Физические принципы датчиков прямого действия

Физические принципы датчиков прямого действия

 

План лекции:

1. Резистивные чувствительные элементы

2. Чувствительные элементы на основе реактивного сопротивления

3. Датчики генераторного типа

 

Поскольку датчик является преобразователем неэлектрического воздействия в электрический сигнал, часто приходится делать несколько шагов преобразования разных видов энергии до того, как будет окончательно сформирован выходной сигнал нужного электрического формата. Как мы уже знаем, существует два типа датчиков: датчики прямого действия и составные (комплексные) датчики. Некоторые физические явления, которые приводят к непосредственной генерации электрического сигнала в ответ на неэлектрическое воздействие, могут быть заложены в основу работы датчика прямого действия. К таким явлениям относятся термоэлектрический ​​эффект (эффект Зеебека), пьезоэлектрический, а также фотоэффект. К прямому получению электрического сигнала можно отнести и преобразование, связанное с использованием резистивных элементов, подключенных к подходящему источнику электрической энергии.

В данной лекции рассмотрим различные физические явления, которые могут быть использованы для прямого преобразования физических параметров в электрический сигнал.

 

Резистивные чувствительные элементы

Электрическое сопротивление. Резистивный датчик

При помощи электрического тока можно получить сигнал в виде напряжения. Для этого ток пропускают через элемент с известной величиной сопротивления и используют закон Ома, чтобы иметь возможность инструментально (вольтметром) измерить отклик датчика:

V = R i (4.1)

… физическим содержанием электрического тока является движение (изменение) электрического заряда, когда скорость изменения заряда и задает величину тока:

i = dq/dt. (4.2)

Любой материал характеризуется проводимостью, т.е. способностью больше или меньше влиять на скорость перемещения зарядов (лучше или хуже проводить электрический ток). Специально изготовленный элемент электроники, включаемый в электрическую цепь и предназначенный для изменения проводимости определенного участка цепи, называется резистором. Если свойства резистора изменяются под действием каких-либо внешних факторов, получаем чувствительный элемент резистивного электрического датчика.

Изначально мерой проводимости является удельное сопротивление используемого в резисторе материала, ρ. Удельное сопротивление материала можно найти, зная напряжённость электрического поля Е и плотность тока j (j = i/s, где s – площадь поперечного сечения проводника с током):

ρ = ?, (4.3)

Для нахождения полного сопротивления резистора R, зависящего как от удельного сопротивления, так и от геометрии проводящего слоя, пользуются формулой

R = ρ(l/ s), (4.4)

где l – длина проводника, характеризующая вместе с s его геометрию…

Резистор - один из самых распространенных элементов электроники. Напомним, что при работе чистого сопротивления в электрической цепи (когда резистор не имеет дополни-тельных ёмкостных либо индуктивных свойств) напряжение и ток совпадают друг с другом по фазе, т.е. их изменения абсолютно синхронны. Это следует из закона Ома, где R есть просто константа.

 

Индуктивность

Датчики генераторного типа

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект состоит в появлении на поверхности кристаллического материала не скомпенсированных электрических зарядов из-за возникающего в материале механического напряжения (пьезоЭДС)…

 

 

Рис. 4.4 Пьезоэлектрический эффект в кристалле кварца

 

Для сбора появляющихся в результате сжатия/растягивания кристалла зарядов на обеих сторонах кристалла закрепляют электрические контакты, при помощи которых пьезо-датчик подключается к схеме согласующего преобразователя. УГО пьезодатчика напоминает условный знак электрического конденсатора…

 

Рис. 4.5. Пьезодатчик образован добавлением электродов к поляризованному кристаллу

 

Пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер. Это означает, что если к кристаллу кварца из вне подать электрическое напряжение (возбуждение), в нем возникнет механическое напряжение, которое вызовет деформацию кристалла и возможность зафиксировать изменение геометрии.

Разместив на кристалле две пары выводов, одну для подвода к кристаллу напряжения, а другую – для съёма возникающих в результате деформации кристалла зарядов, получим очень широко используемый в технике измерений пьезоэлектрический преобразователь.

Пироэлектрический эффект

Пироэлектрическим материалом называют кристаллические вещества, способные генерировать электрические заряды в ответ на воздействие теплового потока.

 

 

Рис. 4.6. Пироэлектрический датчик

 

 

Эффект Холла

Датчики на основе эффекта Холла используются для обнаружения действующих магнитных полей, а также для определения положения объекта или его перемещения.

Рис. 4.7. Датчик Холла. Магнитное поле отклоняет движущиеся заряды

 

 

 

Рис. 4.5. Выходной сигнал датчика Холла зависит от угла между вектором магнитного поля и плоскостью пластины (а), четыре вывода датчика Холла (б)

Физические принципы датчиков прямого действия

 

План лекции:

1. Резистивные чувствительные элементы

2. Чувствительные элементы на основе реактивного сопротивления

3. Датчики генераторного типа

 

Поскольку датчик является преобразователем неэлектрического воздействия в электрический сигнал, часто приходится делать несколько шагов преобразования разных видов энергии до того, как будет окончательно сформирован выходной сигнал нужного электрического формата. Как мы уже знаем, существует два типа датчиков: датчики прямого действия и составные (комплексные) датчики. Некоторые физические явления, которые приводят к непосредственной генерации электрического сигнала в ответ на неэлектрическое воздействие, могут быть заложены в основу работы датчика прямого действия. К таким явлениям относятся термоэлектрический ​​эффект (эффект Зеебека), пьезоэлектрический, а также фотоэффект. К прямому получению электрического сигнала можно отнести и преобразование, связанное с использованием резистивных элементов, подключенных к подходящему источнику электрической энергии.

В данной лекции рассмотрим различные физические явления, которые могут быть использованы для прямого преобразования физических параметров в электрический сигнал.