По физическому принципу действия чувствительного элемента электрические сенсоры обычно классифицируют (рис. 8.1) на сенсоры с пассивными и с активными чувствительными элементами.
Рис.8.1. Классификация электрических сенсоров по физическому принципу действия
К активным чувствительным элементам относят транзисторы, диоды, нелинейные электронные элементы, имеющие участки вольт-амперной характеристики с отрицательным наклоном, газоразрядные и другие элементы, внутри которых вызван-
Курс Интеллектуальные сенсоры
Ные внешним влиянием небольшие изменения сразу же значительно усиливаются за счет внешнего источника энергии.
Обычно считают, что все активные чувствительные элементы являются «токовыми», т. е. под воздействием контролируемого внешнего фактора изменяется протекающий сквозь них электрический ток.
Пассивные чувствительные элементы классифицируют по виду электрической характеристики, изменяющейся под влиянием контролируемого фактора, на резистивные, емкостные и т. д. Дальше их можно классифицировать на подвиды в зависимости от того, под действием какого именно внешнего фактора изменяются их электрические характеристики (пьезорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы и т. д.).
Резистивные сенсоры
Одними из простейших электрических сенсоров являются резистивные сенсоры, в которых под действием внешнего фактора изменяется сопротивление того или иного участка электрической цепи. Как уже сказано выше, их мы будем классифицировать исходя из того внешнего фактора, под действием которого изменяется электрическое сопротивление резистора.
Известным примером резисторов, реагирующих на механическое воздействие, являются сенсоры-«вахтеры» для наблюдения за целостностью оконных стекол. По поверхности стекла протягивают «кружево» из тонких, почти незаметных проволочек. Сенсор измеряет и контролирует общее сопротивление этого «кружева». Если стекло разбивается, то некоторые проволочки неминуемо разрываются, вследствие чего общее электрическое сопротивление изменяется. Регистрируя такое изменение, сенсор подает сигнал тревоги.
К «механическим» резисторам относятся также реостаты, которые изменяют свое электрическое сопротивление при перемещении ползунка.
Терморезисторы
Другой известный пример — терморезисторы, у которых электрическое сопротивление проводника или полупроводника зависит от температуры.
Точность измерения температуры с использованием терморезисторов зависит от ряда факторов. С точки зрения теплофизики терморезистор характеризуется собственной теплоемкостью Ст и собственным тепловыделением q=PR,meI— величина электрического тока, который течет через терморезистор, R — его электрическое сопротивление. Величину q называют еще «мощностью саморазогрева» терморезистора. Обычно теплоемкость Ст терморезистора тем меньше, чем меньше его масса.
На самом деле терморезистор далеко не всегда находится при температуре, совпадающей с температурой объекта. Ведь он обменивается теплом не только с объектом, температуру которого он должен измерять, но также с окружающей средой и со схемой измерения. Пользуясь известной электротепловой аналогией, эквивалентную теплоэлектрическую схему измерения можно представить в виде, показанном на рис. 8.2.
Лекция 8_____ Физические основы работы и классификация электрических сенсоров
Расчет этой схемы в стационарном режиме, т. е. в состоянии уже достигнутого теплового равновесия, дает для температуры, измеряемой температурным сенсором, следующую формулу
ое Ro, Re, Rn — тепловые сопротивления между температурным сенсором и объектом, температурным сенсором и окружающей средой, температурным сенсором н измерительной схемой соответственно; То, Тс, Ти— абсолютные температуры объекта, окружающей среды и измерительной схемы соответственно.
Отсюда видно, что сенсор будет верно измерять температуру объекта лишь при условии, что Ro«Rc,Ro«RHnq « TT/RO, т. е. если терморезистор нахо-1ится в тесном тепловом контакте с объектом, а от окружающей среды и от измерительной схемы хорошо теплоизолирован, и если измерительный ток достаточ-? мал.
Из схемы, показанной на рис. 8.2, вытекает также, что, когда температура ъекта быстро изменяется, реакция терморезистора на эти изменения будет за-«сеть от его тепловой инерции. Она характеризуется временной постоянной х = Ст- Для того чтобы измерение температуры было малоинерционным, теплоем-сть терморезистора С?™ должна быть по возможности меньшей, а его тепловой нтакт с объектом — по возможности лучшим.
Подчеркнем, что изложенные соображения относятся не только к терморе-сторам, но и ко всем другим температурным сенсорам.
Известно, что электрическое сопротивление металлов возрастает с повыше-ем температуры по закону, известному из школьного курса физики:
е R — сопротивление проводника при абсолютной температуре Т, Ro — сопро-зление того же проводника при абсолютной температуре То, а — температурой коэффициент сопротивления. Все металлы имеют положительный темпера-гный коэффициент сопротивления. С целью уменьшения теплоемкости термо-
*61
Лекция 8_____ Физические основы работы и классификация электрических сенсоров
грева, второй — для измерения температуры стебля на заданном расстоянии от места нагрева, третий — для измерения температуры окружающей среды. Сигналы от первого служат для точного регулирования и поддержания заданной температуры в месте нагрева. Это важно, так как повышение температуры выше физиологической границы может отрицательно повлиять на жизнедеятельность растения. Сигналы от второго термистора позволяют микрокомпьютеру вычислить объемный поток жидкости, а сигналы от третьего дают возможность учесть поправку, связанную с отдачей тепла в окружающее пространство.
Еще один пример описан в [75]. Сенсор для определения теплопроводности и коэффициента диффузии жидкости состоит из миниатюрных малоинерционных германиевых терморезисторов, усилителей сигналов от них и из миниатюрного электронагревательного элемента. Все они сформированы с применением микроэлектронной технологии на одном кристалле полупроводника, который при измерениях погружают в исследуемую жидкость. Микрокомпьютер регулирует мощность нагрева так, чтобы температура жидкости в месте нагрева изменялась по синусоидальному закону. Измерительные терморезисторы расположены на заданном расстоянии от нагревателя. Из сигналов, которые они выдают, микрокомпьютер выделяет гармонические колебания только нужной частоты, определяет их амплитуду и фазовый сдвиг. В работе описана двумерная аналитическая модель переноса тепла в неподвижной жидкости, которая позволяет вычислить по этим данным на микрокомпьютере теплопроводность и коэффициент диффузии жидкости.
Рис. 8.3. Сенсоры потока газов компании Honeywell
Компания Honeywell выпускает сенсоры потока газов, которые состоят из микронагревателя и двух тонкопленочных терморезисторных измерительных мостов. Они перекрывают диапазон измеряемых потоков от нескольких мл/мин до сотен л/мин и широко применяются в химической и фармацевтической промышленности [251] (см. также http://content.honeywell.com/sensing/products).
Внешний вид некоторых из них показан на рис. 8.3.
Фоторезисторы
Следующим видом резистивных сенсоров являются фоторезисторы. Их электрическое сопротивление зависит от освещенности. Фоторезисторы изготавли-
Лекция 8_____ Физические основы работы и классификация электрических сенсоров
руемых изменений температуры применяют мостовые схемы. В одно их плечо включен нагруженный пьезорезистор (на который действует измеряемая сила), а в другое — точно такой же резистор, но механически не нагруженный. При изменениях температуры соотношение сопротивлений и баланс моста не изменяются.
Высокий уровень развития современной микроэлектронной технологии позволил формировать из кремния миниатюрные прецизионные пьезорезис-тивные структуры вместе с элементами термокомпенсации, усиления и электронной обработки сигналов. На этой основе созданы и промышленно выпускаются сотни наименований разнообразных микроэлектронных сенсоров для измерения силы, давления, механического напряжения, для фиксации даже легчайших прикосновений. Например, сенсоры давления компании Honeywell на основе кремниевых пьезорезисторов перекрывают диапазон давлений от единиц паскаля до десятков МПа, обеспечивая измерение с точностью ±0,1-3 % [251; http://content.honeywell.com/sensing/products]. Среди них — сенсоры абсолютного, избыточного и дифференциального давления для работы в сухой и во влажной неагрессивной среде, а также для измерений в жидких и даже в агрессивных средах.
Еще более высокую тензочувствительность имеют пъезорезисторы из эластомеров, которые изготавливают из резины, полиуретана и подобных упругих синтетических материалов, в состав которых включены электропроводящие частицы или волокна (например, графитовый или угольный порошок) [148]. Принцип действия пьезорезисторов из эластомеров показан на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Принцип действия пьезорезистивного сенсора из эластомера
При отсутствии внешней силы подвижный контакт только прикасается к электропроводящему эластомеру, и сопротивление между контактами довольно велико. Появление силы давления, действующей на подвижный контакт, приводит к деформации упругого слоя эластомера и к некоторому углублению контакта в этот слой. При этом одновременно уменьшается расстояние между контактами и между электропроводящими частицами в эластомере и увеличивается площадь контактной зоны. Вместе взятое, это приводит к заметному уменьшению электрического сопротивления. Типичный вид нелинейной зависимости электрического сопротивления от приложенной силы или от перемещения подвижного контакта (от величины деформации) показан на рис. 8.4, справа.
В работе [35] описаны даже массивы тензочувствительных элементов из таких эластомеров. Их применение вместе с микрокомпьютером в составе интеллектуальных сенсоров позволяет измерять распределение механических нагрузок по поверхности массива и их изменение во времени (динамику). Сенсор может сигнализировать об угрожающей локальной или общей перегрузке, фиксировать и отслеживать перемещение объектов по поверхности этой чувствительной «разумной» сенсорной опоры. При тренировках спортсменов-прыгунов, например, такой распределенный сенсор фиксирует место, силу, время и продолжительность отталкивания, позволяет изучать эффективность применения различных амортизаторов и т. п.
В [213] показано, что на основе нитевидных кристаллов кремния /ьтипа, легированных бором и закрепленных на упругих элементах, можно создать высокочувствительные пьезорезистивные сенсоры для надежной работы даже при криогенных температурах.
Гигристоры
Электрическое сопротивление некоторых гигроскопических материалов существенно зависит от влажности окружающего воздуха. Резисторы из таких материалов называют гигристорамии применяют в сенсорах влажности [325]. Для этого синтезированы специальные материалы: нонилфенилполиэтиленгли-кольэ-фир, гидроксиэтилцеллюлоза и т. п. с наполнением угольным порошком [99]. Типичная зависимость электрического сопротивления таких гигристоров от относительной влажности воздуха показана на рис. 8.5.
В составе интеллектуального сенсора можно учесть изменения этой зависимости с температурой, а также некоторое запаздывание изменения электрического сопротивления гигристора при быстрых изменениях влажности воздуха, запоминать динамику изменений влажности за определенный период для дальнейшей передачи в компьютерную сеть, для документирования, прогнозирования и т. д.
Рис.8.5. Типичный вид зависимости электрического сопротивления гигристора от влажности окружающего воздуха
В работе [152] описано применение в роли гигристора твердого полиэлектролита на основе силикона (Si-PE), имеющего высокую чувствительность в диапазоне относительной влажности от 11 до 96 % и малую инерционность (время задержки около 4 с).