1.2.2. Классификация датчиков

Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели про­ведения классификации.

Все датчики можно разделить на три категории: пассивные, активные и комбинированные.

Пассивный датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Принцип действия пассивного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее важные из этих физических явлений указаны в табл. 1.2, а принципы их технической реализации иллюстрируют схемы на рис. 1.2.3.

Таблица 1.2.

Физические эффекты, используемые для построения пассивных датчиков

Измеряемая величина	Используемый эффект	Выходная величина
Температура	Термоэлектрический эффект	Напряжение
Поток оптического излучения	Пироэлектрический эффект Внешний фотоэффект Внутренний фотоэффект в полупроводнике с р-n – переходом Фотоэлектромагнитный эффект	Заряд Ток Напряжение Напряжение
Сила, давление, ускорение	Пьезоэлектрический эффект	Заряд
Скорость	Электромагнитная индукция	Напряжение
Перемещение	Эффект Холла	Напряжение

Датчик, реализующий термоэлектрический эффект,— термопара — содержит два проводника М₁ и М₂ различной химической природы (рис. 1.2.3, а). Их спаи, находящиеся при температурах Т₁ и Т₂, являются местом возникновения термо-э.д.с. е(Т₁, Т₂). Термо-э.д.с. е пропорциональна измеряемой температуре Т₁, когда температура Т₂ известна (соответствующий нерабочий спай термопары помещен в среду с постоянной температурой, равной, например, 0°С).

В датчике с пироэлектрическим эффектом определенные кристаллы, называемые пироэлектриками (например, триглицинсульфата), испытывают спонтанную электрическую поляризацию, зависящую от их температуры, и на двух противолежащих поверхностях появляются электрические заряды противоположных знаков, пропорциональные этой поляризации (рис. 1.2.3, б).

Поглощенный кристаллом поток излучения приводит к росту его температуры и к соответствующему изменению поляризации, которое измеряется по изменению напряжения на зажимах конденсатора.

Рис. 1.2.3. Примеры использования физических явлений для построения пассивных датчиков.

Эффекты: а – термоэлектрический; б – пироэлектрический; в – пьезоэлектрический;

г – электромагнитной индукции; д – фотоэлектрический; е – Холла.

В датчике с пьезоэлектрическим эффектом изменение механического напряжения в кристалле пьезоэлектрика, (например, кварца), приводит к деформации, вызывающей появление на противолежащих поверхностях кристалла одинаковых по величине электрических зарядов противоположного знака (рис. 1.2.3, в). Таким образом, измерение силы или приводимых к ней величин (давление, ускорение) осуществляется измерением напряжения между зажимами пьезоэлектрика.

В датчике, использующем явление электромагнитной индукции, при перемещении проводника в постоянном электромагнитном поле возникает э.д.с., пропорциональная магнитному потоку и, следовательно, скорости его перемещения (рис. 1.2.3, г). Аналогичным образом, когда замкнутый контур подвергается воздействию переменного магнитного потока при перемещении в поле самого контура или источника поля (например магнита), индуцированная в контуре э.д.с. равна по величине (и противоположна по знаку) скорости изменения магнитного потока. Таким образом, измерение э.д.с. электромагнитной индукции позволяет определить скорость перемещения объекта, механически связанного с подвижным элементом подобного датчика.

В датчиках используются и фотоэлектрические эффекты, различные по своим проявлениям, но объединенные общей причиной их возникновения — освобождением электрических зарядов в веществе под действием светового или, в более общем смысле, электромагнитного излучения, длина волны которого меньше некоторого порогового значения, являющегося характеристикой чувствительного материала (рис. 1.2.3, д).

Датчик на основе эффекта Холла. При пропускании электрического тока через образец (пластину) полупроводника, находящийся в однородном магнитном поле (вектор магнитной индукции В составляет угол  с направлением тока I), в направлении, перпендикулярном полю, возникает э.д.с.

,

где К_Н зависит от типа проводимости и размеров пластины (рис. 2.13, е).

Датчик Холла используют для измерения перемещений х объектов, а также величин, преобразуемых в перемещения, например давления. Постоянный магнит датчика механически связывают с объектом, и при смещении магнита пропорционально изменяется выходное напряжение датчика (ток при этом постоянен).

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.

В табл. 1.3 указан ряд физических эффектов, связанных с преобразованием значений электрических характеристик активных датчиков. Среди них нужно отметить резистивные датчики.

Импеданс пассивного датчика 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.

Таблица 1.3.

Физические принципы преобразования величин и материалы, используемые для построения пассивных датчиков

Измеряемая величина	Электрическая характеристика, изменяющаяся под действием измеряемой величины	Тип используемых материалов
Температура	Сопротивление	Металлы (платина, никель, медь), полупроводники
Сверхнизкие температуры	Диэлектрическая проницаемость	Стекло, керамика
Поток оптического излучения	Сопротивление	Полупроводники
Деформация	Сопротивление Магнитная проницаемость	Сплавы никеля, легированный кремний Ферромагнитные сплавы
Перемещение	Сопротивление	Магниторезистивные материалы: висмут, антимонид индия
Влажность	Сопротивление Диэлектрическая проницаемость	Хлористый литий, окись алюминия, полимеры
Уровень	Диэлектрическая проницаемость	Жидкие изоляционные материалы

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 (составной) датчик.

В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолют­ные и 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. В на рисунке 1.2.4, представлена схема такой классификации, которая является наиболее информативной.

Рис. 1.2.4 Классификация датчиков