CZUJNIKI WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Rozważmy tylko takie czujniki, które nie zawierają żadnych części ruchomych. Zasadniczo, wyróżnia się dwa rodzaje czujników wielkości nieelektrycznych. Pierwszy rodzaj, to elementy (dwójniki), które zmieniają swoje właściwości elektryczne pod wpływem danej wielkości fizycznej. Przeważnie zmieniającą się własnością elektryczną jest rezystywność. W tej grupie można wymienić czujniki następujących wielkości: temperatury termorezystory metalowe i półprzewodnikowe promieniowania elektromagnetycznego fotorezystory, pola magnetycznego magnetorezystory czyli gaussotrony, siły (ciśnienia, naprężenia), ogólnie zwane tensometrami tensometry metalowe i półprzewodnikowe (piezorezystywne). Inny rodzaj czujników to takie, 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. 1
Pojęcia wstępne - rezystywność Stwierdzono, że opór elektryczny materiału o kształcie prostopadłościanu (lub walca) jest wprost proporcjonalny do jego długości L i odwrotnie proporcjonalny do pola powierzchni bocznej A. Ponadto zauważono, że jeśli stosunek L/A jest stały, to opór nie zmienia się. Biorąc pod uwagę powyższe obserwacje, opór elektryczny (rezystancję) bryły materiału można wyrazić wzorem: R = ρ L A Współczynnik proporcjonalności ρ nazwano oporem właściwym materiału. kierunek prądu L A Def.:Rezystywność materiału, nazywana też oporem właściwym materiału jest to opór kostki sześciennej tego materiału o wymiarach 1m 1m 1m. Oznaczana jest literą ρ (rho) i jest w jednostkach [Ω m]. 2
Pojęcia wstępne - półprzewodnik Aby zrozumieć działanie czujników musimy najpierw omówić właściwości półprzewodników. Przewodnik np. metal T 1 0 K elektron swobodny Półprzewodnik samoistny T 1 > 0 K elektron swobodny Izolator T 1 > 0 K 1eV 1.6 10-19 J, 1J 6.2 10 +18 ev 3
Pojęcia wstępne - półprzewodnik ρ i Można przyjąć, że w temperaturach T>300K obowiązuje zależność: ρ ( T ) = ρi + α T natomiast w temperaturach bardzo niskich: ρ( T ) = ρi + α T ρ i rezystancja resztkowa, która zależy głównie od obcych atomów 5 Rezystywność półprzewodnika samoistnego: = Wg ρ( T ) ρ exp 2k T W g szerokość pasma zabronionego (szerokość przerwy energetycznej). Dla krzemu wynosi 1.1eV, dla germanu 0.7eV. k stała Boltzmana. Podsumowując, wpływ temperatury na rezystywność jest dużo silniejszy w przypadku półprzewodników niż w przypadku metali. Ponadto kierunek (znak) zmian rezystywności jest inny. 4
Termorezystory Termorezystory można podzielić na dwie grupy: termorezystory metalowe inaczej nazywane rezystory termometryczne lub w skrócie RTD. Wykonuje się je np. z platyny, niklu, miedzi. Pomiary w zakresie 273 1000 o C. Są typu PTC (ang. positive temperature coefficient), czyli posiadają dodatki współczynnik temperaturowy. termorezystory półprzewodnikowe inaczej nazywane termistory. Pomiary w zakresie -273 250 o C. Są w większości typu NTC (ang. negative temperature coefficient). Wykonuje się je z polikrystalicznych materiałów półprzewodnikowych. Są to zazwyczaj mieszaniny sproszkowanych tlenków takich metali jak żelazo, mangam, chrom, nikiel (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). Żadziej spotyka się termistory typu PTC, które wykonuje się np. z tytanianu baru z domieszkami bizmutu, antymonu, lantanu. 5
Tensometry 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. Rezystancję R drutu można wyrazić wzorem: ρ rezystywność materiału drutu (parametr stały), L długość drutu, A pole przekroju drutu. Charakterystyka rozciągania drutu, w granicach deformacji sprężystych (prawo Hooke a): F/A naprężenie jednostkowe zależne od siły naciągu F i przekroju drutu A, L/L wydłużenie jednostkowe (deformacja); E moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga). Wykonując przekształcenia matematyczne, otrzymuje się zależność zmian rezystancji drutu od jego wydłużenia: R R = k t L L R = ρ L A L E = L k t czułość tensometru; dla metalowego wynosi 2 3, dla półprzewodnikowego jest 20 100 razy większa. F A 6
Tensometry półprzewodnikowe piezorezystywne W przewodniku poddanym działaniu sił występują naprężenia w kierunku działania siły, zmiany wymiarów geometrycznych oraz własności elektrycznych. Zmiany wymiarów geometrycznych wyrażają się zmianą długości i pola przekroju poprzecznego. Wynikiem tych zmian jest zmiana rezystancji przewodnika. W przypadku półprzewodników naprężenia mogą spowodować zmiany siatki krystalicznej i rezystywności kryształu. Zjawisko to znane jest pod nazwą piezorezystywności. W zjawisku tym zmiany geometryczne nie odgrywają większej roli, ponieważ o zmianie rezystancji decyduje zmiana rezystywności. R = ρ L A Podczas odkształcenia R = ρ L A Stałe dla metalu (przewodnika) Zmienne dla półprzewodnika 7
Tensometr przykład Tensometr naklejono na belkę stalową. Czułość tensometru k t = 2. Zaprojektuj mostek pomiarowy czuły na zmiany długości rzędu ( L/L) 1mm/1m. Względna zmiana rezystancji tensometru wynosi: ( R x /R x ) = k t ( L/L) Stąd, napięcie wyjściowe mostka pomiarowego wynosi: V o k t L R 1 + L R 2 1 U 2 REF Posiadamy wzmacniacz operacyjny z wyjściem i wejściem typu rail-to rail i na napięcie zasilania 10V. Można więc przyjąć napięcie U REF = 10V. Weźmy R 2 =19k i R 1 =1k. Mamy więc: V o L 19kΩ 2 1+ L 1kΩ 10V 2 L = 200 L [ V ] V o Mostek aktywny. R R Dyskusja: czy czułość mostka jest wystarczająca? x x R 1 + R 2 1 U 2 REF Czułość mostka Przy zasilaniu asymetrycznym, napięcie V o nie może być mniejsze od 0V i większe od V DD. 8
Hallotron Hallotron jest cienką płytką mono- lub polikrystaliczną w postaci prostopadłościanu wykonanego z półprzewodnika typu n. Czujniki mają wymiary rzędu milimetrów, ich grubość jest rzędu 100 mikrometrów. Na poruszające się w płytce elektrony działa pole magnetyczne z siłą Lorentza, powodując skręcenie ich drogi w kierunku jednej z bocznych ścianek. 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 pola elektrycznego zrównoważy siłę od pola magnetycznego. Ustanie wówczas przepływ elektronów w kierunku prostopadłym do kierunku prądu I H i pola B, a między ściankami bocznymi ustali się różnica potencjałów U H, nazywana napięciem Halla. Uzyskiwane napięcia U H wynoszą kilka miliwoltów, dochodzą do setek miliwoltów i zależą od wartości prądu zasilającego I H. B - wektor indukcji magnetycznej; d - grubość płytki czujnika; I H - prąd zasilający hallotron U H = R H 1 I d H B czułość Hallotronu R H współczynnik Halla. Zależy od materiału i jego czystości, temperatury. 9
Hallotron 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 stałego i zmiennego w przewodniku badanie drgań elementów pomiar szybkości obrotowej bezszczotkowe silniki prądu stałego itd. 10
Fotorezystor zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne Foton o energii równej pasmu wzbronionemu. elektron swobodny Półprzewodnik samoistny T 1 > 0 K 11
Fotorezystor Fotorezystor jest elementem, którego rezystancja zależy od natężenia padającego światła (inną kwestią jest długość fali). Przy ustalonym natężeniu oświetlenia ma cechy zwykłego rezystora, to znaczy spełnia prawo Ohma. Część czynną fotorezystora stanowi próbka półprzewodnika umieszczona w obudowie zawierającej okienko, przez które może padać promieniowanie. Najbardziej rozpowszechnionymi materiałami używanymi do wytwarzania fotorezystorów są: siarczek kadmu CdS, selenek kadmu CdSe, siarczek ołowiu PbS i tellurek ołowiu PbTe. (źródło W. Janke Elementy elektroniczne Gdańsk PG 1980). I + I Φ + Φ Czułość prądowa fotorezystora jest to stosunek przyrostu prądu I do wywołującego go przyrostu natężenia oświetlenia Φ, przy ustalonym napięciu: S I = I Φ U = const 12
Fotorezystor wady i zalety Duża czułość fotorezystora stanowi istotną zaletę tego elementu w porównaniu z innymi detektorami promieniowania. Zaletą jest również symetria charakterystyki prądowonapięciowej względem początku układu współrzędnych. Głównymi wadami fotorezystorów są ograniczony od góry zakres temperatur pracy (typowo do 75 o C) oraz mała szybkość działania uniemożliwiająca zastosowanie do detekcji zmian oświetlenia o częstotliwości przekraczającej 1 khz. Poszukajmy więc element pozbawiony wymienionych wad. 13
Fotodioda dioda trochę inna Aby przejść do omawiania fotodiody, musimy najpierw omówić działanie diody. Diody małej mocy Diody dużej mocy 14
Dioda złącze półprzewodnikowe Symbol diody 15
Dioda W przybliżeniu pierwszego stopnia prąd diody wyraża się wzorem: I = I S e U n V T 1 gdzie: I S prąd nasycenia złącza (typowo rzędu pa, na) V T potencjał elektrotermiczny (VT = kt/q) n współczynnik nieidealności złącza (bezwymiarowy, rzędu kilku, często przyjmuje się n=1) Maksymalny średni prąd przewodzenia IFmax - uznawany za prąd znamionowy IFn diody spolaryzowanej w kierunku przewodzenia (jest to parametr graniczny, którego nie można przekroczyć bez uszkodzenia diody). Szczytowe wsteczne napięcie pracy URwm (dodatkowo podaje się jeszcze powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URrm i niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URsm ). Napięcie przewodzenia UFp przy prądzie przewodzenia IF=0,1 IFmax. Prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR (zazwyczaj UR=URwm). Rys. Przykładowa ch-ka diody prostowniczej na zakres 10A. 16
Fotodioda Co się stanie, kiedy złącze półprzewodnikowe zostanie oświetlone? U n VT I = I S e 1 SΦ Φ gdzie: I S prąd nasycenia złącza (typowo rzędu pa, na), V T potencjał elektrotermiczny (V T = kt/q), n współczynnik nieidealności złącza (bezwymiarowy, rzędu kilku, często przyjmuje się n=1), S Φ czułość prądowa fotodiody, Φ natężenie oświetlenia. Dla U < 0 można zapisać: I R S Φ Φ 17
Fotodioda Czujnik światła ze wzmacniaczem operacyjnym. 18
Fotodioda Figure from Datasheet Burr-Brown. 19
Fotodioda Odczyt CD ROMu Przeźroczysta warstwa ochronna λ/4 Warstwa odblaskowa Poliwęglanowa warstwa podłożowa Promień opóźniony o λ/2 Dioda laserowa AlGaAs 20
Fotodioda Czujnik prędkości kątowej Rys. Fotoelektryczne czujniki prędkości kątowej: na zasadzie przesłaniania strumienia świetlnego (a), na zasadzie odbijania strumienia świetlnego (b). 21
Fotodioda Matryca CMOS 22
Czujniki magnetoindukcyjne Zasada działania: indukowanie siły SEM w uzwojeniu pod wpływem zmiennego pola magnetycznego. Nieruchomy magnes, ruchome uzwojenie czujnik elektrodynamiczny. Ruchomy magnes, nieruchome uzwojenie czujnik elektromagnetyczny (reluktancyjny). Zastosowanie: pomiar prędkości liniowej i obrotowej (tachometry), przyśpieszenia (akcelerometry), drgań mechanicznych (wibrometry), chropowatości powierzchni (profilometry). SEM = z dφ dt z liczba zwojów Φ strumień magnetyczny skojarzony z uzwojeniem 23
Czujniki magnetoindukcyjne Rys. Przykłady czujników elektrodynamicznych : o ruchu postępowym (a), o ruchu obrotowym (b); 1 - magnes trwały, 2 - uzwojenie ruchome. Rys. Przykłady czujników magnetoindukcyjnych (reluktancyjnych): z wirującym ekranem ferromagnetycznym 1 (a), z wirującym rdzeniem ferromagnetycznym 2 (b). Magnes i uzwojenie w obu przypadkach są nieruchome. 24
Reluktancyjny czujnik prędkości kątowej ABS SEM Rys. Magnetoindukcyjny (reluktancyjny) przetwornik prędkości obrotowej. Źródło: A. Łukjaniuk, W. Walendziuk Pomiar prędkości obrotowej Instrukcja do zajęć laboratoryjnych, Politechnika Białostocka, Wydz. Elektryczny, 2010. 25
Elektrodynamiczny czujnik do pomiaru chropowatości Wzmacniacz SEM Wartość jest SEM proporcjonalna do prędkości ruchu pionowego, która jest proporcjonalna do wysokości chropowatości. Elektroniczny układ całkujący uśrednia wartość SEM w celu określenia średniej chropowatości po długości profilu badanej powierzchni. 26
Czujniki indukcyjny z wykorzystaniem prądów wirowych L+ L Rys. Czujnik do pomiaru grubości blach. W szczelinie elekromagnesu umieszczono materiał diamagnetyczny. W materiale diamagnetycznym indukują się prądy wirowe, które powodują zmniejszenie strumienia magnetycznego, a więc również indukcyjności L. Pomiar grubości blach. Pomiar grubości pokryć diamagnetycznych. 27
Czujniki piezoelektryczne Efekt piezoelektr. wzdłużny Efekt piezoelektr. poprzeczny Rys. Ilustracja powstawania zjawiska piezoelektrycznego w krysztale kwarcu: działanie siły F w kierunku osi x (a), działanie siły F w kierunku osi y (b). 28
Czujniki piezoelektryczne Ładunek Q pojawiający się na elektrodach płytki kwarcowej jest liniowo zależny od siły F wg wzoru Q = k p F C gdzie k p - stała piezoelektryczna. N Napięcie stałe U pojawiające się na elektrodach czujnika jest również liniową funkcją siły F, ponieważ U = Q C = k p C F gdzie: C = C k + C m ; C k - pojemność kryształu, C m - pojemność układu pomiarowego. 29
Czujniki piezoelektryczne pomiar przyspieszenia Rys. Zasada działania akcelerometru piezoelektrycznego; płytka piezoelektryczna (1), elektrody (2), masa sejsmiczna (3), obiekt drgający (4). Drgania o amplitudzie x obiektu 4 powodują, że na płytkę piezoelektryczną 1 działa siła F(t) określona równaniem 2 d x F(t) = a(t)m = m 2 dt Na elektrodach powstają ładunki elektryczne Q(t) = k p F(t) = k p m a(t) Napięcie wyjściowe Stąd u(t) = Q(t) C = k C a(t) = u(t) k m p p m C a(t) 30
Czujniki pojemnościowe Zmiana pojemności kondensatora pod wpływem wielkości nieelektrycznej. Zmiana pojemności na skutek zmiany: - odległości między okładzinami (typ A), - efektywnej powierzchni okładzin (typ B), - wypadkowej przenikalności elektrycznej (typ C). Rys. Podstawowe typy czujników pojemnościowych: czujnik o zmiennej odległości między okładzinami (typ A) (a), czujnik o zmiennej efektywnej powierzchni okładzin (typ B) (b), czujnik o zmiennej wypadkowej przenikalności elektrycznej (typ C) (c). 31
Czujniki pojemnościowe 32
Czujniki pojemnościowe Czujnik poduszki Rys. Scalony mikromechaniczny czujnik firmy Analog Devices ADXL50. Obudowa TO-100. Wymiary przetwornika pojemnościowego 0,5mm x 0,6mm. Pojemność 0.1 pf. Zmiana pojemności ±0.01 pf. Masa pomiarowa 0.0001 mg. 33
Czujniki pojemnościowe Czujnik poduszki Rys. Scalony mikromechaniczny czujnik firmy Analog Devices ADXL50. Wymiary sensora pojemnościowego 0,5mm x 0,6mm. 34
Czujniki pojemnościowe Czujnik poduszki 35