Главная > Конспект

1

Смотреть полностью

Министерство образования и науки РФ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

С.В. Левин, В.Н. Хмелёв

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Часть 1

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Конспект лекций

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического
университета им. И.И. Ползунова

2010

УДК 681.2:621.314 (075.8)

Л 36

Рецензент: к.т.н., профессор кафедры МСИА Е.В. Сыпин

Л

Л 36

евин, С.В.

Перспективные направления в приборостроении. Ч. 1. Измерительные преобразователи: конспект лекций / С.В. Левин,
В.Н. Хмелёв; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010.  187 с.

В курсе лекций рассмотрены принципы работы и основы теории измерительных преобразователей и их схем, приведены основные сведения об основных принципах работы измерительных преобразователей физических величин.

Конспект лекций предназначен для подготовки специалистов по специальности 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии».

УДК 681.2:621.314 (075.8)

 Левин С.В., Хмелев В.Н., 2010

 БТИ АлтГТУ, 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ…………………..

6

1.1 Датчики. Сенсоры. Чувствительные элементы……………..

7

1.2 Возможные области применения датчиков………………….

10

1.3 Датчики температуры…………………………………………

12

1.4 Датчики давления……………………………………………..

15

1.5 Датчики расхода и скорости………………………………….

17

1.6 Газовые датчики……………………………………………….

21

1.7 Датчики влажности……………………………………………

24

1.8 Датчики магнитного поля…………………………………….

27

1.9 Оптические датчики…………………………………………..

28

1.10 Датчики положения………………………………………….

29

1.11 Классификация датчиков…………………………………....

31

2 ОДНОМЕРНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ДАТЧИКИ………..

39

2.1 Варианты построения и метрологические характеристики...

39

2.2 Метрологические характеристики многоступенчатых
датчиков……………………………………………………………...

47

2.3 Поиск набора последовательности физических явлений…..

53

3 МНОГОМЕРНЫЕ ДАТЧИКИ……………………………………

57

3.1 Методы разделения входных величин……………………….

57

3.2 Двухмерные датчики………………………………………….

58

3.3 Трехмерные датчики………………………………………….

64

4 БИОДАТЧИКИ…………………………………………………….

72

4.1 Основные понятия и определения…………………………...

72

4.2 Основные принципы работы и метрологические

характеристики.....…………………………………………………...

76

5 ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ПРИКОСНОВЕНИЯ……………………………………………...

85

5.1 Тензодатчики…………………………………………………..

86

5.2 Тактильные чувствительные элементы……………………...

87

5.3 Пьезоэлектрические датчики силы…………………………..

97

6 ВОЛОКОНООПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ………………………..

101

6.1 Оптические волокна и волноводы…………………………...

101

6.2 Волоконооптические датчики………………………………..

106

6.3 Датчики Фабри–Перо…………………………………………

107

7 КОНЦЕНТРАТОРЫ………………………………………………

111

7.1 Покрытия, поглощающие тепловое излучение……………...

112

7.2 Электрооптические и акустикооптические модуляторы…...

113

7.3 Ультразвуковые датчики……………………………………...

115

8 РАДАРЫ…………………………………………………………...

119

8.1 Микромощные импульсные радары…………………………

119

8.2 Радар для зондирования грунта………………………………

121

8.3 Датчики толщины и уровня…………………………………..

123

8.4 Датчики абляции………………………………………………

123

8.5 Детекторы толщины пленок………………………………….

125

8.6 Датчики уровня жидкости……………………………………

126

9 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ……………………………

129

9.1 Интеллектуальные устройства……………………………….

131

9.2 Цифровая связь………………………………………………..

132

10 МАТЕРИАЛЫ ДАТЧИКОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ…………………………………………………...

134

10.1 Материалы……………………………………………………

134

10.2 Поверхностные технологии…………………………………

149

10.3 Методы обработки кремния………………………………...

157

11 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР)……………………………………...

164

11.1 Основные положения теории САПР………………………..

164

11.2 Организация информационного обеспечения САПР……...

166

11.3 Использование ресурса портала iElectro
для систем автоматизированного проектирования………………..

167

11.4 Основные достоинства………………………………………

169

11.5 Основные возможности……………………………………..

169

11.6 Основные функции ElectriCS ADT…………………………

170

12 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПАКЕТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ………

172

12.1 Maple V……………………………………………………….

172

12.2 Maple V Release 5…………………………………………….

173

12.3 MathCad v. 7.0………………………………………………..

173

12.4 Mathematica 3.0………………………………………………

174

12.5 MatLab v. 5……………………………………………………

174

12.6 Trace Mode 6………………………………………………….

174

13 СИСТЕМА «УМНЫЙ ДОМ»…………………………………...

176

13.1 Управление климатом в помещении, контроль

протечек воды………………………………………………………..

177

13.2 Панели управления умного дома…………………………...

179

13.3 Управление умным домом с компьютера
или мобильного телефона…………………………………………..

179

13.4 Обратная связь……………………………………………….

180

13.5 Сигнализация и аварийные системы……………………….

180

13.6 Умный дом – управление освещением……………………..

180

13.7 Умный дом – управление электроприводами……………...

181

13.8 Умный дом – климат-контроль……………………………..

181

13.9 Умный дом – система вентиляции………………………….

182

13.10 Умный дом – контроль нагрузок и аварийных

состояний…………………………………………………………….

182

13.11 Умный дом – сервер управления…………………………..

183

13.12 Умный дом – мультирум…………………………………...

183

13.13 Умный дом – интеграция с другими системами………….

185

13.14 Умный дом – система видеонаблюдения…………………

185

ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………….

186

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В современном мире измерения определяют прогресс в науке и технике и являются существенным фактором развития человеческой цивилизации. К измерениям с особым вниманием относятся и государства, и отдельные люди, поскольку они касаются всех. Фундамент измерений образуют датчики – устройства, дополняющие и расширяющие возможности органов чувств человека.

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Однако реализация этой предпосылки в значительной мере определяется возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе. Разумеется, применение датчиков не ограничивается только автоматизированными системами, поскольку они могут выполнять также функции элементов просто измерительных систем.

Необходимость преобразования измеряемой неэлектрической величины в адекватный ей электрический сигнал послужила основанием для введения термина «измерительный преобразователь», рекомендованного государственной системой обеспечения единства измерений вместо термина «датчик».

В русле общего направления технического прогресса существенные изменения претерпели также и датчики. На смену электромеханическим и электровакуумным устройствам пришли твердотельные (полупроводниковые, сегнетоэлектрические и т.п.) элементы и приборы, которые затем все больше и больше стали вытесняться интегральными схемами. Развитие техники детектирования магнитных и электрических полей, электромагнитных волн (от ИК- до УФ-диапазона), малых количеств примеси в жидких и газообразных средах существенно расширили возможности измерений на удаленных, труднодоступных, движущихся объектах. Это сделало не обязательным расположение датчиков непосредственно у объекта.

Общие тенденции к миниатюризации и компьютеризации коснулись, безусловно, и рассматриваемой области техники. При этом сигнал датчика, в большинстве случаев аналоговый, для обработки в микропроцессоре или микроЭВМ должен быть представлен в цифровом виде. Это осуществляется обычно интерфейсным устройством, включающим в себя АЦП. В последнее время наряду с созданием датчиков, имеющих цифровой выходной сигнал, наблюдается тенденция к конструктивному объединению датчиков с микропроцессорными устройствами.

Совершенствование полупроводниковой технологии позволило также расширить сферы применения датчиков и к тому же повысить их точность, быстродействие, надежность, долговечность, удобство сопряжения с электронными измерительными схемами. Массовый характер производства датчиков способствует снижению их цены, что также является немаловажным фактором, определяющим их внедрение в практику.

За последние годы в технике измерения и регулирования параметров различных процессов в самостоятельную отрасль выделилось изготовление и применение датчиков. Эта отрасль, постоянно развиваясь, служит основой создания разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.

Такое развитие обусловлено прежде всего гигантским прогрессом микроэлектроники. Широкий спектр применений микроЭВМ в бытовой технике, автомобилестроении и других отраслях промышленности все в большей мере требует недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого появились интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.

Техника конструирования и применения датчиков, или, как ее можно кратко назвать, сенсорика, за последние годы развилась в самостоятельную ветвь измерительной техники. С ростом автоматизации к датчикам физических параметров стали предъявляться все более высокие требования. При этом особое значение придается таким показателям, как миниатюрность (возможность встраивания), дешевизна (серийное производство) и механическая прочность.

По структурному построению автоматизированные устройства напоминают такие биологические системы, как, например, человек. Органам чувств человека соответствуют в автоматах датчики, а функции активных органов выполняются исполнительными устройствами. Аналогом мозга как центрального устройства для обработки сигналов служит ЭВМ с ее системой памяти.

Понятием «датчик» в общем случае обозначают дешевый, но надежный приемник и преобразователь измеряемой величины, обладающий умеренной точностью и пригодный для серийного изготовления.

1.1 Датчики. Сенсоры. Чувствительные элементы

Все измерения начинаются с восприятия измеряемых величин и формирования измерительного сигнала, который далее подвергается необходимым преобразованиям. Эти процессы неразрывно связаны. Под восприятием величин подразумевается свойство датчиков выделять и представлять входную величину в виде измерительного сигнала, удобного для дальнейших действий над нею.

Функцию восприятия входной величины выполняет чувствительный элемент. При этом идентифицируется природа величины и происходит процесс её восприятия. В некоторых официальных изданиях чувствительный элемент определяется как часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входную величину. Там же дано следующее определение датчика: датчик  конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации (он «даёт» информацию). Однако нужно учесть, что первичный преобразователь может находиться в измерительной цепи любого средства измерений и не обязательно должен быть датчиком, т.е. конструктивно обособленным.

Итак, датчик  это измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий эквивалентный ей в информационном смысле измерительный сигнал. Датчик  обособленная, часто вынесенная к объекту исследования конструкция, удаленная от остальной измерительной аппаратуры. Датчик  компактный, конструктивно обособленно оформленный элемент.

В измерительно-информационной технике за рубежом используют несколько терминов, отражающих особенности выполнения функций восприятия и формирования измерительных сигналов: sensor, gange (англ.), Geber. Primarmessitmformer (нем.), transducteur de mesure (франц.). Термин «сенсор» уже давно «просочился» на страницы отечественных научных публикаций. В настоящее время термины «датчик» и «сенсор» используются как равнозначные для обозначения измерительного преобразователя, выполняющего функции восприятия входной величины и формирования измерительного сигнала.

Заметим, что термин «сенсор» акцентирует внимание на восприятии входной величины, а термин «датчик»  на формировании и выдаче измерительного сигнала. Под сенсором понимается первичный измерительный преобразователь, воспринимающий входную величину и формирующий измерительный сигнал. На конструкцию и на другие особенности при этом никаких ограничений не накладывается. Следовательно, и сенсор, и датчик выполняют одну и ту же функцию восприятия входной величины и формирования измерительного сигнала.

Таким образом, в настоящее время разумно признать правомерным использование обоих этих терминов. В русской литературе более широко используется термин «датчик».

Сердцевиной чувствительных элементов датчиков является вещество (материал), которое воспринимает входную физическую величину. В нем с помощью определенного физического явления входная величина преобразуется в сигнал, поступающий в последующую измерительную цепь. Помимо чувствительного элемента, в измерительную цепь могут входить усилители, делители, фильтры, модуляторы, а также иные устройства преобразования измерительного сигнала, так как нередко нужно произвести изменения размеров или характера физической величины, прежде чем подавать ее на вход датчика. Показательна в этом смысле необходимость довести размеры высоковольтных напряжений и токов входных величин до безопасного уровня и, наоборот, при восприятии малых по уровню величин усилить их, чтобы было возможно с ними работать.

Эти важные операции выполняются специальными элементами, обладающими известными метрологическими характеристиками.
В измерительной технике применяют также унифицирующие (нормализующие) преобразователи, приводящие сигналы датчиков к установленным нормам. Делается это для использования стандартной измерительной аппаратуры.

До сих пор особенно остро стоит проблема создания простых малогабаритных и легко размещаемых на объекте исследования датчиков. Например, при прочностных испытаниях больших самолетов используются десятки тысяч тензодатчиков и термодатчиков, а также датчиков перемещений, сил, давления и т.п.

Биологические исследования зачастую нуждаются в восприятии множества величин от источников информации, расположенных в ограниченном пространстве живого организма. Основная особенность и предназначение таких (назовем их многомерными) датчиков заключаются в том, что они могут воспринимать и преобразовывать в измерительные сигналы несколько величин, действующих в малом объёме пространства.

Таким образом, под датчиком следует понимать конструктивно обособленную совокупность первичных измерительных преобразователей, воспринимающую одну или несколько входных величин и преобразующую их в измерительные сигналы. Следует сказать, что для выполнения функций восприятия входных величин используют также измерительные установки, состоящие из сложной совокупности элементов и содержащие сложные в реализации физические эффекты.

1.2 Возможные области применения датчиков

Возможные области применения датчиков чрезвычайно разнообразны, можно выделить лишь отдельные сферы:

1) промышленная техника измерения и регулирования;

2) робототехника;

3) автомобилестроение;

4) бытовая техника;

5) медицинская техника.

Применимость того или иного датчика в этих сферах определяется прежде всего отношением цена/эффективность. При промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна составлять 12 %. Для специальных применений в области робототехники и медицинской техники цены датчиков могут достигать огромного уровня. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т.д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы применения датчиков, недоступные ранее из-за их высокой цены.

1.2.1 Датчики в промышленной технике измерений

Высокий спрос на промышленные датчики обусловлен прежде всего тем, что автоматизация приобретает все больший масштаб в производственных процессах. Контроль и управление технологическим процессом с помощью вычислительной сети связи требуют множества детекторов, совместимых с микропроцессорами.

К стандартным применениям в области промышленной техники измерений относятся:

1) расход, количество;

2) давление, разность давлений;

3) температура;

4) уровень;

5) химический состав.

Кроме этих стандартных датчиков все возрастающим спросом пользуются датчики новых типов, к которым относятся, например:

1) датчики положения и перемещения;

2) датчики обработки изображения;

3) оптические датчики, волоконно-оптические датчики;

4) биодатчики (биотехнология);

5) многокоординатные датчики (анализ шумов, распознавание об-разов).

Для современных производств характерна тенденция применения датчиков в интерактивном режиме, т.е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что ведет к увеличению выхода продукции, а потому и к более рациональному производству. Естественно, такие датчики должны обладать исключительной надежностью, чтобы обеспечить непрерывный и бесперебойный режим работы.

1.2.2 Датчики в робототехнике

Применение роботов непосредственно вытекает из задач по оптимизации технологии в промышленных производствах. В принципе робот представляет собой не что иное, как сложную информационную систему, которая объединяет в себе получение, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется, прежде всего, способность «видеть» и «ощупывать».

Первое оказывается возможным благодаря оптическим датчикам, которые должны быть приспособлены к соответствующим задачам робота.

1.2.3 Датчики в автомобиле

К областям применения таких детекторов относятся:

1) датчики систем управления и регулирования привода, а также таких отдельных систем автомобиля, как рулевое управление, тормоза, электроника кузова;

2) датчики для обеспечения безопасности и надежности, например в системе защиты пассажиров, в системе блокировки и в противоугонной системе;

3) датчики диагностики и контроля расходных материалов, освещения, тормозов и системы охлаждения;

4) датчики для получения информации о расходе топлива, о наружной температуре и маршруте.

Физическими параметрами, измеряемыми с помощью этих датчиков, являются: температура, давление, скорость вращения, перемещение или угол, расход, усилие, или момент, ускорение, влажность, парциальное давление (концентрация).

Требования, предъявляемые к указанным датчикам в отношении воздействия окружающей среды, чрезвычайно высоки, так как на чувствительные элементы могут влиять толчки, вибрации, нагрев, охлаждение, погодные условия, грязь, солевой туман и электрические помехи.

1.2.4 Датчики в бытовых приборах

В бытовой технике количество датчиков близко к числу применяемых в автомобильной электронике.

Наибольшая доля датчиков приходится на жидкостные регуляторы теплового расширения (температура), биметаллические переключатели (температура) и датчики давления, датчик концентрации солей (моющих средств) в установках для мытья посуды, стирки вещей.

Кроме этих обычных чувствительных элементов и датчиков, в бытовых приборах все более широко применяются самые современные датчики, позволяющие, например, оценивать степень готовности или уровень обжаривания жаркого.

1.2.5 Датчики в медицинской технике

В медицинской технике датчики применяются довольно широко, и к этим датчикам прикладываются высокие требования. Датчики применяются для контроля температуры, давления, влажности. Кроме перечисленных классических параметров контролируется кислотность, пульс, проведение зондирования.

Актуальной задачей является измерение и оценка параметров распределения электромагнитных полей в ближайшем пространстве, окружающем биообъекты. Хорошо изученная и разработанная практика оценки поверхностного распределения биопотенциалов на кожных покровах и слизистых оболочках в виде ЭКГ, электроэнцефалографии (ЭЭГ  раздел электрофизиологии, изучающий закономерности суммарной электрической активности мозга, отводимой с поверхности кожи головы, а также метод записи таких потенциалов), электрокар-диограммы (ЭКГ  запись изменений электрических процессов, генерируемых в условиях прямого отведения с открытой поверхности мозга или с помощью электродов, погруженных внутрь коры), электро-окулографии (ЭОГ), кожно-гальваническая реакция (КГР по сей день служит одним из основных параметров полиграфа (детектора лжи)) и др., а также многочисленные исследования внешних внеклеточных электромагнитных биополей.

1.3 Датчики температуры

Важнейшей разновидностью датчиков являются датчики температуры, поскольку многие процессы, в том числе и в повседневной жизни, регулируются температурой, например:

  • регулирование отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры;

  • регулирование температуры воды в стиральной машине;

  • регулирование температуры электроутюга, электроплитки, духовки и т.п.

Кроме того, путем измерения температуры можно косвенно определять и другие параметры, например, поток, уровень и т.п.

При использовании такого рода датчиков температура измеряется, как правило, на основании зависимости электрического сопротивления от температуры. В зависимости от того, возрастает или понижается электросопротивление датчика при повышении температуры, различают полупроводниковые датчики соответственно с положительным или отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Металлические датчики температуры из никеля или платины всегда обладают положительным ТКС. В случае датчиков на основе термопар возникает ЭДС, пропорциональная температуре.

1.3.1 Измерительные схемы

Для измерения температуры датчик нужно подключить к измерительной схеме, на выходе которой формируется напряжение, пропорциональное температуре. Простейшей разновидностью такой схемы является измерительный мост (или мост Уинстона) (рисунок 1).

Рисунок 1 – Измерительный мост

Если сопротивление сравнения RV установить таким образом, что измерительный прибор G будет показывать отсутствие тока, то оказывается справедливым равенство RV = RТН, поскольку верхние параллельные сопротивления равны между собой. Преимущество такого способа измерения заключается в независимости результатов от напряжения питания. Для технических измерений, когда нужно иметь непосредственные показания температуры, сопротивление RV можно принять постоянным, а показания измерительного прибора прокалибровать.

1.3.2 Термопары

Термопары представляют собой чувствительные элементы датчиков, пригодные для измерения в диапазоне температур от 0 до 2300 °С, причем несмотря на высокую разрешающую способность и точность цена их невысока. Термопары изготовляют путем соединения двух разнородных металлических проводов, например, меди и медно-никелевого сплава, железа и медно-никелевого сплава или платины и платинородиевого сплава. Две такие термопары образуют полный датчик. Если один спай погрузить, например, в тающий лед (0 °С), а второй ввести в контакт с объектом измерения, то между спаями возникает поддающаяся измерению термоЭДС, составляющая в зависимости от вида термопары 775 мкВ/°С.

В случае термопары из меди и медно-никелевого сплава термо-ЭДС в диапазоне температур 0100 °С составляет примерно 40 мкВ/°С. При разности температур спаев в 100 °С получается примерно 4,3 мВ. Для достаточно точного измерения такого незначительного напряжения необходимы дорогие и сложные измерительные усилители. Кроме того, опорная температура всегда должна поддерживаться постоянной или тоже измеряться.

1.3.3 Кремниевые датчики температуры

Измерение температуры с помощью кремниевых датчиков представляет особый интерес в случае массового применения, так как они значительно дешевле других датчиков и имеют большой температурный коэффициент. Недостатками кремниевых датчиков являются меньший диапазон измеряемых температур и большая нелинейность. Однако для определенных применений эти недостатки имеют второстепенное значение.

Для более точных измерений с помощью кремниевого датчика температуры его квадратичная характеристика должна быть линеаризована.

Рисунок 2 – Схема включения датчика

Проще всего это достигается включением не зависящего от температуры сопротивления RL параллельно кремниевому датчику, если схема питается постоянным током. При питании постоянным напряжением RL включается последовательно с датчиком RТН (рисунок 2).

1.3.4 Интегральные датчики температуры

Кремниевый датчик  предварительно калиброванный интегральный датчик температуры. Датчик изготавливается на основе биполярной техники. Вся схема этого монолитного интегрального датчика помещена в корпус. В данном случае в качестве измеряемой величины используется напряжение UВЕ между базой и эмиттером кремниевого транзистора.

Прямое преобразование аналоговой измеренной характеристики (температуры) в цифровой выходной сигнал представляет особый интерес в связи с применением ЭВМ, поскольку отпадает, например, необходимость в дорогостоящих аналого-цифровых преобразователях. Кроме того, передача сигнала в цифровой форме надежнее, чем в аналоговой.

1.4 Датчики давления

Как и датчики температуры, датчики давления относятся к наиболее широко используемым в технике. Однако измерение давления представляет меньший интерес, так как существующие датчики давления относительно дороги и имеют лишь ограниченное применение. Несмотря на это, рассмотрим некоторые варианты их использования.

1.4.1 Кремниевые датчики

Для любительской практики представляют интерес лишь относительно недорогие кремниевые датчики давления, имеющие выходной сигнал чаще всего порядка нескольких вольт. Обычно такой датчик изготовляют из кремниевой пластины, часть которой вытравливают до образования тонкой мембраны. Методом ионной имплантации на мембране выполняют резистивные элементы с межсоединениями. При изменении давления мембрана прогибается, и под действием пьезоэлектрического эффекта происходит изменение сопротивления резистивных элементов. Толщина мембраны, как и геометрическая форма резисторов, определяется областью допустимых давлений. Преимуществами широко распространенных датчиков этого типа являются:

  • высокая чувствительность, хорошая линейность;

  • незначительные гистерезисные явления;

  • малое время срабатывания;

  • компактная конструкция;

  • экономичная планарная технология изготовления.

Недостаток, заключающийся в повышенной температурной чувствительности, можно в большинстве случаев компенсировать.

Область применения датчиков давления определяется возможным диапазоном измеряемых давлений.

Такие датчики применяются: для измерения уровня жидкости в стиральных и посудомоечных машинах, пылесосах, для контроля фильтров, измерения расхода, измерения кровяного давления, в барометрах, для регулировки зажигания и впрыска в автомобильных двигателях, измерения разрежения на такте всасывания в автомобильных двигателях, измерения давления масла и сжатого воздуха в тормозной системе автомобиля, в холодильниках (пневматические системы, промышленные роботы, гидравлические системы, строительные машины).

Четыре однотипных пьезорезистора образуют мост, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Измерительный мост

При этом отдельные резисторы (R1R4) соединены так, что при прогибе мембраны сопротивление резисторов R1 и R3 возрастает, а у R2 и R4  уменьшается. В результате достигается высокая чувствительность измерительного моста. Выходное напряжение Uа соответствует тогда уравнению:

Поскольку в этом случае максимальное выходное напряжение составляет лишь 0,1 В, для дальнейшей обработки сигнала его нужно усилить еще примерно до 1 В. Такое 10-кратное усиление по напряжению с помощью стандартных операционных усилителей не составляет проблемы, а поэтому согласование сигнала с измерительным прибором осуществляется легко. Для измерений с повышенной точностью следует дополнительно компенсировать температурную погрешность датчиков.

1.5 Датчики расхода и скорости

В промышленной измерительной технике требуются очень точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые погрешности не должны превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в быту (например, газовый счетчик).

При таких требованиях к точности применяют чаще всего механические измерительные приборы. Лишь в самое последнее время появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие на оптическом эффекте Допплера. Эти лазерные допплеровские анемометры (рисунок 4) используют особый вид рассеяния света (эффект Допплера).

Рисунок 4 – Лазерный анемометр

В данном случае луч лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка, которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный потоком свет попадает далее на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал электронным путем преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.

Такой способ измерения расхода довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса.

Измерения расхода можно осуществить чисто электронным путем, применяя в качестве датчика самонагревающийся резистор.

Сопротивление такого резистора изменяется вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик расхода (рисунок 5).

Рисунок 5 – Процесс теплопередачи от самонагревающегося резистора

1.5.1 Терморезисторный анемометр

Анемометром называют прибор для измерения потока, основанный как на электрическом (терморезисторный анемометр, или анемометр с нагреваемой нитью), так и на механическом (анемометр с крыльчаткой) принципе действия. Описанный ниже анемометр с терморезистором в качестве чувствительного элемента предназначен для измерения слабых потоков воздуха.

1.5.2 Датчик расхода

Измерение расхода жидкостей или газов чрезвычайно важно во многих областях техники, так как оно позволяет судить об эффективности процессов по расходу материалов. На рисунке 6 показана схема измерительной установки на основе автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 6 – Схема измерительной установки на основе
автомобильного двигателя

Здесь в карбюраторный двигатель непрерывно подаются кислород воздуха и топливо (бензин). Для достижения оптимального прежде всего по количеству выхлопных газов режима работы необходимо определенное соотношение подаваемых количеств воздуха и топлива. Это соотношение можно определить, например, путем измерения содержания СО датчиком 3 при одновременном регулировании карбюратора. При различных режимах движения (езда по городу или по шоссе) это соотношение, разумеется, изменится, поэтому желателен такой контроль с помощью датчиков 1 и 2 в процессе движения. Датчиком 2 можно измерять также расход бензина (в литрах на 100 км пути) в данный момент и обеспечивать, таким образом, наиболее экономичный режим движения.

1.5.3 Датчик направления

Вышеописанные датчики расхода и скорости независимо от направления потока всегда показывали одинаково положительное напряжение. Используя два взаимосвязанных датчика, можно сконструировать датчик расхода, который будет формировать либо положительное, либо отрицательное выходное напряжение в зависимости от направления потока. Конструкция такого датчика направления изображена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Конструкция датчика направления

Он состоит из двух терморезисторных бусинок 1 и 2, напаянных на двустороннюю печатную плату. В месте размещения терморезисторов в плате выполнено отверстие, через которое может проходить поток. На каждой стороне платы находится еще по специальной насадке, служащей для механической защиты терморезистора и для придания определенной формы потоку. Все устройство соединяется на клею. Выводы терморезистора выводятся через места склеивания. Оба терморезистора находятся в одном плече измерительного моста, питаемого постоянным напряжением.

С помощью добавочного сопротивления RV можно установить избыточную температуру терморезисторов. Если теперь поток проходит через датчик в положительном направлении (на рисунке 7 слева направо), то терморезистор 1 будет охлаждаться и одновременно вследствие их термической связи терморезистор 2 будет нагреваться по сравнению с терморезистором 1.

В результате возникает положительное выходное напряжение.
В противном случае, когда поток проходит в отрицательном направлении, температура терморезистора 1 выше, чем терморезистора 2, так что в результате возникает отрицательное выходное напряжение. При потоках выше определенного критического значения вследствие чрезмерного охлаждения выходное напряжение начинает медленно падать, правда, без изменения знака.

1.6 Газовые датчики

Обнаружение различных газов в помещениях или в составе выхлопных газов осуществляется с помощью газовых датчиков. В присутствии определенных газов (например, СО2, СО, О2 или Н2) они вырабатывают электрические сигналы, которые более или менее специфичны для различных веществ. При этом используются различные физические и химические эффекты. Кроме этих простых и надежных газовых детекторов для более ответственных применений существуют еще оптические фотометры, превосходящие газовые детекторы по селективности и точности. Правда, они гораздо дороже и сложнее по устройству.

Для простых применений, когда можно обойтись умеренной точностью и селективностью, применяют следующие устройства:

  • термокондуктометрические ячейки (СO2, SO2, SF6);

  • термохимические (каталитические) ячейки (СО, взрывоопасные и горючие газы);

  • полупроводниковые датчики (спирты, углеводороды, токсичные газы);

  • топливные ячейки (кислород).

1.6.1 Термокондуктометрические ячейки

Эти датчики пригодны для обнаружения Н2, СO2, SO2, а также горючих и взрывоопасных газов. Принцип действия (рисунок 8) состоит в следующем.

Рисунок 8  Термокондуктометрическая измерительная ячейка

Исследуемая проба газа диффундирует в измерительную камеру, в которой имеется платиновая или никелевая проволочная спираль, нагретая до температуры, примерно на 40 °С выше окружающей. Если состав газовой пробы изменится, то изменится также теплоотвод от нагретой спирали к стенкам ячейки. В случае диоксида углерода (СO2) при этом происходит повышение температуры спирали, так как теплопроводность СO2 незначительна. В случае натекания в ячейку водорода (Н2) спираль охладится вследствие его высокой теплопроводности. Охлаждение или нагрев спирали ведет к изменению ее сопротивления, которое сопоставляется в измерительном мосте со вторым – эталонным  сопротивлением, расположенным в сравнительной камере.

Сигнал датчика определяется изменением теплопроводности газовой смеси, а поскольку одинаковый тепловой эффект может быть обусловлен смешением разных газов, но в соответственно разных количествах, применение датчика ограничено только анализом бинарных смесей заранее известных газов. Для анализа смесей из трех и более газов данный способ непригоден.

Чем больше различие в теплопроводности двух газов, тем точнее их можно проанализировать.

1.6.2 Анализатор выхлопных газов

Контроль выхлопных газов на содержание СО регулярно проводится в ФРГ службой технического надзора с целью защиты окружающей среды. Для автомобильных выхлопных газов максимально допустимое содержание СО составляет около 4 %. Обычно монооксид углерода образуется при сгорании бензина в двигателе при недостаточной подаче кислорода. При избытке кислорода образуется почти исключительно диоксид углерода (СO2), который в противоположность монооксиду не является вредным газом. Если при сгорании топлива в двигателе ощущается недостаток кислорода, то специалисты говорят об обогащении рабочей смеси. При избытке кислорода получается соответственно обедненная смесь. Для обеспечения хорошего КПД содержание СО следует поддерживать по возможности низким, что может быть достигнуто работой на обедненной смеси.

1.6.3 Полупроводниковые датчики

В самых простых и дешевых газовых датчиках используется изменение электрического сопротивления некоторых полупроводниковых материалов, возникающее вследствие адсорбции газа. На рисун-
ке 9 показано принципиальное устройство такого полупроводникового датчика.

Он состоит из керамической основы, способной выдерживать нагрев до 100500 °С. На этой керамической основе находятся два электрода, между которыми наносится полупроводящий оксид металла. Если газ проходит над этим активированным слоем оксида металла, то проводимость последнего изменяется. С помощью мостовой схемы это изменение проводимости преобразуется в изменение напряжения.
В некоторых датчиках для обнаружения различных газов используются различные материалы чувствительных элементов. Важнейшим среди них является диоксид олова с различными легирующими добавками. Подбором легирующей добавки и рабочей температуры можно достигнуть определенного повышения избирательности.

Рисунок 9 – Схема датчика обнаружения токсичных газов

На основании этого получаются датчики, которые в определенных случаях применения обеспечивают селективную индикацию. Газовый датчик с высокой селективностью получается для сероводорода (H2S). Используя очень тонкие активные слои SnО2 (оксид олова) толщиной около 150 нм, получают малые длительности срабатывания, находящиеся в секундном диапазоне.

1.6.4 Датчик природного газа

В домах, где приготовление пищи и отопление осуществляются с использованием природного газа, существует опасность взрыва из-за неконтролируемой утечки газа. Непрерывно работающий датчик природного газа эту опасность может существенно ограничить. Решающим для взрыва газа является нижний предел взрываемости, который для природного газа или для смеси пропана с бутаном равен 2 % в смеси с воздухом.

1.6.5 Анализатор следов алкоголя

Полупроводниковые газовые датчики можно применять также для анализа на содержание паров алкоголя, так как в принципе эти датчики реагируют на все горючие (окисляющиеся) газы. С помощью соответствующей схемы такого рода датчик можно использовать, например, для обнаружения содержания алкоголя в крови. Его принцип работы довольно прост. После употребления алкоголя определенная часть его, содержащаяся в крови, обнаруживается также и в выдыхаемом воздухе. Чем выше содержание алкоголя в крови, тем больше доля его паров в выдыхаемом воздухе. Если датчик обдувается воздухом с некоторым содержанием алкоголя, то в соответствии с концентрацией последнего в воздухе изменится сопротивление датчика.

Это изменение сопротивления можно определить затем с помощью измерительной схемы. Посредством соответствующей калибровки можно измерить также содержание алкоголя в крови и тем самым оценить возможность допуска к управлению автомобилем.

1.7 Датчики влажности

Измерение содержания влаги в окружающем воздухе представляет интерес во многих областях, так как влажность воздуха оказывает влияние на самочувствие людей. Слишком сухой воздух вызывает, например, увеличение числа простудных заболеваний, прежде всего органов дыхания, в то время как при повышенной влажности из-за усиленного потоотделения возникает чувство дискомфорта. В связи с этим в кондиционируемых помещениях важно поддерживать оптимальную влажность воздуха. При этом ее значения в каждый текущий момент определяются датчиками влажности (гигрометрами).

1.7.1 Основные определения

При описании влажности воздуха следует различать следующие понятия.

Абсолютная влажность Fабс (г/м3) показывает, какое количество воды содержится в 1 м3 воздуха:

.

Влажность насыщения Fнас (г/м3) характеризует максимальное количество воды, которое может содержаться в 1 м3 воздуха при определенной температуре и атмосферном давлении без образования конденсата:

.

Относительная влажность Fотн представляет собой выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к влажности насыщения. По этой причине относительная влажность также зависит от температуры:

.

1.7.2 Конденсационный гигрометр на основе хлорида лития

Как видно из рисунка 10, принцип измерения конденсационного гигрометра на основе хлорида лития (LiCl) довольно прост. В данном случае используются два свойства гидрата хлорида лития. Во-первых, он является гигроскопичным веществом, а потому поглощает молекулы воды, и, во-вторых, возникающий при этом водный раствор LiCl представляет собой электролит, способный проводить электрический ток. Когда LiCl, помещенный в датчике (рисунок 10) в капсулу из стеклоткани 2, поглощает содержащиеся в атмосфере водяные пары, проводимость между витками спирали 3 увеличивается.

1 – платиновый измерительный резистор; 2 – стеклоткань с LiCl;

3 – электродная спираль

Рисунок 10 – Конструкция датчика влажности на основе LiCl

В результате этого между ними возникает ток, ведущий к нагреву всего датчика, и в итоге устанавливается равновесное состояние между фазой водяного пара и жидкой фазой. Температура, устанавливающаяся автоматически в этом равновесном состоянии, становится мерой концентрации водяных паров в окружающем воздухе.

1.7.3 Емкостные датчики влажности

Недорогими и прежде всего простыми в обращении являются датчики влажности емкостного типа. Они состоят из специальной пленки с напыленным с двух сторон слоем золота (рисунок 11).

Рисунок 11 – Диэлектрический датчик влажности

Таким образом, пленка служит диэлектриком плоского конденсатора. С помощью соответствующей измерительной схемы это изменение емкости можно преобразовать в постоянное напряжение.

Важной характеристикой, определяющей применимость датчика, является его время срабатывания или постоянная времени. При резком изменении влажности датчику требуется около 2 мин для достижения 90 % окончательного показания, соответствующего вновь установившейся влажности.

1.7.4 Измерительные схемы

Изменения емкости можно, естественно, как и изменения сопротивления, измерять с помощью измерительного моста. Соответствующая схема показана на рисунке 12.

Рисунок 12 – Схема датчика влажности

Она состоит из моста для измерения емкости с датчиком влажности в качестве активного элемента. Мост питается переменным напряжением с частотой около 100 кГц. С помощью подстроечного конденсатора СА выходное напряжение U0 устанавливается на нуль при
С = 0. При изменении емкости С выходное напряжение U0 служит мерой этого изменения и соответственно изменения влажности.

1.8 Датчики магнитного поля

Среди датчиков магнитного поля различают датчики трех типов, использующие различные физические эффекты, а именно:

1) магниторезистивные датчики;

2) датчики Холла;

3) датчики Виганда.

В общем случае датчики магнитного поля отличаются простотой устройства и связанной с этим надежностью. Благодаря таким свойствам они особенно пригодны для применения в автомобилях и в бытовой технике. Важными и интересными применениями магнитных датчиков являются, например, измерения положения, скорости вращения, давления и линейной скорости.

1.8.1 Магниторезистивные датчики

Некоторые ферромагнитные материалы, например пермаллой
(80 % Ni и 20 % Fe), изменяют свое электрическое сопротивление при воздействии магнитного поля. Степень этого изменения зависит от величины напряженности магнитного поля и угла между вектором напряженности и направлением тока. С помощью современной тонкопленочной технологии можно изготовить небольшие и очень дешевые магниторезистивные датчики.

Такой датчик возможно применять для измерения скорости вращения. Магнит, установленный на оси вращения, при каждом обороте проходит один раз мимо магниторезистивного датчика, вызывая изменение его сопротивления. Это изменение сопротивления преобразуется в изменение напряжения Uа.

1.8.2 Датчики Холла

Датчики магнитного поля, использующие эффект Холла, относятся к активным датчикам, так как они сами вырабатывают измерительное напряжение, связанное с магнитным полем. Под действием тока и магнитной индукции, векторы которых взаимно перпендикулярны, на обкладках датчика возникает измерительное напряжение UН. Величина этого напряжения зависит от геометрии (длины l и толщины d) датчика, тока i, коэффициента Холла RH магнитной индукции В:

.

Материалом для изготовления датчика Холла чаще всего служат кремний, арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb).

При смещении постоянного магнита по отношению к датчику Холла напряжение датчика изменится пропорционально перемеще-нию X. Следовательно, датчики Холла можно также использовать как датчики перемещения или положения.

Такой датчик перемещения в соответствующем устройстве можно использовать также для измерения давления. В этом устройстве постоянный магнит расположен на мембране, прогибающейся под действием изменяющегося давления. В результате магнит смещается относительно датчика, что ведет к изменению напряжения.

1.8.3 Датчики Виганда

Новейшей разработкой в области датчиков магнитного поля является датчик Виганда. Он состоит из предварительно механически обработанной проволоки из сплава «Викалой» (10 % V, 52 % Со, 38 % Fe) диаметром 0,3 мм, намотанной в виде катушки длиной 15 мм, имеющей около 1300 витков. Если эту катушку поместить в магнитное поле, то при превышении определенной величины напряженности поля направление намагничивания спонтанно изменится. В результате этого изменения возникает импульс напряжения длительностью 20 мкс и амплитудой 2,5 В.

Достоинствами датчика Виганда являются: отсутствие необходимости в источнике питания, большая величина сигнала (несколько вольт), широкий температурный диапазон применения (от минус 196 до плюс 175 °С), конструктивная защищенность от коротких замыканий, искробезопасность.

1.9 Оптические датчики

Бесконтактное измерение ряда физических величин, как, например, перемещений, вибраций, температуры и т.д., оказывается возможным лишь с помощью оптических датчиков. При этом информация передается не по кабелю, а световыми волнами, которые могут изменяться по интенсивности, фазе, цвету или геометрическому распределению в пространстве и благодаря этому оказываются пригодными для получения и передачи информации. Чрезвычайно простым оптическим датчиком является, например, известная фотоячейка.

Фотоячейка состоит из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приемника (фотодиода или фоторезистора). Нарушение передачи света от источника к приемнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке. Если число импульсов отнести к единице времени, то, например, при конвейерном производстве можно получить информацию о количестве деталей, изготовленных за 1час или за 1 день.

Преобразование оптического сигнала в электрический осуществляется детекторами излучения, использующими различные физические эффекты.

Три типа детекторов излучения, наиболее часто применяемых в оптических датчиках:

1) фотодиоды;

2) фоторезисторы;

3) приемники теплового излучения (ИК-датчики).

Фотодиоды. При облучении кремниевых фотодиодов светом в них возникает напряжение определенным образом.

Фоторезисторы. У некоторых материалов (например, CdS, CdSe, PbS, PbSe) электрическое сопротивление изменяется под действием света из-за образования электронно-дырочных пар. Возникающие при этом свободные носители заряда вызывают резкое снижение сопротивления.

Тепловые приемники излучения. Тепловыми приемниками излучения называют детекторы, в которых под действием облучения светом происходит нагрев, вызывающий возникновение в них вторичных процессов (изменение сопротивления, возникновение термических напряжений). Тепловые приемники излучения применяются чаще всего для ИК-области, так как для видимого и УФ-диапазонов спектра имеются более чувствительные датчики. Существенным достоинством тепловых приемников излучения является независимость их чувствительности от спектрального состава излучения, т.е. их чувствительность остается почти постоянной от УФ- до ИК-диапазона.

1.10 Датчики положения

С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими.

Например, нужно зарегистрировать вибрацию какого-либо механизма в процессе работы при различных нагрузках. Для этого на нем в характерном месте устанавливают светодиод (излучатель). Излучение этого светодиода с помощью отображающей оптики (например, линзы) фокусируется на датчике положения.

В принципе такой датчик состоит из удлиненного p-n-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 13).

Рисунок 13 – Структура датчика положения

При неработающем механизме отображающая оптика юстируется таким образом, чтобы на обе части p-n-диода попадало излучение одинаковой интенсивности, т.е. . Как только светодиод начинает перемещаться из-за вибраций механизма, интенсив­ность перераспределяется и нарушается равенство то­ков и . В итоге разность оказывается мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы. Конструктивное исполнение промышленного датчика положения показано на рисунке 14.

Рисунок 14 – Схема датчика положения (тип S1352, фирма Hamamatsu)

Двухкоординатное измерение положения добавляет еще одну степень свободы при определении по­ложения или размещении (позиционировании) объекта.

1.11 Классификация датчиков

Датчики могут классифицироваться в зависимости от параметров следующим образом:

1) по виду входных величин: активные и пассивные;

2) по количеству входных величин: одномерные (n = 1) и многомерные (n = 2, 3 ... n);

3) по количеству измерительных функций: однофункциональные (m = 1) и многофункциональные (m = 2, 3 ... m);

4) по количеству преобразований энергии и вещества: одноступенчатые (l = 1) и многоступенчатые (l = 2, 3 ... l);

5) по наличию компенсационной обратной связи: компенсационные и некомпенсационные;

6) по виду модуляции выходного сигнала: амплитудные, частотные и фазовые, непрерывные и импульсные;

7) по технологии изготовления: элементные и интегральные;

8) по восприятию пространственных величин: точечные и пространственные;

9) по взаимодействию с источниками информации: контактные и бесконтактные (дистанционного действия);

10) по виду измерительных сигналов: аналоговые и цифровые;

11) по динамическому характеру сигналов преобразования: дискретные (дискретное представление в виде импульсной последовательности), и непрерывные (представлены в виде непрерывного процесса).

Различают датчики, основанные на разных принципах действия (электрических, акустических и др.). Далее используются для классификации структурные и функциональные признаки, характеризующие датчики.

Активная (энергетическая) входная величина может восприниматься непосредственно. Для восприятия же свойств пассивного
(в энергетическом смысле) вещества необходимо придать ему энергетические свойства, воздействуя на это вещество дополнительной энергией. Например, пропустить через сопротивление ток и получить в качестве параметра вещества напряжение, образовавшееся на его сопротивлении. Оценить размер входной величины можно, используя разность результатов этой оценки до и после ее воздействия. Таким образом, можно выделить активные (генераторные) и пассивные (параметрические) датчики.

Классификационным признаком также служит характер выходного сигнала датчика. Выходной измерительный сигнал датчиков может быть промоделирован различным образом. Могут быть использованы амплитудная (AM), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ) модуляции. Сигнал может быть представлен в непрерывной, импульсной и цифровой форме. Среди аналоговых видов модуляции следует выделить частотную модуляцию. Она является аналогом модуляции сигналов в рецепторах биологических анализаторов, имеет повышенную помехоустойчивость и несколько информационных параметров (частота, фаза, длина волны, период). Нужно отметить легкость перехода от частотных сигналов к цифровым, потенциально высокую точность операций с частотными сигналами. Кроме того, принципы построения датчиков  генераторов частотных сигналов  достаточно хорошо разработаны. К частотным датчикам можно отнести датчики резонансного типа, маятниковые, струнные, ядерно-магнитные устройства, LC- и RС-генераторы, частотно зависимые цепи, ультразвуковые устройства, а также датчики, основанные на использовании потока фотонов, на эффекте Баркгаузена, на термошумах и т.п. При использовании электромагнитных, оптических, звуковых частотных сигналов возможны их беспроводная передача, генерация образцовых сигналов в ближней зоне и организация сотовой структуры, обслуживающей одновременно несколько датчиков. Шкала генерируемых частот может быть достаточно широкой.

На входе датчиков могут действовать физические величины, измеряемые непосредственно или их составляющие (при выполнении косвенных измерений).

Как уже говорилось, энергетические свойства входных величин позволяют подразделить датчики на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу, а в пассивных  неэнергетический (вещественный) параметр.

Активными входными величинами являются параметры энергии электрической, магнитной, тепловой, механической, акустической, оптической, радиационной и химической природы.

Приведем краткий перечень основных активных входных величин.

Основные активные входные величины:

  • электрическая энергия: напряжение, ЭДС, потенциал, ток, заряд, мощность, энергия;

  • магнитная энергия: магнитодвижущая сила, магнитный поток, магнитная индукция;

  • механическая энергия: сила, масса, давление, механическое напряжение, скорость, ускорение, мощность, энергия;

  • акустическая энергия: акустическое давление, интенсивность звука, мощность, энергия;

  • тепловая энергия: температура, тепловой поток, термодинамический потенциал;

  • оптическая энергия: мощность излучения, поток излучения, освещенность, яркость, спектральная плотность, сила света, световой поток;

  • ионизационная энергия: энергия излучения, мощность дозы излучения, поток излучения.

  • химическая энергия: молярная энергия, химический потенциал.

Пассивные сигналы при восприятии нуждаются в преобразовании их в активные, эквивалентные входным, энергетические сигналы. Затем, так же как и сигналы активных датчиков, они воспринимаются и преобразуются с помощью определенного физического эффекта в веществе чувствительного элемента в измерительный сигнал.

Пассивные входные величины:

  • электрическая энергия: проводимость, сопротивление, диэлектрическая проницаемость;

  • магнитная энергия: магнитная проницаемость, индуктивность, взаимоиндуктивность;

  • механическая энергия: масса, механическое сопротивление, вязкость, трение, твердость, длина, площадь, объем, расход;

  • акустическая энергия: акустическое сопротивление, акустическая проницаемость; коэффициенты поглощения, отражения и рассеивания;

  • тепловая энергия: теплоемкость; коэффициенты теплопроводности, теплопередачи;

  • оптическая энергия: коэффициенты отражения, рассеивания, пропускания, преломления; цвет, поляризация;

  • ионизационная энергия: постоянная радиоактивного распада, коэффициент поглощения;

  • химическая энергия: молярный объем, диффузия, концентрация, молярная энтропия.

Рассмотренные перечни выборочны и могут быть существенно дополнены.

По количеству воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить датчики одномерные, оперирующие одной величиной, и
n-мерные (многомерные), воспринимающие несколько входных величин. Многомерные датчики могут иметь общие элементы и поэтому могут быть проще, чем совокупность одномерных датчиков.

По количеству выполняемых датчиком функций их можно разделить на однофункциональные и многофункциональные (m = 2, 3...). Многофункциональные датчики могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнительных функций, таких как, например, функции фильтрации, обработки аналоговых сигналов и т.п. Термин «многофункциональный датчик» применяется для обозначения датчиков, служащих для восприятия и преобразования нескольких входных величин. Однако термин «многофункциональный датчик» более целесообразно отнести к датчикам, каждый из которых выполняет несколько измерительных функций. Заметим, что датчики многофункциональные, так же как и многомерные, по своим свойствам приближаются к измерительным системам.

Многофункциональные датчики иногда называют интеллектуальными. К таким датчикам можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми режимами работы и параметрами, с функциональным аналого-цифровым преобразованием, метрологическим обслуживанием и т.п. Широкими функциональными возможностями должны обладать датчики со встроенными микропроцессорами.

Заметим, что в первичных измерительных преобразователях средств измерений, в которых состав и компоновка не ограничены, микропроцессоры с успехом используются уже сейчас.

В датчиках могут использоваться последовательно или параллельно один или несколько физических эффектов, т.е. они могут быть одноступенчатыми и многоступенчатыми. В настоящее время датчики, воспринимающие более трех величин, а также датчики, выполняющие более трех функций и основанные на использовании более трех физических явлений, довольно редки.

Итак, датчики можно представить в трехмерном пространстве с координатами: количество величин  n; количество функций  m; количество ступеней преобразований  l.

Кроме названных датчиков можно отметить датчики, выполняющие системные функции, к которым относятся восприятие полей температуры, деформаций и т.д.

По технологии изготовления датчики можно условно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, с одновременным изготовлением по интегральной микроэлектронной технологии всех составных элементов датчиков. Эта технология позволяет обеспечить датчикам выдающиеся характеристики (интеллектуальные).

Особо следует выделить биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используются рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества и электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

В биологических анализаторах живых организмов участвует очень большое количество рецепторов. Например, рецепторное поле зрительного анализатора включает около 108 рецепторов, обонятельного и слухового анализаторов  более 30 тысяч рецепторов, расположенных в небольшом объеме. Как известно (закон Фехнера), выходной сигнал рецепторов пропорционален натуральному логарифму интенсивности воздействия со стороны воспринимаемой величины. Суммарный сигнал поля рецепторов зависит от их количества. При этом точность восприятия градиентов входных величин будет зависеть от размеров рецепторов. Большое, избыточное количество рецепторов, кроме повышения надежности за счет многократного дублирования и интегрирования их сигналов, позволяет обеспечить повышенную точность восприятия входной величины. Уменьшение размеров и массы датчиков может привести при восприятии входной величины к росту суммарного выходного сигнала, снижению влияния помех и в конечном счете к повышению достоверности получаемых данных. Преимущества миниатюрных датчиков особенно проявляются при исследовании малогабаритных объектов.

Вопросы о применении избыточного количества элементов имеют большое значение для измерительной техники, так как они могут улучшить качество измерений. Наличие большого количества элементов делает уместным применение статистического подхода к анализу и синтезу работы системы. Здесь налицо серьезная стыковка измерительных и вычислительных задач. Положительные результаты в этом направлении могут резко изменить, может быть, и революционизировать измерительную технику (воистину здесь количество рецепторов может перейти в изменение качества измерений).

Самое важное при анализе работы датчиков  это рассмотрение принципов их действия, применения физических явлений, положенных в основу построения датчиков.

Нужно сказать несколько слов об относительно малораспространенных датчиках, с компенсационной обратной связью. Компенсационные датчики применялись в аэродинамических весах, а также для устранения влияния начальных сопротивлений тензодатчиков при массовой тензометрии. Расширение диапазона измерения при этом происходило за счет того, что компенсация производилась по поддиапазонам и измерялась оставшаяся нескомпенсированная часть. Компенсационные датчики потенциально могут обладать повышенной точностью. Однако процесс уравновешивания требует временных затрат, следовательно, компенсационные датчики более инерционны.

Отметим, кроме того, также полезность использования так называемых пороговых датчиков, выдающих сигнал при достижении входной величиной заданного уровня. В таких датчиках реализуются функции собственно датчика и устройства сравнения входной величины с образцовой мерой.

Многомерные датчики могут считаться разновидностью многомерных измерительных устройств. В настоящее время в эксперименте наиболее широко используются одномерные, одноступенчатые и однофункциональные датчики.

Датчики во многом определяют качество средства измерений. Без знаний метрологических характеристик датчик не может быть использован как измерительный преобразователь.

Метрологические характеристики датчика как средства измерений определяет ГОСТ 8.009-84. «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

К основным таким характеристикам следует отнести:

  • погрешность восприятия и преобразования (желательно знать случайную, систематическую, статическую, динамическую составляющие и закон распределения вероятностей);

  • характеристику (функцию) преобразования датчика, представляющую связь входной с выходной величинами y=f(х) и её линейность;

  • диапазон восприятия и преобразования входной величины;

  • чувствительность;

  • частотные и динамические характеристики (переходная, амплитудно-фазовая, амплитудно-частотная, время реакции, постоянная времени и др.).

К основным систематическим погрешностям датчика необходимо отнести следующие:

  • погрешности значения меры, например, загрязнение смеси воды со льдом при определении «нулевой» температуры термопары;

  • погрешности при определении характеристик датчика. Например, при определении функции преобразования тензодатчиков устанавливают её для одного датчика из изготовленной партии. Какой-то конкретный датчик может иметь отличную от испытанного датчика характеристику;

  • методические погрешности. Например, искажение температуры объекта измерения за счёт теплопроводности датчика температуры, «саморазогрев» термометра сопротивления «измерительным» током.

В некоторых случаях желательно знать размер составляющей погрешности от влияния каждой внешней («мешающей») величины. Это может быть использовано для принятия специальных мер по уменьшению погрешностей.

Основные причины возникновения случайных погрешностей в датчиках:

1. Погрешности, связанные с изменениями собственных параметров датчика. Примером может служить вариация порога чувствительности у потенциометрического датчика. Порог чувствительности датчика определяется как максимальное изменение измеряемой величины, которое не вызывает обнаруживаемого изменения выходного сигнала датчика. Если в датчике есть элемент с гистерезисными свойствами, то выходной сигнал зависит от предшествующих условий эксплуатации.

2. Погрешности из-за появления в измерительной цепи датчиков паразитных сигналов случайного характера (тепловые шумы, наводки от внешних электромагнитных полей, временной дрейф сигналов и параметров элементов датчика и др.).

Характеристика преобразования датчика должна определяться для нескольких значений входной величины, чаще всего для трех:
х = 0; х = 1/2; х = 1. Более детальное представление характеристики бывает необходимо при нелинейном её характере.

Определение характеристик датчиков  важная область работы проектировщиков, изготовителей и пользователей. Эти характеристики формируются не только сразу после изготовления, но и в процессе хранения, а также использования датчиков. Для выполнения этой работы необходимо создать специальное оборудование и разработать методику его использования. Можно использовать следующее оборудование: генераторы входных величин в заданных динамическом и частотном диапазонах с заданной точностью (создание источника входной величины с погрешностью не более трети допустимой часто является трудной задачей); генераторы влияющих величин (они могут быть менее точны). Наиболее квалифицированные работы по определению характеристик датчиков выполняют в специальных лабораториях, например, тепловых, оптических, акустических и др. Некоторые из них отличаются совершенством оснащения и глубиной методического подхода к проводимым исследованиям.

Опыт экспериментальных исследований показывает, что для введения поправок в результат преобразования полезно использовать формирование единичных тарировочных сигналов заданного размера. Этот сигнал может подаваться одновременно с входной величиной.

Важной характеристикой является время преобразования сигнала в датчике (время реакции). По виду переходного процесса, возникающего при подаче на вход датчика ступенчатой известной по размеру величины, датчики можно отнести к апериодическим, дифференцирующим, интегрирующим или колебательным звеньям динамической системы. Эти звенья могут быть соединены последовательно, параллельно и встречно. Динамика цифровых устройств определяется временем, последовательностью и количеством выполнения операций преобразования сигнала.

Постоянные времени датчиков различны. Например, постоянная времени выпускаемых промышленностью терморезисторов находится в пределах от десятых долей секунды до десятков секунд, термопар  от десятков секунд до нескольких минут, для радиационных, яркостных, цветовых и фотоэлектрических пирометров  порядка десятых и сотых долей секунды. Для кратковременного применения можно изготовить термопары и терморезисторы из тонких (диаметром порядка
50 мкм) калиброванных проволок и добиться уменьшения постоянных времени таких датчиков до десятков миллисекунд. Если же термодатчики размещены в защитной оболочке, то тогда постоянная времени их существенно увеличивается.

Динамические свойства датчиков зачастую определяют быстродействие всего измерительного устройства. Имеются методы коррекции динамических характеристик путем введения обратных связей по производным от входной величины и других приемов, позволяющих на порядок уменьшить инерционность устройств.

2 ОДНОМЕРНЫЕ МНОГОСТУПЕНЧАТЫЕ ДАТЧИКИ

2.1 Варианты построения и метрологические характеристики

В технике измерений широко применяются многоступенчатые датчики, т.е. датчики, принцип действия которых основан на использовании нескольких физических эффектов.

Причины применения многоступенчатых датчиков:

  • отсутствие физических эффектов, преобразующих входную величину непосредственно в электрический измерительный сигнал;

  • расширение функциональных возможностей традиционных и хорошо себя зарекомендовавших в измерительной практике одноступенчатых датчиков;

  • возможность минимальных изменений датчика определенной величины с целью его применения при измерении другой входной величины;

  • повышение требований к условиям их эксплуатации;

  • использование при проведении специальных измерений;

  • осуществление бесконтактного метода измерения.

Одной из причин создания таких датчиков является отсутствие физических эффектов, преобразующих входную величину непосредственно в электрический измерительный сигнал. Широкое распространение получили двухступенчатые датчики механических величин. Давление, например, можно воспринять мембраной (первая ступень преобразования), деформация которой преобразуется в электрическую величину тензопреобразователем (вторая ступень преобразования).

На рисунке 15 показан фрагмент конструкции высокочувствительного емкостного датчика давления, предназначенного для работы в области низких температур.

Принцип действия датчика следующий. Измеряемое давление через капилляр 1 подается в подмембранную камеру 10. Корпус 4 и мембрана 3 изготовлены из бериллиевой бронзы. К выступу мембраны через изолирующую прокладку прикреплена подвижная пластина 8 емкостного преобразователя. Неподвижная пластина 7 вгоняется в основание 5 в виде конусной пробки, обернутой изолирующей пленкой 6. Таким образом, обе пластины емкостного преобразователя изолированы от корпуса. Сопрягающие плоскости корпуса и основания обрабатываются совместно с электродами емкостного преобразователя после закрепления электродов на корпусе и в основании. Благодаря такой обработке и изолирующей прокладке 9 устанавливается зазор между электродами емкостного преобразователя около 1520 мкм. Емкость изготовленного преобразователя равна 30 пФ. Порог чувствительности составил 10-14 м.

1 – капилляр в пробке 2; 3 – мембрана корпуса 4; 5 – основание; 6  изолирующая пленка; 7 – конус (обкладка конденсатора);
8 – пластина (обкладка конденсатора); 9 – прокладка;
10 – подмембранная камера

Рисунок 15 – Схема двухступенчатого емкостного датчика давления

Второй причиной использования многоступенчатых датчиков является расширение функциональных возможностей традиционных и хорошо себя зарекомендовавших в измерительной практике одноступенчатых датчиков. Например, ртутные стеклянные термометры расширения до сих пор широко используются, в частности, в химической промышленности. Простота их реализации, широкий диапазон измерения температур (от минус 55 до плюс 700 °С), отсутствие источника внешнего питания, равномерность шкалы измерения, химическая инертность стеклянного корпуса  все эти преимущества обеспечивают «долгожительство» термометров расширения.

К одному из недостатков таких термометров следует отнести отсутствие выходного электрического сигнала и, как следствие, невозможность дистанционной передачи показаний. На рисунке 16 приведена конструкция двухступенчатого термометра расширения, лишенного указанного выше недостатка.

1 – стеклянный ртутный термометр; 2 – обмотка индуктивности

Рисунок 16 – Конструкция двухступенчатого датчика температуры

Принцип действия такого датчика очень прост. При перемещении ртути по капилляру (первая ступень) изменяется индуктивность L обмотки 2 (вторая ступень), к которой подключен источник переменного напряжения (индуктивный преобразователь).

Третьей причиной использования многоступенчатых датчиков является возможность минимальных изменений датчика определенной величины с целью его применения при измерении другой входной величины.

При измерении оптического излучения используются термоэлементы, одна из конструкций которых показана на рисунке 17.

1 – металлический диск; 2  слой черни;
3 – дифференциальная термопара

Рисунок 17 – Конструкция двухступенчатого датчика оптического
излучения

Принцип действия таких многоступенчатых датчиков основан на преобразовании энергии оптического излучения в тепловую энергию.

Диск покрыт слоем черни, поглощающей оптическое излучение. Коэффициент поглощения чернёной поверхности приблизительно равен единице, если слой черни имеет толщину, превышающую максимальную длину волны излучения. Для ультрафиолетового и инфракрасного излучения толщина черни 3040 мкм. Диск нагревается, и выходной сигнал термопары (ЭДС) несет информацию об интегральной мощности падающего излучения. Эта ЭДС не зависит от спектрального состава излучения. Для уменьшения конвективных потерь элементы датчика помещают в стеклянный баллон, в котором создают вакуум. Баллон имеет специальные окна из кварцевого стекла, которое прозрачно для ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Четвертая причина увеличения количества используемых физических явлений в датчиках  это повышение требований к условиям их эксплуатации.

При измерении влажности газов широко используются алюминиево оксидные преобразователи (емкостные датчики), структурная схема которых изображена на рисунке 18.

1 – подложка; 2 – окись алюминия; 3 – электрод

Рисунок 18 – Схема двухступенчатого емкостного датчика влажности газов

Датчик состоит из алюминиевой подложки 1, на которой электрохимическим окислением сформирована окись алюминия (А12О3). На эту окись вакуумным напылением нанесены «прозрачные» для молекул воды тонкие слои золота и серебра 3. В рассматриваемом датчике, несмотря на кажущуюся простоту его конструкции, используются два физических явления: сорбция и электропроводность, т.е. он является двухступенчатым.

Сорбция – поглощение жидким или твердым телом (сорбентом) какого-либо вещества (сорбата) из окружающей среды.

Такой датчик, выпускаемый фирмой «Testoterm» (Германия), позволяет измерять влажность воздуха в диапазоне от 2 до 90 %, имеет погрешность 2 % и постоянное время реакции около 1 с. Метрологические характеристики датчика довольно высоки, если учесть, что отечественный эталонный генератор влажности воздуха «Родник-2» имеет основную погрешность преобразования, равную 1 %. Этот датчик предназначен для использования при температурах от 0 до 40 °С.

На рисунке 19 приведена конструкция четырехступенчатого электролитического датчика влажности, пригодного для эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 50 до плюс100 °С.

1 – корпус из диэлектрика; 2 – платиновый термометр сопротивления; 3 – стекловолокно, пропитанное хлористым литием; 4 – нагреватель; 5 – выводы источника переменного тока; 6 – выводы термометра
сопротивления

Рисунок 19 – Конструкция четырехступенчатого датчика влажности воздуха

Датчик состоит из изоляционной трубки-корпуса 1, который обернут тканью 3, пропитанной хлористым литием. На корпус также намотана обмотка нагревателя 4. Внутрь корпуса помещен датчик температуры  термометр сопротивления 2. В данном случае используются два свойства хлористого лития. Во-первых, он является гигроскопичным веществом, поглощающим из воздуха молекулы воды (явление сорбции). Во-вторых, возникающий при этом водный раствор хлористого лития представляет собой электролит, способный проводить электрический ток (явление электропроводности жидких сред). При подключении нагревателя 4 к источнику переменного тока 5 возникает ток, ведущий к нагреву всего датчика (эффект Джоуля). Проводимость обмотки увеличивается, и влага испаряется. В итоге устанавливается равновесное состояние между фазой водяного пара и жидкой фазой. Температура, устанавливающаяся автоматически в этом равновесном состоянии, является мерой концентрации водяных паров в окружающей среде.

Многоступенчатые датчики используются при проведении специальных измерений (пятая причина), например, при измерении энергии микрочастиц, где требуется высокая чувствительность. На рисунке 20 показана упрощённая конструкция сцинтилляционного детектора ядерного излучения (γ-частиц).

1 – сцинтиллятор (NaJ); 2 – фотокатод; 3 – динод; 4 – анод; 5  источник постоянного напряжения

Рисунок 20 – Конструкция четырехступенчатого датчика радиации

Чувствительным элементом такого датчика является вещество 1, которое позволяет преобразовать энергию попадающей активной частицы в кванты света (явление флуоресценции).

Гамма-частицы детектируются фотоумножителем по эффекту сцинтилляции, которые вызываются электронами. В фотоумножителях для усиления первичного фототока помимо фотокатода 2 и анода 4 используются вторичные катоды (диноды 3) и система фокусировки электронного пучка. Высокоэнергетичные электроны, бомбардируя поверхность фотокатода, выбивают электроны из его поверхности (явление вторичной электронной эмиссии). Эти электроны фокусируются электростатическим полем на первый из последовательно расположенных электродов  динодов, покрытых материалом, для которых вторичная электронная эмиссия значительна (эффект Комптона). Потенциалы к последовательно расположенным динодам подводятся от резистивного моста (подключенного к источнику постоянного напря-жения 5) и непрерывно возрастают от динода к диноду таким образом, что вторичные электроны, вылетевшие из k-го динода, фокусируются на k+1 диноде. При этом каждый из электронов выбивает несколько вторичных электронов и осуществляется процесс их «умножения». Амплитуда выходного сигнала пропорциональна теряемой энергии частицы и зависит от ее природы.

Многоступенчатые датчики применяются тогда (шестая причина), когда по условиям измерительной задачи требуется осуществить бесконтактный метод измерения. Например, тепловой датчик массового расхода жидкости (рисунок 21) состоит из тонкостенной трубки 1, на поверхность которой намотана обмотка 2 нагревателя.

1 – трубка; 2 – обмотка нагревателя; 3, 4 – чувствительные элементы температуры, например, термометры сопротивления

Рисунок 21 – Схема двухступенчатого датчика массового расхода
жидкостей

При подключении обмотки к источнику тока U происходит ее нагрев (эффект Джоуля). С противоположных от нагревателя двух сторон симметрично установлены два чувствительных элемента температуры 3, 4, воспринимающих соответственно температуру Т1 выше по потоку и температуру Т2 ниже по потоку нагревателя. Когда расход жидкости равен нулю, нагрев симметричен и Т1=Т2. При наличии расхода температура Т1 уменьшается, а температура Т2 увеличивается. Разность этих температур пропорциональна массовому расходу.

В многоступенчатых датчиках имеется возможность введения в конструкцию элементов компенсации (коррекции) его погрешности. На рисунке 22 показана конструкция трёхступенчатого датчика давления, в котором компенсация его дополнительных погрешностей производится с помощью процедуры сравнения входной величины с мерой.

1 – мембрана; 2 – тензорезистивный мост; 3 – упругий чувствительный цилиндрический элемент; 4 – электроды; 5 – узел поджатия; 6 – узел создания принудительных эталонных деформаций; 7 – пьезоэлемент;

8 – силопередающий элемент

Рисунок 22 – Конструкция трехступенчатого датчика давления

Датчик работает следующим образом. Измеряемое давление через мембрану 1 и силопередающий элемент 8 вызывает деформацию чувствительного элемента, а следовательно, сопротивления тензорезисторов моста 2. С другой стороны, на электроды 4 узла принудительных эталонных деформаций 6, состоящего из пьезоэлемента 7, помещенного внутрь чувствительного элемента 3, подается известное эталонное электрическое напряжение Uэтал, вызывающее деформацию чувствительного элемента 3 (обратный пьезоэффект). Так как пьезоэлемент жестко связан с упругим чувствительным элементом 3, эта деформация вызывает соответствующую деформацию чувствительного элемента и изменение сопротивлений тензорезистивного моста 2. Размер деформации узла 6 является эталонной величиной (мерой).

Таким образом, осуществляется компенсация дополнительных погрешностей датчика давления, например, от влияния температуры окружающей среды. Узел эталонных деформаций может быть выполнен в виде магнитострикционного преобразователя, термодеформационного преобразователя и др. Размер эталонных деформаций, создаваемый узлом 6, может задаваться дискретно или непрерывно, в зависимости от применяемого метода измерений. В случае применения нулевого метода измерений происходит процесс постоянного сравнения измеряемой величины с «мерой». Компенсация воздействия влияющих величин оказывается более полной.

2.2 Метрологические характеристики многоступенчатых
датчиков

Многоступенчатые датчики в большинстве случаев не уступают по своим метрологическим характеристикам одноступенчатым датчикам. На качественные свойства датчика как средства измерений влияют эффективность и обоснованность выбора физического явления при реализации датчика конкретной величины, а также степень чистоты материала чувствительного элемента и наличие у него требуемых свойств.

Например, представим, что по условиям измерительной задачи необходимо измерить температуру в области низких температур от 70 до 273 К с максимально возможной точностью. При использовании одноступенчатого датчика-термопары (эффект Зеебека) в заданном диапазоне обеспечивается погрешность порядка 0,51 %. Это связано с низкой чувствительностью термопар, с необходимостью обеспечения стабилизации или компенсации температуры холодных спаев термопары и другими причинами.

В случае выбора термопреобразователя, основанного на ядерном квадрупольном резонансе, достигается более высокая точность в заданном диапазоне измерения.

Ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) резонансное поглощение радиоволн, обусловленное квантовыми переходами ядер между энергетическими состояниями с различной ориентацией электри-ческого квадрупольного момента ядра. Используется для определения квадрупольных моментов ядер, симметрии и структуры кристаллов.

Принцип действия этой измерительной установки основан на двух физических явлениях: прецессии атомных ядер, обладающих квадрупольным моментом, и явлении резонансного поглощения излучения веществом. При этом используется зависимость частоты поглощения высокочастотных колебаний в некоторых веществах от температуры (рисунок 23). Например, частота поглощения хлората калия (KClO3) при 0 °С составляет 28 213 421 ±2 Гц.

1 – цилиндр; 2 – катушка индуктивности; 3 – соль (KClO3); 4 – трубка;

5 – электрический вывод катушки 2; 6 – изоляционные втулки

Рисунок 23 – Конструкция двухступенчатого датчика температуры

Датчик температуры состоит из цилиндра 1, в котором размещена катушка индуктивности 2 генератора высокочастотных колебаний, окруженная термочувствительной солью 3. Полость датчика вакуумируется и заполняется инертным газом (гелием). С помощью измерительной установки катушка индуктивности подключается к высокочастотному LC-генератору и производится автоматический поиск и настройка на частоту ЯКР. Установки, в которых используется ЯКР одних и тех же ядер в образцах идентичного состава, имеют одинаковую и стабильную зависимость частоты ЯКР от температуры. Датчик с чувствительным элементом из хлората калия обеспечивает измерение температуры в диапазоне от 77 до 303 К с абсолютной погрешностью
±0,005...0,015 К.

Идентичность и стабильность градуировочных характеристик ЯКР датчиков в сочетании с частотным выходом позволяет использовать их при дистанционных измерениях температуры в метеорологии, океанографии и других областях. Кроме того, ЯКР-датчики применяются при создании эталонов температуры, например при воспроизведении практической температурной шкалы.

Следует учесть, что в многоступенчатых датчиках физические эффекты не обязательно образуют только лишь последовательную цепь при преобразовании измерительных сигналов. Они могут быть использованы параллельно и способствовать повышению качественных характеристик датчика. Например, при измерении влажности газов распространены конденсационные датчики (датчики точки «росы»). Принцип действия такого многоступенчатого датчика основан на следующем (рисунок 24).

1 – основание; 2 – корпус; 3 – зеркало; 4 – окно; 5 – фоторезистор;

6 – осветительный блок; 7 – источник излучения; 8 – терморезистор;

9 – нагреватель сопротивления; 10 – охладитель (элемент Пельтье)

Рисунок 24 – Пятиступенчатый датчик влажности воздуха

При равномерном охлаждении некоторого объёма газа парциальное давление составляющих газового состава и водяного пара остается постоянным до момента насыщения (конденсация пара). При этом существует зависимость давления насыщенного пара над плоской поверхностью воды от температуры (принцип Реньо).

Принцип Реньо: (гигрометр, гигроскоп, метеорологические приборы для измерения влажности воздуха) непосредственный способ определения влажности воздуха состоит в пропускании определенного объема воздуха через поглощающие воду вещества. Взвешивание последних до и после опыта дает абсолютное количество воды в граммах в данном объеме. Определение парциального давления (влажности газа) сводится к измерению температуры насыщения.

Основными элементами такого датчика являются зеркало 3, система регулирования его температуры, состоящая из охладителя 10 и нагревателя 9, и чувствительный элемент температуры 8. Источник света 7 освещает металлическое зеркало таким образом, что при отсутствии конденсата влаги на нём свет не попадает на фотоприёмник 5. Затем зеркало охлаждается (эффект Пельтье) вплоть до появления росы.

Эффект Пельтье – термоэлектрическое явление, обратное эффекту Зеебека: при пропускании электрического тока I через контакт (спай) двух различных веществ (проводников или полупроводников) на контакте, помимо Джоулева тепла, происходит выделение дополнительного тепла Пельтье QP при одном направлении тока и его поглощение при обратном направлении.

При появлении росы или инея рассеянный свет попадает на фотоприёмник и зеркало начинает подогреваться с помощью нагревателя сопротивления 9 (эффект Джоуля). При повышении температуры роса и соответственно рассеянный свет исчезают и вновь производится охлаждение зеркала. Терморезистор 8, закрепленный на обратной стороне зеркала, измеряет температуру при появлении росы (термоэлектрическая зависимость), по которой судят о влажности газа.

Несмотря на большое количество эффектов, используемых в принципе действия рассматриваемого датчика, его метрологические характеристики превышают характеристики более простых двухступенчатых датчиков. Следует заметить, что и при последовательном сочетании физических эффектов в многоступенчатых датчиках в ряде случаев удаётся достигнуть приемлемых метрологических характеристик датчиков конкретных величин. Задача нахождения таких сочетаний относится к оптимизационным задачам. В качестве примера на рисунке 25 схематично приведена структура конструкции трехступенчатого датчика сверхнизких температур.

1 – сверхпроводящее кольцо; 2 – резистивный участок;
3 – переход Джозефсона; 4 – LC-контур

Рисунок 25 – Конструкция трехступенчатого датчика температуры

В этом датчике реализован термошумовой метод измерения температуры. Чувствительным элементом датчика является резистивный переход 2 сверхпроводящего кольца 1, переход Джозефсона 3 которого индуктивно связан с LC-контуром. Резистивный участок 2 с сопротивлением R = 10-5 Ом служит источником тепловых шумов (шумов Найквиста). Так как напряжение шумов может принимать значение, близкое к нулю, то через резистор R пропускают ток смещения I = 10-6 А. Таким образом, к переходу 3 приложена сумма напряжения теплового шума и начального напряжения. В соответствии с нестационарным эффектом Джозефсона приложенное напряжение вызывает через переход 2 переменный ток, который модулирует высокочастотное напряжение на
LC-контуре. В данном случае переход Джозефсона используется как преобразователь напряжение частота. Напряжение с контура подается в дальнейшем на усилитель высокой частоты. Затем выделяется сигнал переменного тока, флуктуации частоты которого несут информацию об измеряемой температуре. Практически реализованные средства измерений с таким датчиком позволяют измерять температуру с погрешностью около 1 %.

Переход Джозефсона. Теория сверхпроводимости БардинаКупераШриффера объясняет, почему при сверхнизких температурах электрическое сопротивление ряда веществ падает практически до нуля, так что электрический ток может циркулировать в них без потерь очень долго. В основе этого механизма лежит спаривание электронов по Куперу, смысл которого заключается в том, что спаренные электроны с противоположно направленным спином практически перестают испытывать сопротивление со стороны проводника, в отличие от одиночных электронов, обеспечивающих электропроводность в обычных условиях.

В 1962 году Брайан Джозефсон установил, что два сверхпроводящих слоя, разделенные ничтожно тонкой прослойкой изолятора всего в несколько атомов толщиной, будут вести себя как единая система. Применив к такой системе принципы квантовой механики, он показал, что куперовские пары будут преодолевать этот барьер (теперь его принято называть переходом Джозефсона) даже при отсутствии приложенного к ним напряжения. Существование электрического тока подобного рода вскоре было подтверждено экспериментально, а сам эффект также получил название стационарного эффекта Джозефсона.

Если же приложить постоянное напряжение по обе стороны перехода, квантовая механика предсказывает, что куперовские пары электронов начнут перемещаться через барьер сначала в одном направлении, а затем в обратном, в результате чего возникнет переменный ток, частота которого увеличивается по мере роста напряжения. Этот эффект получил название нестационарного эффекта Джозефсона. Поскольку частоту тока можно измерить с большой точностью, эффект переменного тока теперь используется для высокоточной калибровки напряжений.

Однако, пожалуй, самое распространенное практическое применение эффекта Джозефсона вытекает из другого прогноза, даваемого квантовой механикой. Если сделать небольшой сверхпроводящий контур с двумя встроенными переходами Джозефсона на каждом конце, а затем пропустить по нему ток, мы получим прибор под названием «сверхпроводниковый квантовый интерферометр», или СКВИД (от английского SQUID  Superconducting QUantum Interference Device).
В зависимости от интенсивности внешнего электромагнитного поля ток в его цепи может изменяться от нуля (когда токи, идущие от двух переходов, взаимно гасятся) до максимума (когда они однонаправлены и усиливают друг друга).

Сверхпроводниковый квантовый интерферометр  самый точный на сегодняшний день прибор для измерения магнитных полей и при этом весьма компактный. Он находит самое широкое практическое применение в самых разных областях, начиная с предсказания землетрясений и заканчивая медицинской диагностикой. А учит нас история эффекта Джозефсона тому, что самое отвлеченное, казалось бы, физическое открытие может принести колоссальную практическую пользу.

Шумы Найквиста. В 1928 г. Джон Б. Джонсон обнаружил и Гарри Найквист объяснил явление теплового шума. В отсутствии тока, приложенного к электрическому сопротивлению, среднее квадратичное напряжение зависит от сопротивления R, kBT и ширины частотного диапазона измерений Δν.

В заключение отметим, что при измерении многих физических величин, таких как давление, влажность газов, концентрация различных веществ, широко используются двух-, трёхступенчатые датчики (из-за отсутствия подходящих единичных физических эффектов) для реализации принципа действия соответствующего одноступенчатого датчика с требуемыми метрологическими характеристиками.

2.3 Поиск набора последовательности физических явлений

2.3.1 Основные положения

Целесообразность поиска набора физических величин в многоступенчатом датчике определяется, во-первых, тем, что количество физических эффектов, проявляющихся в разнообразных веществах, достигает нескольких тысяч. Во-вторых, тем, что количество сочетаний сигналов различного вида энергий, веществ, участвующих в алгоритмах восприятия, а также входных величин астрономически велико. Для автоматизации процесса поиска набора физических явлений необходимы формализация поставленной задачи и разработка модели, описывающей преобразования сигналов в будущей структуре многоступенчатого датчика. При описании преобразований сигналов в датчике также необходим единый математический, физический или другой обобщающий аппарат, который был бы независим от физической природы входных величин и преобразований.

Известен энергоинформационный метод анализа и синтеза чувствительных элементов датчиков. Этот метод может быть использован при поиске набора физических эффектов многоступенчатых датчиков некоторых величин. Для поиска принципов действия датчиков предложены информационные модели цепей различной физической природы: электрической; магнитной; механической (линейной); механической (угловой); тепловой; гидравлической и влагопереносной. В качестве обобщенных величин и их параметров для этих цепей используются: воздействие; реакция; заряд; импульс; сопротивление (проводимость); емкость (жесткость) и индуктивность (дедуктивность). Аналитически описаны критерии, выражающие связь между величинами и параметрами: энергетический, статистический, динамический, параметрический и распределённый (для систем с сосредоточенными и с изменяющимися во времени и пространстве параметрами). Для характеристики физических явлений имеется восемь типов элементарных звеньев параметрических структурных схем. Метод позволяет совместить процедуры автоматического выбора принципов действия и проектирования датчика, он оснащён средствами информационной поддержки проведения всех необходимых работ по разработке датчиков. Однако использование этого метода при поиске принципов действия датчиков затруднено по следующим причинам. Во-первых, предложенные величины и параметры приняты условно, выбор их номенклатуры не обоснован. Во-вторых, отсутствуют аналитические выражения для некоторых величин и параметров рассматриваемых цепей, например, индуктивности для тепловой цепи и цепи влагопереноса и др.
В-третьих, возникает необходимость разработки аналогов величин и параметров для «цепей» оптической, химической, акустической и радиационной природы. Действительно, химическую «цепь»энергию нужно рассматривать как совокупность механической, тепловой и электрической энергии и определять степень их «участия» в этой «цепи». В-четвертых, в этом методе используется только энергетический анализ и критерием оценки эффективности принципа действия датчика служит «совокупность эксплуатационных характеристик» существующих датчиков. В данном случае затруднительно найти новый и эффективный принцип действия. Кроме того, эксплуатационные характеристики датчика зависят не только от выбранной совокупности физических явлений, но и от применяемых материалов чувствительных элементов и других причин. В-пятых, рассматриваемый метод не может быть использован при поиске прин­ципов действия, например, многомерных многоступенчатых датчиков.

Для поиска принципов действия многоступенчатых датчиков предложен «вещественно-энергетический» метод описания процессов, происходящих в датчике. Можно утверждать, что основой аналоговой информационно-измерительной техники являются не только традиционно рассматриваемые энергетические преобразования, но и преобразования вещества, происходящие в измерительных элементах. Под преобразованиями вещества понимается изменение свойств чувствительных элементов датчиков. Общеизвестно, что энергия характеризует общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи.

Вещество  это качественная сущность вида материи, и его состояние можно представить эквивалентной энергией. Целесообразность рассмотрения энергетических преобразований обусловлена взаимосвязью энергии сигнала с измерительной информацией. Но и преобразования энергии вне вещества не происходит. Поэтому очевидна необходимость целенаправленного и совместного рассмотрения характерных особенностей преобразований энергии и вещества, происходящих при формировании измерительных сигналов.

Для создания единого подхода разработан специальный, классификационный перечень большинства измеряемых величин. Они условно разбиты на величины с «вещественными» и «энергетическими» свойствами. Под такими свойствами понимаются признаки измеряемых величин, составляющие их отличительную особенность по отношению к веществу или энергии. Например, электрические величины, такие как ток, заряд, обладают «энергетическими» свойствами, а величины типа сопротивления, емкости – «вещественными». Кроме того, не ограничивается количество физических явлений в синтезируемом принципе действия, как это традиционно принято.

Основные положения методики поиска структур преобразований вещества и энергии измерительных сигналов следующие:

1) Выделяются механический, тепловой, акустический, электрический, магнитный, оптический, ионизационный и химический виды энергии.

2) Считается, что сформированные сигналы отражают причинно-следственные связи протекающих преобразований.

3) Показывается, что на основе анализа этих связей можно обосновать обобщенные физические величины и построить эквивалентные математические уравнения, необходимые при описании преобразований измерительных сигналов, различных по физической природе.

4) Учитывается, что методы измерения любых физических величин построены на общих закономерностях преобразований видов энергии и свойств веществ.

5) Принимается, что в закономерностях преобразований в веществе видов энергии проявляются свойства однородности и изотропности преобразований.

При этом под однородностью преобразований понимается равная возможность участия всех видов энергии и свойств веществ при построении структуры преобразований любой физической величины, а под изотропностью – равноправие всех комбинаций (сочетаний) видов энергии и свойств веществ в выявляемых алгоритмах преобразований измерительных сигналов в аналоговой части средств измерений.

При анализе эффективности синтезируемых принципов измерений используется теория измерительных преобразователей, представляемых в виде электрических четырёхполюсников.

При изучении любого явления, состоящего во взаимодействии двух величин, допускается принимать одну величину за причину (воздействие), а другую – за следствие (реакцию) (таблица 1).

Таблица 1 – Обобщенные величины для различных видов энергии

Виды энергии Э*

Обобщенные величины

напр. причина U*

ток
(следствие) I*

заряд q*

сопротив-

ление R*

Электрическая ЭЕ

U

I=dq/dt

Q=CU

R

Магнитная ЭН

Fh

dФ/dt

Ф=LFH

Механическая ЭF

F

V=dl/dt

L=F/D

Акустическая ЭР

p

dV/dT

V

Тепловая

ЭТ

gradT

lCv

Оптическая ЭJ

H

Ионизационная ЭR

Dn

dm/dt

m

Химическая ЭC

dN/dt

N

В средствах измерений в первую очередь необходимо рассматривать процесс преобразований, происходящих в аналоговой части, который характеризуют носители информации  потоки энергии сигналов. Эти потоки энергии представлены в виде двух величин: воздействия и реакции. Например, поток электрической энергии описывается произведением напряжения и тока. Напряжение рассматривается как воздействие, а ток  как реакция. Под обобщенным же зарядом понимается свойство материи к взаимодействию, способность реагировать на различные воздействия во времени. Например, для химической энергии обобщенным зарядом является концентрация вещества. Чем больше концентрация вещества, тем выше его способность к химическим превращениям (реакциям). Обобщенное сопротивление для любого вида энергии определялось отношением воздействия и вызванной им реакции. Эта величина характеризует присущую материи способность оказывать сопротивление внешним воздействиям.

3 МНОГОМЕРНЫЕ ДАТЧИКИ

Под многомерными понимаются датчики, воспринимающие и преобразующие несколько входных величин.

В них должны выполняться раздельное восприятие входных величин, а также выдача о них измерительных сигналов. Помимо того что датчики должны быть избирательными к входным величинам, от них требуется малочувствительность к помехам. Желательно, чтобы они имели малые габариты и массу, были технологичными при изготовлении, оказывали минимальное воздействие на исследуемый объект и обладали заданными метрологическими характеристиками.

3.1 Методы разделения входных величин

Основные методы разделения входных величин:

1. Метод «приведения». Заключается в организации селективных каналов восприятия величин. Он предусматривает объединение нескольких чувствительных селективных элементов в одном датчике и параллельное восприятие входных величин. На этом методе основано функционирование селективных многомерных датчиков не с простым объединением чувствительных элементов, а с конструктивно переработанной их комбинацией, например, для уменьшения габаритов и массы, совместного многофункционального использования выводов и материалов выводов в качестве вещества чувствительных элементов.

2. Метод «исключения». Предусматривает коммутацию или выборочное временное «исключение» воздействия заданных величин. При использовании этого метода восприятие входных величин происходит последовательно во времени.

3. Метод «воздействия». Заключается в изменении дополнительной энергии воздействия при активном восприятии пассивных величин. В частности, к нему относятся изменения частотного спектра при изменении энергии воздействия.

4. Метод перестройки параметров и режимов работы датчика. При восприятии каждой из измеряемых величин у датчика искусственно изменяется режим его работы. Восприятие выходных величин при использовании этого метода происходит последовательно во времени.

На практике наиболее распространены многомерные селективные датчики. Методы «исключения», «воздействия» и «перестройки» являются основой перестраиваемых многомерных датчиков.

Итак, будем различать селективные и перестраиваемые многомерные датчики.

Далее остановимся на описании многомерных датчиков, в которых используются рассмотренные методы разделения входных величин.

3.2 Двухмерные датчики

В конструкции датчика (рисунок 26) для измерения напряженности магнитного поля и температуры использован метод «приведения».

1 – подложка; 2 – нитевидный монокристалл; 3 – золотой электрод;

4 – токовые электроды; 5 – «холловские» электроды

Рисунок 26 – Конструкция датчика измерения температуры
и магнитного поля (H)

На подложку нанесен элемент Холла, изготовленный из нитевидного монокристалла InSb, содержащего токовые и «холловские» электроды. Для измерения температуры используется сопротивление контакта, образуемого пятым электродом. Размеры чувствительного элемента такого датчика 0,50,00050,02 мм3. Датчик испытан в диапазоне магнитной индукции от 0 до 3 Тл и температуре от 77 до 350 К.

Двухмерный датчик для измерения температуры и относительной влажности воздуха (рисунок 27) из пористой керамической подложки с электродами (являющейся чувствительным элементом влажности) основан на методе «воздействия».

1 – подложка; 2 – термочувствительный элемент;
3 – контактные площадки

Рисунок 27 – Конструкция двухмерного датчика для измерения
температуры (T) и относительной влажности воздуха ()

На одну из его поверхностей дополнительно нанесен термочувствительный элемент. Измерение влажности ведется на переменном токе, а температуры на постоянном токе.

Перестраиваемый двухмерный датчик фирмы (метод «воздействия») построен на базе керамики из пористого полупроводника p-типа. Датчик состоит из керамики с оксидно-рутениевыми электродами, к которым приварены выводы нагревателя и подложки (рисунок 28).

В данном случае используется явление адсорбции (концентрация вещества на поверхности раздела с твердым телом) влаги керамикой с соответственным изменением ее активного сопротивления. При измерении же температуры используется изменение емкостной составляющей.

Схема двухмерного датчика, основанного на методе «приведения», где в качестве чувствительного элемента использован нитевидный кристалл со сформированными на нем точечными контактами, показана на рисунке 29. Участок с проводимостью р типа такого монокристалла служит тензочувствительным элементом. Участок с
р-n-переходом используется для измерения температуры.

1 – подложка; 2 – выводы нагревателя; 3 – выводы керамики;
4 – клеммы; 5 – оксидно-рутиниевые электроды; 6 – керамика;
7  нагреватель

Рисунок 28 – Конструкция двухмерного датчика,
основанного на методе воздействия

1 – монокристалл кремния; 2 – p-n-переход

Рисунок 29 – Схема датчика измерения механических усилий (F)
и температуры (T)

Интересен перестраиваемый двухмерный датчик из материала с доменной структурой, выходной сигнал которого функционально связан с несколькими входными величинами (деформация и температура). Использование в качестве чувствительного элемента поляризованного сегнетоэлектрического материала  пьезокерамики  позволило создать датчик, работающий одновременно как в генераторном (на основе пьезоэффекта), так и в параметрическом режиме.

При этом оказалось возможным управлять в некоторых пределах параметрами датчиков внешним полем, изменяя пьезочувствительность и ряд электрофизических характеристик (метод «перестройки»). Для построения такого рода многомерных датчиков используются сегнетоэлектрики группы цирконата титаната свинца  ЦТС и ниобата лития, так как первые из них позволяют синтезировать разнообразные виды пьезокерамики, в том числе и пленочные, а другие, имеющие высокую точку Кюри (до 1200 °С),  разрабатывать высокотемпературные многомерные датчики.

Двухмерный датчик для наблюдения за динамикой роста и температурой растений (рисунок 30) выполнен в виде полимерной пленки, на поверхность которой вакуумной сублимацией последовательно нанесены слои первого электрода, органического пьезоэлектрического материала (на основе полициклических соединений) и второго электрода.

1 – полимерная плёнка; 2, 4 – электроды; 3  пьезоэлемент

Рисунок 30 – Конструкция датчика измерения динамики роста ()
и температуры (С)

Многомерный датчик с помощью клеящей структуры основания обертывается вокруг стебля и закрепляется на нем. Прирост стебля по толщине вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на нем электрического заряда.

Изменение же температуры изменяет электрическую проводимость (емкость) пьезоэлемента.

Перспективы использования пьезоматериалов при создании многомерных датчиков обусловлены их следующими достоинствами:

1) высокой технологичностью, так как они могут быть изготовлены в виде элемента любой формы и любых размеров;

2) возможностью изготовления элементов с помощью интегральной технологии, в том числе и тонкопленочной;

3) высокой стойкостью к воздействию агрессивной среды;

4) хорошей радиационной стойкостью;

5) высоким температурным диапазоном эксплуатации;

6) малым уровнем шумов Найквиста и высокой помехозащищенностью;

7) отсутствием дополнительных источников энергии при преобразовании деформации в электрический сигнал;

8) высокими метрологическими характеристиками при преобразовании механической энергии в электрическую.

Большие перспективы при создании многомерных датчиков имеют полупроводниковые материалы. Электрические характеристики этих материалов зависят от множества внешних факторов: температуры, влажности, освещенности, деформации, газового состава, напряженности магнитного поля, радиации и др. Датчики также можно изготовлять по отработанной интегральной технологии. В частности, использование электронной рентгеновской фотолитографии позволяет получать датчики, небольшие по размеру и массе. Миниатюрные размеры чувствительного элемента, в свою очередь, определяют их хорошие частотные свойства, а групповой способ производства, включая автоматическую настройку параметров элементов датчиков, обеспечивает низкую стоимость. Кроме того, полупроводниковые материалы имеют высокую степень чистоты, что является основой для создания многомерных датчиков с достаточно высокими метрологическими характеристиками.

Кроме пьезоэлектрических, керамических и полупроводниковых материалов, для разработки многомерных датчиков могут быть рекомендованы волоконно-оптические преобразователи. Малые размеры световодов (диаметр до нескольких микрометров), нечувствительность к электромагнитным полям, совершенная электрическая изоляция, отсутствие дополнительных источников для передачи излучения, высокие оптические и механические свойства позволяют создавать датчики с высокой чувствительностью к измеряемым величинам, надежностью и механической прочностью. Стойкость к воздействию химической среды, высокая гибкость, упругость и жесткость снижают требования к конструкции датчика и затраты на их изготовление.

В заключение остановимся на некоторых перспективах использования многомерных датчиков.

Возможность получения с помощью многомерных датчиков информации о нескольких входных величинах, действие которых сосредоточено в относительно небольшом пространстве, определяет их использование при решении ряда научно-исследовательских и производственных задач.

Взаимная коррекция сигналов при измерении нескольких физических величин может способствовать повышению точности измерения этих величин и практическому использованию чувствительных элементов из «нестабильных» материалов, для которых характерна высокая чувствительность. Применение таких материалов в обычных датчиках весьма ограничено. Единая технология производства чувствительного элемента и измерительно-преобразующей части многомерного датчика позволяет создать технические средства с расширенными возможностями.

В медицинских исследованиях при оценке функционального состояния пациента также возникает потребность измерять несколько входных величин (сопротивление электрическому току, биоэлектрические потенциалы и др.). Такая проблема возникает при диагностике различных заболеваний биофизическими методами исследования, когда необходимо измерять несколько физических величин в локальной области участка исследуемой ткани.

Подобные задачи требуется решать и при диагностике состояния различных машин и механизмов. Например, при исследовании рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания необходимо измерять в камере сгорания статическое и динамическое давление, температуру в момент воспламенения топлива, концентрацию кислорода и ряд других величин. Такого рода задачи не могут быть решены с помощью традиционных датчиков и средств измерений. В этом случае нужен многомерный датчик, элементы которого конструктивно размещаются в свече зажигания и позволяют воспринимать несколько величин.

Многомерные датчики могут найти применение в машиностроении при диагностике состояния различных машин и механизмов; в сельском хозяйстве при разработке методов количественной оценки влияния различных факторов на развитие, состояние и продуктивность посевов; в медицине и ветеринарии при диагностике функционального состояния и различных заболеваний человека и животных; в космической и авиационной промышленности при измерении различных величин и выдаче сигналов аварийной ситуации.

Приведенные примеры не охватывают возможности применения многомерных датчиков. Они подтверждают целесообразность работ, направленных на создание и использование многомерных датчиков, позволяющих получить информацию о нескольких измеряемых величинах с малых по объему участков объекта исследований, уменьшить влияние конструкции датчиков на процессы, протекающие в этом объекте, и повысить точность измерения конкретной величины за счет возможности коррекции дополнительных погрешностей от воздействия других величин.

В настоящее время многомерные датчики создаются для конкретных областей применения.

3.3 Трехмерные датчики

Трехмерный селективный датчик (рисунок 31) включает в себя: мембрану в виде кремниевой пластины, полученную анизотропным направленным травлением; ситалловую подложку, на которую методом вакуумного напыления нанесена слоистая структура, состоящая из металлического электрода, гигроскопического материала на основе окиси алюминия и платинового пленочного термометра сопротивления.

1 – алюминиевый электрод; 2 – контактная площадка; 3 – пленочный терморезистор; 4 – кремниевая мембрана; 5 – окись алюминия;

6 – ситалловая подложка

Рисунок 31 – Схема трёхмерного датчика для измерения давления (P), температуры (Т) и относительной влажности воздуха ()

Мембрана вместе с этой слоистой структурой закреплена в корпусе с помощью ситаллоцемента. Нижняя поверхность мембраны и верхняя поверхность термометра образуют емкостный преобразователь давления, а нижняя поверхность термометра сопротивления, гигроскопический материал и электрод  емкостный преобразователь влажности воздуха.

На рисунке 32 показана конструкция трехмерного селективного датчика этих же величин, содержащая пьезокерамический элемент в виде полого цилиндра, на внутреннюю поверхность которого методом выжигания нанесен сплошной слой серебряного электрода, а на внешнюю  два других слоя.

1 – мембрана; 2 – медный токосъёмник; 3, 4, 14 – электроды
преобразователя давления; 5 – чувствительный элемент влажности (окись алюминия); 6 – электрод элемента влажности;
7 – токопроводящий корпус; 8 – упорная втулка; 9 – резьбовая втулка; 10 – выходной кабель; 11 – хвостовик; 12 – переходная гайка;
13, 14 – электрические выводы элемента влажности;

15 – константановый термоэлектрод

Рисунок 32 – Конструкция трёхмерного селективного датчика
для измерения давления (P), температуры (Т) и относительной
влажности воздуха ()

На пьезоэлемент нанесены слой гигроскопического материала и слой токопроводящего электрода, проницаемого для молекул воды. Медный токосъемник, контактирующий с внутренней поверхностью пьезоэлемента, выполняет дополнительную функцию одного из электродов термопары и имеет контакт с токопроводящей металлической мембраной. К нему припаян константановый термоэлектрод. Узел поджатия элемента состоит из резьбовой и упорной втулок и переходной гайки. Для измерения давления используется пьезоэлемент цилиндрической формы, работающий с деформацией сдвига.

Информация о температуре снимается с термоэлектрода и электрического вывода, соединенного с корпусом. Молекулы воды, попадая в корпус, абсорбируются гигроскопическим материалом и изменяют его электрические характеристики.

Другая конструкция трехмерного датчика температуры, давления и относительной влажности воздуха показана на рисунке 33.

1 – контактная медная площадка; 2 – электрод; 3 – окись алюминия;
4 – константановый электрод; 5  мембрана

Рисунок 33 – Конструкция трехмерного датчика для измерения температуры (Т), давления (P) и относительной влажности воздуха ()

В данном случае на мембране сформирован пленочный тензорезистор из константана, который имеет две контактные площадки. Одна из них изготовлена из меди и образует с тензорезистором «горячий» спай термопары. На тензорезистор нанесен слой гигроскопического материала (окись алюминия с алюминиевым электродом), предназначенный для съема измерительного сигнала об относительной влажности воздуха.

Совокупность физических явлений многомерных селективных датчиков:

1. Чувствительные элементы для каждой измеряемой величины изготавливают в виде последовательной цепи измерительных преобразователей.

2. В качестве конечного измерительного преобразователя для всех измеряемых величин применяют единый тип преобразователя, который использует одно физическое явление и формирует выходной сигнал в виде единой, однородной по своим свойствам электрической величины.

3. Один из конечных преобразователей в многомерном датчике используют для восприятия и преобразования измерительных сигналов, присущих одной из измеряемых величин.

В конструкции трехмерного селективного датчика на рисунке 34 в качестве конечного измерительного преобразователя датчика применен фотоэлемент.

1 – корпус; 2, 12, 15 – приемники излучения; 3, 6, 8, 9, 11 – волоконные световоды; 4 – источник излучения; 5 – мембрана; 7, 10 – слои

люминофора; 13 – основание; 14  разъем

Рисунок 34 – Конструкция трехмерного датчика для измерения температуры (Т), давления (P) и относительной влажности воздуха ()

Изменение давления приводит к перемещению мембраны 5 и изменению радиуса изгиба световода 8, что изменяет его светопропускание и соответственно характеристики приемника излучения 2. Импульс ультрафиолетового излучения через световод 9 вызывает свечение люминофора 10, интенсивность которого однозначно зависит от температуры. Аналогичным образом импульс излучения источника через световод поступает на слой люминофора 7. Интенсивность этого импульса зависит от относительной влажности воздуха.

В трехмерном селективном датчике (рисунок 35) в качестве конечного измерительного преобразователя использован индуктивный преобразователь.

1 – корпус; 2 – основание; 3, 12, 13 – сердечники; 4, 11, 15 – обмотка;
5, 8, 10 – слои магнитного материала; 6 – слой термодеформационного материала; 7 – мембрана; 9 – слой гигродеформационного материала; 14  разъем

Рисунок 35 – Конструкция трехмерного датчика для измерения температуры (Т), давления (P) и относительной влажности воздуха ()

Мембрана такого датчика выполнена из кремниевой пластины. На основании закреплены три сердечника индуктивных преобразователей. В центральной части мембраны над сердечником первого индуктивного преобразователя на нее нанесен слой магнитного материала.

Над другими сердечниками на мембране в зоне минимума деформаций нанесены слои соответственно термодеформационного и гигродеформационного материалов, на которые, в свою очередь, нанесены слои магнитного материала.

Конструкция трехмерного датчика для измерения светового потока, температуры и давления, в котором световой поток «исключался» с помощью мембраны с электрооптическим затвором, а давление  с помощью введенного в датчик дополнительного пьезоэлемента, который «отгибал» мембрану (за счет обратного пьезоэффекта) от чувствительного элемента, изображена на рисунке 36.

1 – основание; 2 – корпус; 3, 11 – электроды кольцевого
пьезоэлемента 13; 4 – мембрана; 5, 10 – электроды электрооптического затвора 9; 6, 12 – электроды чувствительного элемента 8; 7 – слой

вещества, поглощающего энергию электромагнитного излучения;
14 – электрический разъем

Рисунок 36 – Конструкция трехмерного датчика для измерения
давления (Р), температуры (Т) и энергии электромагнитного излучения

Конструкция трехмерного перестраиваемого датчика приведена на рисунке 37.

Процесс измерения трех величин разделён во времени. При изменении давления мембрана прогибается и вызывает появление зарядов на пьезоэлементе. При измерении относительной влажности воздуха на пьезоэлемент подается стабильный переменный ток. Влага сорбируется пористым пьезоэлементом, его диэлектрические характеристики изменяются, и возникающее падение напряжения на нем зависит от относительной влажности воздуха. При измерении температуры пьезоэлемент работает как пассивный элемент, поскольку активное его сопротивление зависит от температуры.

1 – корпус; 2, 5 – серебряные электроды; 3 – пористый
пьезокерамический элемент; 4 – мембрана; 6 – узел поджатия
пьезоэлемента; 7 – токосъемник-электрод

Рисунок 37 – Конструкция трехмерного перестраиваемого датчика
для измерения давления, температуры и относительной
влажности воздуха

Конструкция трехмерного перестраиваемого датчика освещенности, температуры и относительной влажности воздуха изображена на рисунке 38. Чувствительный элемент этого перестраиваемого многомерного датчика представляет собой фотоэлемент структуры металл–диэлектрикметалл (титандвуокись титаназолото), выполненный в виде пленочного конденсатора. Верхняя обкладка является пленочным термометром сопротивления. Изменение активного сопротивления этой обкладки зависит от измеряемой температуры. При измерении влажности влага сорбируется двуокисью титана, его диэлектрические свойства изменяются. Изменение емкости чувствительного элемента связано с относительной влажностью воздуха. При измерении освещенности в системе металлдиэлектрикметалл возникает фотоэффект. Длина волны поглощения электронов, создающих фотоэффект, мала. Электроны, возбуждаемые у поверхности границы металла с окислом, проникают в диэлектрик, и на обкладках чувствительного элемента возникает ЭДС.

1 – ситалловая подложка; 2 – титановая обкладка; 3, 6, 7 – контактные площадки; 4 – двуокись титана; 5 – золотой плёночный терморезистор

Рисунок 38 – Конструкция датчика для измерения освещенности,
температуры и относительной влажности воздуха

4 БИОДАТЧИКИ

4.1 Основные понятия и определения

Область применения биодатчиков главным образом связана с определением состояния биологических объектов, с удовлетворением запросов медицины, сельскохозяйственного производства, пищевой про-мышленности, сферы обитания.

В России работы по биодатчикам ведутся в Санкт-Петербургском технологическом институте и государственной Академии аэрокосмического приборостроения, в МГУ, в Институте медицинской и биологической кибернетики Сибирского отделения Академии медицинских наук (г. Новосибирск).

В настоящее время в медицине биодатчики используются для диагностики ряда заболеваний и контроля процессов их протекания в ходе лечения. Биодатчики могут оценивать количество глюкозы в организме, и результаты этих измерений, могут быть применены для поддержания нормальной концентрации инсулина в крови у больных диабетом.

В сельском хозяйстве и пищевой промышленности биодатчики могут применяться для контроля качества продукции. Например, датчики на основе мембран тиллакоидов шпината используются для определения концентрации гербицидов. В Японии созданы биодатчики для определения гипотоксина в тканях рыбы.

В экологии биодатчики используются для наблюдения за химическим составом сточных вод, воздушной и водной сфер, параметрами окружающей среды и др.

Под биодатчиками обычно понимают:

а) средства определения содержания в анализируемом объекте биологических молекул и частиц;

б) системы, предназначенные для съёма сигналов измерительной информации с различных биологических объектов и их элементов;

в) средства косвенного измерения концентрации различных веществ путём оценки количества продуктов ферментивной реакции;

г) датчики, содержащие биологические элементы, тесно связанные с преобразователями его реакции на специфическое воздействие (химическое или физическое) и выдающие удобный для обработки сигнал.

Биодатчик  конструктивно обособленная совокупность чувствительных биологических элементов и измерительных преобразователей, воспринимающая одну или несколько входных величин и формирующая измерительные сигналы.

Чувствительный биологический элемент  это часть первого в измерительной цепи биодатчика, воспринимающая входной измерительный сигнал. В качестве чувствительного элемента используют целые организмы, ткани, клетки, органеллы, биологические мембраны, ферменты и их компоненты, рецепторы, антитела, нуклеиновые кислоты, органические молекулы и другие вещества.

В биодатчиках широко используются электрохимические преобразователи с потенциометрическими, амперометрическими, кондуктометрическими и другими цепями.

Электрохимический преобразователь представляет собой проводник электрического тока, который помещается в исследуемую среду. При этом устанавливается электрохимический процесс, связанный с переносом зарядов между присутствующими в среде заряженными частицами и электрохимическим преобразователем. На границе раздела средапреобразователь формируется выходной электрический сигнал (в виде тока или напряжения).

Принцип действия преобразователя с потенциометрическим выходом основан на определении разности потенциалов, которая устанавливается между измерительным электродом и электродом сравнения. Электрод сравнения имеет постоянный и воспроизводимый потенциал, не зависящий от среды, в которую он помещен. Разность потенциалов обусловливается активностью ионов электролита, в который помещен преобразователь. Определяются окислительно-восстанови-тельные потенциалы, уровень рН и ионов. Окислительно-восстанови-тельные реакции, протекающие в растворе, сопровождаются обменом электронов (ne):

Вещество, присоединяющее электроны в направлении , играет роль окислителя и восстанавливается. Вещество, которое отдаёт электроны в направлении , играет роль восстановителя и окисляется. При помещении химически стойкой проводящей нити в раст-вор между проводником и веществами  окислителем и восстановителем  происходит обмен электронами в двух направлениях, пока проводник не приобретёт равновесный потенциал.

Обычно электроды изготавливаются из золота, платины, ртути, серебра или графита (рисунок 39). Например, платиновые электроды используются для измерения потенциалов от минус 0,1 до +0,9 В, золотые от минус 1 до +0,3 В.

1 – чувствительный элемент (платина, золото и др.); 2 – стеклянный корпус; 3 – головка; 4 – электрический вывод

Рисунок 39 – Конструкция электрода для определения
окислительно-восстановительных потенциалов

Величина рН характеризует кислотность растворов и определяется как отрицательный логарифм ионов водорода Н+. Принцип действия преобразователя рН основан на следующем. Некоторые типы стекол являются слабым проводником электрического тока. Потенциал, который устанавливается на границе между мембраной из такого стекла и водным раствором, зависит от кислотности раствора (уравнение
Нернста). Конструкция рН-электрода показана на рисунке 40.

1 – стеклянная мембрана; 2 – раствор; 3 – корпус; 4 – экран; 5 – втулка;

6 – электрод сравнения; 7 – электрический вывод

Рисунок 40 – Конструкция pH-электрода

К стеклянной мембране 1 сферической формы припаяна трубка-корпус 3 из стекла с высоким электрическим сопротивлением. Внутри электрода находится раствор 2 с известной кислотностью (обычно
рН = 7), в который погружен электрод сравнения 6. Для измерения рН электрод погружают в исследуемый раствор и измеряют разность потенциалов между внутренним электродом сравнения 6 и рабочим электродом 1.

Принцип действия ионоселективных преобразователей аналогичен рН-преобразователю. Некоторые стекла, полимеры, моно- и поликристаллы проявляют особую чувствительность к активности ионов щелочных металлов и других веществ (Na+, K+, Ca2+, Ag+, Cu2+, NH4+, NO3, C1O4 и др.). Ионоселективные электроды формируют электрический сигнал, определяемый активностью ионов. Активность ионов при постоянной температуре зависит от концентрации определяемых ионов, их заряда, а также от природы и концентрации посторонних ионов, присутствующих в растворе.

Работа амперометрических преобразователей связана с прохождением электрического тока в измерительной цепи. Как правило, между двумя электродами датчика (металлический электрод и электрод сравнения) создается разность потенциалов. Концентрация исследуемых частиц пропорциональна силе тока, возникающей в электродной цепи.

Среди амперометрических преобразователей в биодатчиках распространен так называемый «кислородный электрод» (рисунок 41). Он состоит из двух электродов различной полярности: платинового като-да 1 и серебряного анода 4, покрытого хлоридом серебра. Электроды погружены в хлорид калия 3. Эта измерительная ячейка отделена от исследуемого вещества тонкой мембраной 2, проницаемой для кислорода. Электроды заряжают до разности потенциалов порядка 700 мВ. Кислород диффундирует через мембрану и восстанавливается на катоде. Ток, обусловленный этой окислительно-восстановительной реакцией, пропорционален количеству восстановленного кислорода. Разновидностью кислородного электрода является так называемый топливный элемент (ячейка).

1 – катод; 2 – мембрана; 3 – электролит; 4 – анод; 5 – корпус

Рисунок 41 – Схема кислородного электрода

В такой ячейке электропроводящий материал с большой поверхностью расположен между электролитом и атмосферным воздухом.
В присутствии кислорода происходит окисление активной поверхности этого материала с выделением тепла. В результате химической реакции с кислородом воздуха в измерительной ячейке между катодом и анодом возникает напряжение. Реакция протекает очень быстро. Температурная компенсация осуществляется внутри ячейки.

Кондуктометрические преобразователи состоят из двух электродов, изготовленных из химически стойких материалов. На электроды подаётся переменное напряжение или ток. Использование переменного напряжения или тока позволяет уменьшить влияние поляризационных явлений на границе раздела средаэлектрод. Измеряя напряжение при известном токе или ток при известном напряжении, рассчитывают проводимость исследуемой среды.

4.2 Основные принципы работы и метрологические
характеристики

Тип биодатчика определяется прежде всего биологическим материалом его чувствительного элемента. Поэтому в первую очередь следует различать микробные, ферментативные, клеточные и тканевые биодатчики.

На рисунке 42 показана конструкция микробного датчика для определения суммарного содержания усваиваемых сахаров в патоке.

1 – целлофановая мембрана; 2 – микроорганизмы, закреплённые на нейлоновой сетке; 3 – гелиевый электролит; 4 – платиновый катод;
5 – тефлоновая мембрана; 6 – резиновое кольцо; 7 – серебряный анод

Рисунок 42 – Конструкция биодатчика для определения содержания усваиваемых сахаров в патоке (глюкозы, фруктозы и сахарозы)

Этот биодатчик предназначен для определения общего содержания сахаров в бродильной среде. Он содержит чувствительный элемент из закреплённых живых клеток Brevibacterium lactofermentum и кислородного электрода. Клетки иммобилизовали на куске нейлоновой сетки размером 1010 мм2, которую прикрепляли к кислородному датчику. Содержание сахаров оценивается по потреблению кислорода иммобилизованными микроорганизмами. Повышение, например, концентрации глюкозы, приводит к увеличению поглощения кислорода в растворе.

Датчики имеют линейную зависимость между уровнем выходного тока и концентрацией глюкозы (до 1 мМ  милли-моль), фруктозы (до 1 мМ) и сахарозы (до 0,8 мМ). Время отклика биодатчика составило 10 мин. Общее содержание усваиваемых сахаров рассчитывали, суммируя значения откликов на глюкозу, фруктозу и сахарозу. Разность истинных и расчетных концентраций не превысила 8 %. Биодатчик работал в бродильной среде для получения глутаминовой (амид глутаминовой кислоты, входящий в состав белков) кислоты в течение 10 дней и выдержал 960 измерений.

В России создан компьютеризированный стенд с биодатчиками глюкозы, температуры. На стенде производится экспресс-анализ в течение 50 с. Концентрация глюкозы в крови пациента определяется с погрешностью до 5 % непосредственно в кабинете врача.

Микробные биодатчики применяются для определения концентрации муравьиной, никотиновой, глутаминовой кислот, спиртов, аммиака и других веществ.

В ферментных биодатчиках в качестве чувствительных элементов используют специальные биологические катализаторы-ферменты, обеспечивающие специфичность и высокую скорость биохимических реакций с субстратом (веществом, химическая модификация которого катализируется ферментом). В состав такого датчика входят мембрана с иммобилизованным ферментом и вторичный измерительный преобразователь (амперометрический, потенциометрический и т.п.).

Одна из сторон мембраны контактирует с исследуемой средой, а другая  с рабочей камерой вторичного измерительного преобразователя. Например, для измерения содержания глюкозы на мембрану нанесён фермент  глюкозоксидаза, в присутствии которой происходит окисление исследуемой глюкозы:

-D-глюкоза+О22ОГлюконовая кислота+ Н2О2

Выделяющаяся перекись водорода окисляется на разделе анодмембрана в соответствии с реакцией:

Возникающий при этом ток пропорционален окисленной перекиси водорода и несет информацию о концентрации глюкозы в исследуемой среде. В биодатчике приняты меры для улучшения восприятия глюкозы в сложных биологических жидкостях. Приводятся такие характеристики этого датчика: диапазон концентрации глюкозы
0,22,0 мл (это требует разбавления крови в 10 раз); функция преобразования  линейная; время жизни 1 год; длительность работы с одним ферментным электродом 2 недели; срок хранения при 4 °С 6 месяцев; погрешность измерения ±5 %. В качестве ферментов используются и другие вещества: холиноксидаза, аминокислотная оксидаза, ксантиноксидаза и др.

В тканевых биодатчиках используются растительные и животные ткани: листья, цветы, плоды растений, мышцы кролика, бычья печень. Из-за наличия в тканях нескольких ферментов приходится принимать меры для разделения сигналов, например, подбором рН или температурного режима. В некоторых случаях это позволит использовать один датчик для восприятия нескольких величин. Созданы биодатчики из листьев кольраби (что-то вроде капусты) (для определения концентрации перекиси водорода), тканей баклажана, картофеля, тыквы, банана, кабачка, сахарной свеклы.

На рисунке 43 показана конструкция биодатчика для определения глутамина с животной тканью.

1 – нейлоновая поддерживающая мембрана; 2 – ткань почки свиньи; 3  внутренняя диализная мембрана; 4 – внутренний электролит;
5 – газопроницаемая тефлоновая мембрана; 6 – корпус;
7 – pH-электрод

Рисунок 43 – Конструкция биодатчика для определения глутамина

с живой тканью

Концентрация глутамина служит диагностическим критерием в медицине (критерий Рея). В таком датчике тонкий слой кортекса почки свиньи закрепляется на поверхности рабочей части датчика, чувствительного к газообразному аммиаку.

Глутамин  амид глутаминовой кислоты, входящий в состав белков. Играет важную роль в азотистом обмене путем образования глутамина из глутаминовой кислоты в организмах растений и многих животных.

Клетки почки имеют высокую концентрацию фермента глутаминазы, катализирующего реакцию.

Ткань почки 2 удерживается тканевой нейлоновой сеткой 1 с размером отверстий порядка 150 мкм. Для защиты газопроницаемой мембраны 5 от клеточных компонентов ткани 2 между ней и мембраной помещают тонкую диацетилцеллюлезную пленку 3. При взаимодействии глутамина, поступающего из анализируемого раствора, с закреплённым катализатором (ткань почки), содержащим глутаминазу, образуется аммиак.

Измеряя концентрацию аммиака, получают информацию о содержании субстрата  глутамина в растворе. Тканевые глутаминовые биодатчики по своим характеристикам превосходят ферментные и микробные биодатчики.

В названии биодатчиков иногда отражается тип формирователей выходных сигналов (потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические, калориметрические и др.).

По количеству воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные и многомерные биодатчики, воспринимающие несколько входных величин.

Использование плодов растений (без разрушения их структуры) в качестве многомерных биодатчиков  новое перспективное направление в измерительной технике. Необычайная чувствительность растений к различным факторам окружающей среды замечена ещё ботаниками и физиологами прошлого века.

Растения реагируют на ничтожные изменения интенсивности светового потока, обладают высокой химической чувствительностью. Реагируют на радиоактивное излучение и на малейшие изменения влажности воздуха. Высокой чувствительностью к внешним факторам обладают и семена растений.

Основные преимущества датчиков с плодами растений объясняются следующим:

1. Плоды обладают высокой устойчивостью к воздействию различных экстремальных факторов (они сохраняют жизнеспособность при воздействии отрицательных температур в течение длительного времени).

2. При использовании плодов в качестве биодатчиков существует реальная возможность создания миниатюрных датчиков, способных конкурировать с микроэлектронными датчиками.

3. При проведении процедуры измерений потребуются менее сложные технические средства, чем при решении подобных задач с применением ферментов и других биологических веществ.

4. Проще осуществить взаимозаменяемость чувствительных элементов, так как имеется возможность отбора и сортировки по равным показателям массы, формы, размеров и др.

Нужно отметить, что семена арктического люпина через 519 тысяч лет пребывания в арктической мерзлоте в норах леммингов дали всходы; через тысячу лет возвращаются к жизни семена растений Nelumbo nucifera, 110130 лет сохраняют жизнеспособность семена обык-новенных ячменя и овса. Этот факт показывает, что срок службы биодатчиков может быть большим. Семена плодов имеют небольшую массу и размеры.

Приведём пример использования плода гороха в датчике влажности и температуры. Плод растения (рисунок 44) помещался в полый цилиндрический пьезоэлемент.

1, 3, 9 – серебряные токопроводящие электроды; 2 – плод гороха; 4  корпус; 5 – усилитель пьезо-ЭДС (влажность); 6 – усилитель
биопотенциалов (температура); 7 – микроэлектрод для снятия
биопотенциалов; 8 – цилиндрический полный пьезоэлемент

Рисунок 44 – Конструкция биодатчика температуры и влажности
воздуха

Влажность среды изменяла объём семени. Это приводило к изменению заряда пьезоэлемента  выходного сигнала датчика. Кроме того, как оказалось, плоды растений реагировали на изменение температуры своей биоэлектрической активностью. Эксперимент подтвердил принципиальную возможность создания таких биодатчиков. Диапазон измерения влажности составил 0100 %, а основная погрешность не более 4 %. Временная нестабильность выходного сигнала в течение 48 ч не превысила 1,5 %. Нелинейность градуировочной характеристики была более 15 % в диапазоне влажности от 14 до 97 %. При измерении же температуры от 20 до 60 °С датчик позволял выполнять измерение с погрешностью ±5 %.

Большой чувствительностью к влажности обладают и плоды аистника. В сухую погоду они закручиваются в «штопор», а во влажную распрямляются. Корпус биодатчика на рисунке 45 имеет форму цилиндрической резьбовой втулки.

1 – пробка; 2 – корпус; 3 – плод аистника; 4 – обмотка индуктивного преобразователя; 5 – электрические выводы датчика; 6 – основание;
7 – якорь индуктивного сопротивления

Рисунок 45 – Конструкция датчика температуры и влажности воздуха

В верхнюю часть трубки вкручивалась прозрачная пробка с закреплённым на ней плодом растения. Сердечник якоря индуктивного преобразователя имеет углубление для механического крепления его к остям аистника. Обмотка, изготовленная из медного провода, дополнительно выполняет функции преобразователя температуры. При совершении гигроскопических движений (под влиянием влажности) аистника с якорем изменяется индуктивность преобразователя. Индуктивность измерялась на переменном токе (10 кГц). Температура же изменяет активное сопротивление обмотки, и процедура измерения температуры осуществляется на постоянном токе.

Нелинейность влагочувствительной характеристики такого датчика составила не более 5 %. При измерении же температуры датчик не уступал по точности измерения обыкновенным медным термометрам сопротивления порядка 2 %. Быстродействие биодатчика при измерении влажности не превысило 1 мин.

Семена могут найти применение в специальных высокочувствительных средствах сигнализации и контроля: биологически активных веществ, вызывающих нежелательные реакции у растений и животных; наличия основных форм бактерий; опасных соединений некоторых химических веществ и др.

В последнее время для изготовления биодатчиков применяется интегральная технология. Например, в биодатчиках используются плоские узлы с вакуумным напылением электродов из платины, палладия или серебра на керамическую подложку. Фермент с пастой укрепляется с помощью ультразвука на поверхности пластины. По такой технологии изготовлен биодатчик глюкозы и лактата. Биодатчик лактата (лактат (молочная кислота) является конечным продуктом гликолиза и гликогенолиза) использовался для определения его содержания в яйцах курицы с различным временем инкубации. Погрешность измерения лактата составила ±5 %. На рисунке 46 показана конструкция интегрального биодатчика для определения концентрации глутамата.

Определение концентрации L-глутаминовой кислоты  важная операция в пищевой промышленности, так как эту кислоту применяют в качестве вкусовой добавки к пищевым продуктам. Чувствительным элементом служит глутаматоксидаза, которая катализирует окисление глутамата, причём в ходе окисления расходуется кислород. Кислородный датчик состоит из газопроницаемой тефлоновой мембраны 7, двух золотых микроэлектродов 4 и раствора электролита 6 (0,1 М КОН).
К золотым микроэлектродам прикладывается напряжение порядка 1 В, так как при этом напряжении наблюдается пик тока, обусловленный восстановлением кислорода в процессе работы датчика (определено экспериментальным путем). Между этим размером тока и концентрацией существует линейная зависимость. Глутаматоксидазу закрепляли на триацетилцеллюлёзной мембране 8 и помещали на тефлоновую мембрану 7 кислородного микродатчика и защищали нейлоновой сеткой 9. Испытания биодатчика проводились при определении концентрации глутамата в диапазоне от 5 до 50 мМ. Нелинейность градуировочной характеристики не превысила 1 %.

1 – кремниевая подложка; 2 – диоксид кремния; 3 – нитрид кремния; 4  золотые электроды; 5 – корпус; 6 – электролит; 7 – тефлоновая мембрана; 8 – трицетилцеллюлезная мембрана; 9 – нейлоновая сетка

Рисунок 46 – Конструкция интегрального биодатчика
для определения глутамата

По виду выходного сигнала биодатчики можно условно разделить на активные и пассивные. В активных биодатчиках выходные величины имеют энергетическую природу, в пассивных  неэнергетический параметр.

Созданы активные биодатчики, входящие в тестовую систему «Эколюм» с морскими люминесцентными бактериями, уровень оптического свечения которых зависит от степени токсичности среды. Экспресс-анализ здесь занимает 5 мин. Реагенты производятся в консервированной форме со сроком хранения не менее 6 месяцев. В системе с высокой чувствительностью определяется наличие тяжелых металлов, фенолов, пестицидов. Отмечено, что реакция системы на основные токсические вещества коррелируется с реакцией высших организмов.

Не только высокая чувствительность биодатчиков, но и, главное, возможность определить концентрацию какого-либо вещества, т.е. выполнить биохимический анализ за одну операцию, определяют повышенный интерес к биодатчикам. Перспективы развития биодатчиков в будущем связывают с применением генной и биологической инженерии при создании биологических «искусственных» чувствительных элементов. Дальнейшее использование микроэлектронной технологии при производстве биодатчиков, развитие работ по применению микропроцессоров при обработке измерительных сигналов позволят существенно улучшить их метрологические характеристики и расширить область применения.

5 ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ПРИКОСНОВЕНИЯ

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качественные. Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в электрических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики  это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в детектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером таких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Качественные датчики часто используются для детектирования движения и положения объектов. Коврик у двери, реагирующий на давление, приложенное к нему, и пьезоэлектрический кабель также являются примерами качественных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы.

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвестная сила.

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой.

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления.

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой.

В современных датчиках наиболее часто применяется 5-й метод, а методы 3 и 4 используются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в электрический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных этапов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя сила перемещение и детектора положения (перемещения). Это может быть простая спиральная пружина, уменьшение длины которой, вызванное приложенной силой сжатия F, будет пропорционально ее коэффициенту упругости:

X = kF.

На рисунке 47а показан датчик, состоящий из пружины и детектора перемещений, реализованного на основе линейно регулируемого дифференциального трансформатора (ЛРДТ). В линейном диапазоне изменения длины пружины напряжение на выходе ЛРДТ пропорционально приложенной силе. На рисунке 47б представлен еще один вариант датчика силы, состоящий из гофрированной мембраны, заполненной жидкостью, непосредственно на которую и действует сила, и датчика давления. Гофрированная мембрана, распределяя силу на входе по поверхности чувствительного элемента датчика давления, играет роль преобразователя сила давление.

а) б)

а) датчик силы с нагружаемой пружиной и ЛРДТ;

б) датчик силы на основе преобразователя давления

Рисунок 47 – Датчики силы

5.1 Тензодатчики

Тензодатчик  это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (величине деформации). Все тензодатчики построены на основе пьезорезистивного эффекта, и для них справедливо следующее соотношение:

,

где Se  коэффициент тензочувствительности материала, а е  величина деформации. Для большинства материалов Se2, за исключением платины, для которой Se6.

При небольших изменениях сопротивления металлического провода, не превышающих 2 % (что справедливо для большинства случаев), справедливо следующее соотношение:

,

где R0  сопротивление тензодатчика в ненагруженном состоянии, a x=See.

Для полупроводниковых материалов величина тензочувствительности зависит от концентрации легирующих компонентов. Величина сопротивления уменьшается при сжатии и увеличивается при растяжении.

Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гибкую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теплового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для изготовления тензодатчиков подходят многие материалы, но самыми распространенными из них являются сплавы: константам, нихром, advance и karma. Диапазон сопротивления 100 Омнесколько тысяч Ом. Для получения хорошей чувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные (рисунок 48); это делается для того, чтобы чувствительность в поперечном направлении не превышала 2 % от продольной чувствительности.

Рисунок 48 – Проволочный датчик напряжений на гибкой подложке

Для измерения напряжений в разных направлениях меняется конфигурация датчиков. Обычно тензодатчики включаются в мостовые схемы Уитстона. Следует отметить, что полупроводниковые тензочувствительные элементы обладают довольно сильной чувствительностью к изменениям температуры, поэтому в интерфейсных схемах или в самих датчиках необходимо предусматривать цепи температурной компенсации.

5.2 Тактильные чувствительные элементы

Тактильные датчики  это специальный класс преобразователей силы или давления, которые характеризуются небольшой толщиной. Эти датчики полезны в случаях, когда сила или давление измеряются между двумя поверхностями, расположенными близко друг к другу. Такие датчики часто используются в робототехнике, например, их устанавливают на «пальцы» механических приводов для обеспечения обратной связи при контакте с объектом (это напоминает то, как работают тактильные сенсоры кожи человека). Датчики касания используются в сенсорных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физическое прикосновение. Тактильные датчики широко применяются в биомедицине, для определения прикуса зубов и правильности установки коронок в стоматологической практике, а также при исследовании давления на ноги человека при ходьбе. Иногда при проведении операций протезирования их устанавливают в искусственные суставы для корректировки положения и т.д. В строительстве и на механических производствах тактильные датчики используются для определения сил, действующих на закрепленные устройства.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются несколько методов. В некоторых из них на поверхности объекта формируется специальный тонкий слой из материала, чувствительного к механическим напряжениям. На рисунке 49 показан простой тактильный датчик, обеспечивающий функции включения-выключе-ния, состоящий из двух листов фольги и прокладки.

Рисунок 49 – Тактильный чувствительный элемент мембранного типа

Внутри прокладки сделаны круглые (или любой другой необходимой формы) отверстия. Один из листов фольги заземлен, а второй подсоединен к нагрузочному резистору. Если требуется контролировать несколько чувствительных зон, используется мультиплексор. Когда к верхнему проводнику прикладывается внешняя сила над отверстием в прокладке, он прогибается и соприкасается с нижним проводником, тем самым устанавливая с ним электрический контакт, заземляющий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным нулю, что свидетельствует о приложенной силе. Верхний и нижний проводники могут изготавливаться методом трафаретной печати проводящими чернилами на подложке из таких материалов, как полипропилен. Чувствительные зоны таких датчиков определяются рядами и колонками проводников, нанесенных чернилами. Прикосновение к определенному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответствующих ряда и колонки, что показывает локализацию приложенной силы.

Хорошие тактильные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, например из поливинилиден фторида (PVDF), которые используются как в пассивном, так и в активном режимах. На рисунке 50 показана схема активного ультразвукового пьезоэлектрического тактильного датчика, состоящего из трех слоев пленок, соединенных вместе (в датчике существуют еще дополнительные защитные слои, не показанные на рисунке).

Рисунок 50 – Схема активного пьезоэлектрического тактильного
датчика

Верхний и нижний слои изготовлены из пленок, а центральный слой обеспечивает акустическую связь между крайними слоями. Механические характеристики центральной пленки определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается переменное напряжение от генератора. Эти колебания заставляют периодически сжиматься и пленку, и промежуточный компрессионный слой, и верхнюю пленку, играющую роль приемника. Поскольку пьезоэлектричество является обратимым явлением, с верхней пленки снимается переменное напряжение, которое усиливается и выпрямляется на синхронном демодуляторе, реагирующем как на амплитуду, так и на фазу поступающего сигнала. Когда к верхнему слою прикладывается внешняя сила F, механические характеристики трехслойной структуры изменяются, что отражается на фазе и амплитуде выходного сигнала.

В определенных пределах выходной сигнал тактильного датчика линейно зависит от приложенной силы. Если толщина пленок из PVDF составляет 25 мкм, а толщина компрессионной пленки из силиконовой резины 40 мкм, толщина всего чувствительного элемента (включая защитные слои) не превышает 200 мкм. Электроды из PVDF пленки могут быть сформированы в виде ячеек либо на передающей, либо на приемной стороне. Применение мультиплексирования при подключении ячеек позволяет распознавать зоны приложения внешней силы. Такой датчик также может использоваться для измерения небольших перемещений. При определении перемещений в несколько миллиметров его точность составляет ±2 мкм. Достоинства данного датчика  простота и выходной сигнал в виде постоянного напряжения (т.е. способность детектировать статические силы).

На рисунке 51а показан еще один вариант пьезоэлектрического тактильного датчика, в котором полоски из PVDF пленки встраиваются в слой резины на поверхности преобразователя.

а) б)

а – поперечное сечение; б – выходной сигнал

Рисунок 51 – Тактильный датчик на основе пьезоэлектрической плёнки для детектирования сил

Такой датчик является пассивным устройством, поскольку для генерации выходного сигнала ему не требуется дополнительного возбуждения, поэтому он реагирует в основном на частоту механических воздействий, а не на их амплитуду. Конструкция данного датчика разработана для применения в робототехнике для отслеживания неровностей исследуемой поверхности. Поскольку здесь чувствительный элемент встроен в поверхностный слой, его выходной сигнал соответствует перемещениям этого слоя, возникающим из-за действия сил трения.

Датчик встраивается в жесткую конструкцию («палец» робота), имеющую пористый упругий внутренний слой (1 мм толщиной), на который наносится слой из силиконовой резины («кожа»). Иногда между этими слоями располагается вспомогательная жидкостная прослойка. Поскольку полоски из пьезоэлектрической пленки располагаются на некоторой глубине от поверхности «кожи», а их чувствительность зависит от их ориентации, величина сигнала определяется направлением перемещения «пальца». На рисунке 51б показан биполярный выходной сигнал такого датчика, способного отслеживать неоднородности поверхности высотой порядка 50 мкм.

Приведем еще несколько примеров датчиков на основе PVDF и других полимерных пленок. Многие тактильные датчики выполняют функции сенсорных переключателей. В отличие от традиционных переключателей, надежность контактов которых сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, пьезоэлектрические ключи, благодаря своему монолитному исполнению, могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Один из вариантов таких переключателей состоит из стальной консольной балки, на которую нанесен слой пьезоэлектрической пленки. Балка одним концом прикреплена к плате схемы (рисунок 52а), на входе которой стоит ключ на основе полевого МОП транзистора, не потребляющего энергию в нормально открытом состоянии.

а) б) в)

Рисунок 52 – Переключатели: а) на основе PVDF пленки,
используемый в игровых пинбол-автоматах; б) балочного типа;
в) детектор обрыва нити

Как только к балке будет приложено механическое усилие, напряжение, возникшее на пленке, мгновенно переключит МОП ключ, и на его выходе появится ВЫСОКИЙ уровень сигнала. Такой сенсорный переключатель не подвержен ни коррозии, ни выгоранию, у него нет дребезга контактов, обычно присущих традиционным механическим переключателям. Он выдерживает до 10 миллионов циклов безаварийной работы. Простота конструкции делает такие переключатели привлекательными для использования в различных промышленных счетчиках, в системах автоматизации технологических процессов, в разливочных аппаратах и т.д. На рисунке 52б показано устройство еще одного пьезоэлектрического выключателя консольного типа, в котором PVDF пленка размещается между двух подложек разной толщины.

Такая конструкция обеспечивает очень сильное растяжение пьезопленки при отклонении балки от нейтральной оси вверх и сильное ее сжатие при отклонении балки в противоположном направлении. Рассматриваемые пьезоэлектрические выключатели нашли свое применение в счетчиках потребления газа и электроэнергии. Для таких переключателей не требуются внешние источники питания, поэтому газовым счетчикам на их основе не страшны проскоки искр. Пьезоэлектрические ключи балочного типа часто монтируются в обод баскетбольной корзины для определения попадания в нее мяча. Такие переключатели также встраиваются в мягкие куклы для детектирования поцелуя в щечку или щекотания каких-либо ее частей, в торговые или игровые автоматы для их запуска при обнаружении опущенной монеты, в цифровые потенциометры для повышения надежности.

Тактильные элементы на основе пьезоэлектрических пленок способны работать в широких частотных и динамических диапазонах и поэтому часто используются в электронных музыкальных инструментах. Например, они встраиваются в педальные переключатели больших и малых барабанов, а также в клавиши электропианино. Пьезоэлектрические пленочные сенсоры реагируют на силу, с которой барабанщик давит на педаль или пианист нажимает на клавишу. В электропианино встроенные в клавиши пьезоэлементы обеспечивают динамический диапазон и длительность звучания нот в строгом соответствии с ходом клавиши.

На текстильных заводах требуется проводить непрерывный мониторинг нескольких тысяч нитей на обрыв. Необнаруженный вовремя обрыв может привести к порче большого куска ткани, поскольку стоимость работ по реставрации материала часто превышает стоимость ее производства. Традиционные сенсоры, определяющие обрыв нити по замыканию контактов, не очень надежны, поскольку пух загрязняет контактные площадки и не дает возможности обнаруживать разрыв нити. Вибрационный датчик на основе пьезоэлектрической пленки, встроенный в тонкую стальную балку, отслеживает акустический сигнал, возникающий от трения нити при ее прохождении над балкой
(рисунок 52в). Отсутствие характерных вибраций приводит к немедленной остановке ткацкого станка.

На рисунке 53 показана схема датчика на основе PVDF пленки, используемого для контроля за частотой дыхания спящего ребенка.

Рисунок 53 – Пьезоэлектрический датчик для контроля за дыханием

При этом детектируются малейшие движения тела, возникающие при вдохе и выдохе, что необходимо для обнаружения внезапной остановки дыхания. Датчик размещается под матрасом кроватки. Тело нормально дышащего ребенка из-за подъема и опускания диафрагмы при дыхании совершает небольшие колебательные движения, что вызывает смещение его центра тяжести. Именно это смещение и контролируется датчиком. Датчик состоит из трех слоев: PVDF пленка расположена между подложкой из силиконовой резины и прижимного слоя из пластика. Сторона прижимного слоя, направленная к PVDF пленке, имеет гофрированную поверхность. Под действием переменной силы тяжести в PVDF слое возникает электрический заряд, поступающий на вход преобразователя токнапряжение, с выхода которого снимается переменный выходной сигнал с амплитудой, пропорциональной в определенном диапазоне приложенной силе.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чувствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопротивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся проводящие эластомеры или пасты, чувствительные к изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие частицы или волокна. Например, проводящая резина получается при введении в обычную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами (рисунок 54а), либо на изменении толщины эластомерного слоя.

а) б)

а) с изменяемой площадью контактов; б) передаточная функция

Рисунок 54 – Пьезорезистивный тактильный датчик

В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и эластомером, в результате чего изменяется электрическое сопротивление. При определенном давлении эта площадь становится максимально возможной и передаточная функция входит в режим насыщения (рисунок 54б).

Однако следует отметить, что значение сопротивления может значительно дрейфовать, когда полимер подвергается действию давления длительное время. Поэтому такие пьезорезистивные датчики применяются, как правило, для качественных, а не количественных измерений.

Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупроводниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конструкция таких датчиков напоминает мембранный переключатель (рисунок 55).

Рисунок 55 – Конструкция полимерного пьезорезистивного
тактильного датчика

По сравнению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают более широким динамическим диапазоном: типовое изменение сопротивления составляет три порядка при изменении силы в интервале 03 кг, но более низкой точностью (обычно ±10 %). Однако в тех случаях, когда не требуется точное измерение силы, а решающим является стоимость датчика, применение таких детекторов является оправданным. Толщина типовых пьезорезистивных полимерных датчиков обычно составляет 0,25 мм, но возможно изготовление и более тонких структур.

В робототехнике требуются тактильные микросенсоры, обладающие хорошим пространственным разрешением, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. Принцип действия порогового тактильного детектора с механическим гистерезисом может быть основан на использовании пластической деформации кремниевой мембраны. На рисунке 56 показано интегральное исполнение кремниевого тактильного микропереключателя, состоящего из герметичной полости, сформированной внутри кремниевой подложки, плотно закрытой тонкой мембраной.

При отсутствии внешних сил за счет расширения газа, находящегося внутри полости, мембрана образует выпуклый купол. При нормальной температуре и приложенной силе, превышающей критическое значение, верхний электрод прогибается вниз, контактируя с нижним электродом.

На рисунке 57 показан еще один вариант тактильного микропереключателя, в котором вместо газа, находящегося под давлением, применяется вакуум.

Рисунок 56 – Кремниевый микропереключатель

Рисунок 57 – Схема датчика силы, реализованного на основе
вакуумного диода

Здесь вакуумная микрокамера находится между холодным катодом и подвижным анодом в виде диафрагмы. Когда между анодом и кремниевым выступом на катоде появляются положительная разность потенциалов, формируется электрическое поле. Если напряженность поля превышает значение 5107 В/см, электроны совершают туннельный переход с катода в вакуумную камеру. Сила поля, а следовательно, количество испускаемых электронов (ток эмиссии) определяется величиной потенциала на аноде. Когда к аноду прикладывается внешняя сила, он опускается вниз, изменяя тем самым напряженность поля и ток эмиссии.

Ток эмиссии может быть выражен через напряжение на аноде V:

,

где а и b  константы;

β  геометрический коэффициент выступа на катоде, определяемый расстоянием между анодом и катодом.

Для повышения чувствительности радиус кривизны выступа должен составлять порядка 0,02 мкм.

5.3 Пьезоэлектрические датчики силы

Рассмотренные в предыдущем разделе пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в переменный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоянное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некоторые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рисунке 58 показан вариант активного датчика силы.

Рисунок 58 – Активный пьезоэлектрический тактильный датчик

При проведении количественных измерений при помощи такого дат­чика следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механического резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия таких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генераторах, происходит сдвиг их резонансной частоты. Выражение для спектра собственных механических частот пьезоэлектрического генератора имеет вид:

где n  номер гармоники;

l  геометрический параметр, определяющий резонансную частоту (например, толщина относительно большой и тонкой пластины или длина тонкого длинного стержня);

с  коэффициент упругой деформации (например, коэффициент жесткости при сдвиге вдоль толщины пластины или модуль Юнга в случае тонкого стержня);

ρ  плотность кристалла.

Частотный сдвиг возникает из-за нелинейности зависимостей некоторых параметров кристалла от величины внешних сил. Для каждого среза кристалла существуют направления, при приложении сил сжатия вдоль которых наблюдается минимальная чувствительность пьезорезонатора. При разработке генераторов выбираются именно эти направления, поскольку они позволяют реализовать наибольшую механическую стабильность. Тогда как при проектировании датчиков разработчики преследуют противоположную цель, поэтому избегают использования данных направлений. Так для построения высокоэффективного датчика давления применили дисковый резонатор с диаметральным приложением сил (рисунок 59).

Рисунок 59 – Пьезоэлектрический дисковый резонатор,
применяемый в диаметральном датчике силы

На рисунке 60 показан еще один датчик, работающий в сравнительно узком диапазоне 01,5 кг, но обладающий хорошей линейностью и 11-разрядным разрешением. Для изготовления такого датчика из кристалла вырезали прямоугольную пластину, у которой один край параллелен оси х, а передняя грань образует с осью z угол , приблизительно равный 35°. Такой срез часто называют АТ-срезом.

а) б) в)

а) АТ-срез кварцевого кристалла; б) структура датчика; в) внешний вид

Рисунок 60 – Кварцевый датчик силы

На поверхностях пластины нанесены электроды, на которых в результате пьезоэлекрического эффекта возникают заряды противоположных знаков. Эти электроды включены в цепь положительной ОС генератора на основе ОУ (рисунок 60б). Кварцевый кристалл в ненагруженном состоянии вибрирует на основной частоте f0. При воздействии на кристалл внешней силы его частота смещается на величину Δf:

где F  приложенная сила;

К  константа;

n  номер гармоники;

l  размер кристалла.

Для компенсации ухода частоты вследствие изменения температуры, иногда применяют сдвоенный кристалл, одна половина которого используется для температурной корректировки. Каждый резонатор включается в свой собственный колебательный контур, и для исключения влияния температуры находится разность частот сигналов двух контуров. На рисунке 60в показан внешний вид серийно выпускаемого датчика силы.

При разработке любых датчиков силы на основе пьезорезонаторов приходится находить компромисс между двумя противоречивыми требованиями. С одной стороны, резонатор должен обладать максимальной добротностью, для чего датчик желательно изолировать от окружающей среды и поместить в вакуум. С другой стороны, на датчик действуют давление и внешние силы, поэтому он должен иметь довольно жесткую конструкцию, что неминуемо ухудшает добротность всего устройства, в том числе и резонатора.

Эта проблема частично решается в датчиках с более сложной структурой. Например, в работах описан фотолитографический способ изготовления двух- и трехбалочных структур. Цель создания структур заключается в согласовании размеров вибрирующего элемента с четвертью длины акустической волны (1/4λ). При выполнении этого условия полное отражение волны происходит в точках, куда прикладываются внешние силы, что позволяет значительно снизить влияние нагрузки на величину добротности резонатора.

6 ВОЛОКОНООПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

6.1 Оптические волокна и волноводы

Несмотря на то, что лучи света не могут заворачивать за угол преграды, при помощи волноводов их можно направить по сложной траектории. Для работы в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра волноводы, как правило, изготавливаются из стекла. А для средних и дальних ИК областей применяются волноводы в виде полых трубок с сильно отражающими внутренними поверхностями. Работа волноводов основана на принципе внутренних отражений, когда лучи света распространяются по зигзагообразному маршруту. Оптические волокна используются для переноса световой энергии, в недоступные зоны без передачи тепла от источника света. Поверхности и концы волокон всегда тщательно отполированы, а их поперечное сечение может быть не только круглым. Иногда оптоволокна покрываются специальной оболочкой (плакировкой). Нагретые стеклянные волокна могут быть закручены по радиусу кривизны, в 2050 раз превышающему диаметр поперечного сечения, а в холодном состоянии этот радиус увеличивается до 200300 диаметров. Пластиковые волокна изготавливаются из полиметилметакрилата, и их можно изгибать по гораздо меньшему радиусу, чем стеклянные волокна. Коэффициент затухания в типовых полимерных оптических волокнах диаметром 0,25 мм составляет порядка 0,5 дБ на метр длины. Свет распространяется по волокну за счет полного внутреннего отражения, как показано на рисунке 61б.

а) б)

а) многослойное волокно со ступенчатым профилем коэффициента преломления; б) определение максимального угла входа

Рисунок 61 – Оптические волокна

Из рисунка следует, что угол полного внутреннего отражения определяется коэффициентом преломления среды n, в которую свет попадает из воздуха. В общем виде, при прохождении света через границу двух сред с коэффициентами преломления n и n1

, (6.1)

На рисунке 61а показан профиль коэффициента преломления волокна с плакировкой. Для достижения полного внутреннего отражения на границе слой плакировки должен иметь более низкий коэффициент преломления. Например, кварцевое волокно со слоем плакировки может иметь следующее соотношение коэффициентов преломления:
у сердцевины n = 1,5, а у плакировки – 1,485. Для защиты от внешних воздействий на такое волокно обычно наносится пластиковое или резиновое покрытие. Такой тип волокна называется многослойным оптоволоконным кабелем со ступенчатым профилем коэффициента преломления.

При использовании оптоволоконных кабелей очень важно определять максимальный угол входа света в волокно, поскольку этот параметр влияет на полное внутреннее отражение (см. рисунок 61б) Если минимальный угол внутреннего отражения 0 = 3, максимальный угол 2 находится по закону Снелла:

. (6.2)

Применив закон Снелла еще раз и считая, что для воздуха n ≈ 1, получим:

. (6.3)

Объединив уравнения (6.2) и (6.3), найдем выражение для максимального угла входа света в волокно относительно нормали к поверхности конца оптоволокна, при котором обеспечивается полное внутреннее отражение в его сердцевине:

. (6.4)

Лучи света, попадающие в волокно под большими углами, чем угол in(max), проходят через защитное покрытие и теряются, что является весьма нежелательным при передаче данных. Однако специальные оптоволоконные датчики используют модуляцию интенсивности света, вызванную изменениями угла входа.

Иногда величина in(max) называется цифровой апертурой оптоволокна. Снижение интенсивности света может происходить из-за изменения свойств волокна, его изгибов и скруток, но при этом она никогда не падает до нуля резко, а постепенно спускается до нулевого уровня по мере приближения к углу in(max). На практике цифровая апертура определяется в виде угла, при котором интенсивность света уменьшается на какую-то конкретную величину, например, на 10 дБ от максимального значения.

Одним из главных достоинств оптоволоконных датчиков является то, что им можно придать практически любую геометрическую форму, диктуемую условиями применения. Оптоволокна широко применяются в миниатюрных оптических датчиках, измеряющих давление, температуру, химическую концентрацию и т.д. Почти все такие датчики построены на модуляции одной или нескольких характеристик света в оптоволокне при изменении внешних воздействий с последующей оптической демодуляцией сигнала обычными методами. Внешние сигналы могут либо непосредственно влиять на волокно, либо воздействовать на компоненты, соединенные с его наружной поверхностью или его отполированными концами. Цель таких воздействий  получение оптически детектируемых сигналов.

Для получения химического датчика к оптическому волокну может подсоединяться специальная ячейка с реагентом. Реагент вступает в реакцию с исследуемым веществом, в результате чего изменяются оптические свойства волокна, например, происходит модуляция коэффициента преломления или коэффициента поглощения. Существует еще один способ построения химических датчиков. Плакировка оптоволокна может быть изготовлена из химических веществ, коэффициент преломления которых меняется в присутствии некоторых жидкостей. При изменении полного внутреннего отражения оптоволокна интенсивность света также изменяется.

Оптоволокна могут использоваться двумя способами.

В первом случае (рисунок 62а) для передачи сигнала возбуждения и для приема ответного оптического сигнала используется один и тот же световой канал.

Во втором  функции возбуждения (освещения) и сбора информации разделены, для чего применяются два или более независимых канала (рисунок 62б).

В большинстве оптоволоконных датчиков определяется интенсивность света, модулированная внешними сигналами. На рисунке 63 показан датчик перемещений, в котором через оптоволоконный волновод передается свет в сторону отражающей поверхности.

а) б)

Рисунок 62 – Оптические датчики: а) одноволоконный; б) двухволоконный

Рисунок 63 – Оптоволоконный датчик перемещений,
использующий модуляцию интенсивности отражения света

Свет проходит вдоль волокна и выходит в форме конуса, направленного к отражателю. Чем ближе отражающая поверхность расположена к концу волокна, тем больше фотонов света возвращается назад в детектор, что означает более высокую интенсивность отраженного излучения. Таким образом, по величине этой интенсивности можно судить о перемещении отражающего объекта. Благодаря коническому профилю испускаемого света в ограниченном пространстве удается получить квазилинейную зависимость между интенсивностью возвращенного излучения и расстоянием между концом волокна и отражателем.

На рисунке 64а показан датчик изгибных деформаций, состоящий из оптического волокна, зажатого между двумя деформирующими устройствами. Внешняя сила, приложенная к верхнему устройству, изменяет положение внутренней отражающей поверхности волокна. Поэтому луч света, который в ненагруженном состоянии отразился бы от нижней части волокна в направлении х, в нагруженном состоянии поменяет свое направление, и выйдет через стенку волокна вдоль линии у, поскольку угол его распространения стал меньше угла полного внутреннего отражения 0 (см. уравнение (6.1)). Чем больше внешняя сила, тем ближе деформирующие устройства приближаются друг к другу и больше света уходит наружу, что означает снижение интенсивности выходящего из волокна излучения.

а) б)

а) оптоволоконный датчик изгибных деформаций; б) волновод
для излучения дальнего ИК-диапазона

Рисунок 64  Схема датчика изгибных деформаций

В спектральном диапазоне, в котором происходят значительные потери в оптоволокнах, в качестве световодов используются полые трубки (рисунок 64б). Внутренняя поверхность трубок тщательно полируется и покрывается отражающим слоем металла. Например, для передачи теплового излучения трубка может изготавливаться из латуни и покрываться двумя слоями: из никеля (для выравнивания поверхности) и из золота, обладающего отличными оптическими характеристиками. Полые волноводы способны изгибаться по радиусу, равному 20 и более диаметрам. Хотя почти вся волоконная оптика основана на явлении полного внутреннего отражения, трубчатые волноводы используют принцип отражения от внешних зеркальных поверхностей, которое всегда меньше 100 %. Поэтому потери в полых волноводах зависят от количества отражений: чем меньше диаметр и длиннее трубка, тем больше в ней потери. Полый волновод становится неэффективным, когда отношение его длины к диаметру становится больше 20.

6.2 Волоконооптические датчики

Волоконооптические датчики могут достаточно эффективно использоваться в качестве детекторов приближения и уровня.

На рисунке 65 показан оптический детектор уровня жидкости (см. также пункт 8.6).

Рисунок 65 – Оптический детектор уровня жидкости,
построенный на принципе изменения коэффициентов преломления
в жидкой и воздушной средах

Он состоит из двух оптоволоконных световодов и призмы. Принцип его действия основан на разности коэффициентов преломления воздуха (или газообразной фазы материала) и жидкости, уровень которой необходимо определить. Когда датчик находится выше уровня жидкости, большая часть света передающего световода (левого) попадает в принимающий световод (правый), что возможно благодаря полному внутреннему отражению призмы. Однако часть лучей достигает отражающей поверхности призмы под углами меньшими, чем угол полного внутреннего отражения, и теряется в окружающей среде. Когда призма достигает уровня жидкости, ее угол полного внутреннего отражения изменяется, поскольку коэффициент преломления жидкости превышает коэффициент преломления воздуха. Это приводит к большему падению интенсивности света, измеряемой на конце принимающего световода. Интенсивность света преобразуется в электрический сигнал при помощи соответствующего фотодетектора.

На рисунке 66 показан еще один вариант волоконооптического датчика. Здесь световод имеет U-образную форму.

а) б)

а) когда датчик находится выше уровня жидкости, интенсивность света на выходе световода максимальная; б) когда чувствительная область погружается в воду, интенсивность света падает

Рисунок 66 – Волоконооптический датчик уровня жидкости

В световоде при погружении в жидкость происходит модуляция интенсивности проходящего света. Рядом с местами изгибов, там, где радиус кривизны наименьший, детектор имеет две чувствительные области. Все устройство монтируется в зонде, имеющем диаметр 5 мм, при этом погрешность воспроизводимости результатов такого датчика составляет около 0,5 мм. Отметим, что при вынимании зонда из жидкости в чувствительных областях на нем остаются капли.

6.3 Датчики ФабриПеро

Для прецизионного измерения малых перемещений в неблагоприятных условиях окружающей среды применяются, так называемые, оптические резонаторы ФабриПеро, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив друг друга на расстоянии L (рисунок 67а).

Свет в резонатор поступает от источника с известными характеристиками, например, от лазера. Фотоны, попадая в резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала. В процессе этих отражений они интерферируют друг с другом. Фактически, резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут выйти фотоны только определенных частот.

а) б)

а) многократная интерференция внутри резонатора
Фабри-Перо; б) импульсы света на выходе резонатора

Рисунок 67 – Схема датчика ФабриПеро

Таким образом, можно считать, что интерферометр ФабриПеро является частотным фильтром, частота пропускания которого определяется длиной резонатора (рисунок 67б). При изменении длины резонатора соответственно меняются и частота выходящего света. Если сделать одно из зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно определять очень маленькие изменения длины резонатора. Частота выходных импульсов кратна интервалу Δv, обратно пропорциональному длине резонатора:

, (6.5)

где с  скорость света.

Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами составляет порядка 1 мкм, а типичные значения Δv лежат в интервале 500 МГц1 ГГц. Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с точностью, сравнимой с длиной волны света. Объектом измерения может быть любая физическая величина, изменение которой приводит к изменению размеров резонатора (перемещению зеркал): например, механическое напряжение, сила, давление и температура.

Благодаря своей универсальности, детекторы ФабриПеро получили широкое распространение. Например, они используются для измерения давления и температуры. Такие датчики детектируют изменения длины оптического пути, вызванные либо изменениями коэффициента преломления, либо изменением физической длины резонатора. Детекторы ФабриПеро обладают миниатюрными размерами и низкой стоимостью; для генерации интерференционного сигнала им подходят практически любые когерентные источники света, даже такие как СИД.

На рисунок 68 показан датчик давления, использующий резонатор ФабриПеро.

Рисунок 68 – Конструкция датчика давления ФабриПеро (слева)
и внешний вид датчика давления FISO FOP-M (справа)

Давление, действующее на верхнюю мембрану, заставляет диафрагму прогибаться вниз, тем самым уменьшая высоту резонатора L. Резонатор изготавливается в виде монолитного кристалла методами микротехнологий, поэтому зеркала представляют собой либо диэлектрические, либо металлические слои, нанесенные на соответствующую подложку. Для получения требуемых характеристик датчика толщину каждого слоя необходимо строго контролировать. Этот датчик обладает очень низким коэффициентом температурной чувствительности (менее 0,03 %) и имеет внешний диаметр 0,55 мм, что делает его идеальным для применения в составе имплантируемых медицинских устройств и других миниатюрных инструментов.

На рисунке 69 показана измерительная система на основе датчика ФабриПеро.

Излучение от источника дневного света подается через светоделитель 22 на оптоволоконный волновод, соединенный с датчиком.
В состав датчика входит интерферометр ФабриПеро (ИФП), отражающий свет назад. При этом длина волны отраженного излучения зависит от размеров резонатора. Теперь остается только измерить разницу длин волн. Это выполняется при помощи кросс-кореллятора, реализованного на базе клинообразного преобразователя ФабриПеро, который, по существу, является резонатором с линейно изменяющимися геометрическими размерами. В зависимости от длины волны полученного излучения, оно пройдет через определенную зону резонатора. Место выхода света на клине преобразователя определяется при помощи детектора положения (ДП). Выходной сигнал детектора напрямую связан с внешним воздействием, приложенным к ИФП.

Рисунок 69 – Система измерения на основе датчика Фабри–Перо

Преимущества данного метода: линейность; нечувствительность к интенсивности излучения источника света и излучения, возникающего при передаче сигналов по световодам; универсальность, т.е. возможность измерения различных внешних воздействий одним и тем же инструментом; широкий динамический диапазон (1:15000) и высокая разрешающая способность. В дополнение к этому волоконооптические датчики устойчивы ко многим видам электромагнитных и радиочастотных помех и могут работать в суровых условиях окружающей среды, например, в СВЧ-печах.

7 КОНЦЕНТРАТОРЫ

В оптических детекторах часто возникает проблема увеличения плотности потока фотонов, ударяющихся об их поверхность. Во многих случаях, когда важно определять только интенсивность излучения и нет необходимости проводить фокусировку и формирование изображений, можно использовать специальные устройства, называемые коллекторами или концентраторами, обладающие свойствами как волноводов, так и оптических элементов, таких как линзы и кривые зеркала. Самой важной характеристикой концентраторов является отношение площадей входной и выходной апертуры, называемое коэффициентом концентрации С. Этот коэффициент всегда больше единицы, поскольку концентратор собирает свет с большей площади и направляет ее к меньшей (рисунок 70а), где располагается чувствительный элемент.

а) б)

а) основная схема; б) концентратор с параболическим профилем

Рисунок 70 – Концентраторы

Теоретический максимум для коэффициента С можно найти при помощи выражения:

, (7.1)

где  половина максимального входного угла.

При выполнении этого условия лучи света могут выходить из концентратора под любыми углами вплоть до 90° относительно нормали к выходному отверстию. Это значит, что диаметр выходной апертуры будет меньше диаметра входного отверстия в sin0 раз. Входные лучи, попадающие в концентратор под углом , создают на его выходе излучение в виде конуса. Угол выхода каждого луча определяется местоположением его точки входа. Концентраторы могут изготавливаться с отражающими (зеркальными) или преломляющими поверхностями, а также быть комбинированными. На рисунке 70б показана форма отражающего параболического концентратора. Интересно отметить, что конические рецепторы света в сетчатке человеческого глаза имеют такие же очертания.

Наклонные параболические концентраторы обладают очень высокой эффективностью (предполагается, что отражающая способность внутренней поверхности концентратора является идеальной). Они могут собирать и концентрировать свыше 90 % входящего излучения. Если приемлема меньшая эффективность, применяются конические концентраторы, в которых некоторая часть входящих лучей возвращается назад после нескольких отражений внутри конуса. Полная эффективность конических концентраторов, как правило, не превышает 80 %. Поскольку конические концентраторы изготавливать проще, чем параболические, они получили более широкое распространение.

7.1 Покрытия, поглощающие тепловое излучение

Все датчики тепловых излучений, как активные, так и пассивные, построены на принципе поглощения или излучения электромагнитных волн в дальней ИК области спектра. Кирхгоф обнаружил, что коэффициент поглощения а и коэффициент излучения е, по существу, являются одной и той же физической величиной. Для эффективной работы датчиков значения этих коэффициентов стремятся делать максимальными, т.е. как можно ближе к единице. Чтобы достичь этого, либо специальным образом обрабатывают поверхность датчика для повышения его коэффициента излучения, либо с той же целью на нее наносят покрытие, обладающее высокой излучающей способностью. У таких покрытий должна быть хорошая теплопроводность и очень низкая теплоемкость; это значит, что их следует изготавливать очень тонкими.

Существует несколько методов повышения излучающей способности поверхности датчиков: нанесение тонких металлических пленок (например, нихромовых), обладающих достаточно высоким коэффициентом излучения, гальваническое осаждение пористой платиновой черни и напыление металла в азотной атмосфере при низком давлении. Наиболее эффективным способом создания материала с высокой поглощающей (излучающей) способностью является формирование на нем пористой поверхности, поскольку частицы размером, гораздо меньшим длины волны, как правило, преломляют или поглощают лучи света. Материалы с пористой поверхностью обладают высокой излучающей способностью в широком спектральном диапазоне, однако с увеличением длины волны она значительно снижается. Пленка из золотой черни с плотностью 500 мкг/см2, в ближнем, среднем и дальнем ИК-диапазоне обладает излучающей способностью 0,99.

Для формирования электролитическим методом слоя из пористой платиновой черни можно воспользоваться следующим рецептом:

Хлорид платины H2PtCl6 2 г

Ацетат свинца Рb(ООСН3)3Н2О 16 мг

Вода 58 г

В таком гальваническом растворе выращиваются пленки на кремниевых подложках с подслоем из золота. Процесс идет при комнатной температуре и плотности тока 30 мА/см2. Для получения поглощающей способности выше 0,95, необходимо нанести пленку с плотностью 1,5 г/см2.

Процесс формирования слоя из черни золота методом напыления проводится в термической камере в азотной атмосфере под давлением 100 Па. Газ поступает в камеру через редуктор. Источник золота, расположенный на расстоянии 6 см от поверхности, нагревается за счет электрического тока, протекающего по проводу из вольфрама. Из-за столкновений с молекулами азота испарившиеся атомы золота теряют свою кинетическую энергию, и когда они достигают поверхности, их скорость и энергия уже настолько малы, что они остаются на ней, формируя при этом игольчатые структуры с линейными размерами около 25 нм. Полученный слой похож на структуру хирургической ваты. Для достижения наилучших результатов плотность покрытия должна быть в пределах 250500 мкг/см2.

Другим широко распространенным способом повышения излучающей способности поверхности является образование на ней слоя из оксида металла, что достигается методом окисления нанесенной металлической пленки в условиях низкого вакуума.

Существует еще один метод улучшения излучающей способности  окраска поверхности органическими красителями (видимый цвет здесь совсем не важен), обладающими коэффициентом излучения 0,920,97. Однако органические материалы обладают низкой теплопроводностью, и их трудно нанести толщиной менее 10 мкм, из-за чего может значительно снизиться быстродействие датчиков. В микродатчиках часто используется следующий прием: на верхнюю поверхность наносится слой из стекла, который не только обеспечивает защиту от негативных воздействий окружающей среды, но и обладает в дальней ИК-области спектра коэффициентом излучения, равным 0,95.

7.2 Электрооптические и акустикооптические модуляторы

Для большинства оптических датчиков важной характеристикой является их способность изменять параметры светового излучения (например, интенсивность) под действием управляющих сигналов, которая называется модуляцией света. Управляющие сигналы могут иметь различную природу. Приведем некоторые из них: температура, химические вещества с разными коэффициентами преломления, электрические поля, механическое напряжение и т.д.

Коэффициент преломления в некоторых кристаллах зависит от приложенного электрического поля. Это объясняется природой распространения лучей света внутри кристалла. Обычно допустимые направления поляризации света определяются симметрией кристалла. Приложенное к кристаллу внешнее электрическое поле может изменить эту симметрию и, следовательно, привести к модуляции интенсивности света. Одним из часто используемых материалов в электрооптических устройствах является ниобат лития (LiNbO3). На рисун-
ке 71 показан электрооптический модулятор, состоящий из кристалла, расположенного между двумя поляризационными фильтрами, ориентированными под углом 90° друг к другу. Входной поляризатор ориентирован под углом 45° к оси кристалла.

На поверхность кристалла прикреплены два электрода, при изменении напряжения на которых происходит изменение поляризации падающего света на втором поляризаторе, что, в свою очередь, ведет к модуляции интенсивности выходного излучения.

Рисунок 71 – Электрооптический модулятор, состоящий
из двух поляризованных фильтров и кристалла

Подобный эффект можно наблюдать, когда кристалл подвергается воздействию механических сил, особенно акустических волн. Однако акустико-оптические устройства используются в оптоволоконной технике в основном в качестве оптических фазовращателей и сравнительно редко как модуляторы интенсивности излучений. Акустические волны, проходя через кристалл, вследствие эффекта фотоупругости вызывают в нем механические напряжения, линейно изменяющие его коэффициент преломления. Это, в свою очередь, при определенных условиях приводит к отклонению выходящих оптических лучей, также проходящих через этот кристалл (рисунок 72). Таким образом, акустические волны создают для лучей света как бы дифракционную решетку.

Рисунок 72 – Акустооптический модулятор,
создающий множество лучей

Акустикооптические устройства часто изготавливаются из ниобата лития и кварца, которые способны работать с акустическими волнами в широком частотном диапазоне: от десятков мегагерц до нескольких гигагерц.

Скорость звука через ниобат лития составляет порядка 6103 м/с, поэтому акустическая волна1 ГГц, имеющая длину волны 6 мкм, сравнима с излучением в ИК-спектральном диапазоне.

7.3 Ультразвуковые датчики

Для проведения бесконтактных измерений можно разработать активный датчик, который бы мог одновременно и передавать эталонный сигнал, и принимать отраженный от объекта сигнал. Передаваться энергия может в виде любого излучения, например, через электромагнитные волны оптического (как в ПЧД) или микроволнового диапазонов, через акустические волны и т.д. Принцип передачи и приема ультразвуковой энергии лежит в основе очень популярных ультразвуковых датчиков и детекторов скорости. Ультразвуковые волны являются механическими акустическими волнами, частота которых лежит за пределами слышимости человеческого уха  более 20 кГц. Однако сигналы этих частот воспринимаются некоторыми животными: собаками, кошками, грызунами и насекомыми. А некоторые виды млекопитающих, таких как летучие мыши и дельфины, общаются друг с другом ультразвуковыми сигналами.

При столкновении любых волн с объектом часть их энергии отражается. В случае ультразвуковых волн отраженная энергия рассеивается в пространстве. Это означает, что вне зависимости от направления падающего луча все отраженные лучи почти равномерно распределяются внутри широкого пространственного угла, который может достигать значения 180°. При движении объекта частота отраженных волн не совпадает с частотой излучаемых волн. Это и есть так называемый эффект Доплера.

Расстояние L0 до объекта можно определить по скорости ультразвуковых волн v в данной среде и углу  (рисунок 73а):

(7.2)

где t  время, за которое ультразвуковая волна распространяется от излучателя до объекта и назад к приемнику.

а) б)

а) принципиальная схема; б) импедансная характеристика
пьезоэлектрического преобразователя

Рисунок 73 – Ультразвуковые датчики расстояний

Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по сравнению с расстоянием до объекта, cos ≈ l. Очевидное преимущество ультразвуковых волн над волнами микроволнового диапазона заключается в том, что они распространяются со скоростями, которые намного меньше скорости света, характерной для СВЧ волн. Поэтому интервал t для них гораздо длиннее, что упрощает его измерение и, следовательно, снижает стоимость устройств.

Для генерации любых механических волн, включая ультразвуковые, требуется организовать обратно поступательное движение поверхности, при котором создаются зоны разряжения и сжатия рабочей среды: газовой (воздушной), жидкостной или твердой. Для возбуждения ультразвуковых волн чаще всего применяются пьезоэлектрические преобразователи, работающие в так называемом моторном режиме. Это название указывает на то, что в данном режиме пьезоэлектрические устройства напрямую преобразуют электрическую энергию в механическую.

На рисунке 74а показано, что входное напряжение, приложенное к пьезокерамическому элементу заставляет его изгибаться, возбуждая тем самым ультразвуковые волны.

а) б)

а) входное напряжение приводит к изгибу элемента, что вызывает
генерацию ультразвуковых волн, и наоборот, в результате воздействия волн на выходе преобразователя появляется напряжение;
б) ультразвуковой преобразователь с открытой апертурой для работы
в воздухе

Рисунок 74 – Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь

Поскольку пьезоэлектричество является обратимым эффектом, воздействие ультразвуковых волн на тот же керамический элемент приводит к появлению на его поверхности электрических зарядов. Другими словами, элемент может работать и как излучатель, и как приемник (микрофон). Типичная рабочая частота излучающего пьезоэлемента составляет около 32 кГц. Для повышения эффективности частота задающего генератора должна быть равна резонансной частоте fr керамического элемента (см. рисунок 73б). При соблюдении этого условия удается реализовать лучшую чувствительность и эффективность элемента. При работе схемы в импульсном режиме для передачи и приема сигнала можно использовать один и тот же пьезопреобразователь. При непрерывном режиме работы необходимы два пьезоэлемента. На рисунке 74б показана типовая схема ультразвукового датчика перемещений, работающего в воздушной среде, а на рисунке 75а  его внешний вид. Часто на практике важно знать диаграмму направленности датчика, которая имеет вид, изображенный на рисунке 75б. Чем уже диаграмма, тем выше чувствительность преобразователя.

а) б)

Рисунок 75 –Ультразвуковой преобразователь: а) внешний вид;
б) диаграмма направленности датчика

8 РАДАРЫ

8.1 Микромощные импульсные радары

В 1993 году в Lawrence Livermore National Laboratory был разработан микромощный импульсный радар (МИР), который является недорогим бесконтактным детектором расстояния до объекта. Принцип действия МИР напоминает принцип действия обычных импульсных радарных систем, но между ними есть несколько существенных отличий. В состав МИР (рисунок 76) входит генератор белого шума, выходной сигнал которого запускает импульсный генератор.

а) б)

Рисунок 76 – Блок-схема микромощного радара а) и его временная диаграмма б)

Импульсный генератор вырабатывает очень короткие импульсы со средней частотой 2 МГц + 20 %. Каждый импульс имеет фиксированную длительность τ, а появляются они в произвольные моменты времени. По отношению друг к другу эти импульсы расположены произвольным образом. Интервалы времени между двумя соседними импульсами лежат в пределах 200625 нс. Можно сказать, что в МИРе происходит частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) сигнала белым шумом с максимальной глубиной модуляции 20 %. В свою очередь, прямоугольные импульсы генератора модулируют амплитуду сигнала радиопередатчика. Амплитудная модуляция (AM) сигнала передатчика имеет 100 % глубину. Это означает, что радиопередатчик от импульсов то включается, то выключается. Такая двухступенчатая модуляция называется модуляцией ЧИМ-АМ.

Радиопередатчик вырабатывает высокочастотный радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через антенну передаются в окружающую среду. Электромагнитные волны отражаются от объекта и возвращаются обратно на радар. Тот же самый импульсный генератор, который модулирует сигнал передатчика, управляет и радиоприемником (с определенной задержкой по времени). Таким образом, приемник получает сигнал только в строго заданном интервале времени. Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные импульсы демодулируются (восстанавливается прямоугольная форма сигнала). После чего определяется временная задержка между переданным и принятым сигналами. Эта временная задержка пропорциональна расстоянию D от антенны до объекта, от которого принятые волны отразились: td=2D/c, где с  скорость света.

Несущая частота (центральная частота) радиопередатчика обычно равна либо 1,95 ГГц, либо 6,5 ГГц. Из-за того, что модуляционные импульсы имеют очень короткую длительность, частотная полоса излучаемых сигналов очень широкая  порядка 500 МГц (для 1,95 ГГц несущей). Пространственное распределение переданной энергии определяется типом антенны. Для дипольной антенны зона перекрытия составляет почти 360°, но, используя различные типы рупоров, рефлекторов и линз, можно получить практически любую форму области распространения. Благодаря случайной модуляции генератора импульсов, широкой полосе пропускания и низкой спектральной плотности передаваемого сигнала, сигналы МИРа практически невозможно подавить радиоэлектронными методами, но при этом сам он остается незаметным для других, поскольку его излучение, принятое несинхронизированными приемниками, воспринимается как белый тепловой шум.

Средний рабочий цикл передаваемых импульсов относительно мал (<1 %). Поскольку импульсы распределены случайным образом, практически любое количество идентичных МИР могут работать в одной и той же зоне без разделения частот (т.е. они могут работать на той же самой несущей частоте внутри одной и той же частотной полосы). Шанс пересечения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал. Даже если это произойдет, схема осреднения значительно снизит уровень помех. Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка 10 000 полученных импульсов.

Другим достоинством МИР является их низкая стоимость и очень низкая потребляемая мощность радиоприемника  около 12 мкВт. Потребляемая мощность всей системы обычно составляет 50 мкВт.

МИР применяются в измерителях расстояний (рисунок 77), в детекторах обнаружения, в датчиках уровня, в автоматизированных системах, роботах, медицинских инструментах, системах вооружения и даже в игрушках.

а) б)

а) внутренняя арматура бетонной плиты (30 см) перед заливкой;

б) реконструированное 3D изображение той же плиты,
полученное при помощи МИР

Рисунок 77 – Пример применения МИР

8.2 Радар для зондирования грунта

Высокочастотные радары для зондирования грунта (РЗГ) применяются в гражданском строительстве, археологии, криминалистике и т.д. Принцип действия таких радаров довольно классический: они посылают радиоволны и принимают отраженные сигналы. Временная задержка между переданными и принятыми сигналами и есть величина, пропорциональная расстоянию до отражающей поверхности. Если радары, работающие в воздушной среде, измеряют расстояния до нескольких тысяч километров, рабочий диапазон РЗГ составляет, в лучшем случае, несколько сотен метров. Радары для зондирования грунта работают в интервале частот 500 МГц1,5 ГГц. Радиоволны не могут проникать глубоко в почву, камни, а также в большинство материалов, сделанных людьми, например, бетон.

Коэффициент экспоненциального ослабления сигнала α, как правило, определяется по электропроводности материала. В простых однородных материалах такое затухание сигнала является доминирующим фактором. В большинстве материалов энергия сигнала также теряется из-за наличия в них неоднородностей разного типа и воды. Влияние воды сказывается двумя путями: во-первых, в ней содержатся ионы, которые меняют объемную проводимость среды; во-вторых, молекулы воды на частотах выше 1000 МГц поглощают электромагнитную энергию. На рисунке 78 показано изменение коэффициента ослабления от частоты возбуждающего сигнала и типа материала.

а) б)

а) затухание радиоволн в разных материалах (коэффициент ослабления зависит от типа материала и рабочей частоты сигнала; на низких
частотах (<1 МГц) затухание сигнала в основном определяется
электропроводностью среды, а на высоких частотах (>1000 МГц) –
поглощением энергии молекулами воды); б) затухание сигнала
ограничивает глубину исследования грунта, по мере проникновения
в глубь среды мощность потерь увеличивается экспоненциально

Рисунок 78 – Изменение коэффициента ослабления от частоты
возбуждающего сигнала и типа материала

В сухих материалах коэффициент ослабления наименьший и, следовательно, наибольшая глубина проникновения радиосигнала (рисунок 79а).

а) б)

а) максимальная глубина проникновения радиосигналов для разных материалов; б) графическое представление исследуемого слоя,
расположенного в мокром песке

Рисунок 79 – Проникновение радиосигналов в разные материалы

На рисунке 79б показан пример картинки на мониторе радара, полученной в процессе исследования грунта.

Снижение частоты позволяет увеличить глубину проникновения в грунт, поскольку коэффициент ослабления сигнала сильно зависит от частоты. Но при уменьшении частоты всплывают две других особенности ЗГР. Во-первых, снижение частоты приводит к падению разрешающей способности. Во-вторых, при очень низкой частоте электромагнитные поля распространяются, в основном, диффузионным способом, и здесь уже больше подходят методы измерений электромагнитной индукции и вихревых токов.

8.3 Датчики толщины и уровня

Измерять толщину материала приходится практически везде: и при производстве любых изделий, и при контроле их качества, и при проведении разнообразных исследований и т.д. Существуют различные методы определения толщины: от оптических до ультразвуковых и рентгеновских. В этом разделе будут коротко рассмотрены менее известные из них.

8.4 Датчики абляции

Абляция  это рассеяние тепла при расплавлении или удалении защитного слоя, происходящее под действием высоких температур. Системы тепловой защиты (СТЗ), построенные на этом принципе, используются для предохранения внутренних конструкций и оборудования космических кораблей от перегрева во время спуска при входе в атмосферу Земли. Такие СТЗ основаны на химическом разложении или фазовых переходах (или на том и другом вместе) определенных веществ, т.е. на реакциях, проходящих с поглощением тепла при температурах ниже критических для защищаемых объектов. В этом случае попадающая на объект тепловая энергия направляется на плавление, сублимацию или разложение абляционного материала. Скорость удаления абляционного материала прямо пропорциональна тепловому потоку на поверхности объекта. Оценить этот тепловой поток можно, измерив толщину защитного слоя. Следовательно, датчики абляции  это разновидность датчиков перемещений, которые определяют положение защитного слоя над внешней поверхностью объекта. По полученным данным оцениваются толщина оставшегося абляционного слоя и тепловой поток, действующий на объект. Датчики абляции могут быть внутренними (встроенными в защитный слой) и наружными.

Встроенные датчики реализуются на основе либо детектора разрыва проволочек, либо преобразователя излучений, либо световодов. Детектор разрыва проволочек состоит из нескольких тонких проводков, вмонтированных в абляционный слой на разных известных уровнях. Когда процесс разложения доходит до очередного проводка, он разрушается, тем самым разрывая электрическую цепь. Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 80а. Иногда во все проволочки встраиваются термопары, которые располагаются строго друг под другом. Такая конструкция обеспечивает строгую очередность разрушения термопар и позволяет оценить температурный профиль защитного слоя и его изменение во времени.

а) б) в)

а) на основе детектора разрыва проволочек с термопарами из разных металлов x и y; б) на основе световодов; в) измерение тонкого слоя жидкости емкостным методом

Рисунок 80 – Встроенные датчики абляции

Датчик абляции на основе световодов состоит из кварцевых оптоволоконных световодов, встроенных в защитный слой на известной глубине (рисунок 80б). Когда процесс разложения доходит до очередного световода, на выходе соответствующего фотодиода появляется электрический сигнал. Этот метод позволяет получить данные о прохождении фронта разложения через определенные точки слоя, но не дает возможности измерить температуру в этих точках, что обеспечивал предыдущий способ.

Наружный датчик абляции может быть реализован емкостным методом. В этом случае датчик представляет собой два электрода, которые могут иметь различную форму. Этот датчик включается последовательно с катушкой индуктивности и резистором, подсоединенных к волноводу (например, коаксиальному кабелю). Устройство, показанное на рисунке 81, очень напоминает структуру передатчикантенна.

Рисунок 81 – Принципиальная схема наружного резонансного датчика абляции (слева) и его внешний вид (справа)

Резонансная частота полученного RLC контура приблизительно равна:

. (8.1)

При выполнении условий резонанса вся электромагнитная энергия, поступившая в контур, рассеивается на резисторе. Однако если вследствие изменения емкости меняется частота контура, часть энергии отражается назад к источнику. Если емкость продолжит изменяться, доля отраженной энергии возрастет. Когда речь идет об антенне, работающей подобным образом, говорят, что она расстроилась. Для определения доли отраженной энергии между источником радиочастотного сигнала и волноводом ставят мостовой измеритель коэффициента отражения (ИКО), часто называемый панорамным измерителем, постоянное напряжение которого пропорционально этой доле. После чего производят настройку антенны, для чего выходное напряжение мостовой схемы делается минимальным, при этом передаваемая энергия становится максимальной.

8.5 Детекторы толщины пленок

Датчики для измерения толщины пленок бывают механическими, оптическими, электромагнитными и емкостными. Оптические методы могут применяться только с прозрачными и полупрозрачными пленками. Плоские электроды, имитирующие конденсатор с параллельными пластинами, позволяют получать большие изменения выходного сигнала. Для обеспечения точности измерений эти пластины должны быть строго параллельны исследуемой пленке. Поскольку пленка может быть нанесена на поверхность любой формы, под каждый конкретный случай разрабатываются электроды специальной формы.

В работе описан простой емкостной датчик, измеряющий толщину жидких пленок. В нем определяется емкость между двумя небольшими электродами, выступающими над поверхностью жидкости (рисунок 80в).

Жидкость выполняет роль диэлектрика между пластинами конденсатора. Если диэлектрическая проницаемость жидкости отличается от проницаемости воздуха, изменение уровня жидкости приведет к изменению емкости датчика. Этот конденсатор входит в состав частотного модулятора, на вход которого подается фиксированная частота. Выходная частота модулятора определяется величиной емкости конденсатора датчика.

На рисунке 82 представлен датчик со сферическим электродом, используемый для измерения толщины сухой диэлектрической пленки. Емкость измеряется между металлической сферой (шарик из нержавеющей стали диаметром 34 мм) и проводящей подложкой.

Рисунок 82 – Емкостной датчик для измерения толщины сухой
диэлектрической плёнки (слева) и форма передаточной функции
(справа)

Для уменьшения краевых эффектов шарик помещается в активный экран, помогающий направлять электрическое поле через диэлектрическую пленку на подложку.

8.6 Датчики уровня жидкости

Известно много способов измерения уровня жидкости. Для этого подходят и резистивный, и оптический, и магнитный, и емкостной датчики.

Выбор датчика для каждого конкретного случая определяется многими факторами, но, пожалуй, основным из них является тип жидкости. Сложнее всего измерять уровень сжиженных газов, особенно жидкого гелия, обладающего низкой плотностью и низкой диэлектрической проницаемостью, не считая того, что он должен храниться в закрытых сосудах Дюара при криогенных температурах. Для таких сложных случаев наиболее подходят датчики, реализованные на основе линии передач. Принцип действия этих датчиков подобен принципу датчиков абляции (см. рисунок 81). На рисунке 83 показана конструкция датчика для измерения уровня жидкостей на основе линии передач.

Рисунок 83 – Датчик на основе линии передач (слева)
и его передаточная функция (справа)

Чувствительный элемент напоминает емкостной датчик уровня, показанный на рисунке 84.

Рисунок 84 – Емкостной датчик уровня воды (слева) и зависимость
емкости датчика от уровня вод (справа)

Однако его принцип действия не заключается в изменении диэлектрической проницаемости жидкости. Сенсор представляет собой длинную трубку с внутренним электродом, окруженную внешним цилиндрическим электродом. Вся эта конструкция погружается в жидкость, заполняющую пространство между электродами до уровня х. На электроды подается высокочастотный сигнал (порядка 10 МГц). Длина сенсора по отношению к длине волны может быть любой, но для обеспечения линейности рекомендуется, чтобы она была меньше (1/4)λ. Высокочастотный сигнал проходит вдоль линии передач, сформированной двумя электродами. Поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости отличается от проницаемости паров, свойства линии передач будут определяться положением границы между жидкостью и паром (другими словами, уровнем жидкости). Высокочастотный сигнал будет частично отражен от поверхности раздела жидкостьпар и вернется назад в верхнюю часть сенсора. В некоторой степени эта система напоминает радар, посылающий сигнал к объекту и принимающий отраженный сигнал. Измеряя сдвиг фаз между переданным и отраженным сигналами, определяется положение границы раздела. Сдвиг фаз измеряется при помощи фазового компаратора, на выходе которого вырабатывается постоянное напряжение. Более высокая диэлектрическая проницаемость обеспечивает более высокий коэффициент отражения и, соответственно, лучшую чувствительность датчика (см. рисунок 83).

9 ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ

Интеллектуальные датчики получили название от латинского
intellectus (познание, понимание, рассудок) и термина «искусственный интеллект», применяемого в условном обозначении кибернетических систем, моделирующих некоторые стороны интеллектуальной деятельности человека  логического мышления. Под искусственным интеллектом понимается возможность технических средств обеспечивать получение, запоминание и обработку информации, функционировать в оптимальном режиме в широком диапазоне изменения влияющих факторов.

Долгое время электронная «начинка» практически не изменялась. В датчик встраивались усилители, обеспечивающие линейное усиление с компенсацией температурного дрейфа.

В настоящее время датчик имеет встроенный усилитель с нормированным выходным сигналом 05 мА, 05 В, 420 мА. Усилители обеспечивают коррекцию температурного дрейфа параметров первичного преобразователя во всём температурном интервале работы датчика, а также позволяют использовать напряжение питания в довольно широком диапазоне. Всё это стало возможным при развитии интегральной технологии производства датчиков. Созданные на основе этой технологии микропроцессоры позволили поднять датчики на следующую ступень и придать им интеллектуальные свойства.

В 1983 г. фирма Honeywell (США) впервые выпустила измерительный преобразователь (ИП) давления STYLE="3000, совмещенный с микропроцессом, в функции которого входили:

  • корректировка нелинейной зависимости выходного сигнала от измеряемой величины;

  • компенсация влияния температуры окружающей среды на результат измерения;

  • самотестирование ИП.

Новый тип ИП получил название интеллектуального «сенсора». Если обобщить опыт создания интеллектуальных датчиков, можно выделить следующие их свойства:

1) преобразование входной величины в сигнал, обеспечивающий достаточно высокую помехозащищенность передачи информации на устройство обработки СИ;

2) выделение полезного сигнала с одновременным подавлением помех и шумов;

3) функциональный контроль собственной работоспособности.

Интеллектуальный датчик имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он адаптирует свои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматический самоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки, производит коррекцию погрешностей. Понятие интеллектуального датчика зачастую связывается с обязательным наличием встроенного в конструкцию датчика микропроцессора, с помощью которого реализуются «интеллектуальные» свойства такого ИП.

Помещение технических средств обработки информации непосредственно к датчику логически оправданно, так как каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместно заметить, что реализацию интеллектуальных свойств могут взять на себя не только технические средства, но и, например, биодатчики, которые являются прототипом будущих биокомпьютеров. Поэтому под интеллектуальным датчиком будем в дальнейшем понимать конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного или биологического компьютера, размещённую в зоне действия измеряемых величин, воспринимающую заключённую в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическое согласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственного функционирования и компенсацию отдельных составляющих погрешностей.

Интеллектуальные датчики, объединённые микропроцессорами, позволяют поднять на новый качественный уровень возможности создаваемых средств измерений. Идеальным уровнем «интеллектуальности» датчика является интеграция его функций, которая не приводит к увеличению общих материальных затрат на разработку и создание средств измерений.

Разработкой и изготовлением интеллектуальных датчиков занимаются многие фирмы США (Honeywell, Foxboro, Microsensore, Solator Transducers, Dynisco, Bristel Bancock, Ficher and Parter) Японии (Фудзи, Кейсоку гидзгоцу, Кейсо, Мицубиси, Юка, Окава денки, Отомэсен, Юкуану гидзюцу, ХитатиХерон); Германии (ABB Goerz, ISRA, Dedussa A. G., Bosch, Univ. Stuttgart); Англии (ZWF, Hubrid Gircuits, Int. Electron Devices Meet) и др.

В интеллектуальных датчиках используются три способа передачи измерительных сигналов к управляющим системам:

1) традиционный способ, предусматривающий передачу аналоговыми сигналами в виде напряжения, тока или частоты;

2) использование промежуточного интеллектуального передатчика частотно-импульсными модулированными сигналами;

3) посредством шинных систем.

Последний способ имеет преимущества, связанные с повышением объёма реализации интеллектуальных свойств датчика.

Микропроцессоры формируют автономную базу данных интеллектуальных датчиков, хранят её в энергонезависимом запоминающем устройстве и загружают ИП с момента его установки.

Они обеспечивают двухстороннюю связь с последующими элементами средства измерений и осуществляют основные интеллектуальные свойства, например, реализуя функции восприятия входной величины; усиления; фильтрации; дистанционной настройки; линеаризации; изменения пределов, частоты опроса и адресации, учёта измерения влияющих величин; калибровки; самодиагностики и т.п.

9.1 Интеллектуальные устройства

Термин «интеллектуальные» для первичных устройств был введен для тех первичных устройств, внутри которых содержится микропроцессор. Обычно это добавляет новые функциональные возможности, которых не было в аналогичных устройствах без микропроцессора. Например, интеллектуальный датчик может давать более точные показания благодаря применению числовых вычислений для компенсации нелинейности чувствительного элемента или температурной зависимости. Интеллектуальный датчик имеет возможность работать с большой разновидностью разных типов чувствительных элементов, а также составлять одно или несколько измерений в одно новое измерение (например, объемный расход и температуру в весовой расход).
И наконец, интеллектуальный датчик позволяет производить настройку на другой диапазон измерений или полуавтоматическую калибровку, а также осуществлять функции внутренней самодиагностики, что упрощает техническое обслуживание.

Наряду с усовершенствованием работы устройств, дополнительные функциональные возможности могут сократить объем обработки сигналов системой управления и приводят к тому, что набор разных приборов заменяют приборами одной модели, что дает преимущество при изготовлении.

Для того чтобы заработали все эти дополнительные функции, интеллектуальному устройству обычно требуется панель настройки для настройки и управления прибором. Другой способ  встраивать все это в прибор, что обычно гораздо дороже и, кроме того, неуместно для устанавливаемых на объекте устройствах. Однако это может подойти для более сложных приборов, монтируемых в стойке, таких как расходомеры, в этом случае местная настройка применяется в дополнении к удаленному конфигурированию.

9.2 Цифровая связь

Прибор и коммуникатор к нему могут быть отнесены на большое расстояние друг от друга благодаря хорошо настроенной последовательной связи. Эта связь возникает по тем же двум проводам, которые уже используются для соединения первичного прибора с системой управления в центральной комнате управления. Интеллектуальные первичные устройства с некоторым протоколом позволяют аналоговым и цифровым сигналам сосуществовать в одной и той же паре проводов, не портя аналоговый сигнал.

Эти устройства обеспечивают преимущества цифровой связи и в то же время сохраняют совместимость и надежность аналоговых входных сигналов, которые требуются для существующих систем.

Помимо того, что цифровая связь используется для настройки и управ­ления первичными устройствами, оказалось возможным с помощью нее считывать измеряемый параметр. Без всяких изменений эти приборы готовы для применения в цифровых системах (рисунок 85).

Рисунок 85 – Цифровая связь

Использование цифровой связи для считывания измеряемого параметра позволяет одному прибору обрабатывать более одного измерения. Например, расходомер позволяет вам в одном сообщении считывать весовой расход, температуру и плотность жидкости процесса, а также суммарный весовой расход. Кроме того, имеется возможность следить за состоянием первичного прибора каждый раз, когда производится измерение, повышая достоверность и безопасность автоматического управления.

Считывание измеряемого параметра в цифровой форме сохраняет точность за счет устранения процесса цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразования сигнала.

Интеллектуальные электронные устройства обеспечивают лучшую точность. Более широкие функциональные возможности сокращают материальные затраты, обеспечивают одновременно аналоговый и цифровой обмен данными.

Цифровая связь совместима с существующими аналоговыми системами, но в то же время готова для использования в исключительно цифровых системах.

10 МАТЕРИАЛЫ ДАТЧИКОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В настоящее время разработано много технологических методов изготовления датчиков. Выбор тех или иных методов всегда диктуется конструкцией конкретного детектора. Для каждого типа материала: полупроводников, металлов, керамики и пластмасс  разработаны свои собственные технологии обработки. В этом разделе будут кратко рассмотрены характеристики некоторых материалов и описаны самые распространенные методы работы с ними.

10.1 Материалы

10.1.1 Применение кремния для изготовления датчиков

Кремний есть и на Солнце, и практически на всех звездах. Он составляет основу целого класса метеоритов, называемых аэролитами. Кремний является вторым в количественном отношении материалом на Земле, уступая только кислороду; его весовая концентрация в составе земной коры оценивается равной 25,7 %. В природе кремния в чистом виде не существует, он встречается в виде оксидов и силикатов. Наиболее известными кремниевыми оксидами являются песок, кварц, аметист, глина, слюда и т.д. Кремний получается при нагреве двуокиси кремния и углеродосодержащих материалов в печи при использовании угольных электродов. Кристаллический кремний имеет металлический блеск и сероватый оттенок. Кремний не следует путать с силиконами, получаемыми при гидролизе органических хлоридов кремния, таких как диметил хлорид кремния. Силиконы используются как диэлектрики, смазочные вещества и для производства силиконовой резины. Существуют и другие методы получения кремния. Монокристаллы кремния, применяемые для изготовления твердотельных полупроводниковых детекторов и микродатчиков, чаще всего выращиваются по методу Чохральского.

По методу Чохральского производят вытягивание вверх на затравку монокристалла из ванны с расплавом. Нагрев обычно осуществляют при помощи СВЧ-излучения. Для снятия возникающих напряжений используют дополнительную печь, через которую проходит выращиваемый кристалл и отжигается (рисунок 86).

В методе Чохральского кремний и все необходимые примеси сплавляются вместе в тигле при температуре около температуры плавления кремния, 1414 °C.

1  тигель с расплавом; 2 – кристалл; 3 – печь; 4 – холодильник;
5, 6 – механизм вытягивания

Рисунок 86 – Схема установки для выращивания монокристаллов
по методу Чохральского

Рисунок 87  Стержень с кристаллом кремния

Стержень с закрепленным на нем монокристаллом кремния помещается на поверхность расплава и, вращаясь, вытягивается вверх. Это приводит к образованию длинного кремниевого цилиндра, называемого слитком. Из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности зародыша сначала образуется тонкая кремниевая пленка. Последующие атомы кремния ориентируются в соответствии с зародышем кристалла; таким образом, в результате слиток имеет ту же кристаллическую структуру, что и исходный зародыш. Диаметр полученного слитка можно контролировать при изменении температуры и соотношения скоростей вытягивания/вращения. Слиток, полученный методом зонной плавки, по чистоте обычно превосходит аналогичный, полученный методом Чохральского, делая метод зонной плавки наиболее используемым в современном производстве полупроводников. Монокристаллический слиток разрезается с помощью алмазной пилы на тонкие подложки толщиной ок. 0,7 мм и диаметром 300 мм. На поверхности не должно быть шероховатостей, микротрещин, царапин и других остаточных дефектов.

Кремний является относительно инертным материалом, он вступает в реакцию только с галогенами и растворами щелочей. Большинство кислот, кроме фтористоводородной, не оказывают никакого влияния на кремний. Кремний пропускает ИК-излучение и поэтому используется для изготовления окошек в ИК-датчиках.

Атомный вес кремния составляет 28,0855, а его атомный номер равен 14. Его температура плавления равна 1410 °С. Удельный вес кремния при температуре 25 °С составляет 2,33, а его валентность равна 4.

Свойства кремния хорошо изучены, поэтому он широко используется во всем мире при изготовлении датчиков. Кремний является недорогим материалом, и технология его производства позволяет контролировать как его чистоту, так и качество. В таблице 2 приведены физические эффекты, характерные для кремния, которые могут быть использованы для построения датчиков.

Таблица 2 – Внешние воздействия для кремниевых датчиков

Внешние воздействия

Физические эффекты

Излучательные

Фотовольтаический и фотоэлектрические эффекты, фотопроводимость, фотомагнитоэлектрический эффект

Механические

Пьезорезистивность, продольный фотоэлектрический эффект, продольный фотовольтаический эффект

Тепловые

Эффекты Зеебека и Нернста, температурная зависимость проводимости и переходов

Магнитные

Эффект Холла, магниторезистивность

Химические

Ионная чувствительность

К сожалению, кремний не обладает пьезоэлектрическим эффектом. Большинство физических эффектов, свойственных кремнию, таких как эффекты Холла и Зеебека, а также пьезорезистивность, носят ярко выраженный характер; однако при этом практически всегда наблюдается существенная температурная зависимость параметров датчиков, реализованных на их основе. Если кремний не обладает соответствующими характеристиками, всегда можно нанести на его поверхность слой материала, который придаст кремниевой подложке необходимые свойства. Например, при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей, используемых в датчиках на ПАВ и акселерометрах, на кремниевую подложку напыляются тонкие пленки из ZnO.

Кремний обладает уникальными механическими свойствами, которые в настоящее время используются для изготовления таких устройств, как датчики давления, силы и температуры, а также детекторы прикосновений, требующих применения методов микротехнологий. Тонкопленочная и фотолитографическая технологии, традиционно используемые для производства интегральных электронных схем, позволяют формировать миниатюрные прецизионные механические структуры, что дает возможность налаживать серийный выпуск датчиков на их основе.

Хотя монокристаллический кремний является довольно ломким материалом, не поддающимся пластической деформации, как большинство металлов, он не такой хрупкий, как это может показаться. Модуль Юнга кремния (1,91012 дин/см) сравним с модулем Юнга нержавеющей стали и выше чем коэффициент упругости кварца и большинства стекол. Ошибочное представление о хрупкости кремния появилось из-за того, что он часто формируется в виде пластин диаметром 513 см, толщина которых составляет 250500 мкм. Даже листы из нержавеющей стали таких габаритов легко поддаются неупругой деформации.

Как упоминалось ранее, многие структурные и механические недостатки монокристаллического кремния смягчаются при нанесении на него специальных тонкопленочных покрытий. Например, тонкие пассивирующие пленки из кварца защищают их от воздействия коррозионных и загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе окружающей среды. Другим примером является нанесение слоев из нитрида кремния, прочность которого уступает только алмазу. Анизотропное травление является ключевой технологией, применяемой для формирования в кремнии миниатюрных трехмерных структур. Для травления чаще других используются следующие две композиции: одна основана на этилендиамине и воде с некоторыми добавками, а другая состоит из чисто неорганических щелочных растворов, таких как КОН, NaOH
или LiOH.

Поликремниевые материалы позволяют изготавливать датчики, обладающие уникальными характеристиками. Слои из поликремния толщиной порядка 0,5 мкм, как правило, формируются методом термовакуумного напыления на кремниевой подложке со слоем диоксида кремния на поверхности толщиной 0,1 мкм. Поликремниевые структуры часто легируются бором. Для этого применяется метод химического осаждения из газовой фазы при низком давлении.

На рисунке 88а показано, как меняется удельное сопротивление поликремния в зависимости от концентрации бора.

а) б)

а) удельное сопротивление кремния, легированного бором;
б) температурный коэффициент сопротивления кремния для разных концентраций легирующих примесей

Рисунок 88 – Удельное сопротивление поликремния

Здесь же для сравнения приведена аналогичная кривая для монокремния. Из рисунка видно, что удельное сопротивление поликремния всегда намного выше, чем у монокристаллического материала, даже при высоких концентрациях бора. В диапазоне низких концентраций бора наблюдается значительное изменение удельного сопротивления поликремния, поэтому именно этот диапазон и используется для изготовления датчиков. Зависимость сопротивления поликремния от температуры не является линейной. В зависимости от степени легирования температурный коэффициент сопротивления поликремния в широком диапазоне значений может быть выбран либо положительным, либо отрицательным (рисунок 88б). Обычно температурный коэффициент сопротивления уменьшается при снижении концентрации легирующих примесей. Сопротивление слоя поликремния при любой температуре может быть определено из выражения

, (10.1)

где является температурным коэффициентом, a R20  сопротивлением при калибровке при температуре 20 °С.

На рисунке 89а показана температурная чувствительность поликремния и монокристаллического кремния при разных уровнях легирования. Видно, что температурная чувствительность поликремния выше, чем у монокремния, и поддается управлению за счет изменения концентрации легирующих примесей. Интересно отметить, что при определенной концентрации бора (точка Z) сопротивление перестает зависеть от температуры.

а) б)

а) зависимость температурного коэффициента от концентрации
легирующих примесей; б) пьезорезистивная чувствительность кремния

Рисунок 89 – Температурная чувствительность поликремния

При разработке датчиков давления, силы или ускорения важно знать коэффициент тензочувствительности резисторов из поликремния. На рисунке 89б показаны зависимости относительного изменения сопротивления поликремниевых резисторов, легированных бором, от величины продольной деформации εl. Все значения ΔR приведены относительно величины сопротивления R0, измеренного в ненагруженном состоянии. Из рисунка видно, что значения ΔR зависят от уровня легирования, а величина сопротивления уменьшается при сжатии и увеличивается при растяжении. Следует также отметить, что коэффициент тензочувствительности (наклон линии на рисунке 89б) зависит от температуры. Резисторы из поликремния обладают такой же высокой долговременной стабильностью, что и резисторы из монокристаллического кремния, поскольку поверхностные эффекты не оказывают серьезного влияния на характеристики устройства.

10.1.2 Пластмассы

Пластмассы  это синтетические материалы, сформированные из мономеров. Мономеры (например, этиленовые), вступая в реакции с другими мономерами, образуют длинные цепочки из повторяющихся этиленовых звеньев, являющиеся полимером полиэтиленом. Аналогичным способом из мономеров стирола формируется полимер полистирол. Полимеры состоят из атомов углерода, связанных с другими элементами. В составе полимеров в основном используются только восемь элементов: углерод, водород, кислород, азот, кремний, сера, хлор и фтор, но это позволяет создать тысячи вариантов различных пластмасс.

Каждый атом обладает ограниченным числом энергетических (валентных) связей для объединения с другими атомами, а для того чтобы вещество было стабильным, каждый атом внутри молекулы должен использовать все свои связи. Например, водород может быть связан только с одним другим атомом, в то время как углерод и кремний могут присоединить к себе четыре других атома. Таким образом, молекулы НН и HF являются стабильными молекулами, а СН и
SiCl  нет. На рисунке 90 показаны все восемь атомов со своими валентными связями.

Добавление большего количества атомов углерода в цепь полимера ведет к увеличению числа присоединенных атомов водорода, что делает молекулы более тяжелыми. Например, этан (С2Н6) тяжелее метана, поскольку содержит дополнительные атом углерода и два атома водорода. Его молекулярный вес равен 30. Очевидно, что молекулярный вес полимера будет каждый раз увеличиваться на 14 единиц (вес одного атома углерода и двух атомов водорода) до тех пор, пока он не превратится в пентан (С5Н12). Поскольку пентан очень тяжелый, при комнатной температуре он уже является не газом, а жидкостью. Дальнейшее присоединение групп СН2 ведет к формированию все более тяжелых полимерных жидкостей. По достижении состава С18Н38 полимер превращается в твердое вещество (С18Н38  это парафиновый воск). По мере роста молекул полимера воск становится все более тяжелым.

Рисунок 90 – Атомы, используемые для построения полимеров

Полимер с формулой С100Н202 с молекулярным весом 1402 называется полиэтиленом, который является самым простым термопластиком. При дальнейшем увеличении числа групп СН2 происходит повышение жесткости полимерного материала. Полимеры с молекулярным весом в диапазоне 10005000 называются полиэтиленами со средним молекулярным весом, а выше  с высоким молекулярным весом. Полиэтилен, являющийся самым простым полимером (рисунок 91), обладает рядом очень полезных свойств, используемых при построении датчиков. Например, полиэтилен прозрачен для излучений среднего и дальнего ИК-спектрального диапазона, поэтому может использоваться для изготовления окон и линз.

При нагреве, под давлением и при введении катализаторов мономеры могут образовывать очень длинные цепи. Этот процесс называется полимеризацией. Длина цепи (молекулярный вес) является очень важной характеристикой, поскольку от нее зависят многие свойства пластмасс. Увеличение веса ведет к повышению жесткости и прочности, уменьшению ползучести, росту температуры плавления и вязкости в расплавленном состоянии, а также усложнению процесса обработки. По окончании процесса полимеризации получившиеся полимерные цепи не связаны друг с другом и имеют сходство с длинным переплетающимся пучком спагетти. Такие полимеры называются термопластмассами, это означает, что они поддаются формованию при нагреве.

Рисунок 91 – Мономеры и полимеры, построенные на их основе

Чем ближе цепи расположены друг к другу, тем выше плотность полимера. При определенной плотности может начаться процесс формирования кристаллов. Кристаллизованные области обладают большей жесткостью и прочностью. Такие полимеры трудно поддаются обработке, поскольку обладают более высокой температурой плавления. При этом вместо того чтобы постепенно размягчаться, они резко переходят в жидкости с низкой вязкостью. С другой стороны, аморфные термопластмассы расплавляются медленно, но они не текут так хорошо, как кристаллизованные пластики. Примерами аморфных полимеров являются акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), полистирол, поликарбонат, полисульфон и т.д. Кристаллические пластмассы  это полиэтилен, полипропилен, нейлон, поливинилиден фторид и т.д.

АБС  очень жесткий и прочный материал. Он обладает высокой химической устойчивостью, низким влагопоглощением и хорошей формоустойчивостью. На некоторые виды может быть нанесено гальваническое покрытие.

Акрил обладает высокой оптической прозрачностью и устойчивостью к воздействиям окружающей среды. Он является прочным и блестящим материалом с хорошими электрическими свойствами. Бывает разных цветов.

Фторопласты включают в себя целое семейство материалов (PTFE, FEP, PFA, CTFE, ECTFE, ETFE, PFDF), обладающих очень хорошими электрическими свойствами и химической устойчивостью, низким трением и высокой термоустойчивостью. Однако они имеют среднюю прочность и высокую стоимость.

Нейлон (полиимид) обладает высокой прочностью и износоустойчивостью, а также низким коэффициентом трения. Он имеет хорошие электрические и химические свойства, но его гигроскопичность и формоустойчивость ниже, чем у других пластмасс.

Поликарбонат имеет очень высокую ударопрочность. Он является прозрачным и устойчивым к воздействиям окружающей среды, а также обладает низкой ползучестью под нагрузкой. Однако на него могут оказывать влияние некоторые химические реагенты.

Полиэстер обладает высокой формоустойчивостью, однако его нельзя использовать вне помещений или в горячей воде.

Полиэтилен  легкий и недорогой материал с отличной химической стабильностью и хорошими электрическими свойствами. Он имеет среднюю прозрачность в широком спектральном диапазоне: от видимого света до дальнего ИК-излучения, но обладает плохой формоустойчивостью и термостабильностью.

Полипропилен устойчив к изгибам и разрывным нагрузкам, обладает отличными химическими и электрическими свойствами, а также высокой термостабильностью. Он легкий, недорогой и прозрачный для излучений дальнего ИК-диапазона. Однако его коэффициент поглощения и рассеяния фотонов в среднем ИК диапазоне выше, чем у полиэтилена.

Полиуретан  прочный, износоустойчивый и ударопрочный материал. Он может быть изготовлен в виде пленок и пенопластов. Он обладает хорошими электрическими и химическими свойствами. Однако УФ-облучение ухудшает его качества.

Другой тип пластиковых материалов называется термореактивными пластмассами. В этих материалах полимеризация идет в два этапа: при производстве материала и при формировании из них конечных изделий. Примерами таких пластмасс являются фенольные смолы, которые при формовании из них требуемых структур расплавляются под действием давления. При этом образуются прочные поперечные межмолекулярные связи, не разрушаемые при последующем нагреве. Процесс формования изделий из термореактивных пластмасс напоминает варку яиц: после того, как сварены, они остаются твердыми. Как правило, этот тип пластмасс обладает большей температурной и формоустойчивостью по сравнению с термопластиками. По этой причине термореактивные пластмассы используются для изготовления: корпусов судов и электрических выключателей (армированный полиэстер); печатных плат (эпоксидная смола) и посуды (меламин). С другой стороны, термопластики по сравнению с термореактивными пластмассами обладают более высокой ударопрочностью, простотой обработки и лучшей адаптируемостью при разработке сложных изделий.

При изготовлении датчиков наиболее часто используются следующие термопластмассы:

  • алкидная смола. Обладает отличными электрическими свойствами и низкой влагопроницаемостью;

  • аллил (диаллил фталат). Обладает высокими: формоустойчивостью, термостабильностью и химической устойчивостью;

  • эпоксидная смола. Имеет высокую термическую и электрическую прочность, а также адгезию к большинству материалов;

  • фенольная смола. Является недорогим материалом черного или коричневого цвета;

  • полиэстер (термопластичная форма). Может быть разных цветов и разной прозрачности. Обладает сильной усадкой.

Если в реакции полимеризации участвуют два мономера разных типов (А и В), получившийся полимер называется сополимером, свойства которого определяются соотношением компонентов А и В. Для изменения механических свойств полимера в него вводят дополнительные компоненты, например, волокна позволяют повысить прочность, пластификаторы  гибкость, смазочные вещества облегчают обработку, а УФ-стабилизаторы улучшают характеристики датчиков, работающих в условиях солнечного света.

Другим хорошим способом управления свойствами пластмасс является изготовление полимерных сплавов или композиций, при этом сохраняются свойства каждого компонента.

Электропроводящие пластмассы. Сами по себе пластмассы являются прекрасными изоляторами. Для придания им электрических свойств их либо покрывают слоем металлической фольги или проводящего красителя, либо на них напыляют слой металла. Другим способом изготовления электропроводящих пластмасс является добавление проводящих примесей (например, графита или металлических нитей) или встраивание в пластмассу металлической сетки.

Пьезоэлектрические пластмассы. Они изготавливаются из поливинил фторидов и поливенилиден фторидов, а также сополимеров, которые являются кристаллическими материалами. Первоначально они не обладают пьезоэлектрическими свойствами. Для придания им этих свойств их поляризуют либо при помощи высокого напряжения, либо коронного разряда. С двух сторон пленки наносятся металлические электроды: либо методом трафаретной печати, либо по технологии вакуумной металлизации. Такие пленки применяются в некоторых датчиках вместо керамических материалов. Их преимуществами являются гибкость и устойчивость к механическим нагрузкам. Другим достоинством пьезоэлектрических пластмасс является возможность изготовления из них изделий практически любой формы.

10.1.3 Металлы и сплавы

С точки зрения разработчика датчиков все металлы можно разделить на два класса: с содержанием железа или без него. Металлы с содержанием железа, например, сталь, часто используются для изготовления магнитных датчиков движения, расстояния, магнитного поля и т.д. Также они применяются для формирования магнитных экранов. Другие типы металлов проницаемы для магнитных полей, поэтому используются там, где эти поля не имеют никакого значения.

Металлы и сплавы без содержания железа обладают рядом замечательных механических и физических свойств. При выборе металла необходимо не только учитывать его свойства, но и рассматривать способы его обработки. Например, несмотря на то, что медь обладает отличными тепловыми и электрическими свойствами, из-за сложности работы с ней вместо нее часто используют алюминий.

Алюминий имеет высокую величину отношения прочность/вес и обладает антикоррозионными свойствами: при воздействии воздуха он не окисляется так быстро, как железо. Это объясняется тем, что на поверхности алюминия формируется микроскопический оксидный слой, защищающий его от воздействия окружающей среды.

Существуют сотни алюминиевых сплавов. Для их обработки разработаны специальные методы, такие как раскатка, отливка и штамповка. Некоторые сплавы можно скреплять методом пайки и сварки.
В дополнение к замечательным электрическим свойствам алюминий обладает вторичными отражающими свойствами для излучений практически всего спектра: от УФ до радиоволн. Покрытия из алюминия часто наносятся на зеркала и волноводы. В среднем и дальнем ИК-диапазонах только золото обладает лучшей отражающей способностью.

Бериллий обладает несколькими замечательными свойствами. Он обладает низкой плотностью (две трети от плотности алюминия), большим коэффициентом жесткости (в пять раз больше, чем у стали), высокой удельной теплоемкостью, отличной формоустойчивостью и прозрачностью для рентгеновских лучей. Основным его недостатком является высокая стоимость. Так же, как и у алюминия, на поверхности бериллия формируется микроскопический слой, защищающий поверхность от коррозии. Обрабатывать бериллий можно многими традиционными способами, включая холодное прессование из порошка. Из него изготавливаются окна для рентгеновских датчиков, оптические платформы, зеркальные подложки и структуры спутников.

Магний является очень легким материалом с высоким отношением жесткости к весу. Благодаря низкому коэффициенту упругости обладает хорошими демпфирующими свойствами. Для его обработки подходят практически все методы обработки металлов.

Никель подходит для изготовления очень прочных структур, устойчивых к коррозии. По сравнению со сталью сплавы никеля обладают очень высокой прочностью и высоким коэффициентом упругости. Сплавы никеля  это двухкомпонентные системы с медью, кремнием и молибденом. Никель и его сплавы сохраняют свои свойства в температурном диапазоне от криогенных температур до 1200 °С. Никель входит в состав сверхпрочных сплавов.

Медь соединяет в себе хорошие тепловые и электропроводные свойства (вторые после чистого серебра) с коррозионной устойчивостью и относительной простотой обработки. Однако она обладает сравнительно низким отношением прочности к весу. Медь трудно поддается обработке методами микротехнологий. Медь и ее сплавы  латунь и бронза  могут быть изготовлены в различном виде, в том числе и в виде пленок. Латунь  это сплав меди и цинка с некоторыми добавками. Бронзу можно разделить на несколько групп: фосфорная бронза (медьоловофосфор), свинцово-фосфорная бронза (медьоловосвинецфосфор) и кремниевая бронза (медькремний). При использовании вне помещений медь покрывается сине-зеленым налетом (патиной). Этого можно избежать, используя акриловое покрытие. Сплав меди с бериллием обладает замечательными механическими свойствами и используется для изготовления пружин.

Свинец является самым непроницаемым металлом для рентгеновских лучей и -радиации. Он обладает высокой коррозионной устойчивостью ко многим химическим реагентам. Изделия из него могут работать и в любой почве, и в морской воде, и в промышленных условиях. У свинца низкая температура плавления, поэтому его легко отливать и штамповать. Он хорошо поглощает звук и вибрации. Он обладает естественной смазочной способностью и износостойкостью. Свинец редко используется в чистом виде. Самыми известными сплавами являются «тяжелый свинец», содержащий 113 % сурьмы; сплавы с кальцием и оловом, обладающие лучшей прочностью и жесткостью.

Платина  это серебристо-белый драгоценный металл, являющийся ковким, пластичным и коррозионно-устойчивым материалом. Она обладает очень стабильным и воспроизводимым положительным температурным коэффициентом сопротивления, поэтому ее часто используют в датчиках температуры.

Золото является очень мягким и химически инертным материалом. Оно вступает в реакцию только с царской водкой, а также натрием и калием в присутствии кислорода. Одним граммом чистого золота можно покрыть поверхность 5000 см2 толщиной менее 0,1 мкм. В основном золото используется в гальванических покрытиях и в составе сплавов с другими металлами: медью, никелем и серебром. В датчиках золото применяется в электрических контактах, в гальванически покрытых зеркалах и волноводах, работающих в среднем и дальнем
ИК-диапазонах.

Серебро является самым дешевым из драгоценных материалов. Оно является ковким и коррозионно-устойчивым. Серебро обладает наибольшей тепло- и электропроводностью среди всех металлов.

Палладий, иридий и родий похожи друг на друга и ведут себя как платина. Они применяются в качестве электрических покрытий при изготовлении гибридных и печатных плат, а также разнообразных керамических подложек с электрическими проводниками. Эти металлы также используются для изготовления высококачественных отражателей, способных работать в широком спектральном диапазоне при высоких температурах и в агрессивной окружающей среде. Самой высокой коррозионной устойчивостью среди всех металлов обладает иридий, поэтому именно он применяется в системах, работающих в критических условиях.

Молибден сохраняет прочность и жесткость до 1600 °С. Этот металл и его сплавы поддаются машинной обработке при помощи традиционных инструментов. Он подвержен воздействию большинства кислот. Молибден, в основном, применяется в устройствах, работающих при высоких температурах, таких как нагревательные элементы и отражатели в ИК-печах. Молибден обладает низким коэффициентом теплового расширения и не поддается эрозии под действием расплавленных металлов.

Вольфрам во многих отношениях похож на молибден, но может работать даже при более высоких температурах. Он часто используется для изготовления термопар (вольфрам-рениевые термопары).

Цинк редко применяется в чистом виде (за исключением в качестве покрытий). Его используют в виде сплавов.

10.1.4 Керамические материалы

Керамические материалы, как правило, имеют кристаллическую структуру. Их основными свойствами являются прочность, температуроустойчивость, низкий вес, устойчивость ко многим химическим реагентам, способность соединяться с другими материалами и отличные электрические характеристики, благодаря которым они широко используются при изготовлении датчиков. Хотя большинство металлов образуют с кислородом хотя бы одно химическое соединение, только малая часть из них годится для изготовления керамики. Примерами являются оксиды алюминия и бериллия. Чаще всего оксид алюминия сплавляется с оксидом кремния, однако, вместо него могут использоваться и другие элементы, такие как хром, магний, кальций и т.д.

Некоторые карбиды металлов относят к группе керамических материалов. Самыми распространенными из них являются карбид бора, а также нитрат и нитрид алюминия. В случаях, где требуется осуществить быструю теплопередачу, следует применять нитрид алюминия, в то время как при изготовлении емкостных датчиков предпочтительнее использовать карбид кремния, поскольку он обладает высокой диэлектрической константой. Благодаря своей жесткости, большинство керамических материалов для своей обработки требуют применения специальных методов, таких как скрайбирование, микрообработка и высверливание при помощи СО2 лазера, управляемого микропроцессором. Эти методы позволяют вырезать керамические подложки разной формы толщиной 0,110 мм.

10.1.5 Стекла

Стекло  это аморфный твердый материал, изготовленный методом сплавления двуокиси кремния и основного оксида. Хотя его атомы никогда не организованы в кристаллическую структуру, межатомные расстояния в стекле довольно малы. Основными свойствами стекла являются прозрачность, способность окрашиваться в разные цвета, прочность и устойчивость к большинству химических реагентов, кроме фтористоводородной (плавиковой) кислоты. Большинство стекол реализованы на силикатной системе и выполняются из трех основных компонентов: оксида кремния (SiO2), извести (СаСО3) и карбоната натрия (NaCO3).

Несиликатные стекла  это фосфатные стекла (устойчивые к плавиковой кислоте), теплопоглощающие стекла (сделанные из FeO) и системы, основанные на оксидах алюминия, ванадия, германия и других металлов. Примером таких специальных стекол является трисульфат мышьяка (As2S3), известный как AMTIR, прозрачный в среднем и дальнем ИК-спектральном диапазоне и используемый в составе
ИК-оптических устройствах (AMTIR  это ИК-стекла, выпускаемые Amorphous Materials, Inc. Garland, TX).

Боросиликатные стекла являются самым старым типом стекол, очень устойчивых к перепадам температур. В таких стеклах часть молекул SiO2 замещается на оксид бора. Боросиликатные стекла обладают низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет их использовать для изготовления оптических зеркал (например, для телескопов).

Свинцово-щелочные стекла (или просто свинцовые) состоят из моноксида свинца (РbО), который повышает их коэффициент преломления. Такие стекла являются хорошими электрическими изоляторами. При изготовлении датчиков из них делаются оптические окна и призмы, а также экраны для защиты от ядерных излучений. Другие стекла реализуются на основе алюмосиликатного стекла, в котором А12О3 вытесняет некоторые молекулы оксида кремния, 96 % оксида кремния и расплавленного оксида кремния.

Другой класс  это светочувствительные стекла, которые выпускаются трех видов. Фотохроматические стекла затемняются, ког-да подвергаются воздействию УФ излучения, и осветляются, когда облучение прекращается или стекло нагревается. Некоторые фото-хроматические композиции остаются затемненными в течение недель и даже месяцев. Остальные просветляются через несколько минут после удаления источника облучения. Фоточувствительные стекла реагируют на УФ-излучение по-разному. Если они подвергаются нагреванию после облучения, их цвет становится опаловым. Это позволяет создавать некоторые узоры внутри стеклянной структуры. Более того, облученные опаловые стекла лучше растворимы в плавиковой кислоте, что позволяет их обрабатывать по технологии травления.

10.2 Поверхностные технологии

10.2.1 Нанесение тонких и толстых пленок

Тонкие пленки часто используются для придания чувствительной поверхности некоторых дополнительных свойств. Например, для улучшения поглощающей способности тепловых излучений датчика, работающего в дальнем ИК-спектральном диапазоне, его поверхность иногда покрывается материалом, обладающим высоким коэффициентом поглощения, например, нихромом. На кремниевую подложку может быть нанесен слой из пьезоэлектрика для придания ей пьезоэлектрических свойств. Толстые пленки часто используются в качестве мембран в составе датчиков давления или микрофонов. Разработано несколько методов нанесения пленок разной толщины на подложки из разных материалов. Среди них самыми популярными являются литье при вращении, термовакуумное напыление, ионное распыление, гальванический метод и трафаретная печать.

10.2.2 Литье при вращении

По этой технологии материал для создания пленок растворяется в летучем жидком растворителе. Получившимся раствором поливают быстро вращающийся образец. Центробежные силы разносят материал, и после испарения растворителя на поверхности образца остается тонкая пленка. Этот метод часто используется для нанесения тонких пленок из органических материалов, особенно при изготовлении датчиков влажности и химических детекторов. Толщина готовых пленок определяется растворимостью наносимого материала и скоростью вращения, и обычно она находится в диапазоне 0,150 мкм. Недостатком этого метода является неравномерность нанесения пленки, особенно если образец имеет явно выраженные неровности. В дополнение к этому нанесенный материал имеет тенденцию сжиматься при высыхании. Тем не менее для многих практических применений этот метод вполне годится.

10.2.3 Термовакуумное напыление

В этом методе металл предварительно превращается в газ, который осаждается на поверхность образца, формируя на его поверхности тонкую пленку. Система напыления состоит из вакуумной камеры (рисунок 92), диффузионного насоса, обеспечивающего давление в камере порядка 10 610 7 торр, держателя образца, тигля и заслонки. Наносимый материал помещается в керамический тигель, нагреваемый вольфрамовой нитью накаливания до температуры плавления металла. Альтернативным методом нагревания является использование элект-ронного луча. По команде от блока управления заслонка открывается, позволяя оторвавшимся атомам металла осаждаться на образце. Части образца, защищаемые маской, остаются непокрытыми. Толщина пленки определяется временем напыления и давлением паров металла. Чем ниже температура плавления материала, тем легче его напылять (например, алюминий). Как правило, пленки, нанесенные методом вакуумного напыления, обладают большим остаточным напряжением, поэтому этот метод применяется только для нанесения тонких пленок.

Рисунок 92 – Напыление тонкой металлической пленки
в вакуумной камере

Поскольку расплавленный материал является практически точечным источником атомов, возникают две проблемы: неравномерность нанесения пленок и эффект затенения  нечеткость краев пленки по границе маски. Для снижения этих явлений применяются следующие методы: используются либо несколько тиглей (3 или 4), либо вращение образца.

При использовании метода вакуумного напыления необходимо следить за тем, чтобы в камеру не попадали посторонние вещества, поскольку даже небольшое количество масла (например, от насоса) может привести к возгоранию органических материалов или к осаждению на образце таких нежелательных компонентов, как углеводы.

10.2.4 Ионное распыление

Так же, как и вакуумное напыление, ионное распыление проводится в вакуумной камере (рисунок 93).

Однако здесь после откачивания воздуха в камеру вводится инертный газ (аргон или гелий) под давлением 210 6510 6 торр. На катод (мишень), изготовленный из распыляемого материала, подается высокое постоянное или переменное напряжение. Образец крепится на анод, расположенный на некотором расстоянии от катода. Высокое напряжение раскаляет плазму инертного газа, и быстрые газовые ионы начинают бомбардировать мишень. Кинетическая энергия бомбардирующих ионов достаточно высока, чтобы заставить отдельные атомы оторваться от поверхности катода. Некоторые из этих атомов, долетая до образца, формируют на его поверхности тонкую пленку.

Рисунок 93 – Ионное распыление в вакуумной камере

Пленки, наносимые методом ионного распыления, обладают большей равномерностью, особенно при введении в камеру магнитного поля, направляющего ионы прямо на поверхность образца. Поскольку в этом методе нет необходимости в сильном нагреве мишени, распыляться могут практически любые материалы, включая органические. Более того, распыляться могут материалы одновременно с нескольких мишеней. Например, при формировании нихромовых электродов на поверхности пироэлектрических датчиков распыляются ионы Ni и Сr от двух разных мишеней.

10.2.5 Химическое осаждение из газовой фазы

Эта технология используется при изготовлении оптических, оптоэлектронных и электронных устройств. При производстве датчиков часто бывает необходимо формировать оптические окна или наносить на поверхность полупроводниковых подложек тонкие или толстые кристаллические пленки.

Процесс химического осаждения проводится в реакторе, упрощенная схема которого показана на рисунке 94.

Рисунок 94 – Упрощенная структура реактора для проведения
процесса химического осаждения из газовой фазы

Подложки располагаются на стационарном или вращающемся столе (держателе пластин), температура которого повышается до требуемого уровня при помощи специального нагревателя. В верхней крышке реактора есть отверстие для ввода водорода со специальными примесями, которые при перемещении над нагретыми поверхностями подложек осаждаются на них, формируя тонкие пленки. Обычно газ вводится через центральную часть реактора, а выводится через боковые отверстия. Среднее давление газа в реакторе составляет порядка 1 атм, а иногда и ниже. Например, для выращивания пленки из некоторых пленок необходимо обеспечить следующие условия: температуру 630 °С и давление 1 атм.

10.2.6 Нанотехнологии

Говоря о нанотехнологиях, подразумевается, что речь идет об устройствах, размеры которых сравнимы с нанометром (10 9м). На практике же большинство субминиатюрных элементов имеют размеры в 1000 раз большие  порядка микрон (10 6м). Однако по мере развития технологий эти размеры имеют тенденцию уменьшаться.

В настоящее время быстро развиваются микросистемные технологии, позволяющие создавать микроэлектромеханические системы (МЭМС) и микроэлектро-оптомеханические системы (МЭОМС). МЭМС устройства объединяют в своем составе электрические и механические компоненты. Это означает, что в их структуру входит хотя бы одна подвижная или деформируемая часть и обязательно электрическая схема. Из названия МЭОМС следует, что одним из ее элементов должен быть оптический компонент. Большинство МЭМС и МЭОМС являются трехмерными устройствами, размеры которых составляют порядка микрон.

В настоящее время существуют два типа микротехнологий: микроэлектроника и микромашинная технология. Под микроэлектроникой понимается производство интегральных схем на кремниевых кристаллах. А микромашинная технология объединяет в себе методы изготовления структур и подвижных частей микроустройств. Цель построения МЭМС  это объединение интегральных электронных схем и микромашинных устройств. Очевидными преимуществами МЭМС являются: низкая стоимость, надежность и миниатюрные размеры.

Сейчас наибольшее развитие получили три направления микротехнологий: методы обработки кремния, обработка при помощи эксимерного лазера и LIGA-технология. Методы микрообработки кремния являются наиболее бурно развивающимися, поскольку кремниевые подложки широко используются в микроэлектронике, и именно они являются наиболее подходящими кандидатами для построения микросистем.

Затем, в конце семидесятыхначале восьмидесятых годов в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) было создано новое направление  технология формирования объёмных структур с использованием синхронного излучения, гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами, получившая название LIGA-технология (LIGA  аббревиатура немецких слов: litographie  литография, galva-noformung  гальванообработка, аbformung  прессование).

Эксимерный лазер является УФ устройством, которое может быть использовано для микромашинной обработки большого количества материалов без их нагревания, что является чертой, отличающей его от других типов лазеров, удаляющих материал выжиганием или выпариванием. Эксимерный лазер используется в основном для работы с органическими материалами (полимерами и т.п.)

Эксимерный лазер  разновидность ультрафиолетового химического лазера, широко применяемая в глазной хирургии и полупроводниковом производстве.

Термин эксимер (англ. excited dimer) обозначает возбуждённый димер и обозначает тип материала, используемого в качестве рабочего тела лазера.

Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым, В.А. Даниличевым и Ю.М. Поповым в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в г. Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe2), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172 нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, XeBr), что было запатентовано в 1975 году Джорджем Хартом и Стюартом Сирлесом из исследовательской лаборатории ВМС США.

Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (неассоциативное) основное, то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон, высокоинертны и обычно не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбужденном связаном состояниии автоматически создает инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбужденном состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы.

Несмотря на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции.

Длина волны эксимерного лазера зависит от состава используемого газа и обычно лежит в ультрафиолетовой области.

Эксимерные лазеры обычно работают в импульсном режиме с частотой 100 Гц и длиной импульса около 10 нс, иногда эти значения могут достигать 200 Гц и 30 нс. Мощное ультрафиолетовое излучение таких лазеров позволяет их широко применять в хирургии (особенно глазной), в процессах литографии в полупроводниковом производстве, а также в дерматологии. Сегодня эти устройства довольно громоздки, что является недостатком при широком медицинском применении, однако их размеры постоянно уменьшаются благодаря современным разработкам.

LIGA (литографическая гальванопластика и литье)  технология изготовления форм, используемых для производства механических микрокомпонентов, которые могут быть реализованы из различных материалов. Однако эта технология обладает серьезным недостатком  необходимостью применения рентгеновского излучения синхротрона.

10.2.7 Фотолитография

Фотолитография  метод получения трехмерных структур механических микросистем, взятый из микроэлектроники.

На рисунке 95А показана пленка некоторого материала (например, диоксида кремния), нанесенная на подложку из другого материала (например, из кремния).

Рисунок 95 – Положительная и отрицательная фотолитография

Цель метода  селективное удаление части оксидного покрытия, чтобы освободить требуемый участок подложки (рисунок 95F).

На поверхность оксидного слоя наносится пленка из полимера, чувствительного к УФ-излучению (рисунок 95В), называемого фоторезистом. Сверху полимера формируется маска, которая часто представляет собой шаблон из хрома, нанесенный на стеклянную пластину.
УФ-излучение попадает на фоторезист через маску (рисунок 95С), после чего облученная часть фоторезиста удаляется, и в результате этого формируется маска из фоторезиста (рисунок 95D).

Существуют два типа фоторезистов: положительный (левая сторона рисунка 95) и отрицательный (правая сторона рисунка 95). Когда УФ облучает положительный резист, он ослабляет полимер, в результате чего именно эта часть резиста удаляется после облучения, оставляя на резистивном слое положительную маску. При облучении УФ отрицательного резиста происходит усиление полимера и удаляется часть полимера, не подвергшегося облучению. При этом на резистивном слое остается инвертированный рисунок исходной маски. Для удаления оксида кремния в зонах, не защищенных резистом, используется химический или иной пригодный метод (рисунок 95Е). В конце процесса удаляется резист и остается готовая структура (рисунок 95F).

10.3 Методы обработки кремния

Существуют методы формирования слоев, нанесенных на кремниевую подложку, и придания формы самой подложке для получения требуемых микроструктур (объемная обработка кремния). Разработаны также технологии нанесения и формирования тонких пленок, позволяющие изготавливать довольно сложные структуры на поверхности кремниевой подложки (поверхностная обработка кремния). Для совершенствования этих технологий в них внедряются методы электрохимического травления. А новые методы соединения подложек позволяют изготавливать многослойные структуры.

Существует три основных способа обработки кремния: нанесение тонких пленок из разных материалов, удаление материалов при помощи жидких травильных реагентов и удаление материалов методами сухого травления. Существует еще один метод травления  травление с барьерным слоем, основанный на введении в кремний примесей, изменяющих его свойства.

10.3.1 Нанесение тонких пленок

Для нанесения тонких пленок (порядка нескольких микрон и даже меньше) из различных материалов на поверхности кремниевой подложки (или какой-либо другой) используются методы фотолитографии и травления. Наиболее распространенными материалами являются: диоксид кремния, нитрид кремния, поликремний и алюминий. В виде тонких пленок могут быть нанесены и другие материалы, включая благородные металлы, например, золото. Однако благородные металлы, попадая на электронные схемы, могут вывести их из строя, поэтому нанесение таких покрытий на подложки должно происходить до формирования электронных узлов. Пленки из благородных металлов чаще всего наносятся по трафарету методом обратной литографии, а не по технологии сухого и жидкостного травления.

Часто фоторезист является недостаточно прочным для обработки методом травления. В таких случаях наносится тонкий слой из более твердого материала (например, оксида или нитрида), и дальнейшее формирование пленки ведется методом фотолитографии. В процессе вытравливания нижележащего материала оксид/нитрид играет роль маски. После полного вытравливания нижележащего материала этот маскирующий слой удаляется.

10.3.2 Жидкостное травление

Под жидкостным травлением понимается удаление части материала при помещении подложки в кювету с химическим реагентом. Существует два способа жидкостного травления: изотропный и анизотропный. При изотропном травлении травильные реагенты равномерно удаляют материал одновременно во всех направлениях. Тогда как при анизотропном травлении скорость удаления материала в разных направлениях будет неодинаковой, поэтому этот метод используется для формирования структур сложной формы. Скорость травления часто определяется концентрацией примесей кремния.

Для травления оксидов и нитридов кремния, алюминия, поликремния, кремния и золота существуют свои собственные травильные реагенты. Поскольку изотропные травители действуют на материал одинаково во всех направлениях, они удаляют его не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, подтравливая слой, находящийся под маской. Это проиллюстрировано на рисунке 96.

Рисунок 96 – Изотропное травление под слой маски

Для травления кристалла кремния в разных плоскостях с различными скоростями также разработаны специфические реагенты. Наиболее популярным анизотропным травильным реагентом является КОН.

Кремниевые подложки обычно получаются методом разрезания большого кристалла кремния, выращенного из одной затравки. Все атомы кремния организованы в кристаллическую структуру, поэтому в данном случае речь идет о подложках из монокристаллического кремния. При приобретении кремниевых подложек необходимо уточнять их ориентацию. На рисунке 97 показаны простейшие структуры, полученные при травлении кремниевой подложки с ориентацией кристалла (100) раствором КОН. Это V-образная канавка и углубление с наклонными боковыми стенками.

Рисунок 97 – Простейшие структуры, вытравливаемые
при помощи КОН

В зависимости от ориентации подложки меняются углы наклона вытравливаемых структур.

Скорость травления нитридов и оксидов кремния в КОН (чисто неорганические щелочные растворы) очень невысока. Оксиды могут использоваться в качестве маски для травления пологих структур в растворе КОН в течение относительно короткого интервала времени. Для более длительных периодов травления лучше подходят маски из нитридов, поскольку их скорость травления в КОН ниже, чем у оксидов.

На рисунке 98 показаны варианты мезаструктур, полученных в растворе КОН.

Рисунок 98  Мезаструктуры

При вытравливании мезастуктур могут получиться не прямые углы, а с некоторым скосом, который необходимо компенсировать. Для этого на углах маски предусматриваются дополнительные элементы, позволяющие формировать практически прямые углы мезаструктур. Недостатком этого метода компенсации является ограничение на минимальное расстояние между структурами.

При изготовлении многих датчиков, таких как акселерометры, детекторы давления и температуры (термоэлементы и болометры) и т.д., требуется формировать диафрагмы. При помощи метода травления в растворе КОН можно делать кремниевые диафрагмы толщиной порядка 50 мкм (рисунок 99а).

а) б)

Рисунок 99 – Изготовление диафрагмы или мембраны

Толщина диафрагмы определяется временем травления, что может приводить к существенным погрешностям.

10.3.3 Травление с барьерным слоем

Более тонкие диафрагмы толщиной около 20 мкм могут быть получены методом травления в растворе КОН (чисто неорганические щелочные растворы) при помощи барьерного слоя, представляющего собой слой кремния, легированный бором (рисунок 99б). Толщина диафрагмы при этом определяется глубиной легированного слоя, которую можно проконтролировать гораздо точнее, чем скорость травления. Высокая концентрация бора позволяет снизить скорость травления на несколько порядков, что означает фактически остановку процесса травления. Легирование кремния бором осуществляется методом диффузии.

Методом травления с барьерным слоем можно получать разнообразные структуры. Для этого сверху кремниевой подложки формируется толстый слой маски из оксида кремния, определяющий зоны легирования (рисунок 100а).

Рисунок 100 – Травление вокруг зоны легирования бором

После этого подложка помещается в печь на определенный промежуток времени, где происходит диффузия бора в кремний. По окончании процесса легирования слой маски удаляется (рисунок 100б). Перед помещением в кювету с КОН на подложку по трафарету наносится еще одна маска (рисунок 100в). КОН удаляет кремний из зон, не защищенных маской, вокруг области легирования (рисунок 100 г). За 1520 часов бор проникает в кремний на глубину 20 мкм, однако желательно время температурной обработки делать как можно более коротким. Метод травления с барьерным слоем также используется для изготовления узких мостов и консольных структур. На рисунке 101а показана мостовая структура, сформированная методом барьерного травления в растворе КОН. Для изготовления консольной структуры, представленной на рисунке 101б, также использовался метод травления.

Рисунок 101 – Изготовление методом травления мостовых
и консольных структур

Консольные и мостовые структуры широко применяются в резонансных датчиках, в которых изменение массы, длины и других параметров структур приводит к модуляции их собственной частоты.

10.3.4 Сухое травление

Наиболее распространенной технологией сухого травления является метод реактивного ионного травления (РИТ), заключающийся в том, что ускоренные ионы направляются в сторону вытравливаемого материала. При этом происходит ускорение реакции травления в направлении распространения ионов. РИТ  это метод анизотропного травления, при помощи которого в различных материалах, включая кремний и его оксид и нитрид, могут быть сформированы структуры произвольной формы глубиной до нескольких десятков микрон. В отличие от жидкостного анизотропного травления метод РИТ не зависит от ориентации кристаллов кремния. При объединении методов сухого травления и изотропного жидкостного травления возможно получение очень острых структур. Для этого сначала методом РИТ формируется структура с вертикальными сторонами (рисунок 102а). После чего используется жидкостное травление для подтравливания слоя маски до получения остроконечной фигуры (рисунок 102б). По окончании процессов травления маска удаляется. Таким образом изготавливаются концевые части некоторых датчиков, например, тактильных детекторов.

Рисунок 102 – Вытравливание остроконечных структур

10.3.5 Метод обратной литографии

Этот метод используется для трафаретного нанесения тонких пленок из благородных металлов. Сначала на подложку наносится тонкий слой из вспомогательного материала (например, оксида кремния). Сверху него по шаблону наносится слой резиста (рисунок 103а), облучаемый УФ-светом. После чего применяется жидкостное травление для подтравливания слоя под резистом (рисунок 103б).

Рисунок 103 – Метод обратной литографии

Далее на подложку через отверстие в резисте методом напыления наносится слой металла (рисунок 103в). После чего удаляются слои резиста и вспомогательного материала и остается только подложка с нанесенным слоем металла (рисунки 103г, 103д).

10.3.6 Соединение подложек

Существует много методов соединения подложек из различных материалов друг с другом для получения сложных устройств. Одним из самых распространенных методов соединения кремния со стеклом является метод анодного, или электростатического сплавления. Для этого кремниевая и стеклянная подложки соединяются вместе и нагреваются до высокой температуры. После чего к этому соединению прикладывается высокое напряжение, в результате чего между подложками образуются очень прочные связи. На рисунке 104 показана стеклянная пластина, соединенная с каналом, вытравленным в кремниевой подложке методом РИТ.

Рисунок 104 – Соединение стекла с кремнием

Для соединения двух кремниевых подложек подходит метод прямого соединения, заключающийся в скреплении двух кремниевых пластин под водой и приложении к ним небольшого давления. Также популярны методы соединения, использующие промежуточные адгезионные слои, такие как стекло и фоторезист. Хотя методы анодного сплавления и прямого скрепления подложек дают возможность получить прочные соединения, они имеют довольно серьезный недостаток: для них очень важна чистота и гладкость соединяемых поверхностей. Методы соединения подложек используются для скрепления микроструктур при изготовлении мембран, консолей, клапанов и т.д., являющихся составными частями различных датчиков.

11 СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ (САПР)

За последние годы проектирование электротехнических объектов (будь то само изделие или комплектные устройства) практически полностью ведется с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), которое базируется на комплексе средств автоматизации проектирования, связанных с этапами проектирования.

Применение САПР значительно повышает возможности проектных операций, сокращает их сроки, увеличивает качество проектов.

11.1 Основные положения теории САПР

Под термином САПР понимается система проектирования, в которой органично объединены усилия коллектива проектировщиков и возможности математических методов и ЭВМ на всей совокупности взаимосвязанных этапов проектирования с применением развитых средств программного и информационного обеспечения для коренного улучшения качества проектных работ и сокращения их сроков.

Это достигается:

  • благодаря систематизации и совершенствованию проектного процесса, которые сопровождаются перестройкой структуры и кадрового состава проектных организаций;

  • благодаря применению эффективных математических моделей проектируемыхобъектов;

  • благодаря комплексной оптимизации принимаемых проектных решений;

  • благодаря улучшению информационного обеспечения разработок;

  • благодаря автоматизации трудоемких и рутинных работ;

  • благодаря частичной замене макетирования и натурных испытаний математическим моделированием.

Комплекс средств автоматизации проектирования в соответствии с особенностями решаемых задач принято подразделять на средства методического, программного, технического, информационного и организационного обеспечения.

Методическое обеспечение (МО) представляет собой совокупность документов, устанавливающих состав, правила отбора и эксплуатации средств, обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для его выполнения. Методическое обеспечение дополнительно разделяют на средства математического и лингвистического обеспечения. При этом математическое обеспечение, рассматриваемое как совокупность различных математических методов и алгоритмов, предназначается для выполнения преобразований описания объекта проектирования, а лингвистическое служит для решения второй из названных задач, а именно для представления полученных описаний.

Программное обеспечение (ПО) включает совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и документации к ним. САПР является программно-управляемой системой. Поэтому ПО составляет сердцевину средств ее обеспечения как по значению, так и по трудоемкости задания. В составе ПО САПР по функциональным признакам выделяются системы математического обеспечения ЭВМ как часть ПО, инвариантная областям применения ЭВМ, общесистемное ПО САПР (к которому, в частности, можно отнести ПО машинной графики, диалоговые системы и др.) и прикладное ПО, служащее непосредственно для решения задач проектирования конкретного класса объектов.

Техническое обеспечение (ТО) состоит из совокупности взаимодействующих средств вычислительной и организационной техники, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. В большинстве случаев ТО САПР базируется на серийно выпускаемых ЭВМ различной производительности, снабженных не только штатным, но и специализированным периферийным оборудованием.

Информационное обеспечение (ИО) объединяет совокупность сведений, необходимых для функционирования САПР и представленных в заданной форме. Для ведения автоматизированного проектирования большая часть этих сведений (данных) должна записываться на машинные носители информации и в процессе работы САПР обрабатываться ЭВМ. ИО концентрирует опыт проектирования данного класса объектов, содержит необходимые данные, сохраняет описание проектируемого объекта, облегчает передачу данных при переходе от этапа к этапу проектирования.

Организационное обеспечение (ОО) содержит совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, функции и взаимосвязи подразделений, а также форму представления проектных документов.

Остановимся лишь на информационном обеспечении, непосредственно связанном с массивами информации.

11.2 Организация информационного обеспечения САПР

В состав информационного обеспечения САПР включаются документы, содержащие описания стандартных проектных процедур, типовых проектных решений и элементов, комплектующих изделий, материалов и другие данные, а также данные на машинных носителях с записью указанных документов, обеспечивающие функционирование подсистем САПР.

Совокупность документов с перечисленными описаниями представляет собой справочно-информационный фонд САПР. Эта часть ИО находится, как правило, вне ЭВМ. Другую, внутримашинную, часть ИО САПР составляет автоматизированный банк данных (АБД), который подразделяется на базу данных и систему управления базой данных (СУБД).

Под базой данных САПР понимается совокупность хранящихся в ЭВМ данных, которые с минимальной избыточностью и максимально возможным быстродействием удовлетворяют информационные потребности автоматизированного проектирования.

В составе базы данных можно выделить по функциональному признаку четыре раздела:

1. Данные о типовых проектных решениях и ранее выполненных проектных разработках.

2. Справочники и нормативно-техническая документация.

3. Информационная модель объекта, которая составляется из данных, описывающих его на различных этапах проектирования. Эта модель развивается в процессе проектирования.

Описание объекта проектирования, получаемое на каждом предыдущем этапе, должно давать необходимые данные для работы компонентов САПР на последующем этапе. По окончании проектирования полученное описание объекта может быть передано в первую группу данных, а следовательно, должно включать все ранее перечисленные виды информации.

4. Данные, регламентирующие проектную деятельность как отдельных исполнителей, так и организации в целом. Прежде всего сюда относится описание методик автоматизированного выполнения проектных процедур, информационных связей между участниками разработки. В состав этих данных входят также сведения о контингенте проектировщиков с указанием их конкретных функций.

11.3 Использование ресурса портала iElectro для систем
автоматизированного проектирования

Одним из основных компонентов любой базы данных САПР являются справочники, включающие информацию об элементах, входящих в состав системы проектирования. Справочник должен содержать набор необходимых сведений в табличной или графической форме, позволяющих выбрать требуемое изделие, разместить их в узлах проектируемой электрической схемы, проверить правильность выбора и работоспособность устройства в целом.

В этой связи справочники должны выполнять ряд требований:

  • максимальная полнота информации, дающая представление о состоянии рынка в данном классе изделий. Информация может быть структуирована по производителям, что даст возможность удовлетворять требования заказчиков по поставкам и составу комплектующих;

  • наличие унифицированных технических характеристик для данного класса изделий, позволяющих проводить их сравнение и выбор, в том числе по критериям качества. Таких характеристик должно быть ограниченное количество, что позволит показатели всех изделий выбирать и сравнивать. Как правило, таких технических показателей должно быть в пределах пяти наименований. Их принято называть основными техническими параметрами;

  • наличие показателей качества, с помощью которых можно сравнивать однотипные изделия, и делать правильный (нужный) их выбор. К таким показателям качества часто относят: массогабаритные показатели, стоимостные показатели, показатели, характеризующие надежность (например, коммутационная и механическая износостойкость, срок службы, предельная коммутационная способность и др.);

  • наличие графических форм представления информации, как минимум, на уровне габаритных, установочных и присоединительных размеров изделия;

  • наличие схемотехнических решений отдельных изделий (например, схема включения реле, его контактов и цепи управления);

  • совместимость описанных выше требований к элементам справочника с программным обеспечением САПР как на уровне представления технической информации, так и графических форм реализации (например, растровая или векторная графика);

  • удобство экспортирования информации из справочников в САПР, что облегчает возможности периодического обновления сведений об изделиях и поддержание справочников в актуализированной форме.

Современные САПР, имея развитую программную инфраструктуру, часто снабжены скудным набором справочников с устаревшей информацией, требующей актуализации. Создание полных и современных справочников под силу специальным информационным центрам, работающим в сфере электротехники, таким как информационный портал , содержащий практически всю информацию об изделиях низкого и высокого напряжения, отечественных и зарубежных производителей, представленных на российском рынке электротехники.

Часто методическое и информационное обеспечение САПР строится с использованием комплексного подхода:

  • на первом этапе проводится предварительный расчет режимов работы системы (расстановка оборудования и прокладка кабелей и проводов на планах, формирование электрических схем, выполнение электротехнических расчетов, выполнение светотехнических расчетов и т.д.). Составляются таблицы задействованных изделий и оборудования, проводится расчет токовых нагрузок в номинальных и пусковых режимах, выполняется расчет цепей в аварийных режимах (перегрузки по току и коротком замыкании), проводится выбор сечений проводов и кабелей;

  • на втором этапе осуществляется подборка электротехнических изделий для реализации заданного схемного решения. Причем проводятся проверки на электромагнитную совместимость изделий, на селективность работы защитной аппаратуры, на термическую устойчивость изделий с учетом их совместной работы и т.п.;

  • на третьем этапе формируются управляющие комплектные устройства низкого (НКУ) и высокого (КТП) напряжения, через посредство которых и осуществляется управление и защита потребителей и сети. Если совокупность выполняемых функций при заданном схемотехническом решении можно выполнить, используя стандартные конструкции комплектных устройств, то предпочтение отдается именно им. Так можно выбрать стандартные квартирные и этажные щитки, выпускаемые производителями, можно подобрать вводно-распреде-лительное устройство (ВРУ) и комплектную трансформаторную подстанцию (КТП).

Однако если схемотехническое решение не стандартное или требуется установка специального комплектующего оборудования и изделий, то приходится проектировать комплектные устройства по индивидуальному проекту с учетом всех законов проектных работ.

Отметим, что даже частичная замена изделий в стандартных комплектных устройствах, требует специальных расчетов, проверок и согласований. Иначе возможны выходы из строя с тяжёлыми последствиями для потребителей и электрических сетей.

11.4 Основные достоинства

САПР охватывает весь комплекс расчетных электротехнических задач, решаемых при проектировании и эксплуатации распределительных сетей низкого (0,4 кВ) и частично среднего напряжения.

Позволяет анализировать режимы работы сложноразветвленных разомкнутых трехфазных электрических сетей с нулевым проводом или без него (одно- и двухфазные сети рассматриваются как частные случаи трехфазной четырехпроводной сети).

Обеспечивает оперативный расчет при изменении состояний коммутационных аппаратов и позволяет анализировать последствия оперативных переключений.

Позволяет одновременно выполнять расчет для множества режимов сети, определяемых состоянием коммутационных аппаратов.

Производит автоматический выбор оборудования по результатам анализа одного или множества возможных режимов.

Позволяет использовать различные способы расцветки информации (по классам напряжения, по связанности с источниками питания, по величине отклонений напряжений, по степени загрузки оборудования и т.п.).

Легко интегрируется в САПР с любым графическим ядром, оставаясь независимой программой со встроенным графическим редактором и собственной базой данных.

11.5 Основные возможности

Все расчеты в программном комплексе EnergyСS Электрика выполняются с помощью расчетной модели электрической сети, которая отражает конфигурацию схемы и основные свойства ее объектов (кабельных и воздушных линий, трансформаторов, коммутационных аппаратов, электроприемников и т.д.). Формирование расчетной модели автоматически производится при вводе объектов схемы с помощью специального графического редактора, а также после задания пользователем необходимых свойств в соответствующих таблицах.

При работе с графическим изображением возможен просмотр любого участка схемы с изменением масштаба изображения в широком диапазоне, размер схемы автоматически увеличивается по мере ввода новых элементов. Для обеспечения комфортного просмотра используются все средства динамической прокрутки и масштабирования, свойственные современным графическим редакторам.

Параметры схемы замещения каждого объекта рассчитываются на основе заданных свойств и справочной информации, которая хранится в отдельной справочной базе данных. В программном комплексе предусмотрена возможность использования сменных баз данных справочной информации (БДС), ориентированных, например, на различных поставщиков оборудования (Siemens, Schneider-Electric, ABB и т.д.).

Система ElectriCS ADT позволяет повысить производительность труда проектировщика-электрика и качество проектирования систем электроснабжения.

Применение ElectriCS ADT совместно с другими программами (AutomatiCS ADT, ElectriCS 3D, ElectriCS Storm, ElectriCS Light и EnergyCS Электрика) позволяет осуществить комплексную автоматизацию проектной организации в части электротехнического отдела и отдела КИПиА (АСУТП).

11.6 Основные функции ElectriCS ADT

К основным функциям относятся:

  • расчет нагрузок по коэффициентам расчетной мощности (в соответствии с «Указаниями по расчету электрических нагрузок РТМ 36.18.32.4-92»);

  • синтез структуры проектируемой системы с выбором оборудования (кабелей, защитных аппаратов  блоков НКУ, автоматов и т.д.) в соответствии с результатами расчета нагрузок и справочной информацией, имеющейся в базе системы;

  • автоматическое присвоение проектных позиций элементов (кабелей, блоков НКУ, автоматов и т.д.) в соответствии с правилами, принятыми в отрасли или на конкретном предприятии;

  • расчет потерь напряжения в нормальных режимах и при пусках двигателей;

  • расчет токов короткого замыкания (в соответствии с
    ГОСТ 28249-93);

  • проверка защитных аппаратов по расчетным и пусковым (пиковым) токам;

  • проверка защитных аппаратов по чувствительности к минимальным токам коротких замыканий;

  • проверка селективности защитных аппаратов и построение карт селективности;

  • вывод списка кабелей (силовых и контрольных) и потребителей в формате системы ElectriCS 3D для последующей автоматизированной раскладки по кабельным конструкциям;

  • вывод результатов работы в виде табличных и графических документов. Табличные документы формируются в MS Word, графические – в AutoCAD 2000 и выше. Имеется конвертор для перевода таблиц MS Word в графический вид в среде AutoCAD. С использованием ElectriCS ADT возможен автоматизированный выпуск следующих видов документов:

  • однолинейных принципиальных схем питающих и распределительных сетей в традиционном вертикальном (графическом) представлении;

  • однолинейных принципиальных схем питающих и распределительных сетей в горизонтальном (табличном) представлении в соответствии с ГОСТ 21.613-88;

  • общих видов щитов;

  • перечней составных частей к щитам;

  • заказных спецификаций оборудования, изделий и материалов;

  • таблиц расчета нагрузок;

  • таблиц расчета токов КЗ и потерь напряжения;

  • кабельных (кабельно-трубных) журналов.

Одна из систем автоматизированного проектирования электрооборудования КОМПАС-Электрик Std применяется совместно с КОМПАС-График и системой проектирования спецификаций.

САПР КОМПАС-Электрик Std предназначена для автоматизации проектирования и выпуска полного комплекта документов на электрооборудование объектов производства. В качестве объектов производства могут выступать любые объекты, в которых для выполнения электрических связей используется проводной монтаж (низковольтные комплектные устройства, системы релейной защиты и автоматики (РЗА), АСУ технологических процессов и т.д.).

Программа WinELSO 6.0 предназначена для автоматизации работ при проектировании электроснабжения объектов на напряжение
0,4 кВ. Программа состоит из следующих подсистем:

  1. расстановки оборудования и прокладки кабелей на планах;

  2. формирования электрических схем и выполнения электротехнических расчетов;

  3. выполнения светотехнических расчётов;

  4. автоматизированной разработки проектных документов.

12 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ПАКЕТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ

Математические пакеты для моделирования, являются составной частью мира систем, т.к. некоторые задачи вообще невозможно решить без помощи компьютера. Программы математического моделирования могут очень многое, в математических пакетах пользователь для решения инженерных задач использует принцип конструирования модели. Пользователь ставит задачу, а методы и алгоритмы решения находит сама система. Современные математические пакеты можно использовать и как обычный калькулятор, и как генератор графики или даже звука, стали стандартными средства взаимодействия с Web и генерация HTML-страниц.

В настоящее время все более широко разрабатываются и применяются цифровые системы автоматического управления. В связи с развитием компьютерных технологий вполне естественно было привлечение ПК для осуществления автоматизации некоторых этапов проектирования устройства. По мере увеличения мощности ПК на них возлагалась все большая часть работы. Одновременно совершенствовалось программная оболочка, что привело к созданию современных САПР. Разные задачи при проектировании привели к появлению различных специализированных САПР, каждая из которых решает задачи автоматизации своей части работ по проектированию электронного цифрового устройства.

Конструкции лучше всего проектировать с помощью машиностроительного САПР AutoCAD, Компас, а электронные схемы с технической документацией с помощью САПР средств радиоэлектроники (P-CAD, OrCAD и т.п.).

12.1 Maple V

Maple V  это удачно сбалансированная система, бесспорный лидер по возможностям символьных вычислений. Оригинальный символьный «движок» сочетается с легкозапоминающимся структурным языком программирования. Maple V легко может быть использован и для небольших задач и для серьезных проектов. Maple V обладает высокой интеграцией среды. К недостаткам следует отнести иногда необоснованную «задумчивость» системы.

Существуют различные версии программы: Maple V Release
3, 4, 5.

12.2 Maple V Release 5

Имеет повышенную скорость вычислений и построения графики путем более широкой поддержки вычислений с использованием сопроцессора. Maple V Release 5 также использует технологию OpenGL для построения 3D-графики, есть возможность экспорта графики в VRML-формат. В рабочий документ можно встроить электоронную таблицу для символьных вычислений, но возможности работы с ней ограничены. Новая технология MatLab link позволяет установить связь с MatLab и переложить на него часть численных вычислений, что значительно ускоряет работу.

Основу курса математического анализа составляют такие понятия, как пределы, производные, первообразные функций, интегралы разных видов, ряды и дифференциальные уравнения. Кто знаком с основами матанализа, тому наверняка известны десятки правил нахождения пределов, взятия интегралов, нахождения производных и т.п. Если добавить к этому, что для нахождения большинства интегралов нужно еще помнить таблицу интегралов, то получается просто огромный объем информации. И если некоторое время не тренировать себя в решениях таких задач, то в итоге многое забывается и для нахождения, например, интеграла посложнее уже требуется искать его в справочнике. Но ведь взятие интегралов и нахождение пределов  это не самоцель вычислений. Всякая задача должна решать некоторую практическую проблему, а промежуточные вычисления  лишь промежуточный этап на пути к ответу. С помощью Maple можно сэкономить массу времени и избежать многих ошибок при вычислениях. Maple не ограничивается вышеописанными возможностями. Так как система содержит операторы для базовых вычислений, то почти все алгоритмы, которые не реализованы стандартными функциями, можно реализовать посредством написания собственной программы.

12.3 MathCad v. 7.0

Весьма своеобразная САD-программа. Давно завоевал популярность как непревзойденный редактор математических текстов.
В MathCad нет как такового языка программирования. Вычисления осуществляются на уровне визуальной записи выражений в общеупотребительной математической форме. «Движок» символьных вычислений заимствован из Maple. MathCad хорош для небольшого объема вычислений, он предоставляет широкие возможности для оформления работы в привычном виде. Большие возможности импорта/экспорта данных, интеграция с Internet, возможность работы с электронными таблицами Excel внутри MathCad-документа.

12.4 Mathematica 3.0

Одна из самых мощных систем. Обладает исключительно большой функциональной избыточностью (есть даже возможность синтезирования звука). Большой выигрыш Mathematice дает высокая скорость численных вычислений. К недостаткам следует отнести необычный язык программирования, который компенсируется достаточно подробной системой помощи.

12.5 MatLab v. 5

Система изначально была предназначена для численных вычислений. С течением времени количество возможностей MatLab существенно возросло, появились библиотеки, которые реализуют уникальные для математических пакетов функции. Например, широко известная библиотека Simulink, реализуя принцип визуального программирования, позволяет, не написав ни строчки кода, построить функциональную схему системы управления из стандартных блоков (усилитель, сумматор, интегратор и т.д.) и проанализировать ее работу.
MatLab отличается высокой скоростью численных вычислений. Из недостатков следует отметить невысокую интегрированность среды и специфический редактор кода MatLab-программ.

12.6 Trace Mode 6

При проектировании различных цифровых устройств необходимо решать следующие задачи:

  1. Проектирование электрической схемы.

  2. Проектирование программного обеспечения.

  3. Проектирование конструктива (все механические узлы: корпус, радиатор и т.д.)

Рассмотрим проект TRACE MОDE6 с подключенным к его входам датчиком   термопарой типа ТХА (хромель-алюмель). В интегрированной среде разработки TRACE MODE создается операторский интерфейс (человеко-машинный интерфейс) системы мониторинга, содержащий один узел АРМ (автоматизированное рабочее место). При этом используется механизм автопостроения каналов TRACE MODE. В состав системы введены функции управления, реализовано взаимодействие с приложением Windows по протоколу обмена DDE. Подключим модуль к порту СОМ1 компьютера через автоматический конвертор интерфейсов, далее аналоговые сигналы от датчиков технологических параметров через нормирующие преобразователи поступают в PC-based контроллер, где обрабатываются 12-разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), измеряемая датчиком температура имеет диапазон (0100) С. АРМ контролирует подключенные к
PC-based контроллеру технологические параметры (функция мониторинга) и задает настройки регулятора (функция управления).

Нагревая или охлаждая чувствительный элемент подключенного к модулю датчика, можно наблюдать изменение сигнала на тренде.

13 СИСТЕМА «УМНЫЙ ДОМ»

Современный мир дает нам огромное количество возможностей. Все мы стремимся к комфорту и безопасности в нашем доме, к удобному и быстрому управлению современным оборудованием. Система «Умный дом» (интеллектуальное здание) была создана, чтобы автоматизировать управление техникой, чтобы сделать вашу жизнь более комфортной.

«Умный дом» – это система управления, которая обеспечивает согласованную работу всех инженерных систем в доме. Теперь «Умный дом» стал реальностью.

Cиcтема «Умный дом» (интеллектуальное здание)  это:

  • удобство и комфорт;

  • связь и безопасность;

  • управление освещением, отоплением и вентиляцией;

  • система мультирум и домашний кинотеатр.

Индивидуальное проектирование системы «Умный дом»: управление освещением, климат контроль, мультирум, электропроводка.

На рисунке 105 представлена система «Интеллектуальный дом».

Рисунок 105 – Система «Интеллектуальный дом»

13.1 Управление климатом в помещении, контроль протечек
воды

Под поддержанием климата в доме обычно понимают контролирование температуры, влажности, организацию циркуляции воздуха. За поддержание этих параметров отвечают отопительные радиаторы, нагреватели теплового пола, кондиционеры, система вентиляции. Контролирование, синхронизация и управление всеми этими системами  это система климат контроль, одна из функций умного дома. Кроме этого в современном доме встает задача поддержки немного разного климата в разных комнатах-зонах. Эта функциональность тоже обеспечивается системой управления климатом, контролирующими элементами умного дома.

13.1.1 Устройство системы управления климатом в квартире

Сердцем системы отопления являются управляющие термостаты. Условно можно разделить термостаты на две группы:

 простые термостаты;

 термостаты, управляющие пропорциональными клапанами или нагрузкой.

Первые могут лишь включать или выключать прибор. Необходимую температуру они могут поддерживать, управляя лишь временем работы нагревательного прибора. Основное отличие вторых в том, что они могут плавно управлять подачей тепла в радиатор или нагревательный элемент. Причем совершенно не важно, чем при этом они управляют  клапанами или мощностью падающей на нагревательном элементе.

Второй тип термостатов обычно дороже, кроме того, как правило, это ведет к использованию более дорогих компонентов системы, которыми он управляет, к преимуществам можно отнести то, что при применении подобного рода устройств можно добиться более плавного и точного климата в каждой климатической зоне.

Кроме этого термостаты делятся также:

  • на термостаты со встроенным датчиком;

  • на термостаты с выносным датчиком.

Первые используются непосредственно для контроля температуры помещения, вторые обычно для подогрева теплых полов. Важно, чтобы термостат, контролирующий подогрев пола, контролировал именно температуру самого пола, а не помещения, так как температуры эти могут быть очень разными: в помещении еще прохладно, а на пол без обуви уже не встать.

Это особенно важно для России, так как в нашей стране принято использовать нагревательный кабель. В Европе электроэнергия дорогая, поэтому они используют водяной подогрев полов. Теплоотдача водяного подогрева происходит медленнее и значительно более равномерно, поэтому в европейских домах температура пола и помещения отличаются менее существенно.

Сами по себе современные термостаты довольно совершенные конструкции, часто они имеют экраны и цифровой интерфейс, позволяющий задавать желаемую температуру, зависящую от времени суток и времени года. Кроме этого они могут быть интегрированы в другие системы умного дома. Например, вы можете управлять термостатами удаленно, с помощью пульта ДУ, телефона или компьютера. Все это обеспечивает управление климатом.

Кроме «сердца» есть еще и «руки». Это клапана, устанавливаемые на водяные радиаторы или реле-активаторы, управляющие электрическими нагревателями или теплыми полами.

Унификация пультов ДУ позволяет с одного пульта управлять как всей отопительной системой, так и кондиционерами и вентиляцией всего дома.

Сегодня отопление может контролироваться удаленно.

Когда нет центрального отопления, то оно должно быть автономным. Обычно для таких целей используют водяные или паровые котлы. Поэтому система удаленного управления отоплением должна не только управлять подачей тепла в каждую зону, но и управлять центральным котлом. Обычно для этого систему отопления расширяют специальными контроллерами, позволяющими удаленно управлять центральным котлом.

13.1.2 Система контроля протечки воды

Аварии в системе водоснабжения являются весьма неприятными и затратными. Кроме ремонта собственной квартиры вам придется еще и оплачивать издержки соседей по устранению последствий затопления.

Протечки воды могут возникать в системах водоснабжения и отопления по различным причинам: самое простое  это незакрытый кран, также протечки воды могут возникнуть ввиду технических неполадок (повреждение труб, сантехники).

В систему «Умный дом» уже встроено готовое решение (система контроля протечки воды), которое защитит от непредвиденных расходов. Контроль протечек воды гарантирует защиту вашей квартиры и квартир ваших соседей от затопления. Благодаря современным технологиям, система контроля протечки воды сама перекроет водоснабжение и сообщит вам о протечке воды (звуковой сигнал, телефон, интернет).

13.2 Панели управления умного дома

Первый шаг к элементам управления XXI века  это использование сенсорных панелей. Основное удобство сенсорных панелей  это емкость управления. Одна сенсорная панель размером с обыкновенный выключатель может управлять всеми системами дома, управлять всем освещением, всеми сценариями, отоплением и т.д. Такое возможно вследствие иерархического интерфейса: подобно работе на персональном компьютере в системе Windows вы выбираете определенное окно, которое содержит нужный вам набор кнопок-элементов управления. Вы можете изменять компоновку кнопок и получать дополнительную индикацию состояния системы вашего умного дома непосредственно на  экране панели. Панели бывают очень разные: цветные и монохромные, с фиксированным и расширяемым интерфейсом, оригинальные или базирующиеся на стандартных мини-компьютерах, естественно, они отличаются по возможности конфигурации и интеграции, ну и конечно по цене. Безусловно, сенсорные панели более дорогой инструмент управления домом, чем, скажем, сценарный выключатель. Тем не менее развитие современных технологий дает возможность задействовать сенсорные панели даже в не очень дорогих системах.

13.3 Управление умным домом с компьютера или мобильного
телефона

Следующий шаг – это управление домом с помощью компьютера. С одной стороны, сервер встраивается в локальную сеть (это и витая пара, и точки доступа) вашего дома, с другой  подключается к информационной системе управления. Далее сервер превращается в простого посредника: он перенаправляет команды, пришедшие по локальной сети от вас к управляющим устройствам вашего дома. И наоборот, он собирает информацию от систем дома и посылает ее вам по локальной сети. Вам не нужно привыкать к новому интерфейсу: сервер системы «Умный дом»  это web-сервер, поэтому для общения с ним вы используете обычный web-browser. Эта утилитарность дает еще одно важное преимущество: если ваша локальная сеть подключена к интернет, то вам необязательно находиться дома – вы можете быть где угодно – общение с вашим умным домом будет выглядеть абсолютно так же. Посредником между вами и домом может выступать как стационарный компьютер, находящийся у вас дома или, скажем, в интернет-кафе, так и портативный компьютер, наладонник или телефон-коммуникатор. Если у вас нет под рукой ни одного из перечисленных выше устройств, вы можете сделать это непосредственно с помощью вашего мобильного телефона – сервер поддерживает WAP-технологию.

13.4 Обратная связь

Интернет-сервер умного дома также несет на себе функцию обратной связи дома с вами. Формируя с помощью web-камер изображения различных частей вашего дома, сервер может ретранслировать ее вам в реальном времени с помощью интернет. Или, например, он может проинформировать вас о внештатной ситуации, случившейся в ваше отсутствие. Будь то протечка или проникновение в дом неизвестных, система безопасности может воспользоваться средствами сервера и послать вам e-mail или SMS-сообщение.

13.5 Сигнализация и аварийные системы

Системы охранной сигнализации сегодня являются самым мощным инструментом борьбы с квартирными кражами. Профессиональные системы охраны ведут постоянный контроль за домом или квартирой. В случае несанкционированного вторжения наличие сигнализации в 90 % случаев уже отпугивает непрошенных гостей. Правоохранительные органы или вневедомственная охрана при проникновении в жилище получают сигнал тревоги и немедленно реагируют на вызов.

13.6 Умный дом – управление освещением

Для обеспечения комфорта и уюта в вашем доме каждая комната, холл, зал должны быть хорошо освещены. Для этого потребуется установка большого количества различных световых приборов с запутанной сетью выключателей.

Система «Умный дом» избавит от необходимости устанавливать множество выключателей. Имеется возможность заменить их компактными сенсорными. Так, с одного стандартного шестисенсорного выключателя можно управлять двенадцатью световыми группами. Вы сможете как плавно регулировать их яркость (димировать), так просто включить их или выключить.

С помощью сенсорных выключателей вы легко сможете создавать различные световые сцены, что, несомненно, добавит уюта и комфорта вашему дому, например, сцену «Вечер», при которой одна группа световых приборов включится на определенную яркость, другая группа выключится, шторы закроются, а система климатконтроль перейдет в комфортный режим.

В ночное время свет в коридорах и прихожих будет включаться на часть яркости автоматически при появлении движения. То есть не придется искать выключатель в темноте.

Также системой освещения можно управлять дистанционно с радиопультов, ноутбука или мобильного телефона. Вы подъезжаете к дому ночью, а он встретит вас с включенным освещением фасада, подсветкой ландшафта и дорожек.

13.7 Умный дом – управление электроприводами

В любом доме имеются многочисленные механические устройства: жалюзи, рольставни, гаражные ворота и т.п. Управление всеми этими механизмами вручную требует времени и вносит некий элемент дискомфорта.

Система «Умный дом» избавит вас от необходимости самостоятельно открывать или закрывать гаражные ворота, жалюзи, шторы и позволит вам управлять ими при помощи сенсорных выключателей, сенсорных панелей.

Управление электроприводами также легко интегрируется с другими системами «Умного дома», например, шторы или жалюзи при выборе световой сцены «Вечер» закрываются или при световой сцене «Утро», наоборот, открываются.

13.8 Умный дом – климатконтроль

Как правило, в современном доме имеются многочисленные климатические инженерные системы  радиаторы, кондиционеры, системы подогрева пола. Управление всеми этими системами вручную требует и времени, и внимательности, и даже порой инженерной квалификации.

Комплекс интеллектуальной автоматизации «Умный дом» избавит вас от необходимости крутить многочисленные ручки радиаторов, нажимать кнопки на пультах системы кондиционирования  их заменит один удобный термостат. Все, что от вас требуется  задать на термостате или на сенсорной панели необходимую температуру в комнате, и система решит, какое устройство на какую мощность необходимо включить. Вы имеете возможность задать различные климатические условия в каждой комнате.

Потребность в системах климатконтроль особенно ощутима в домах и офисах наших широт. На сегодняшний день существует множество различных решений, предусматривающих автоматическое управление любым современным климатическим оборудованием.

13.9 Умный дом – система вентиляции

В современных домах применяют плотные «евро-стеклопакеты», поэтому без системы приточной вентиляции просто не обойтись, в доме будет душно. Широко применяются вытяжные системы в санузлах, кухнях, технических помещениях. Все эти подсистемы легко интегрируются в систему «Умный дом». Кроме того, что воздух в вашем доме будет чистым и свежим, вам не придется даже вспоминать об этих подсистемах.

Вы нажимаете сцену «Ночь», вентиляторы приточной вентиляции перейдут автоматически в бесшумный режим, по сцене «Утро»  в штатный режим, по сцене «Гости»  в режим большей интенсивности. Вы заходите в санузел, вентилятор включится вместе с освещением, после того как вы выйдете, вентилятор еще будет работать в течение, например, 10 минут и автоматически выключится.

Автоматические системы вентиляции с контролем состояния воздуха крайне необходимы в помещениях, где могут происходить выбросы вредных и опасных для жизни веществ, не всегда вовремя уловимых человеком. К таким помещениям относятся гаражи, производственные здания, помещения с газовым оборудованием, лакокрасочной и горючей продукцией. Современные системы вентиляции включают в себя сенсорные датчики, контролирующие состав воздуха, и системы оповещения, если концентрация вредных веществ начинает превышать установленные нормы.

13.10 Умный дом – контроль нагрузок и аварийных
состояний

Современный дом, как правило, содержит огромное количество электрических приборов, которые никогда не используются одновременно. Одновременное использование некоторых из них создает чрезмерную нагрузку для сети, с которыми она не справляется, и у вас выходят из строя предохранители.

Система «Умный дом» распределит нагрузку между приборами таким образом, чтобы не допускать перегрузки сети и одновременно чтобы это не сказывалось на вашем комфорте.

Если производственное или жилое помещение снабжено многочисленными электроприборами, то контроль нагрузок ещё необходим и для обеспечения более длительного срока использования электроприборов, защиты от внезапного выхода из строя бытовой техники. Различные системы дома иногда могут выйти из строя, причем в самые неподходящие моменты. Система водоснабжения может начать протекать, фильтр системы приточной вентиляции засориться, в системах водоподготовки сломаться насос. О возникновении аварийных ситуаций система интеллектуальной автоматизации «Умный дом» выведет информацию на сенсорные панели. О протечке воды будет сообщено вам по телефону. Кроме того, можно в сервер заложить графики замены расходных элементов и проверки работоспособности инженерных систем, система «Умный дом» напомнит вам, что нужно вызвать службы эксплуатации.

13.11 Умный дом – сервер управления

Система «Умный дом» является децентрализованной системой. Таким образом, она не может выйти из строя по причине сбоя в управляющем центре. При этом подключение новых подсистем, которые непосредственно не входят в систему автоматизации и у которых есть свои протоколы управления, осуществляется посредством сервера управления.

Сервер позволит дистанционно управлять всем комплексом автоматизации посредством вашего ноутбука или сенсорной панели. Это устройство, надежность которого обеспечивается передовыми решениями как аппаратной, так и программной части.

Надёжность программного и аппаратного обеспечения автоматизации комплексов «Умный дом» обусловлена использованием новейших технологий, предусматривающих распределённую систему контроля и исключающую, тем самым, возможности взлома всего управления, выхода из строя всех приборов, датчиков и подсистем разом.

13.12 Умный дом – мультирум

Мультирум – это многозонная система распределения аудио- и видеосигнала. Аудиосистема мультирум распределяет звуковой сигнал, тогда как аудио/видео мультирум передает еще и видеоизображение.

При установке в вашем доме системы мультирум в каждой комнате-зоне размещаются акустические системы, плазменные панели, настенные или переносные беспроводные пульты управления, а сами источники сигнала сосредотачиваются в одном месте, например, в серверной комнате. Таким образом, все зоны используют одни и те же источники, что избавляет вас от необходимости приобретать их для каждой зоны в отдельности. Теперь вы можете слушать любимую радиостанцию или диск независимо от того, где находится сам источник звука, и вам не придется устанавливать музыкальный центр в каждой комнате.

Система мультирум позволяет выбрать тот или иной источник, будь то DVD, СD или FM Tuner, включить нужную запись, установить желаемую громкость звука, а также установить другие необходимые настройки передачи звука и видеоизображения.

Кроме того, система мультирум может выполнять некоторые дополнительные функции. Например, ее можно использовать в целях оповещения. С настенного пульта в выбранную комнату (или комнаты) можно передать голосовое сообщение.

С помощью мультирум вы можете создать коллекцию любимых фильмов и музыкальных композиций. Вам достаточно поместить диск с записью в считыватель, и медиасервер сохранит запись в архиве, представляющем собой жесткие диски (HDD) большой емкости.

Возможно использование системы мультирум для так называемого «babymonitor»: с настенного пульта любой комнаты вашего дома можно выбрать зону детской комнаты и послушать, не плачет ли в данный момент ваш ребенок. В случае если раздался телефонный звонок или кто-то позвонил в дверь, система сама приглушает звук, чтобы вы не пропустили звонок.

В последнее время наиболее актуальными становятся встроенные акустические системы. Зрительно колонки не привлекают внимание, а по качеству звука ничуть не уступают корпусным акустическим системам. Они монтируются в запотолочное пространство или встраиваются в стены. Такое решение позволяет вам экономить пространство и не нарушать существующий стиль вашего дома. Видимые части колонок окрашиваются в цвет стен и потолков, благодаря чему они гармонично вписываются в интерьер.

13.13 Умный дом – интеграция с другими системами

Такие системы, как домашний кинотеатр, мультирум, система видеонаблюдения, охранно-пожарная сигнализация, система контроля доступа непосредственно не являются подсистемами комплекса интеллектуальной автоматизации «Умный дом», но интеграция с ними предоставит вам возможность комфортного управления ими.

13.14 Умный дом – система видеонаблюдения

Система «Умный дом» позволяет вам выводить на сенсорный экран все происходящее в каждом помещении вашего дома, а также на подходе к нему. С видеокамер информация передается на видеорегистраторы, после чего записывается на видеокассеты или жесткие диски. Современные видеорегистраторы оборудованы встроенными датчиками движения, что позволит фиксировать кадры только в случае наличия перемещений. Кроме того, с сенсорной панели можно управлять видеокамерами: поворачивать их, изменять разрешение, перевести в автоматический режим.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Александров, В.Н. Численные методы моделирования датчиков / В.Н. Александров, Л.В. Смолко, C.В. Молотков // Приборы и системы управления.  1989.  № 9.  320 c.

  2. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под ред. П. Осадчего  М.: Машиностроение,1979.  480 с.

  3. Eрмолов, И.Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества / И.Н. Eрмолов, Ю.Я. Останин. – М.: Высшая школа,1988.  368 c.

  4. Алейников, А.Ф. Датчики (перспективные направления развития): учеб. пособие / под ред. проф. М.П. Цапенко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – 176 с.

  5. Джексон, Р.Г. Новейшие датчики / Р.Г. Джексон.  М.: Техносфера, 2007.  384 с.

  6. Волоконно-оптические датчики / под ред. Э. Удда.  М.: Техносфера, 2008.  520 с.

Учебное издание

Левин Сергей Викторович

Хмелев Владимир Николаевич

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

Часть 1

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Конспект лекций

Редактор Соловьева С.В.

Подписано в печать 16.10.2010. Формат 6084 1/16

Усл. п. л.  10,9. Уч.-изд. л.  11,7

Печать  ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO EZ300»

Тираж 100 экз. Заказ 2010151

Издательство Алтайского государственного

технического университета

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ

659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27

1

Смотреть полностью


Скачать документ

Похожие документы:

  1. « приборостроение » i общая характеристика основной образовательной программы (ооп)

    Документ
    ... Программное обеспечение измерительных процессов 1.Перспективные направления в приборостроении 2.Перспективные направления развития микропроцессоров Начертательная геометрия и инженерная графика Измерительные преобразователи 1.Методы ...
  2. Направление подготовки 200100 приборостроение профили подготовки приборы и методы контроля качества и диагностики квалификация выпускника бакалавр нормативный срок обучения 4 года

    Основная образовательная программа
    ... Федерации в части изменения понятия ... выпускника Бакалавры направления «Приборостроение» востребованы в ... выстраивать и реализовывать перспективные линии интеллектуального, ... 180 + Э 2.2.06 Первичные преобразователи измерительных приборов 5 180 + Э ...
  3. Направление подготовки 221700 - стандартизация и метрология профиль подготовки метрология и метрологическое обеспечение квалификация выпускника бакалавр нормативный срок обучения 4 года

    Основная образовательная программа
    ... ОБРАЗОВАНИЯ Направление подготовки ... и реализовывать перспективные линии интеллектуального ... 3 Экзамен Б.2.2. Вариативная часть, в т.ч. дисциплины ... Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов 5 ... стандартизации в приборостроении (профиль 2) ...
  4. Направление подготовки 221700 - стандартизация и метрология профиль подготовки метрология и метрологическое обеспечение квалификация выпускника бакалавр нормативный срок обучения 4 года

    Основная образовательная программа
    ... ОБРАЗОВАНИЯ Направление подготовки ... и реализовывать перспективные линии интеллектуального ... 3 Экзамен Б.2.2. Вариативная часть, в т.ч. дисциплины ... Теория и расчет измерительных преобразователей и приборов 5 ... стандартизации в приборостроении (профиль 2) ...
  5. Проекты российской академии наук для участия в реализации направлений технологического прорыва

    Документ
    ... сеть – в части радикального повышения ее ... , автоматики и приборостроения, производства различных ... Фотоэлектрические преобразователи изготавливаются ... и позволяет выбрать перспективные направления исследований. Так, ... сопутствующую измерительную аппаратуру, ...

Другие похожие документы..