Классификация электрических сенсоров

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 С_т 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 С_т 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.

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; Т_о, Т_с, Т_и — 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 « T_T/R_O, 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 = С_т- 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 Т_о, 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.

Курс______________________________________________ Интеллектуальные сенсоры

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.

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).

Лекция 8_____ Физические основы работы и классификация электрических сенсоров

Поиск по сайту: