Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
10
датчика, либо на электрические и магнитные свойства его материала, либо, что реже, на то и на другое одновременно.
Деформация является результатом действия силы (или величины, с ней связанной, - давления, ускорения) на чувствительный элемент датчика. Изменение импеданса датчика, вызванное деформацией чувствительного элемента, вызывает изменение соответствующего электрического сигнала в специальной измерительной схеме, в которую этот датчик включают.
Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента датчика зависят от переменных физических величин: температуры, давления, влажности, освещенности и т.д. Если меняется только одна из величин, а остальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее однозначное соответствие между значениями этой величины и импедансом датчика. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная градуировочную кривую, по результатам измерения импеданса можно определить соответствующее значение измеряемой величины.
Таблица 2.
Физические принципы преобразования величин и материалы,используемые для
построения пассивных датчиков
Измеряемая величина Электрическая карактеристи-ка, изменяющаяся под действием измеряемой величины Тип иснолъзуемых материалов
Температура Сопротивление Металлы (платина, никель, медь), полупроводники
Сверхнизкие температуры Диэлектрическая проницаемость Стекло, керамика
Поток оптического излучения Сопротивление Полупроводники
Деформация Сопротивление Сплавы никеля, легированный кремний
Перемещение Магнитная проницаемость Сопротивление Ферромагнитные сплавы Магниторезистивные материалы: висмут, антимонид индия
Влажность Сопротивление Диэлектрическая проницаемость Хлористый литий, окись алюминия, полимеры
Уровень Диэлектрическая проницаемость Жидкие изоляционные материалы
В табл. 2 указан ряд физических эффектов, связанных с преобразованием значений электрических характеристик пассивных датчиков. Среди них нужно отметить резистивные датчики. Импеданс пассивного датчика
11
и его изменения можно измерить не иначе, как включая датчик в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала. Наиболее часто используются измерительные схемы следующих видов:
- потенциометрическая схема, содержащая соединенные параллельно источник напряжения и датчик-потенциометр;
- мостовая схема, разбаланс которой характеризует изменение импеданса датчика;
- колебательный контур, включающий в себя импеданс датчика (при этом контур является частью генератора колебаний и определяет его частоту);
- операционный усилитель, в котором импеданс датчика является одним из элементов, определяющим коэффициент усиления.
Выбор схемы формирования сигнала является важным этапом в реализации измерений, от которого зависят метрологические характеристики измерительных комплексов в целом - погрешность, чувствительность, линейность, невосприимчивость к влиянию определенных величин.
1.3. Комбинированные датчики
При измерениях некоторых неэлектрических величин не всегда удается преобразовать их непосредственно в электрическую величину. В этих случаях осуществляют двойное преобразование исходной (первичной) измеряемой величины - в промежуточную неэлектрическую величину, которую преобразуют затем в выходную электрическую величину. Совокупность двух соответствующих измерительных преобразователей образует комбинированный датчик (рис. 5). Подобные преобразования удобны для измерения механических величин, вызывающих в первичном преобразователе деформацию или перемещение выходного элемента, к которым чувствителен вторичный преобразователь.
Первичная
измеряемая
величина
Промежуточная
Первичный величина
преобразователь
Вторичный
преобразователь
Электри-
ческий
сигнал
Рис. 5. Блок-схема комбинированного датчика.
Давление, например, можно измерить с помощью мембраны, служащей первичным преобразователем, деформация которой преобразуется в электрическую величину датчиком, реагирующим на механическое сме-
12
щение. Так, мембрана электродинамического микрофона является первичным преобразователем, деформация которой, вызванная воздействием акустического давления, преобразуется в соответствующий электрический сигнал.
Датчик в определенных условиях эксплуатации может подвергаться воздействию не только измеряемой величины, но и других физических величин, именуемых влияющими, к которым чувствителен датчик. Вариации этих паразитных воздействий могут привести к изменениям выходного электрического сигнала датчика, и появлению соответствующей погрешности измерений.
Основными физическими величинами, влияющими на погрешность датчиков, являются:
- температура, которая изменяет электрические и механические характеристики датчика, а также размеры составляющих его деталей;
- давление, ускорение и вибрации, вызывающие в определенных элементах датчиков деформации и напряжения, изменяющие их чувствительность;
- влажность, которая может вызвать изменение определенных электрических характеристик элементов, таких, как диэлектрическая проницаемость и удельное сопротивление;
