

Пассивные датчики движения. В этом случае передатчика нет, есть приёмник ИК‑излучения человека, который реагирует на тепло и выдаёт соответствующий сигнал на выходное реле. В низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения. Как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют своё движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на принципе магнитной индукции.

Датчики ускорения – акселерометры ‑ считаются устройствами с одной степенью свободы. В состав всех акселерометров входят: специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстаёт от движения корпуса, упругая поддерживающая система (пружина) и демпфирующее устройство.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на 1‑, 2‑ и трёхкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трёх осей.

Пьезорезистивные акселерометры

Чувствительным элементом пьезорезистивных акселерометров является тензодатчик, измеряющий деформацию пьезорезистивных элементов, поддерживающих инерционную массу, путём измерения их сопротивлений, зависящих от степени деформации. Эта деформация пропорциональна величине и скорости перемещения массы, а значит и ускорению. Такие устройства могут измерять ускорения в широком частотном диапазоне: 0...13 кГц. При разработке соответствующей конструкции пьезорезистивные акселерометры выдерживают перегрузку, равную 10 000 g.

Пьезоэлектрические акселерометры

В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект, заключающийся в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру с электрическими диполями. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователя заряд‑напряжение или ток‑напряжение. Эти датчики работают в широком температурном диапазоне (до 120 °С) с высокой линейностью в частотном диапазоне 2 Гц до 10 кГц.

Ёмкостные акселерометры

Ёмкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надёжным. Ёмкостной датчик ускорений состоит из двух пластин: стационарной, часто соединённой с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к которой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина ёмкости которого зависит от расстояния между ними, а значит и от ускорения движения, испытываемого датчиком. Максимальное перемещение, определяемое ёмкостным акселерометром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, ёмкость которого должна быть близка к ёмкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений ёмкостей конденсаторов. [3,6,11]

 

1.3.3. Датчики силы, механического напряжения, прикосновения и давления.

 

Датчик давления – устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар). В датчиках давление измеряемой среды преобразуется в унифицированный пневматический, электрический сигналы или цифровой код. Датчик давлениясостоит из первичного преобразователя давления, в составе которого имеется чувствительный элемент – приёмник давления, схемы вторичной обработки сигнала, различных по конструкции корпусных деталей, в том числе для герметичного соединения датчика с объектом и защиты от внешних воздействий, и устройства вывода информационного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от метода преобразования давления в электрический сигнал: тензометрический, пьезорезистивный, ёмкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный, пьезоэлектрический и др.

Тензометрический метод – чувствительные элементы датчиков базируются на принципе изменения сопротивления при деформации тензорезисторов, приклеенных к упругому элементу, который деформируется под действием давления. [2,7]

Пьезорезистивный метод – основан на интегральных чувствительных элементах из монокристаллического кремния. Кремниевые преобразователи имеют высокую чувствительность благодаря изменению удельного объёмного сопротивления полупроводника при деформировании давлением. Для измерения агрессивных сред и большинства промышленных применений используется преобразователь давления в герметичном металло-стеклянном корпусе с разделительной диафрагмой из нержавеющей стали, передающей давление измеряемой среды посредством кремнийорганической жидкости.

Ёмкостной метод – ёмкостные преобразователи используют метод изменения ёмкости конденсатора при изменении расстояния между обкладками. Известны керамические и кремниевые ёмкостные первичные преобразователи давления и преобразователи, выполненные с использованием упругой металлической мембраны. При изменении давления мембрана с электродом деформируется и происходит изменение ёмкости. В элементе из керамики или кремния пространство между обкладками обычно заполнено маслом или другой органической жидкостью. Недостаток ‑ нелинейная зависимость ёмкости от приложенного давления.

Резонансный метод – в основе метода лежит изменение резонансной частоты колеблющегося упругого элемента при деформировании его силой или давлением. Это и объясняет высокую стабильность датчиков и высокие выходные характеристики прибора. К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

Индуктивный метод – основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном. Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создаётся ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки даёт возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Ионизационный метод – в основе лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды. Лампа оснащена двумя электродами катодом и анодом, а также нагревателем. В некоторых лампах последний отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, ёмкостными. Зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Пьезоэлектрический метод – в основе лежит прямой пьезоэлектрический эффект, при котором пьезоэлемент генерирует электрический сигнал, пропорциональный действующей на него силе или давлению. Пьезоэлектрические датчики используются для измерения быстроменяющихся акустических и импульсных давлений, обладают широкими динамическими и частотными диапазонами, имеют малую массу и габариты, высокую надёжность и могут использоваться в жёстких условиях эксплуатации.

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффекта. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п. Пьезотрансформатор представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырёхполюсника, имеющего только электрические вход и выход. Исходя из физического принципа действия все пьезоэлектрические преобразователи делятся на три группы:

– преобразователи, использующие прямой пьезоэффект и применяемые в приборах для измерения параметров механических процессов, в том числе силы, акустического и быстропеременного давления, линейных и угловых ускорений, а также вибрации, ударов;

– преобразователи, использующие обратный пьезоэффект и применяемые в качестве излучателей ультразвука в гидроакустике и дефектоскопии, преобразователях напряжения в перемещение (пьезодвигатели и пьезореле) для юстировки зеркал оптических приборов и исполнительных элементов систем автоматики;

– преобразователи параметрического типа, использующие одновременно прямой и обратный пьезоэффекты – пьезоэлектрические резонаторы, наиболее эффективно излучающие и принимающие энергию на фиксированной резонансной частоте. Пьезорезонаторы применяются в полосовых фильтрах, линиях задержки, преобразователях перемещения или присоединённой массы в частоту для датчиков уровня, плотности и др. Пьезоэлектрические датчики применяются для измерения быстропеременных процессов в диапазоне частот от единиц герцев до сотен килогерцев. [1,5,7]

 

1.3.4 Акустические датчики.

 

Микрофон– электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока, устройство ввода.
Принцип работы: давление звуковых колебаний воздуха, воды или твёрдого вещества действует на тонкую мембрану микрофона, колебания мембраны возбуждают электрические колебания. Свойства акустико-механической системы зависят, во-первых, от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе, а во‑вторых ‑ симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую – прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления). [10]

По признаку преобразования акустических колебаний микрофоны подразделяются на следующие виды:

– электродинамические;

– электромагнитные;

– электростатические;

– угольные;

– пьезоэлектрические;

– полупроводниковые.

Микрофоны характеризуются следующими параметрами:

1.Чувствительность микрофона – это отношение напряжения на выходе микрофона к воздействующему на него звуковому давлению при заданной частоте (как правило, 1000 Гц), выраженное в милливольтах на паскаль (мВ/Па). Чем больше это значение, тем выше чувствительность микрофона.

2. Номинальный диапазон рабочих частот – диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

3. Неравномерность частотной характеристики – разность между максимальным и минимальным уровнем чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

4. Модуль полного электрического сопротивления – нормированное значение выходного или внутреннего электрического сопротивления на частоте 1 кГц.

5. Характеристика направленности – зависимость чувствительности микрофона (в свободном поле на определённой частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.

6. Уровень собственного шума микрофона – выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения, обусловленного флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами различных сопротивлений в электрической части микрофона, к напряжению, развиваемому микрофоном на нагрузке при давлении 1 Па при воздействии на микрофон полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Наиболее распространён электродинамический микрофон (рис. 3). Он представляет собой мембрану, соединённую с лёгким токопроводом, который помещён в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Колебания давления воздуха (звук) воздействуют на мембрану и приводят в движение токопровод. Когда токопровод пересекает силовые линии магнитного поля, в нём наводится ЭДС индукции. ЭДС индукции пропорциональна амплитуде колебаний мембраны и частоте колебаний.

На рис 4. приведена схема, объясняющая принцип работы электростатического (конденсаторного) микрофона. Выполненные из электропроводного материала мембрана 1 и электрод 2 разделены изолирующим  кольцом 3 и представляют собой конденсатор. Жёстко натянутая мембрана под воздействием звукового давления совершает колебательные движения относительно неподвижного электрода. Конденсатор включён в электрическую цепь последовательно с источником напряжения постоянного тока и активным нагрузочным сопротивлением R. При колебаниях мембраны ёмкость конденсатора меняется с частотой воздействующего на мембрану звукового давления. В электрической цепи появляется переменный ток той же частоты и на нагрузочном сопротивлении возникает переменное напряжение, являющееся выходным сигналом микрофона.

Угольные микрофоны (резистивные) – один из первых типов, содержащих угольный порошок, размещённый между пластинами и заключённый в капсулу (рис. 5). Одна из пластин соединяется с мембраной, при изменении давления на порошок изменяется давление между отдельными зёрнами порошка и в результате изменяется сопротивление между пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, то напряжение будет зависеть от давления на мембрану. Такой микрофон практически не требует усиления, с его выхода можно подавать на наушники усилитель. Однако у него плохая полоса пропускания, он не чувствителен к сильно низким и высоким частотам, требует питания постоянным током, имеет высокий уровень шумов.

Электретные микрофоны

Электретные микрофоны (рис. 6)по прин ципу работы являются теми же конденсаторными, но постоянное напряжение в них обеспечивается зарядом электрета на материале, который тонким слоем нанесён на мембрану и сохраняет этот заряд продолжительное время. Поскольку электростатические микрофоны обладают высоким выходным сопротивлением, то для его уменьшения, как правило, в корпус микрофона встраивают истоковый повторитель на полевом n -канальном транзисторе с р - п переходом. Это позволяет снизить выходное сопротивление до величины не более 3 ‑ 4 кОм и уменьшить потери сигнала при подключении ко входу усилителя сигнала микрофона. У электретных микрофонов с двумя выводами выход микрофона выполнен по схеме усилителя с открытым стоком.

 

Для разработки простых микрофонов может использоваться пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрический кристалл является прямым преобразователем механического напряжения в электрический заряд. Наиболее часто используемым материалом для изготовления датчиков является пьезоэлектрическая керамика, которая может работать на очень высоких частотах. По этой причине пьезоэлектрические датчики применяются для преобразования ультразвуковых волн. Такие датчики также используются и в звуковом диапазоне. Пьезоэлектрические микрофоны часто можно встретить в разнообразной аудиоаппаратуре. Примерами применения пьезоэлектрических акустических датчиков являются управляемые голосом устройства, состоящие из пьезоэлектрического керамического диска с двумя электродами, нанесёнными на него с двух сторон. Электроды соединяются проводами либо при помощи токопроводящей эпоксидной смолы или методом пайки. [3,9,10]

 

1.3.5. Детекторы светового излучения

 

Для преобразования световых сигналов в электрические используют фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры, фотодетекторы ИК‑излучения и другие приборы.

Фотодиод представляет собой смещённый в обратном направлении p - n -переход, обратный ток насыщения которого определяется количеством носителей заряда, порождаемых в нем действием падающего света (рис. 7). Параметры фотодиода выражают через значения тока, протекающего в его цепи. Чувствительность фотодиода, которую принято называть интегральной, определяют как отношение фототока к вызвавшему его световому потоку Фυ. Порог чувствительности фотодиодов оценивают по известным значениям интегральной (токовой) чувствительности и темнового тока Id, т. е. тока, протекающего в цепи в отсутствие облучённости чувствительного слоя. Основными материалами для фотодиодов являются германий и крем ний.

Фототранзисторы представляют собой приемники лучистой энергии с двумя или с большим числом р - п -переходов, обладающие свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя (рис. 8). Фототранзистор соединяет в себе свойства фотодиода и усилительные свойства транзистора. Наличие у фототранзистора оптического и электрического входов одновременно позволяет создать смещение, необходимое для работы на линейном участке энергетической характеристики, а также компенсировать внешние воздействия. Для обнаружения малых сигналов напряжение, снимаемое с фототранзистора, должно быть усилено. В этом случае следует увеличить сопротивление выхода переменному току при минимальном темновом токе в цепи коллектора, создавая положительное смещение на базе.

Фоторезистор ‑ это пластина полупроводника, на противоположных концах которого расположены омические контакты (рис. 9).

В качестве детекторов ИК – излучения чаще всего применяются пироэлектрические элементы. Пироэлектрические материалы вырабатывают электрические заряды в ответ на тепловой поток, проходящий через них. В упрощённом виде можно считать, что пироэлектричество появляется вследствие теплового расширения материалов. Поглощённое тепло заставляет расширяться переднюю часть чувствительного элемента. Поскольку все пироэлектрики также обладают пьезоэлектрическими свойствами, возникшее в результате расширения напряжение приводит к появлению зарядов на электродах элемента. Это означает, что между электродами, расположенными с двух сторон элемента, возникает разность потенциалов. [14]

 

1.3.6. Датчики температуры

 

Самым простым и самым распространённым способом определения температуры является измерение теплового расширения различных веществ. В настоящее время широко распространены следующие датчики температуры: резистивные, термоэлектрические, полупроводниковые, оптические, пьезоэлектрические и др.

Существует два основных метода измерения температуры: равновесный и прогнозируемый. В равновесном методе измерение температуры проводится, когда между измеряемой поверхностью и чувствительным элементом, находящимся в зонде (контактном детекторе), наступает тепловое равновесие, т. е. между датчиком и объектом измерения нет существенной разности температур. В методе прогнозирования в процессе проведения измерений тепловое равновесие не наступает, а значение текущей температуры определяется по скорости изменения температуры датчика.

Возможные ошибки при измерении температуры возникают из-за того, что датчик соединяется не только с объектом, температуру которого он измеряет, но и с другими предметами. Другая причина содержится в использовании соединительных кабелей, которые не только передают электрический сигнал датчика, но и часть тепла от элемента или к нему.

Типовой контактный датчик температуры состоит из следующих компо­нентов (рисунок 10, а):

– чувствительного элемента ‑ материала, реагирующего на изменение его собственной температуры;

– контактов ‑ проводящих пластинок или проводов, связывающих чувствительный элемент с внешней электронной схемой;

– защитного корпуса ‑ специальной оболочки или покрытия, физически отделяющего чувствительный элемент от окружающей среды.

Бесконтактный датчик температуры, представляющий собой оптический детектор теплового излучения показан на рис. 10, б. Основное отличие контактных и бесконтактных датчиков заключается в способе передачи тепла от объекта к элементу: в контактных датчиках задействован механизм теплопроводности через физический контакт, в бесконтактных тепло передаётся через излучение или оптическим методом.

а                                                          б

Рис. 10. Датчики температуры:
а — контактны; б — бесконтактный (детектор теплового излучения)

Все датчики температуры можно разделить на два класса: абсолютные и относительные детекторы. Абсолютные датчики измеряют температуру относительно либо абсолютного нуля, либо любой другой точки на температурной шкале (термисторы и резистивные детекторы температуры (РДТ)). Относительные датчики измеряют разность температур двух объектов, один из которых называется эталонным (термопара).

Терморезистивные датчики

Достоинствами терморезистивных датчиков являются высокая чувствительность, простота создания интерфейсных схем и долговременная стабильность.

Резистивные детекторы температуры

Выпускается несколько типов РДТ: тонкопленочные, проволочные, кремниевые.

Тонкоплёночные РДТ изготовлены из тонких слоёв платины или её сплавов, нанесённых на подходящую подложку, например, на кремниевую микромембрану.

В проволочных РДТ платиновая проволока намотана внутри керамической трубочки и прикреплена к ней при помощи высокотемпературного клея.

Кремниевые резистивные датчики часто встраиваются в микроструктуры для осуществления температурной компенсации или проведения прямых измерений температуры. Положительный температурный коэффициент (ПТК) кремниевых резисторов позволяет использовать их в системах, обеспечивающих безопасность нагревательных устройств.

Термисторы (тепловой датчик + резистор)

Термисторы относятся к классу датчиков абсолютной температуры. Все термисторы делятся на две категории: с отрицательным температурным коэффициентом (ПТК) и положительным температурным коэффициентом сопротивления.

Термоэлектрические контактные датчики

Поскольку термоэлектрические контактные датчики состоят по крайней мере из двух разных проводников и двух соединений (пар) этих проводников, их часто называют термопарами. Они являются пассивными датчиками, т. к. сами вырабатывают напряжение в ответ на изменение температуры и не требуют для этого внешнего источника питания. Термопары относятся к классу относительных датчиков.

Характеристики полупроводниковых датчиков температуры на основе полупроводникового р - n ‑перехода в диодах и биполярных транзисторах довольно сильно зависят от температуры. Если прямосмещённый переход соединить с генератором постоянного тока (рис. 11, а), выходное напряжение, снимаемое с него, будет прямо пропорционально изменению его температуры. Достоинством такого датчика является его линейность. [3]

Термоэлектрические контактные датчики используются при работе в агрессивных средах, в условиях сильных электрических, магнитных и электромагнитных полей, при воздействии высокого напряжения и там, где до объекта измерений просто невозможно добраться.

Флуоресцентные датчики реализуются на основе свойства некоторых фосфорных компонентов излучать свет в ответ на возбуждение лучами видимого диапазона спектра. Такие компоненты наносятся на поверхность объекта, температуру которого необходимо измерить. После чего объект подвергается воздействию УФ импульсного излучения. Возникшее в результате этого облучения послесвечение детектируется и анализируется. Процесс измерения температуры заключается в определении скорости ослабления флуоресцентного свечения. [6]

Интерферометрические датчики

Другой метод оптического измерения температуры заключается в модуляции интенсивности света, возникающей вследствие интерференции двух лучей света. Один луч является эталонным, а другой пропускается через среду, параметры которой зависят от температуры, что вызывает появление фазового сдвига между сигналами. Величина этого фазового сдвига определяется температурой. В качестве чувствительного элемента интерферометрического датчика температуры часто используют тонкий слой кремния. [4]

Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры

Такие датчики применяются в биомедицинских системах. В качестве хроматического раствора часто применяют СоСl₂·6Н₂О (раствор хлорида кобальта). Принцип действия таких датчиков основан на характерной для определённых хроматических растворов темпер