5.4. Емкостные и пьезоэлектрические датчики

Емкостные датчики преобразуют разнообразные входные воздействия (механические усилия, линейные или угловые перемещения и др.) в изменение емкости конденсатора.

Конструктивно емкостной датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, у которого при воздействии входных величин изменяется или расстояние между обкладками δ, или площадь обкладок S, или диэлектрическая проницаемость ε₀ε межобкладочного пространства.

На рисунке 5.4 схематически показано несколько типов емкостных датчиков. Величина емкости плоскостного датчика (рис. 5.4, а и б)

где ε₀= 8,85*10^-12- диэлектрическая проницаемость вакуума (воздуха);

ε — относительная диэлектрическая проницаемость среды, между пластинами.

Относительное изменение емкости

Зная изменения какого-либо параметра датчика, например δ (ΔS= 0;Δε= 0), возникшее при воздействии входной величиных, легко определить чувствительность плоскостного датчика:

Для цилиндрического датчика (рис. 5.4, в) величина емкости

где ε — диэлектрическая проницаемость среды, заполнившей нижнюю часть датчика.

Чувствительность цилиндрического датчика

Для увеличения чувствительности емкостных датчиков используются дифференциальные и резонансные схемы включения.

Емкостные датчики практически безинерционны и поэтому применяются для измерения быстро меняющихся величин (давлений, вибраций, ускорений и т.п.).

Мощность выходного сигнала емкостных датчиков мала, поэтому к ним присоединяют усилители. Для уменьшения числа каскадов усиления и снижения емкостного сопротивления емкостные датчики питаются от источников повышенной частоты.

Для замера параметров быстро протекающих динамических процессов используются также пьезоэлектрические датчики.

Пьезоэлектрический датчик представляет собой набор пластинок из материала, обладающего так называемым пьезоэффектом (например, из кварца). В момент приложения к пластинке механических усилий на ее поверхности появляются электрические заряды (рис. 5.5). Суммарная величина заряда пропорциональна давлению. Электрические заряды создают электрическое поле, напряженность которого замеряется специальными чувствительными электронными устройствами.

Таким образом, на обкладках датчика появляется напряжение, пропорциональное давлению:

где С — суммарная емкость датчика и соединительных проводов;

а₀— коэффициент пропорциональности, называемый пьезомодулем;

F_x —механическое усилие сжатия или растяжения.

Чувствительность датчика

Направление механического усилия (сжатие или растяжение) определяется по знаку заряда или напряжения.

Оптические (световые) датчики применяются как элемент автоматики, реагирующий на появление или исчезновение светового луча на изменение величины освещенности, светового потока или на количество световых импульсов.

В сельскохозяйственном производстве оптические датчики используются в устройствах автоматического отключения и включения уличного освещения в зависимости от смены дня и ночи, в регуляторах освещенности и интенсивности облучения в теплицах, в животноводстве и птицеводстве, в измерителях дымности воздуха и мутности воды, газоанализаторах, в устройствах контроля пламени в топках, работающих на жидком топливе, в различных защитных устройствах и т. п.

В качестве воспринимающих элементов в оптических датчиках используются фоторезисторы, электровакуумные фотоэлементы, фотодиоды и фототриоды.

У фоторезистора под действием света увеличивается количество свободных электронов, а следовательно, и электропроводность. Увеличение электропроводности полупроводника под действием световой энергии называется внутренним фотоэффектом. Фоторезистор (рис. 5.6, а) в большинстве случаев представляет собой нанесенный на стеклянную пластину 5тонкий слой полупроводникового вещества4. К противоположным сторонам полупроводникового слоя прикрепляются металлические электроды1, предназначенные для включения фоторезистора в электрическую цепь.

Пластинка с нанесенным на нее полупроводниковым слоем запрессовывается в пластмассовую оправу 2с отверстием (рабочим окном) для прохода световых лучей. Рабочее окно покрывается светопроницаемым лаком3.

Область применения каждого типа фоторезистора зависит от его свойств и параметров. Свойства и параметры фоторезисторов выражаются световой, спектральной и вольт-амперной характеристиками, интегральной и удельной чувствительностью, а также отношением темнового, сопротивления к световому и другими величинами.

На рисунке 5.6, б приведена световая характеристика фоторезистора. Световой характеристикой I_ф=f(Ф)называют зависимость фототока от величины светового потока при неизменной, величине приложенного напряжения.

Интегральной чувствительностью называют величину фототока, протекающего по короткозамкнутой цепи фоторезистора под действием единицы светового потока, неразложенного в спектр:

мка/лм,

где IиФ— соответственно ток и световой поток.

В паспортных данных фоторезисторов приводится удельная чувствительность, которая представляет собой отношение фототока к световому потоку при напряжении 1 в:

мка/лм-в,

где U— напряжение, приложенное к фоторезистору.

Максимальная чувствительность определяется умножением удельной чувствительности на максимальную, разность потенциалов.

Зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны светового потока называется спектральной характеристикой (рис. 5.6, в).

Зависимость тока фоторезистора от напряжения при постоянной освещенности называют вольт-амперной характеристикой (рис. 5.6, г).

Отношение темнового сопротивления к световому зависит от значения светового потока и характеризует кратность изменения сопротивления.

Световая характеристика большинства фоторезисторов может быть выражена аналитической зависимостью

,

где S— площадь освещенного фоточувствительного слоя, м²;

Е — освещенность, лк;

α — постоянный коэффициент, по величине всегда меньший единицы;

I_Ф— фототок, мка.

Фоторезисторы имеют высокую светочувствительность, простую конструкцию, малые габариты, значительную мощность рассеяния и практически неограниченный срок службы. Они могут работать в цепях постоянного и переменного токов. Эти качества обусловили широкую область применения фоторезисторов.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести некоторую зависимость их параметров от температуры и нелинейную зависимость величины фототока от светового потока, а также значительную инерционность (постоянная времени у них порядка 3*10^-3– 3*10^-5сек при световом потоке 10^-5лм).

В последнее время в автоматику начали, широко внедряться фотодиоды и фототриоды. Принцип действия полупроводниковых фотодиодов и фототриодов основан на использовании свойствр-пперехода в германиевом или кремниевом слое.

Фотодиод — это полупроводниковый приемник лучистой энергии, имеющий направленное движение носителей тока при воздействии энергии оптического излучения.

Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего — вентильным.

На рисунке 5.7 приведены принципиальная схема включения фотодиода и его характеристики. При напряжении, приложенном в запирающем направлении, поле на п-рпереходе возрастает и форсирует переход дырок изпобласти вр-ппереход. Фотодиодный режим дает значительное повышение чувствительности, недоступное для обычных вентильных фотоэлементов. При малых зна­чениях освещенности величина фототока находится в линейной зависимости от величины светового потока:I_ф = k_иФ. Зависимость сопротивления фототриода от температуры используется для построения датчиков температуры.

Рис 5.7 Фотодиод и его характеристики:

а –схема включения; б –вольт-амперная характеристика;

в –температурная характеристика.

Фототриод — это полупроводниковый приемник лучистой энергии, имеющий направленное движение носителей тока и обладающий свойством усиления фототока при действии энергии оптического излучения. На рисунке приведена принципиальная схема включения фототриода и его вольтамперная характеристика. Температурная характеристика фототриода аналогична температурной характеристике фотодиода. Фототриод по сравнению с фотодиодом имеет дополнительные возможности использования. Его работой можно управлять не только световым потоком, но и одновременно электрическим сигналом. Кроме того, фототриоды обладают более высокой чувствительностью, чем другие фотоэлементы.

Характерным параметром всех перечисленных датчиков является так называемый темповой ток I_T, величина которого определяется проводимостью элемента при отсутствии светового потока. Для получения работоспособных схем необходимо, чтобы темновой ток был минимальным.

В практике наиболее широкое применение находят фоторезисторы, так как они имеют простую конструкцию, малые габариты, высокую чувствительность и неограниченный срок службы.

Рис.5.8 Схема включения фототриода (а) и его вольт-амперная характеристика (б): К-коллектор: Э-эмиттер: Б-база: Uб-напряжение смещения.

Рис 5.9 Многокаскадный фотоумножитель.

Вакуумные фотоэлементы малоинерционны, но весьма сильно подвержены старению, то есть ухудшению характеристик со временем. Низкая чувствительность и незначительная выходная мощность вакуумных фотоэлементов обусловили применение усилителей, которые обычно выполняются внутри самого фотоэлемента и называются фотоумножителями.

На рисунке приведена схема многокаскадного фотоумножителя. К эмиттерам Э₁ — Э₅прикладываются напряжения, возрастающие по мере приближения эмиттеров к аноду. Вследствие этого между катодомКи первым эмиттеромЭ₁, а также между всеми парами соседних эмиттеров создается разность потенциалов, которая вынуждает первичные электроны, испускаемые катодом