Материал: чувствительные элементы

57 Емкостные чувствительные элементы

Емкостные ЧЭ основаны на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его пластин и от диэлектрической проницаемости среды между ними. Емкость плоского конденсатора определяется по формуле:

,

где E₀ – диэлектрическая постоянная для конденсатора, пластины которого находятся в вакууме (практически в воздухе, S – площадь пластин, δ – расстояние между пластинами). На рисунке 2.37 изображены различные типы емкостных ЧЭ.

Рис 2.37. Емкостные ЧЭ

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (а) представляет собой плоский конденсатор с параллельными пластинами, одна из которых перемещается от внешнего воздействия Х. Такой ЧЭ используется для изготовления датчиков перемещения, давления, силы и т.д. Функция преобразования C = f(δ) нелинейна, гиперболическая.

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (б) представляет собой цилиндрический конденсатор, состоящий из двух коаксиальных цилиндров, а для вычисления емкости используется формула:

,

где H – длина зоны перекрытия двух цилиндров, d₁, d₂ - диаметры цилиндров. Функция преобразования C = f(H) линейна.

Емкостный ЧЭ на рисунке 2.37 (в) измеряет уровень h жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью Е. Он изготовлен на основе коаксиального конденсатора, в котором поверхность каждого цилиндра 1 и 2 покрыта тонким слоем изоляционного материала для предотвращения короткого замыкания. ЧЭ размещается в резервуаре 3 с жидкостью. При увеличении уровня жидкость заполняет все больший объем между коаксиальными проводниками, изменяя при этом емкость, которая определяется по формуле:

,

где h – высота части ЧЭ, заполненной жидкостью.

На рисунке 2.37 (г) показан емкостный ЧЭ влажности, в котором диэлектрический слой между пластинами выполняется из гигроскопичного материала. Такой диэлектрик поглощает молекулы воды и в соответствии с их количеством меняет диэлектрическую проницаемость Е, что приводит к изменению емкости. По величине емкости определяют относительную влажность.

Таким образом, если какой-либо параметр конденсатора изменяется при определенном внешнем воздействии, то на его основе можно построить соответствующий емкостный ЧЭ.

58.Оптические ЧЭ

58 Оптические чувствительные элементы

В качестве оптических ЧЭ используют пары светоизлучатель–светоприемник, которые обеспечивают возможность осуществления бесконечного метода измерения, основанного на поглощении, лучепреломлении и лучеотражении. На рисунке 2.45 показаны две схемы измерения, использующие оптические ЧЭ.

Рис. 2.45. Схемы оптических ЧЭ, работающих на просвет (а) и на отражение (б)

Луч света от источника 1, пройдя оптическую систему 2, направляется на диафрагму 3 и через нее на светоприемник 4. При этом сигнал светоприемника определяется падающим на него световым потоком, который в свою очередь зависит от размера отверстия диафрагмы.

Во второй схеме измерения (б) световой луч отражается от объекта измерения и в зависимости от отражательных свойств объекта изменяется сигнал, получаемый от светоприемника.

В качестве светоизлучателей используется лампы накаливания, светодиоды и лазеры. Рабочие характеристики светоизлучателей показаны на рисунке 2.46.

Рис. 2.46. Температурные (а) и временные (б) характеристики лампы накаливания (1) и светодиода (2) и диаграмма направленности светодиода (в)

К достоинствам ламп накаливания относятся сравнительно большая мощность излучения и стабильная температурная характеристика в широком диапазоне температур от -60 до 150 °С (а). Причем необходимый уровень выходного сигнала достигается уже при 50-процентной выходной мощности, что позволяет увеличивать ресурс работы ЧЭ путем снижения U_ип. Так, для лампы с U_ип = 6 В, имеющей срок службы 100 ч, при понижении U_ип до 4 В ресурс возрастает до 10000 ч. Кроме того, высокая мощность излучения позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности светоприемников.

Применение ламп накаливания в фотоэлектрических датчиках положения позволяет непосредственно сформировать «линию считывания» и тем самым обойтись без щелевых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

В последнее время в промышленных датчиках положения чаще всего используют излучающие полупроводниковые диоды – светодиоды. Ниже приведены основные параметры светодиодов:

Мощность излучения P, Вт до 1,0

Ширина спектральной характеристики S(λ)

на уровне 0,5 P / P_max, нм до 50

Длина волны λ, соответствующая максимуму S(λ), мкм 0,4..1,2

Угол направленности Δθ, град 60..160

Направленность излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма направленности (в) характеризует зависимость мощности излучения от угла θ. Угол θ обычно выбирают из условия P / Pmax ≥ 0,8.

По массогабаритным показателям – надежности, быстродействию и потребляемой мощности – светодиоды превосходят лампы накаливания. Их срок службы превышает 10⁴ ч. Недостатки светодиодов связаны с малой мощностью излучения (несколько десятков мВт) и ее зависимостью от температуры.

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды. Принцип действия лазера основан на способности некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного изучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение с острой диаграммой направленности.

Большинство лазерных диодов излучает свет в ИК диапазоне с длиной волны 0.78..0,63 мкм. Их выходная мощность достигает 0,5 Вт при долговечности более 10⁵ часов.

Светоприемники должны удовлетворять ряду требований: малогабаритность, малое потребление мощности, высокая чувствительность, быстродействие. Чаще всего используют фотодиоды и фототранзисторы, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте – явлении, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл-полупроводник, смещенного в обратном направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его p-n перехода.

При освещении выпрямляющего p-n перехода световым потоком Ф_с происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на величину I_ф, называемую фототоком (рисунок 2.47). Обратное смещение перехода составляет 10..30 В. Фотоприемники изготавливаю на основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линейную функцию преобразования.

Рис. 2.47. Вольт-амперная характеристика (а) и функция преобразования (б) фотодиода.

Упрощенная структура фотодиода и его условное графическое обозначение показаны на рисунке 2.48.

Рис. 2.48. Структура фотодиода (а) и его УГО (б)

Принцип действия фототранзистора основан на усилении фототока коллекторного p-n перехода. Его выходные характеристики подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но положение характеристик определяется не током базы, а величиной светового потока.

Функцию преобразования светоприемника можно представить в обобщенном виде (рисунок 2.48, б):

,

где S_ф – чувствительность светоприемника, А/лм; Ф_с – световой поток, лм.

Ниже приведены основные параметры фотоприемников:

Длина волны λ в максимуме спектральной характеристики S(λ)

(рис.2.49), мкм:

для германиевых фотодиодов 0,6…1,0

для индиевых фотодиодов ≤3,2

«Темновой» ток I_т, мкА 50

Чувствительность S_ф, А/лм:

фотодиодов ≤0,1

фототранзисторов ≤1

Быстродействие t, с 10^-11

Рис. 2.49. Спектральные характеристики фотодиодов на основе германия (1), свинца (2), кремния (3) и индия (4).

Оптические ЧЭ позволяют строить высоконадежные и точные датчики. В последнее время технические характеристики оптических ЧЭ заметно улучшились, соответственно этому решилась сфера их применения.