(zwane również sensorami)

Transkrypt

1 Czujniki (zwane również sensorami) Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 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 elektrochemiczne

3 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

4 Przykłady czujników i ich zastosowań

5 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. 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 czujniki położenia czujniki naprężenia działające w oparciu o efekt piezoelektryczny czujniki Halla współpracujące ze źródłami pola magnetycznego

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

7 Tensometry Przykład zastosowania tensometru do pomiaru ciśnienia.

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

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

10 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.

11 Czujniki pojemnościowe Przykład pojemnościowego czujnika ciśnienia

12 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

13 Akcelerometry i żyroskopy zintegrowane (MEMS) To bardzo nowoczesne elementy wykorzystujące zmiany parametrów struktur półprzewodnikowych pod wpływem naprężeń.

14 Właściwości czujników temperatury

15 Termopara

16 Termopara Kompensacja temperatury złącza odniesienia

17 Termopara Kompensacja temperatury złącza odniesienia

18 Termopary

19

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

21 Czujniki wilgotności Czujniki wilgotności to czujniki parametryczne. Zawieraję substancje, które absorbują lub tracą wilgoć przy zmianie wilgotności względnej otoczenia, co powoduje zmianę właściwości elektrycznych układu jak impedancja i pojemność elektryczna. a) Czujnik oporowy. b) Czujnik pojemnościowy z tlenkiem glinu.

22 Czujniki tlenu ze stałym elektrolitem

23 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)

24 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

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

26 Piezoelektryczne czujniki biochemiczne