 |
|
|
Архитектура Астрономия Аудит Биология Ботаника Бухгалтерский учёт Войное дело Генетика География Геология Дизайн Искусство История Кино Кулинария Культура Литература Математика Медицина Металлургия Мифология Музыка Психология Религия Спорт Строительство Техника Транспорт Туризм Усадьба Физика Фотография Химия Экология Электричество Электроника Энергетика |
Датчики, сигналы и системыСтр 1 из 109Следующая ⇒
Дж.Фрайден Современные датчики. Справочник Москва: Техносфера, 2005. - 592 с. ISBN 5-94836-050-4 Справочник по современным датчикам можно назвать настольной книгой исследователя в любой области естествознания, поскольку в нем изложены физические принципы, методы разработки и варианты практического использования широкого спектра датчиков в самых разнообразных областях применений. Книга издана на английском языке уже третий раз, и это не случайно, поскольку любая современная система измерений не обходится без применения датчиков, которые являются «переводчиками» окружающей аналоговой природы на язык цифровой техники, т.е. можно сказать, что датчики являются «глазами, ушами и носами» кремниевых кристаллов. Последнее издание дополнено описанием датчиков, реализованных по самым современным технологиям. Речь идет об электромеханических микродатчиках (MEMS) и об электрооптомеханических микросистемах (MEOMS), без которых был бы невозможен такой резкий прогресс в областях беспроводных систем телекоммуникации и отдельных областях медицины и техники, наблюдаемый в последние годы. Книга является превосходным справочным пособием для студентов, исследователей, проектировщиков датчиков и специалистов, разрабатывающих измерительные системы. HANDBOOK OF MODERN SENSORS PHYSICS DESIGNS and APPLICATIONS Springer NewYoik Kirlm Heidelberg Hong Kong iontlon '- Milan Par ib Tokyo © 2004, 1996 Springer-Verlag New York, Inc. © 2005, ЗАО «РИД «Техносфера» перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление ISBN 5-94836-050-4 ISBN 0-387-00750-4 (англ.)
Содержание ПРЕДИСЛОВИЕ 17 Глава 1 СБОР ДАННЫХ 19 1 1 Датчики, сигналы и системы 19 1 2 Классификация датчиков 25 1 3 Единицы измерения 29 Литература 31 Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ 32 2 1 Передаточная функция 32 2 20 Статистическая оценка 55 Литература 57 Глава 3 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ДАТЧИКОВ 58 3 1 Электрические заряды, поля и потенциалы 59 3 2 1 Конденсатор 67 3 2 2 Диэлектрическая проницаемость 69 3 3 Магнетизм 73 3 3 1 Закон Фарадея 75 3 3 4Тороид 77 3 3 5 Постоянные магниты 78 3 4 Индукция 79
Содержание 3 5 Сопротивление 82 3 5 1 Удельное сопротивление 84 3 5 2 Температурная чувствительность 85 3 5 3 Тензочувствительность 88 3 5 4 Влагочувствительность 89 3 6 Пьезоэлектрический эффект 90 3 6 1 Пьезоэлектрические пленки 96 3 7 Пироэлектрический эффект 100 3 8 Эффект Холла 106 3 9 Эффекты Зеебека и Пельтье 110 3 10 Звуковые волны 115 3 11 Температурные и тепловые свойства материалов 118 3 111 Температурные шкалы 119 3 112 Тепловое расширение 120 3 113 Теплоемкость 122 3 12 Теплопередача 123 3 12 1 Теплопроводность 124 3 12 2 Тепловая конвекция 126 3 12 3 Тепловое излучение 127 3 12 3 1 Излучающая способность 131 3 12 3 2 Резонансный эффект 134 3 13 Световое излучение 136 3 14 Динамические модели чувствительных элементов 138 3 14 1 Механические элементы 140 3 14 2 Тепловые элементы 142 3 14 3 Электрические элементы 143 3 14 4 Аналогии 144 Литература 144
Глава 4 ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДАТЧИКОВ 146 4 1 Радиометрия 148 4 11 Интерферометрическая оптоволоконная модуляция 171 Литература 172 Глава 5 ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ 173 5 1 Входные характеристики интерфейсных схем 173 5 2 1 Операционные усилители 178 5 2 2 Повторители напряжения 181 523 Измерительный усилитель 181 5 2 4 Усилители заряда 184 5 3 Схемы возбуждения 187 5 3 1 Генераторы тока 187 53 2 Источники опорного напряжения 191 5 3 3 Генераторы 193 5 34 Задающие устройства 196 5 4 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 198 5 4 1 Принципы построения АЦП 198 5 4 2 Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) 200 5 4 3 АЦП двойного интегрирования 204 5 4 4 АЦП последовательного приближения 207 5 4 5 Улучшение разрешающей способности систем сбора данных 209 5 5 Прямая дискретизация и обработка сигналов 210 5 6 Измерители отношений сигналов 214 5 7 Мостовые схемы 216 57 1 Неуравновешенный мост 218 572 Уравновешенный мост 219 5 7 3 Температурная компенсация резистивного моста 219 5 7 4 Мостовые усилители 225 5 8 Передача данных 226 5 8 1 Двухпроводная передача 226 5 8 2 Четырехпроводной способ подключения датчика 227 5 8 3 Шестипроводный способ подключения мостовой схемы 228
5 9 Шумы в датчиках и интерфейсных схемах 229 5 9 1 Собственные шумы 229 5 9 2 Вносимый шум 233 5 9 3 Электрическое экранирование 237 5 9 4 Блокировочные конденсаторы 240 59 5 Экранирование от магнитных полей 241 5 9 6 Механический шум 243 5 9 7 Слои заземления 243 заземления 244 5 9 9 Шум Зеебека 246 5 10 Гальванические источники питания для маломощных датчиков 247 5 10 1 Первичные элементы 248 5 10 2 Вторичные элементы аккумуляторы 249 Глава 6 ДЕТЕКТОРЫ ПРИСУТСТВИЯ И ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ 251 6 1 Ультразвуковые датчики присутствия 252 6 5 Оптоэлектронные детекторы движения 264 6 5 1 Структуры датчиков 264 6 5 11 Составные датчики 265 6 5 13 Искажение изображения 266 6 5 14 Фасетныи фокусирующий элемент 266 ИК диапазонах спектра 268 6 5 3 Детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне 269 6 5 3 1 Детекторы движения на основе пассивных И К элементов 270 ИК детектора движущихся объектов (ПИК-детектора) 273 Литература 277 Глава7 ДЕТЕКТОРЫ ПОЛОЖЕНИЯ, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УРОВНЯ 278 7 1 Потенциометрические датчики 279 7 4 1 Линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (ЛРДТ) и поворотно-регулируемые дифференциальные трансформаторы (ПРДТ) 288 7 4 2 Вихретоковые датчики 290 7 4 3 Поперечный индуктивный датчик 291 7 44 Датчики приближения, использующие эффект Холла 292 7 4 5 Магниторезистивные датчики 296 7 4 6 Магнитострикционный детектор 299
Содержание 75 Оптические датчики 300 7 5 1 Оптические мостовые схемы 301 7 5 2 Поляризационный детектор приближения 301 7 5 3 Волоконооптические датчики 302 7 5 4 Датчики Фабри-Перо 304 7 5 5 Решетчатые датчики 306 7 5 6 Позиционно-чувствительные детекторы 308 7 6 Ультразвуковые датчики 312 7 7 Радары 314 77 1 Микромощные импульсные радары 314 7 8 Датчики толщины и уровня 317 7 8 1 Датчики абляции 318 78 2 Детекторы толщины пленок 319 7 8 3 Датчики уровня жидкости 320 Глава8 СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ 323 8 1 Характеристики акселерометров 325 85 1 Акселерометры с нагреваемой пластиной 331 8 5 2 Акселерометры с нагреваемым газом 332 8 6 1 Роторный гироскоп 335 8 6 2 Монолитные кремниевые гироскопы 336 8 6 3 Оптические гироскопы 339 8 7 Пьезоэлектрические кабели 341 Литература 343 Глава9 ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПРИКОСНОВЕНИЯ 345 9 1 Тензодатчики 347 9 3 Пьезоэлектрические датчики силы 356 Литература 358 Глава 10 ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ 359 10 1 Общие понятия о давлении 359
10 9 Вакуумные датчики 374 10 9 1 Вакууметры Пирани 374 10 9 2 Ионизационные датчики 376 10 9 3 Датчик газового сопротивления 377 Литература 377 Глава11 РАСХОДОМЕРЫ 378 11 1 Основы гидродинамики 378 11 9 Расходомеры с мишенями 396 Литература 397 Глава 12 АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 398 12 1 Резистивные микрофоны 399 12 6 Твердотельные акустические детекторы 405 Литература 407 Глава 13 ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ 408 13 1 Общие понятия о влажности 408 13 5 Вибрационный гигрометр 417 Литература 420 Глава 14 ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ 419 14 1 Введение 419 14 6 1 Ячейки Голея 439 14 6 2 Детекторы излучении на основе термоэлементов 440 14 6 3 Пироэлектрические датчики ИК-излучений 442 14 6 4 Болометры 447 14 6 5 Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона 450
Содержание 14 7 Детекторы газового пламени 452 Литература 454 Глава 15 ДЕТЕКТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ455 15 1Сцинтилляционные детекторы 456 15 2 Ионизационные детекторы 459 15 2 1 Ионизационные камеры 459 15 2 2 Пропорциональные камеры 461 15 2 3 Счетчики Гейгера-Мюллера 462 15 2 4 Полупроводниковые детекторы радиоактивности 463 Глава 16 ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 468 16 1 Терморезистивные датчики 473 16 11 Резистивные детекторы температуры 473 16 13 1 Термисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления 478
Простая модель 479 Модель Фрайдена 481 Модеть Стейнхарта-Харта 483 Изготовление термисторов с отрицательным 16 13 2 Явление саморазогрева в термисторах с отрицательным температурным коэффициентом 486 16 13 3 Термисторы с положительным температурным коэффициентом 16 2 Термоэлектрические контактные датчики 16 2 1 Законы термоэлектричества 16 2 2 Схемы подключения термопар 16 2 3 Термопарные сборки 16 3 Полупроводниковые датчики температуры на основе р-n перехода 16 4 Оптические датчики температуры 16 4 1 Флуоресцентные датчики 16 4 2 Интерферометрические датчики 16 4 3 Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры 16 6 Пьезоэлектрические датчики температуры Литература Глава17 ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 17 1 Характеристики химических датчиков 17 4 1 Металл-оксидные химические датчики 17 4 4 Потенциометрические датчики 518 17 4 5 Кондуктометрические датчики 519 17 4 6 Амперометрические датчики 520 17 4 7 Каталитические детекторы газов 522 17 4 8 Эластомерные химические резисторы 523 17 5 Составные датчики 524 17 5 1 Тепловые датчики 524 17 5 2 Каталитические датчики Пелистера 525 17 5 3 Оптические химические датчики 526 17 5 4 Гравиметрические детекторы 528 17 5 5 Биохимические датчики 531 17 5 6 Энзимные датчики 532 17 6 Химические детекторы в составе аналитических приборов 532 17 6 1 Хемометрия 535 17 6 2 Измерения при помощи нескольких датчиков 536 17 6 3 Датчики обоняния 537 17 6 5 Интеллектуальные химические датчики 542 Глава 18 МАТЕРИАЛЫ ДАТЧИКОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 545 18 1 Материалы 545 18 1 1 Применение кремния для изготовления датчиков 545 18 2 Поверхностные технологии 557 18 2 1 Нанесение тонких и толстых пленок 557 18 2 2 Литье при вращении 557 18 2 3 Термовакуумное напыление 557 18 2 4 Ионное распыление 558 18 2 5 Химическое осаждение из газовой фазы 559 18 3 Нано-технологии 560 18 3 1 Фотспитография 560 18 3 2 Методы обработки кремния 561 18 3 2 1 Основные методы 562 18 3 2 1 1 Нанесение тонких пленок 562 18 3 2 1 2 Жидкостное травление 562 18 3 2 13 Травление с барьерным слоем 564 18 3 2 14 Сухое травление 565 18 3 2 15 Метод обратной литографии 565 18 3 2 2 Соединение подложек 566 Литература 566 Приложение Единицы физических величин Справочные данные по физическим характеристикам материалов 567 Предисловие к изданию на русском языке. Sensus (лат.) — ощущение, чувство, способность воспринимать «раздражение», является, по-видимому, одним из наиболее универсальных свойств систем живой и неживой природы, проявляющееся в способности реагировать на внешнее воздействие. Данная реакция может быть чрезвычайно слабой, носить линейный, нелинейный или пороговый характер, поэтому функцию первичных преобразователей внешних воздействий: термо-, механо-, опто-, хемо- и акусторецепторов успешно выполняют как естественные природные материалы и системы, так и искусственно синтезированные «конструкции» неорганической и органической природы. Применительно к представленной книге Дж. Фрайдена, выдержавшей не одно издание, известное изречение: «Ничто не бывает в уме, чего раньше не было в ощущении», как нельзя кстати. Даже первичное восприятие оглавления данного справочника оставляет в памяти чрезвычайно высокий уровень упорядочения и лаконичности представленного материала, что особенно важно для эффективного его использования широким кругом читателей. Для студентов и аспирантов - это великолепное учебное пособие по современной сенсорике; для инженеров — справочная книга, позволяющая оптимизировать технические решения на современном уровне; для исследователей — монография, изложенная профессионалом высокого уровня, стимулирующая к поиску современных методов контроля и измерений параметров технических, биологических объектов и окружающей среды с использованием новых материалов, конструкций и технологий. В настоящее время сенсорика — это, фактически, целое системное направление, интегрирующее явления, эффекты, процессы и алгоритмы из таких областей знаний как физика, химия, биология, информатика, электротехника, теплотехника, электроника, оптика, генетика и других естественнонаучных, технических и биологических дисциплин. Оглавление данной книги в полной мере отражает системный междисциплинарный характер её изложения. В справочнике, в первую очередь, нашли свое отражение различные виды чувствительных элементов, однако, имеется раздел, посвященный вторичным преобразователям, что позволяет перейти от классического понятия «датчик» к таким понятиям как адаптивные, умные, интеллектуальные сенсоры и, конечно, трансдьюсеры. Данный переход ассоциируется с известным афоризмом В. Шекспира: «Чувствовать — это быть, размышлять — это жить». Умные сенсоры и трансдьюсеры, организованные или самоорганизованные в сенсорные сети, создаваемые с использованием современных микро- и нанотехнологий — ключевое направление развития дружественной и безопасной для человека комфортной среды обитания и эффективной жизнедеятельности. Справочник Дж. Фрайдена «Современные датчики», безусловно, займет достойное место в библиотеке широкого круга отечественных специалистов, ориентированных на разработку, создание и использование сенсоров. Директор Центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ, д.т.н. Лучинин В. В. У 1* Предисловие Уже прошло семь лет с выхода предыдущего издания этой книги. За это время в технологии изготовлении датчиков произошел значительный прогресс. Чувствительность датчиков стала выше, размеры меньше, избирательность лучше, а цена ниже. Но при всем при этом не изменились основные принципы разработки датчиков, поскольку все они базируются на законах природы. Леонардо Да Винчи, бесспорно являющийся одним из величайших гениев, когда-либо живших на земле, так говорил в своих молитвах: «Спасибо, тебе Боже, за то, что ты никогда не нарушаешь своих собственных законов.» Для развития науки очень важен тот факт, что с течением времени законы природы не изменяются, а только уточняются. Конечно же, и в этой книге принципы действия всех рассматриваемых датчиков основываются на старых и добрых законах природы. Это издание не сильно отличается от предыдущего. В нем существенно расширены разделы, посвященные практическим вопросам разработки датчиков. В новое издание также добавлен материал, описывающий последние разработки и новые идеи датчиков, а ряд менее важных разделов исключен из книги. Наиболее ощутимый прогресс в технологии изготовления датчиков произошел в областях разработки электромеханических и электрооптомеханических микродатчиков, чему в новом издании уделено большое внимание. Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инструменты, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни. Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, воспроизводить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри помещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически любые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большинство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуальные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, необходимы интерфейсный устройства, преобразующие разнообразные физические величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и являются датчики. Другими словами, датчики — это глаза, уши и органы обоняния кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью жизни любого человека. Только в США объем их выпуска составляет 12 миллиардов долларов. Работая инженером, я часто ощущал потребность в книге, объединяющей практическую информацию по вопросам, касающимся принципов действия, разработки и использования различных датчиков. Конечно, я мог найти всю интересующую информацию в учебниках по физике и электронике, в технических журналах и в каталогах производителей. Однако вся эта информация была разбросана по разным публикациям, и для того, чтобы найти ответ на какой-либо вопрос, мне приходилось много часов проводить в библиотеках. Таким образом мне удалось 2-Дж Фраидсп
собрать довольно много информации по вопросам разработки и применения различных датчиков в научной и инженерной практике. Вскоре я понял, что собранная мной информация может быть весьма полезной и для других людей. Именно это заставило меня написать эту книгу. При работе над этой книгой я старался включить в нее, как можно, более широкий спектр датчиков. При этом я стремился дать краткое описание различных вариантов датчиков без подробного рассмотрения их деталей. Я надеюсь, что мне удалось охватить большую часть существующих в настоящее время датчиков и детекторов (хотя, это может быть весьма нескромным утверждением). Многие из рассмотренных устройств хорошо известны, но я старался дать системное описание всех типов датчиков, что является очень полезным для студентов. Для инженеров эта книга может служить очень удобным справочным пособием. Здесь представлена информация о современных датчиках: дано описание их физических принципов, устройства и практических способов применения в научных, промышленных и пользовательских приложениях. Материал, включенный в книгу, отражает практический опыт автора: его предпочтения и толкование. Конечно же, некоторые читатели могут найти описания отдельных датчиков либо слишком подробными, либо, наоборот, слишком краткими. Хотя в большинстве случаев я стремился найти компромисс между детальным описанием и простотой изложения материала. Эта книга охватывает очень широкий спектр современных датчиков и детекторов. Однако, очевидно, что ни в одной книге нельзя отобразить все многообразие датчиков и их применений, даже если она будет называться «Энциклопедией датчиков». Данная работа не претендует быть энциклопедией, ее цель гораздо менее амбициозная. Автор стремился сделать удобное справочное пособие, полезное для студентов, исследователей (инженеров и научных сотрудников), работающих с измерительной аппаратурой, разработчиков датчиков и специалистов, для которых необходимо знать и уметь подбирать датчики для применения в конкретных практических системах. Предыдущие издания этой книги достаточно широко использовались в качестве учебных пособий в технических учебных заведениях. В этом издании учтены дополнения, предложенные разработчиками датчиков, профессорами и студентами, а также внесены некоторые изменения и исправлены ошибки. Jacob Fraden Сан Диего, Калифорния Ноябрь, 2003 ГЛАВА I СБОРДАННЫХ «Это такое же большое, как жизнь, но гораздо более натуральное» Lewis Caroll, "Through the Looking Glass" Датчики, сигналы и системы Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик — это устройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них». Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охватывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка в револьвере. Рассмотрим систему контроля за уровнем жидкости, показанную на рис. 1.1 [ 1 ]. Оператор управляет уровнем жидкости в резервуаре при помощи клапана. При этом оператор должен учитывать расход жидкости, изменение температуры (от которого зависит вязкость жидкости, и, следовательно, скорость ее прохождения через клапан), а также другие параметры, оказывающие влияние на эту систему. Без осуществления контроля резервуар либо перельется, либо, наоборот, станет пустым. Для принятия правильного решения оператору необходимо постоянно получать информацию об уровне воды в резервуаре. В рассматриваемом примере информация поступает от датчика, состоящего из двух основных частей: смотровой трубки на резервуаре и глаза оператора, подающего импульсы на зрительный нерв. Сами по себе ни глаз оператора, ни смотровая трубка не являются датчиками, но их комбинация формирует детектор, обладающий избирательной способностью определять уровень жидкости. При корректном проектировании системы изменение уровня жидкости в резервуаре быстро отразится на уровне жидкости в смотровой трубке, поэтому, можно сказать, что рассматриваемый датчик характеризуется хорошей реакцией или малой инерционностью. Но если внутренний диаметр трубки будет слишком мал для вязких жидкостей, уровень в ней будет отставать от уровня в резервуаре. Поэтому необходимо учитывать фазовые характеристики такого датчика. Для некоторых применений такая задержка может быть приемлемой, тогда как для других надо использовать иную конструкцию смотровой трубки. Отсюда видно, что рабочие характеристики каждого датчика можно оценить только относительно конкретной системы сбора данных. 2*
Глава 1. Сбор данных
Окружающий нас мир можно разделить на две части: природа и объекты, созданные человеком. Естественные сенсоры, которыми снабжен любой живой организм, обычно реагируют на электрохимические сигналы, т.е. их физический принцип действия основывается на передаче ионов в нервных тканях, как это было в рассмотренном примере со зрительным нервом оператора. В системах же, созданных людьми, в передаче сигналов участвуют электроны. Датчики в таких системах «разговаривают» с устройствами, в которые они встроены, на одном языке. Язык общения здесь — электрические сигналы, в которых информация, передается при помощи электронов, а не ионов. (Хотя в оптических системах связи информация передается через фотоны, но этот раздел выходит за рамки книги.) В данной книге будут рассматриваться датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волокна. Исходя из этого, перефразируем определение датчика: Датчик — это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирующее на них изменением электрических сигналов. Термин внешние воздействия широко используется в этой книге, поэтому его необходимо правильно воспринимать. Под внешним воздействием понимается количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В некоторых книгах (например, [2]) для этих целей используется термин измеряемая величина, имеющий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент на количественной характеристике сенсорной функции. Назначение датчиков — реакция на определенное внешнее физическое воздействие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измерительными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик — это преобразователь физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобразован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по линии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, частотой, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором входных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических параметров.
/. /. Датчики, сигналы и системы Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта к датчику. Работа датчика — это особый случай передачи информации, а любая передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт, что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит передача информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инфракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика), или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное излучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинаковую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур датчика и объекта. Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобразователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером преобразователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустических волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Интересно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилителя, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Привод можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преобразует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Примером привода является электрический мотор, преобразующий электрическую энергию в механическую.
Рис. 1.2 Датчик может состоять из нескольких преобразователей, е , е2,...- различные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы является датчиком прямого действия Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 1.2). Например, в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, преобразовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух
Глава 1. Сбор данных преобразователей представляет собой химический датчик — устройство, вырабатывающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что в рассмотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим из преобразователя и еще одного датчика - датчика температуры. В структуру составных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, которые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредственное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. Примерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека, описываемые в третьей главе. Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соответствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия необходимо осуществить несколько преобразований энергии. На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных детекторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих устройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встро-енными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того,
Рис. 1.3 Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль датчиков в системе сбора данных. Датчик 1 является бесконтактным, датчики 2 и 3 — пассивными устройствами, датчик 4 — активным, а датчик 5 - внутренним элементом системы сбора данных.
чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измерительных комплексов со множеством обратных связей. На рис. 1.3 показана блок-схема автоматизированного измерительного комплекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Из этого рисунка хорошо видна роль датчиков в таких системах. Субъектами измерений могут быть любые материальные объекты: автомобили, космические корабли, человеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об измеряемом объекте собираются при помощи датчиков, часть из которых, (2, 3 и 4), располагается на поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет непосредственной связи с объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные камеры и детекторы излучений служат примерами таких датчиков. Даже когда датчик называется бесконтактным, всегда между ним и объектом происходит передача энергии. Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит для контроля за условиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не могут быть напрямую подсоединены к стандартным электронным схемам из-за несоответствия форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специальные интерфейсные устройства — преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 — представитель активных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сигнал, получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сигнал в соответствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных датчиков является температурно-чувствительный резистор, который часто называется термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, являющегося в данном случае схемой возбуждения. Измерительный комплекс может включать в себя либо один датчик (домашний термостат), либо несколько тысяч (космический корабль). Электрические сигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор, выполняющий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков являются аналоговыми, они поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), если цифровыми — непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу мультиплексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод, воздействующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут использоваться электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав измерительной системы также входят периферийные устройства (накопители данных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не показанные в блок-схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения, усилители и прочие преобразователи. Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим простую систему, контролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь автомобиля оснащена датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве 24 Глава 1. Сбор данных машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический выключатель. Сигналы от датчиков всех дверей поступают на встроенный микропроцессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП, поскольку сигналы датчиков являются цифровыми: 0 — дверь открыта, 1 — закрыта). Микропроцессор определяет какая из дверей открыта и посылает на соответствующее периферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнализатор) специальный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это сообщение и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь. Примером более сложной системы является дозатор паров анестезирующих веществ, применяемый в медицине для регулирования количества анестетиков, вдыхаемых пациентом в ходе хирургических операций. В такую систему входят несколько активных и пассивных датчиков. Концентрация паров анестезирующих веществ контролируется при помощи пьезоэлектрического датчика, установленного в отводной трубке. Молекулы анестетиков увеличивают массу пьезокристал-ла, тем самым изменяя частоту его колебаний. Величина изменения собственной частоты кристалла и является мерой концентрации паров анестезирующих веществ. Чтобы отличить вдох от выдоха применяется датчик, контролирующий уровень СОг В дополнение к этому для компенсации некоторых переменных составляющих в системе используются датчики температуры и давления. Сигналы от всех этих датчиков поступают на мультиплексор, оцифровываются и подаются в микропроцессор, который и определяет реальную концентрацию паров анестезирующих веществ. Анестезиолог задает требуемый уровень подачи анестетиков, а процессор, управляя соответствующим образом приводом (в данном случае клапанами), поддерживает необходимую концентрацию анестезирующих веществ. На рис. 1.4 показан комплекс, состоящий из комбинации различных датчиков, приводов и сигнализаторов, применяемый в корпорации Nissan для повышения безопасности автомобиля. В его состав входят две системы, борющиеся с засыпанием водителя за рулем автомобиля. Действие одной из этих систем направлено на предупреждение водителя, а другой — на выравнивание курса автомобиля. Для выполнения этих функций необходимы специальные датчики, роль которых могут играть сенсоры слежения за глазным яблоком водителя и детекторы наклона его головы. В систему выдачи сигнала необходимости экстренного торможения, построенную на основе датчиков микроволнового, ультразвукового и инфракрасного диапазонов, часто входит устройство опережающего включения индикаторов торможения, позволяющее заранее предупредить об опасности водителей транспортных средств, едущих сзади. В состав системы предупреждения о препятствиях входят инфракрасные детекторы и радар. Адаптивная система круиз-контроля начинает работать в момент, когда водитель слишком приблизился к впереди идущему транспортному средству: при этом скорость автомобиля немедленно снижается для обеспечения безопасной дистанции. Устройство мониторинга пешеходов определяет присутствие людей на дороге в темное время суток и в зонах, закрытых для обзора, и предупреждает об этом водителя автомобиля. Система контроля полосы движения определяет ситуации, при которых отклонение автомобиля происходит не по воле водителя. При этом система оповещает водителя об уходе с полосы и автоматически выравнивает транспортное средство.
1.2 Классификация датчиков
Рис.1.4 Система безопасности автомобиля (с разрешения Nissan Motor Company) В следующих главах будут подробно рассмотрены типы сенсорных элементов, физические основы работы датчиков, их конструктивные решения и электронные схемы интерфейсных устройств. Описания других важных элементов измерительных комплексов, таких как приводы, дисплеи, накопители данных, передающие устройства, не вошли в эту книгу, и о них будет встречаться только краткое упоминание. Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически любую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, колебания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов — все это примеры внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназначения . Для особых условий применения может потребоваться разработка специальных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется чтобы они реагировали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор движения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки. 1.2. Классификация датчиков Системы классификации датчиков могут быть очень разными, от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели проведения классификации. В этой книге предлагается несколько практических подходов к этой проблеме. Все датчики можно разделить на две категории: пассивныеи активные.Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение
внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сигнал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлектрические чувствительные элементы. Большинство пассивных датчиков являются устройствами прямого действия (их определение приведено в разделе 1.1). В отличие от пассивного собрата активный датчик для своей работы требует внешней энергии, называемой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала активный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. Поскольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних сигналов, их иногда называются параметрическими. Фактически, в активных датчиках происходит преобразование изменения их внутренних характеристик в электрические сигналы, т.е. определенные параметры активных датчиков модулируют сигналы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об измеряемой величине. Например, термисторы являются температурно-чувствительными резисторами. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопротивление может быть определено по изменению тока и/или падению напряжения на них. Значение сопротивления (в омах) отражает измеряемую температуру, которая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных датчиков является резистивный тензодатчик, чье электрическое сопротивление зависит от величины его деформации. Для определения сопротивления датчика через него также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания. В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолютныеи относительные.Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолютных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может трактоваться по-разному. Примером абсолютного датчика является термистор. Его электрическое сопротивление напрямую зависит от абсолютной температуры по шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры — термопара — является относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является функцией градиента температуры на проволочках термопары. Поэтому определить конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только относительно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относительных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика соответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давлений, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давление относительно атмосферного давления, которое не является нулевым. Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их характеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физическом принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из какого материала он изготовлен, какая область его применения. Втаблицах 1.1-1.6, взятых из книги [3], представлена схема такой классификации, которая является наиболее информативной. Для примера рассмотрим акселерометр на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Согласно приведенным таблицам ему можно дать следующее описание.
Внешнее воздействие Ускорение
Характеристики Чувствительность определяется как отношение изменения частоты на единицу ускорения, краткосрочная и долговременная стабильность измеряется в Гц на единицу времени и т.д.
Физический принцип Механический
Механизм преобразований Упругоэлектрический
Материал Неорганический диэлектрик
Область применения Морской и автомобильный транспорт, космические исследования, научные измерения Таблица 1.1Характеристики Чувствительность Стабильность(краткосрочная и долговременная) Точность Быстродействие Характеристики при перегрузке Гистерезис Эксплуатационный ресурс Стоимость, размеры, вес Диапазон входных значений Разрешающая способность Избирательность Окружающие условия Линейность Мертвая зона Формат выходного сигнала Другие Таблица 1.2Материалы датчиков Неорганические Проводники Полупроводники Биологические ткани Органические Диэлектрики Жидкости, газы, плазма Другие Таблица 1.3Средства детектирования Биологические Химические Электрические, магнитные или электромагнитные волны Тепло, температура Механическое перемещение или волна Радиоактивность, излучение Другие
Глава 1. Сбор данных Таблица 1.4Механизм преобразований Физические Термоэлектричество Фотоэлектричество Фотомагнетизм Магнитоэлектричество Электромагнетизм Термоупругость Электроупругость Термомагнетизм Термооптика Фотоупругость Другие Химические Химические преобразования Физические преобразования Электрохимический процесс Спектроскопия Другие БиологическиеБиохимические преобразования Физические преобразования Влияние на тестируемые организмы Спектроскопия Другие Таблица 1.5Области применения Архитектура Гражданское строительство, проектирование Распределение, торговля, финансы Энергетика Здравоохранение, медицина Оборонная промышленность Научные исследования Транспорт (исключая автомобильный) Автомобильный транспорт Домашнее применение Окружающая среда, метеорология, средства безопасности Средства информации, телекоммуникация Судоходство Отдых, развлечения Космос другие
Таблица 1.6Внешние воздействия Акустические Амплитуда волны, фаза, поляризация Спектр Скорость волны Другие Биологические Биомасса (вид, концентрация, состояние) Другие Химические Элементы (идентичность, концентрация,состояние) Другие Электрические Заряд,ток Потенциал, напряжение Электрическое поле (амплитуда, фаза, поляризация,спектр) Проводимость Диэлектрическая проницаемость Другие Магнитные Магнитное поле (амплитуда, фаза, поляризация, спектр) Магнитный поток Проницаемость Другие
1.3. Единицы измерения Таблица 1.6Внешние воздействия (продолжение) Оптические Амплитуда волны, фаза, поляризация, спектр Скорость волны Коэффициент отражения Излучающая способность Отражающая способность, поглощение Другие Механические Положение (координаты линейные и угловые) Ускорение Сила Напряжение, давление Деформация Масса, плотность Движение, момент Скорость потока, расход массы Форма, шероховатость, ориентация Жесткость, податливость Вязкость Упорядоченность структуры, интеграция Другие Излучение Тип Энергия Интенсивность Другое Тепловые Температура Поток Тепло Теплопроводность Другие Единицы измерения В этой книге используются единицы измерения системы СИ, принятые на 14-ой Международной Конференции по Мерам и Весам (1971). В таблице 1.7 приведены основные единицы измерения физических величин, взятые из французского справочника Le Systeme International d'Unites [4]. Все остальные единицы измерения являются производными от этих основных единиц. Некоторые из них приведены в Приложении. Таблица 1.7 Основные единицы измерения системы СИ Величина_____ Название Обозначение Определение (Год установления) Длина Метр Метр - длина пути, пройденного светом в вакууме
Масса Килограмм кг Килограмм - масса эталона, сделанного из сплава
Время Секунда с Секунда - длительность 9192631 периодов излучения, испускаемого атомом Цезия 133 при точно определенных условиях резонанса (1967)
Глава 1. Сбор данных
Поиск по сайту: |
