Пьзоэлектрические сенсоры

Сущность пьезо эффекта заключается в том, что на гранях некоторых кристаллов при их сжатии или растяжении возникает разность потенциалов. Это явление носит название прямого пьзоэффекта. При снятии усилий кристалл возвращается в не наэлектризованное состояние.

Этот эффект наблюдается на кристаллах кварца, титаната бария, сегнетовой соли, турмалина. Созданы искусственные керамики, обладающие пьезо эффектом. Они производятся методами порошковой металлургии с использование титаната бария, титаната свинца и цирконата свинца. После спекания керамику вносят в сильное электрическое поле, после чего она приобретает свойства пьезопреобразователя.

Рис

Разность потенциалов, возникающая на гранях кристаллов, пропорциональна приложенной силе и обратно пропорциональна емкости преобразователя.

Где F – приложенная сила:

k_П - пьзомодуль;

C – емкость преобразователя.

Для материалов, применяемых в пьзопреобразователях значение пьезомодуля составляет (2,2…107)10^-12 Кл/Н.

Следует отметить, что выходная мощность, пьезопреобразователя очень мала, и при статических нагрузках заряды с граней кристалла растекаются из за утечек через изоляцию. Поэтому пьезо преобразователи не используются для измерения статических нагрузок, а применяются для регистрации переменных нагрузок и могут работать на частотах до 100кГц. На рисунке 77 приведена схема замещения пьзопреобразователя, подключенного к вторичному прибору.

Рис Схема замещения пьезопреобразователя, подключенного к вторичному прибору.

Внутреннее сопротивление преобразователя R_П имеет порядок (10⁹…10¹⁰) Ом и как видно из схемы рисунка 77 вторичный прибор своим входным сопротивлением R_H шунтирует выход преобразователя. Поэтому в качестве вторичного прибора должен быть включен электронный усилитель с большим входным сопротивлением.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при внесении пьезокристалла в электрическое поле, силовые линии которого совпадают с направлением пьезоэлектрической оси, происходит изменение геометрических размеров кристалла. Это явление еще называю элекетрострикцией.

Прямой пьезоэлектрический эффект используется для измерений быстро протекающих динамических процессов (так как пьезоэлектрические датчики обладают высокой собственной частотой), например, в датчиках удара на автомобилях для запуска пиропатрона подушки безопасности, давления газов в двигателях внутреннего сгорания, давления звуковых колебаний. Большое применение получили пьезоэлектрические адаптеры (звукосниматели), манометры, вибропреобразователи для измерения вибраций машин, измерители ускорений (акселерометры) и многие другие устройства.

Обратный пьезоэлектрический эффект нашел применение, например, в ультразвуковых генераторах, которые применяются как излучатели ультразвука при построении ультразвуковых расходомеров, измерителей уровня, дефектоскопов, а также используются в технологических целях, например для очистки поверхности изделий из металла, стекла и керамики и т. п.

Интегральные датчики магнитного поля в своём большинстве используют эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E. Hall) в 1879 г. Эффект Холла состоит в следующем. Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла. Эта э.д.с. пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока j:

Фотоэлектрические сенсоры

Принцип работы фотоэлектрических сенсоров может строится либо на внешнем, либо на внутреннем фотоэффекте.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием светового излучения. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, под действием внешнего электрического поля приобретают упорядоченное движение и образуют электрический ток, который служит мерой светового потока. Такие сенсоры применяются в основном для регистрации очень слабых излучений в спектрометрии, лазерной технике.

Рис

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости. На этом принципе работают фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотосимисторы. На рисунке хх показан фотодиод и его вольтамперные характеристика.

Рис Схема включения «а» и вольтамперные характеристики фотодиода.

Ф1<Ф2<Ф3 – световой поток, Е – эдс фотодиода в генераторном режиме.

Если фотодиод включен в прямом направлении, т.е. «+» внешнего источника подключен к аноду, а «-» к катоду, фотодиод работает как обычный диод и пропускает ток. В этом режиме фотодиод не используют. При обратном включении при отсутствии светового потока Ф обратный ток фотодиода очень мал (у германиевых 10 - 30 мкА, у кремниевых 1 - 3 мкА). При возрастании светового потока проводимость увеличивается и обратный ток фотодиода возрастает. Наличие тока в цепи при нулевом внешнем напряжении U=0 (точки 1,2 рисунок хх) свидетельствует о том, что фотодиод работает в генераторном режиме.

Фотодиоды, в отличии от фоторезисторов, могут работать на частотах до сотен мегагерц, имеют меньший уровень шума, применяются в качестве сенсоров оптических датчиков и в оптоволоконных линиях связи.

Наряду c фотодиодами существуют также фототранзисторы, фототиристоры и фотосимисторы. Часто эти приборы применяют в составе оптронов. Оптрон состоит из источника света (светодиода) и приемника, в качестве которого может быть использован любой из вышеупомянутых фотоприборов.

Оптоволоконные сенсоры

Оптоволокно - нить из оптически прозрачного материала (стекло или пластик), используемая как проводник света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Рис. Оптическое волокно. а – конструкция, б – изменение коэффициента преломления от цента к переферии.

Оптические волокна предназначены для передачи излучения лазерных источников – лазеров, излучение которых (свет) имеет ряд особенностей:

· световой поток имеет очень малый угол расхождения (апертуру) и для газовых лазеров практически параллелен;

· спектр лазерного излучения очень узок, у одномодовых лазеров излучение монохроматично, т.е. лазер излучает на одной частоте. У многомодовых лазеров спектр состоит из нескольких дискретных длин волн, расположенных очень близко друг к другу.

Различают многомодовые и одномодовые (от английского слова mode – режим) оптические волокна. Многомодовые оптические волокна имеют диаметр сердцевины 50 или 62,5 мкм, одномодовые – 9мкМ. Диаметр переферийной части 125 мкМ. Вместе c зощитной оболочкой оптоволокно имеет диаметр 250мкМ. Радиус изгиба оптоволокна может составлять нескольно милиметров. Многомодовые волокна состоят из сердцевины и оболчки, причем коэффициент преломления сердцевины больше, чем у оболчни. Для снижения затухания светового потока коэффициент преломления оптоволокна делают переменным от центра к периферии. Многомодовые волокна состоят из сердцевины и оболчки, причем коэффициент преломления сердцевины больше, чем у оболочки (коэффициент преломления изменяется ступенчато вдоль радиуса). У одномодовых волокон коэффициент преломления вдоль радиуса изменяется плавно, благодаря чему оно приобретает свойства фокусирующей линзы (См. рисунок хх).

Волоконно-оптические сенсоры можно разделить на две группы:

1. Сенсоры, в которых оптическое волокно используется как линия передачи сигнала. В этих случаях обычно используется многомодовое оптоволокно. Свет, передаваемый оптоволокном, модулируется (изменяется) за счет изменения параметров чувствительного элемента, закреплённого на торце оптического волокна. В качестве внешних чувствительных элементов наиболее часто используются мембраны и другие упругие элементы, на которых устанавливаются шторки или решётки, перекрывающие световые потоки. В основе этих волоконно-оптических датчиков лежит механический принцип смещения того или иного оптического элемента (решетки, шторки, зеркала) в результате внешних воздействий.

Пример такого сенсора показан на рисунке хх

Рис. Оптоволоконный сенсор c использованием оптоволокна для передачи сигнала o наличии объекта в контролируемом пространстве.

Свет от источника излучения через оптоволокно 1 передается в воздушный зазор и если в зазоре нет объекта, поступает в оптоволокно 2 и фиксируется фотоприемником. При появлении объекта световой поток перекрывается и фотодетектор фиксирует наличие объекта.

Другим примером может служить сенсор, работающий по принципу интерферометра Фабри-Перо, показанный на рисунке хх

Рис. Оптоволоконный сенсор работающий по принципу интерферометра Фабри-Перо.

Свет от лазерного диода вводится в оптоволокно 1 и через волоконно-оптический ответвитель 2 и оптоволокно 3 попадает в воздушный зазор между торцом оптоволокна 3 и зеркалом 6, закрепленным на мембране 5. Торец оптоволокна 3 и зеркало образуют оптический резонатор интерферометра Фабри-Перо, в котором прямой и отраженный от торца оптоволокна свет образуют интерференционную картину, яркость которой изменяется при деформации мембраны, вызванной изменением давления. Отраженный зеркалом свет попадает в оптоволокно 3 и через оптический ответвитель 2 и оптоволокно 4 подводится к фотодетектору. Изменение интенсивности отраженного света служит мерой деформации мембраны, а следовательно и внешнего давления.

2. Сенсоры, в которых само оптическое волокно является чувствительным элементом. Здесь чаще всего используется одномодовое оптоволокно. Физические параметры вызывают изменение свойств света, проходящего через оптоволокно, таких как фаза, поляризация, длина волны или время прохождения через оптоволокно, либо изменяются свойства самого оптоволокна.

Примером сенсоров, в которых само оптоволокно является чувствительным элементом, воспринимающим физические воздействия, может служить сенсоры на основе брегговских решоток, которые формируются в оптическом волокне – см. рисунок хх

Волоконная брэгговская решетка представляет собой участок оптоволокна с периодически изменяющимся показателем преломления. Такие структуры обладают свойством из всего падающего на нее спектра света отражать лишь одну волну, длина которой зависит от периода изменения показателя преломления и эффективного коэффициента преломления сердцевины оптоволокна.

Волоконные решётки изготавливаются путём облучения фоточувствительного одномодового волокна интенсивным излучением УФ-лазера. Период структуры и, соответственно, длина волны отраженного света изменяется при механическом сжатии или растяжении волокна. Это явление используется в волоконно-оптических датчиках давления и температуры.

Рис Оптоволоконный сенсор на основе брегговской решотки.

а. 1, 4 –оптоволокна, 2 – оптоволоконный ответвитель, 3 – оптоволокно c брегговской решеткой, 5- анализатор спектра. б. Сдвиг спектра отраженного излучения под воздействием физических факторов.

Свет от лазерного излучателя через оптоволокно 1 и ответвитель 2 попадает в оптоволокно 3, в котором сформировано брегговская решетка. Часть светового потока c длиной волны l₀ отражается и попадает через оптоволокно 4 на анализатор спектра 5. При воздействии на оптоволокно внешних факторов (давления или температуры) длина отраженной волны изменяется до l₁ (см. рисунок хх б). Это изменение фиксируется анализатором спектра 5 и служит мерой внешнего воздействия.

Существую оптоволоконные сенсоры использующие и другие принципы работы. Отметим общие достоинства оптоволоконных сенсоров:

· высокое быстродействие (частота десятки терагерц);

· возможность изготовления сенсоров малых размеров (не более 0.125мм);

· абсолютная помехозащищенность – оптоволоконные сенсоры не чувствительны к электромагнитным полям;

· возможность разнесения сенсора и вторичных приборов на большие расстояния;

· взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

· высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10 000 B);

· высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

Волоконно-оптические датчики и системы: принципы по-

строения, возможности и перспективы // Измерительная техника. LightWave. 2006. —

No 4

• Окоси Тамакори, Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991. - с. 256;
• Жилин В.Г. Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с.11-12;
• Авдошин Е.С. Волоконная оптика в военной технике США // Зарубежная электроника, 1989. - №11. - с.98-99;
• Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики: Физические основы, вопросы расчета и применения. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - с.40-41.
• Л.М.Андрушко и др., Справочник по волоконно-оптическим линиям связи, под ред. С.В.Свечникова и др., Киев, Тэхника, 1988

Датчики давления

Датчик давления — устройство, физические параметры которого изменяются в зависимости от давления измеряемой среды (жидкости, газы, пар).

Если датчик снабжен показывающим устройством (шкалой), его согласно ГОСТ16263 - 70он называется измерительным прибором. Приборы для измерения давления называются манометрами. Большинство манометров являются деформационными. Согласно ГОСТ 8.271-77 деформационный манометр — это манометр, принцип действия которого основан на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.

По назначению датчики давления могут быть:

· абсолютного давления

· избыточного давления

· разрежения

· давления-разрежения

· разности давления

· гидростатического давления

В этих датчиках измеряемое давление или разность давлений определяется по деформации упругих чувствительных элементов: Мембран, сильфонов, трубчатых манометрических пружин различных конструкций.

Датчик давления могут быть простыми (состоять из одного чувствительного элемента) и сложными (комбинированными). Комбинированные датчики могут состоять из чувствительного элемента, промежуточного преобразователя, схемы вторичной обработки сигнала и устройства вывода выходного сигнала. Основными отличиями одних приборов от других являются пределы измерений, динамические и частотные диапазоны, точность регистрации давления, допустимые условия эксплуатации, массогабаритные характеристики, которые зависят от принципа преобразования давления в выходной сигнал: