Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

Transkrypt

1 Czujniki Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2

3 Czujniki Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru Najczęściej spotykane są czujniki wielkości mechanicznych (ciśnienia, naprężenia, odkształcenia, prędkości, przepływu, położenia, przyspieszenia) czujniki temperatury czujniki pola magnetycznego, elektrycznego czujniki optyczne (i innych fal elektromagnetycznych) czujniki akustyczne i ultradźwiękowe czujniki elektrochemiczne

4 Czujniki Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru Ze względu na generowany sygnał czujniki możemy podzielić na czujniki generacyjne, które wytwarzają sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru (prąd, napięcie) czujniki parametryczne, których parametry elektryczne zależą od mierzonej wielkości fizycznej, ale by otrzymać sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru musimy wbudować je w odpowiedni układ elektroniczny

5 Przykłady czujników i ich zastosowań

6 Czujniki podstawowych wielkości mechanicznych Pomiary wielkości takich jak położenia, odkształcenie, ciśnienia, siły, naprężenia, a nawet przyspieszenie są ściśle ze sobą związane. Pomiar jednej z tych wielkości umożliwia wyznaczenie innej poprzez analizę właściwości odpowiedniego układu mechanicznego.

7 Czujniki podstawowych wielkości mechanicznych Stosuje się tu bardzo różnorodne techniki pomiarowe, takie jak: tensometrię opartą na zmianie oporu elektrycznego materiałów po odkształceniu potencjometry oporowe sprzężone z czujnikiem położenia czujniki indukcyjne i pojemnościowe o bardzo zróżnicowanej konstrukcji fotoelektryczne (w tym laserowe) czujniki położenia czujniki naprężenia działające w oparciu o efekt piezoelektryczny czujniki Halla współpracujące ze źródłami pola magnetycznego

8 Czujniki podstawowych wielkości mechanicznych

9 Tensometry Czujniki tensometryczne są niezwykle popularne w technice. Działają na zasadzie pomiaru zmian oporu cienkiego drucika (zwykle platynowego) lub cienkiej warstwy metalicznej pod wpływem przyłożonego naprężenia.

10 Tensometry Przykład zastosowania tensometru do pomiaru ciśnienia.

11 Tensometry Tensometry pracują zwykle w dosyć złożonych (często mostkowych) układach pomiarowych tłumiących niepożądane zakłócenia i kompensujących wpływ warunków pracy i zasilania na sygnał wyjściowy.

12 Tensometry Wykorzystanie wzmacniacza różnicowego (pomiarowego) w typowym pomiarze mostkowym

13 Czujniki indukcyjne Czujniki indukcyjne reagują na zmianę położenia poprzez zmianę względnego położenia uzwojeń zmianę położenia zwory lub rdzenia względem uzwojenia Ich konstrukcja jest bardzo zróżnicowana.

14 Czujniki pojemnościowe Przykład pojemnościowego czujnika ciśnienia

15 Czujniki Halla Czujniki Halla są wszechstronnie wykorzystywane do pomiarów: indukcji pola magnetycznego dużych prądów położenia, na przykład w różnego rodzaju przełącznikach czy zapłonach samochodowych położenia względem ziemskiego pola magnetycznego

16 Czujnik Halla przykłady zastosowań Nadajnik Halla w samochodowym układzie zapłonowym Układ do pomiaru dużych prądów Koder położenia

17 Akcelerometry i żyroskopy zintegrowane To bardzo nowoczesne elementy wykorzystujące zmiany parametrów struktur półprzewodnikowych pod wpływem naprężeń.

18 Czujniki temperatury Temperatura jest jedną z częściej mierzonych i analizowanych wielkości. Wynika to nie tylko z faktu, że ma ona bezpośredni wpływ na wiele procesów, często jest interesująca sama w sobie : ) ale także z tego, że wiele wielkości bada się pośrednio poprzez temperaturę na przykład... egzo i endotermiczne reakcje chemiczne (czujniki gazów palnych)... moc promieniowania elektromagnetycznego

19 Właściwości czujników temperatury

20 Termopara

21 Termopara Kompensacja temperatury złącza odniesienia

22 Termopara Kompensacja temperatury złącza odniesienia

23

24 Termometry monolityczne Wiele firm elektronicznych produkuje układy scalone do pomiarów temperatury. Zwykle są mało precyzyjne, ale proste w zastosowaniu. (Przykład: AD590 firmy Analog Devices)

25 Czujniki optyczne To szeroka klasa czujników najczęściej wykorzystująca oddziaływanie fali elektromagnetycznej z materią Bywają wykorzystywane na przykład w czujnikach położenia (i czujnikach systemów dozorowania) w analizatorach gazów do pomiarów natężenia światła (i innego promieniowania e m)

26 Fotorezystory Charakterystyka widmowa fotorezystora CdS jest zbliżona do charakterystyki oka ludzkiego Fotorezystory charakteryzują się dużą czułością, co ułatwia stosowanie ich w prostych układach aplikacyjnych.

27 Czujniki elektrochemiczne To szeroka klasa czujników wykorzystująca reakcje elektrochemiczne zachodzące zarówno w fazie stałej jak i ciekłej. Bywają potencjometryczne (sygnałem wyjściowym jest napięcie) amperometryczne (sygnałem wyjściowym jest prąd) konduktometryczne (sygnałem wyjściowym jest przewodnictwo)

28 Czujniki elektrochemiczne Czujniki potencjometryczne mierzą napięcie ogniwa przy braku prądu. Jest ono zależne od stężenia jonów w roztworze. Czujniki zwykle stosowane do pomiaru stężenia jonów nieorganicznych... w tym jonów wodorowych (ph) Wymagają elektrody odniesienia V mostek elektroda odniesienia elektroda pomiarowa badany roztwór

29 Czujniki elektrochemiczne Glucose Gluconic acid Glucose Oxidase Oxygen Hydrogen Peroxide 2H+, 2e- Przykład czujnika do pomiaru stężenia glukozy czujnik amperometryczny (prąd proporcjonalny do stężenia substratów) ELECTRODE Elektroda robocza z enzymem (oksydazą) 5.4 mm Glukometr Medisene Kontakty Elektroda odniesienia

30 Zaawansowane czujniki piezoelektryczne Bardzo nowoczesnym zastosowaniem rezonatorów na kryształach piezoelektrycznych jest budowa czujników biochemicznych.