Czujniki wielkości nieelektrycznych

Transkrypt

1 Czujniki wielkości nieelektrycznych odzaje, parametry, zasady pomiarów temperatury, promieniowania elektromagnetycznego, pola magnetycznego, siły, ciśnienia, naprężenia, przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia. (wg. źródła M.Polowczyk, A. Jurewicz Elektronika dla mechaników Gdańsk PG 2002)

2 odzaje czujników pomiarowych Generacyjne, które zamieniają daną wielkość fizyczną na sygnał elektryczny np. na napięcie: czujniki temperatury termoelementy (termopary), czujniki z tranzystorem bipolarnym, promieniowania elektromagnetycznego fotodiody, pola magnetycznego hallotrony, siły (ciśnienie, naprężenia) tensometry piezoelektryczne, Parametryczne, które zmieniają swoje właściwości elektryczne pod wpływem danej wielkości fizycznej. Zmieniającą się własnością elektryczną zwykle jest rezystywność, indukcyjność i pojemność. Są to czujniki: temperatury termorezystory metalowe i półprzewodnikowe promieniowania elektromagnetycznego fotorezystory, pola magnetycznego magnetorezystory czyli gaussotrony, siły (ciśnienia, naprężenia), ogólnie zwane tensometrami tensometry metalowe i półprzewodnikowe (piezorezystywne). 2

3 Parametry czujników Zależność funkcyjna m. wielkością elektryczną i nieelektr., np. Czułość (różniczkowa) Czułość względna 0 (1 +αδt +βδt 2 + γδt ) S WZ ΔY ΔX Próg czułości wg.minimalnej wykrywanej zmiany wielkości mierzonej (ograniczona szumami) ozmiary-miniaturyzacja dla zmniejszenia zniekształceń cieplnych S dy Y dx X lim ΔX 0 ΔY Y ΔX X dy dx ( ΔY ) X ( ΔX )Y 3

4 4 Metody pomiaru sygnałów elektrycznych Metoda wychyłowa Ea (T-To) Metoda kompensacyjna E E E m + m m B m m t m E E E I + + m 1 I E ; m t t I U + + Δ 1 1 ) (

5 Mostkowy układ pomiarowy (Wheatstone a) o str. czteroramiennej Warunek równowagi dla prądu stałego: dla prądu zmiennego: Z 1 Z 4 Z 2 Z 3 ϕ 1 +ϕ 4 ϕ 2 +ϕ 3 5

6 Pojęcia wstępne rezystywność (opór właściwy) metali i półprzew [Ωm] opór sześcianu 1m*1m*1m 6

7 Przewodność elektryczna półprzewodników gęstość prądu r J σ r E natężenie pola elektrycznego σ q(n μ n + p μ p ) σ σ ( N, T, ε, J, B) domieszek f n, p Ndomieszek, J f, T 7

8 μ uchliwość nośników ładunku Si; N μ dom n Zakres roboczy PP r νn r E, 10 cm 18-3 μ p r νp r E T300K Si μ T -3/2 T μ Δμ μ0 ± a ε f (B) μ 0 8

9 Czujniki temperatury Termorezystory -z różnych metali (zależność ~liniowa) Są typu PTC(ang. positive temperature coefficient), czyli posiadają dodatki współczynnik temperaturowy. Termistory - rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja elektryczna silnie zależy od temperatury. ozróżnia się termistory z ujemnym współczynnikiem temperaturowym (NTC, CT) i z dodatnim (PTC). Czujniki (ogniwa) termoelektryczne wykorzystujące kontaktową różnicę potencjałów na styku dwóch złączonych metali wynikającą z różnicy prac wyjścia i z dyfuzyjnej różnicy potencjałów, zależnej od temperatury. Czujniki złączowe - wykorzystujące zależność spadku napięcia na złączu p-n od temperatury (k TUF -2mV/K). 9

10 Podstawowe dane termorezystorów Metalowe: Platynowe α0,39%/k; 0,10 μω/m; T Niklowe α0,64 %/K; 0,09 μω/m; T Miedziane α0,42 %/K; 0,017 μω/m; T Termistorowe: NTC 21 α-4,31; 0 47 kω; T NTC 110 α-3,0; 4,7 10 Ω; T NTC 110 α-4,5; 0,27 5,6 kω; T

11 Termistory NTC Termistory NTC wykonuje się z polikrystalicznych materiałów półprzewodnikowych o dużym temperaturowym współczynniku rezystywności elektrycznej: mieszanin TiO 2 i MgO, tlenków Mn, Co, Cu i Ni, Fe 2 O 3 i MgAl 2 O 4, MgCr 2 O 4 i in., a również z syntetycznych diamentów (niebieskich, typu IIb). α 1 d dt T ( ) T 0 exp B 1 1 T 1 T 0 B T B T 2 ( T ) T B exp 2 T T exp B T 11

12 Charakterystyka (T) termistora NTC B K T 0 T 0 25 o C 500Ω 2000kΩ T o C T. diamentowe T0 T 0 T 12

13 Charakterystyki (T) termistorów NTC, PTC i CT 13

14 Mostkowe układy do pomiaru temp. (dwu- i trzy-przewodowe) ( ( 1 + r1 )( T + 2 p ) ( 2 + r2 ) ( + r1 )( T + p ) ( 2 + r2 )( p 14 )

15 Czujniki termoelektryczne Czułość termoelektryczna niektórych metali odniesiona do platyny A1 A2 kt n1 12 ln n E + q Materiał q Czułość α μv/k 2 Materiał E k n E12 E21 A B ln α q n Czułość α μv/k Konstantan (-35,1) (-30,4) Miedź (+7,2) (+7,7) Nikiel (-19,4) (-12,0) Manganin (+5,7) (+8,2) Platyna 0,00 Żelazo (+18,5) (+18,9) 1 ( T T ) ΔT platynorod - platyna (Pth - Pt) oc, chromel - nikiel (NiCr - Ni) oc, żelazo - konstantan (Fe - konstantan) ( -200) 700 oc, miedź - konstantan (Cu - konstantan) (-200) 400 oc. 2 Platynorod ((90% Pt, 10% h) +6,5 Chromel (85% Ni, 12% Cr)

16 Tranzystor jako czujnik temp. 16

17 Czujniki tensometryczne (metalowe) Tensometr metalowy jest to (w uproszczeniu) płaski i bardzo cienki odcinek folii metalowej lub bardzo cienki drut. Jest naklejany specjalnym klejem na elementy konstrukcji mechanicznych, poddawanych naprężeniom. Do celów pomiarowych wykorzystuje się zmianę rezystancji drutu pod wpływem rozciągania w granicach odkształceń sprężystych, tj. po usunięciu naprężenia drut wraca do poprzedniej długości. ρl/a stąd k t d///dl/l1-da/a//dl/l+dρ/ρ//dl/l czułość dkształceniowa Charakterystyka rozciągania drutu, w granicach deformacji sprężystych (prawo Hooke a): dl/lεf/(ea) więc d/ε k t Fk t /(EA) ~ F/A~σ Εε E moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga). k t czułość tensometru; dla metalowego wynosi 2 3, dla półprzewodnikowego jest razy większal. 17

18 Przykład przetwornika sprężystego (belki płaskiej z naklejonym tensometrem) Posiadamy wzmacniacz operacyjny z wyjściem i wejściem typu rail-to rail i na napięcie zasilania 10V. Można więc przyjąć napięcie UEF 10V. Weźmy 219k i 11k. Mamy więc dla k t 2: 18

19 Piezorezystywność (kryształu SiO 2 ) U Q C k p C F W przypadku półprzewodników naprężenia mogą spowodować zmiany siatki krystalicznej i rezystywności kryształu. W zjawisku tym zmiany geometryczne nie odgrywają większej roli, ponieważ o zmianie rezystancji decyduje zmiana rezystywności. 19

20 Podstawowy układ pracy piezorezystora 0 U 0 E c (ε) mv k (0) U 1 4 k E ε Niech: k100, E10V, ε1. U250mV 20

21 Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia S ΔU Δp U C EF U C + Δ 2 Δ 2 U EF Δ U EF stosowane są napięcia UEF od 2 V do 12 V. Typowy zakres pomiarowy kpa, a czułość S μv/vkpa. 21

22 22 Akcelerometr piezoelektryczny (pomiar przyspieszenia a(t)) m dt x d k m t a k t F k t Q p p p 2 2 ) ( ) ( ) ( () ) ( ) ( t a C m k C Q t t u p

23 Wibrometr tensometryczny s aasinωt v A adt cos ωt ω A adt vdt ωt ω sin 2 23

24 24 Czujniki indukcyjne (dławikowe) L Z ω + p p p p p Fe Fe Fe p Fe l A k A l A l z z L + + μ μ μ μ ) ( ) ( ) ( l f Z Z k Z Z Z Z k U wy Δ Układ mostkowy (różnicowy):

25 Czujniki transformatorowe (zmiana ind.wzajemnej) i solenoidalne EE 1 -E 2 ΔE(l p ) 25

26 Przetworniki przemieszczenia liniowego (transformatorowy i pojemnościowy) Przesunięcie rdzenia w kierunku +x lub -x powoduje powstanie napięcia U2 proporcjonalnego do przemieszczenia x. Napięcie U2 mierzone jest miliwoltomierzem, zwykle wyskalowanym w mm. Czujniki tego typu są wytwarzane na zakresy pomiarowe od ± 10 mm do 1000 mm i niepewności pomiaru ±(0,1... 0,5 %). Zmiana położenia ruchomego cylindra 5 wykonanego z dielektryka (np. z polistyrenu) względem cylindrycznych me-talowych okładzin 3 i 4 tworzących kondesator powoduje zmianę jego pojemno-ści, proporcjonalną do przemieszczenia popychacza 6 (do 1026cm).

27 Czujniki indukcyjne z wykorzystaniem prądów wirowych w materiałach diamagnetycznych (blach) 27

28 Czujniki magnetoindukcyjne e z dφ dt Pracują na zasadzie indukowania siły elektromotorycznej w uzwojeniu pod wpływem ruchu, który powoduje zmianę wartości związanego z uzwojeniem strumienia magnetycznego, wytwarzanego przez magnes. Są elektrodynamiczne (ze stałym magnesem) i elektromagnetyczne (inaczej reluktancyjne - z przemieszczającym się magnesem lub z wirującym ekranem ferromagnetycznym) I 28

29 Prądnica tachometryczna z wykorzystaniem prądów wirowych SEM samoindukcji: e B l N v Podczas wirowania magnesu 1 w kubku 3 indukuje się SEM i płyną prądy wirowe. Jest wytwarzany moment napędowy proporcjonalny do prędkości kątowej ω, obracający kubek 3 w kierunku obrotów wirnika. Kubek ulegnie obrotowi o kąt a, przy którym moment zwrotny, wytworzony przez sprężynę spiralną 4, zrównoważy moment napędowy. Niepewność pomiaru wynosi ±1% w zakresie prędkości obr/min. 29

30 30 Czujniki pojemnościowe d d S C r O + Δ 1 2 ε ε d d 1 1 C C Δ + b l S S C C ef max b l C C ε ε ε Δ

31 Fotorezystywność i fotorezystory Δρ ρ 0 k f J f ; k f k f (Pp,T,λ,r,wym.) U J f I μa 1 ~ ; I U const Jf ~ J f 31

32 Fotorezystor grzebieniowy Warstwa światłoczuła Elektroda metalowa 32

33 Fotodioda 33

34 Fotoelektryczne czujniki prędkości kątowej eżeli tarcza 4 na rys. a ma m otworów równomiernie rozmiesz-czonych na obwodzie, o podczas jej wirowania z prędkością obrotową n światło pada na detektor fotoelektryzny 3 z częstotliwością f mn/60 [Hz], a więc prędkość obrotowa n 60 f/m [obr/min] est określona częstotliwością impulsów z detektora. 34

35 Wizyjny przetwornik obrazu CID-MOS-XY Do układu odczytu p n Z dekodera linii Si Al SiO 2 35

36 Czujniki magnetyczne - Gaussotron [Ω] GT11 InSb Paski metalowe Półprzewodnik ,4 0,8 1,2 1,6 2,0 B[T] Ceramika 36

37 Czujnik magnetyczny - hallotron Efekt Halla to powstanie tzw. napięcia Halla (1-100mV) o kierunku prostopadłym do kierunku prądu i kierunku pola. Na poruszające się w płytce elektrony działa pole magnetyczne z siłą Lorentza, powodując skręcenie ich drogi w kierunku jednej z bocznych ścianek płytki. Pojawi się tam ładunek ujemny, a po przeciwnej stronie płytki ładunek dodatni. W miarę wzrostu ładunków wzrasta natężenie pola elektrycznego między ściankami do takiej wartości, przy której siła pochodząca od tego pola zrównoważy siłę od pola magnetycznego. U c H I B z c grubość płytki (~100μm) 37

38 Zastosowania hallotronu Istotną zaletą hallotronów jest możliwość zintegrowania z innymi układami elektronicznymi w jednym układzie scalonym (np. ze wzmacniaczem operacyjnym, korektorem, koncentratorem strumienia). Prawdopodobnie najważniejszą zaletą hallotronu są jego małe wymiary, co pozwala na nieinwazyjne pomiary. Zastosowanie: badanie położenia elementów ruchomych np. w silnikach spalinowych bezinwazyjny pomiar prądu w przewodniku badanie drgań elementów pomiar szybkości obrotowej w bezszczotkowych silnikach prądu stałego 38

39 Czujnik magnetyczny - magnetotranzystor 39

40 Czujnik gazów wydechowych silników spalinowych T o 850 ± 3 C 40

41 H 2 ISFET I ΔU c U p[ H 2 ] c ~ 7mV/ppm 41