Czujniki

Czujniki wielkości
nieelektrycznych
Rodzaje, parametry, zasady pomiarów temperatury,
promieniowania elektromagnetycznego, pola
magnetycznego, siły, ciśnienia, naprężenia,
przemieszczenia, prędkości i przyspieszenia.
(wg. źródła M.Polowczyk, A. Jurewicz „Elektronika dla mechaników”Gdańsk PG 2002)
Rodzaje czujników pomiarowych
Generacyjne, które zamieniają daną wielkość fizyczną
na sygnał elektryczny np. na napięcie:
• czujniki temperatury – termoelementy (termopary), czujniki z tranzystorem
bipolarnym,
• promieniowania elektromagnetycznego – fotodiody,
• pola magnetycznego – hallotrony,
• siły (ciśnienie, naprężenia) – tensometry piezoelektryczne,
„
Parametryczne, które zmieniają swoje właściwości elektryczne
pod wpływem danej wielkości fizycznej. Zmieniającą się własnością elektryczną
zwykle jest rezystywność, indukcyjność i pojemność. Są to czujniki:
• temperatury – termorezystory metalowe i półprzewodnikowe
• promieniowania elektromagnetycznego – fotorezystory,
• pola magnetycznego – magnetorezystory czyli gaussotrony,
• siły (ciśnienia, naprężenia), ogólnie zwane tensometrami –
tensometry metalowe i półprzewodnikowe (piezorezystywne).
„
2
Parametry czujników
„
Zależność funkcyjna m. wielkością elektryczną i nieelektr., np.
R = R0 (1 +αΔT + βΔT2 + γΔT3 +...)
„
Czułość (różniczkowa)
ΔY dY
=
ΔX →0 ΔX
dX
S = lim
„
Czułość względna
SWZ
„
„
ΔY
dY
(ΔY )X
= Y ≈ Y =
dX
ΔX
(ΔX )Y
X
X
Próg czułości wg.minimalnej wykrywanej zmiany wielkości
mierzonej (ograniczona szumami)
Rozmiary-miniaturyzacja dla zmniejszenia zniekształceń cieplnych
3
Metody pomiaru sygnałów elektrycznych
„
I=
Metoda wychyłowa E=a (T-To)
E
E
≈
; E ≈ I R m = Em
R1 + Rm + Rt Rm
R1 + Rt
ΔU = I ( R1 + Rt ) ≈
Rm
„
Metoda kompensacyjna
Rm
Em = EB
=E
R + Rm
4
Mostkowy układ pomiarowy
(Wheatstone’a) o str. czteroramiennej
Warunek równowagi
•dla prądu stałego:
R1R4=R2R3
•dla prądu zmiennego:
Z1 Z4=Z2Z3
ϕ1+ϕ4=ϕ2+ϕ3
5
Pojęcia wstępne – rezystywność
(opór właściwy) metali i półprzew
[Ωm]
opór
sześcianu
1m*1m*1m
6
Przewodność elektryczna
półprzewodników
gęstość prądu
r
r
J = σ⋅E
natężenie pola
elektrycznego
σ = q(n ⋅ μ n + p ⋅ μ p )
σ = σ ( N domieszek , T , ε , J f , B )
n, p ⇔ N domieszek , J f , T
7
Ruchliwość nośników ładunku
r
ν
μ n = rn ,
E
μ
r
νp
μp = r
E
Si; Ndom=1018cm-3
T=300K
Si
Zakres
roboczy
PP
μ∼T
-3/2
μ ≈ μ0 ± a ⋅ ε
T
Δμ
= f ( B)
μ0
8
Czujniki temperatury
Termorezystory -z różnych metali (zależność ~liniowa)
Są typu PTC(ang. positive temperature coefficient), czyli posiadają dodatki
współczynnik temperaturowy.
Termistory - rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja elektryczna
silnie zależy od temperatury. Rozróżnia się termistory z ujemnym
współczynnikiem temperaturowym (NTC, CTR) i z dodatnim (PTC).
Czujniki (ogniwa) termoelektryczne – wykorzystujące kontaktową różnicę
potencjałów na styku dwóch złączonych metali wynikającą z różnicy prac
wyjścia i z dyfuzyjnej różnicy potencjałów, zależnej od temperatury.
Czujniki złączowe - wykorzystujące zależność spadku napięcia na złączu p-n
od temperatury (kTUF≈-2mV/K).
9
Podstawowe dane
termorezystorów
Metalowe:
Platynowe α=0,39%/K; R=0,10 μΩ/m; T=-200÷+850
Niklowe α=0,64 %/K; R=0,09 μΩ/m; T=-60÷+200
Miedziane α=0,42 %/K; R=0,017 μΩ/m; T=-50÷+150
Termistorowe:
NTC 21 α=-4,31; R=0÷47 kΩ; T=-25÷+200
NTC 110 α=-3,0; R=4,7÷10 Ω; T=-25÷+200
NTC 110 α=-4,5; R=0,27÷5,6 kΩ; T=-25÷+200
10
Termistory NTC
Termistory NTC wykonuje się z polikrystalicznych materiałów
półprzewodnikowych o dużym temperaturowym współczynniku
rezystywności elektrycznej: mieszanin TiO2 i MgO, tlenków
Mn, Co, Cu i Ni, Fe2O3 i MgAl2O4, MgCr2O4 i in., a również z
syntetycznych diamentów (niebieskich, typu IIb).
⎛1 1 ⎞
B
R (T ) = R T0 exp B⎜⎜ − ⎟⎟ = R ∞ exp
T
⎝ T T0 ⎠
1 d
1 −2
B
B
(RT ) = − T R∞ B exp = − 2
α=
RT dT
RT
T
T
11
Charakterystyka R(T) termistora NTC
R
B ∈ 2500 ÷ 5400K R T0 T0 = 25o C ∈ 500Ω ÷ 2000kΩ
T ∈ − 100 ÷ + 250 ÷ + 600o C
T. diamentowe
R T0
T0
T
12
Charakterystyki R(T) termistorów
NTC, PTC i CTR
13
Mostkowe układy do pomiaru
temp. (dwu- i trzy-przewodowe)
(
( R1 + r1 )( RT + R p ) = ( R2 + r2 )( R3 + R p )
( R1 + r1 )( RT + 2 R p ) = ( R2 + r2 ) R3
14
Czujniki termoelektryczne
Czułość termoelektryczna niektórych metali odniesiona do platyny
k
n1
E = E12 − E21 = (TA − TB ) ln = αΔT
q
n2
A1 − A2 kT n1
E12 =
+
ln
q
q
n2
Materiał
Czułość α
μV/K
Materiał
Czułość α
μV/K
Konstantan
(-35,1)÷(-30,4)
Miedź
(+7,2)÷(+7,7)
Nikiel
(-19,4)÷(-12,0)
Manganin
(+5,7)÷(+8,2)
Platyna
Platynorod
((90% Pt, 10% Rh)
0,00
+6,5
Żelazo
Chromel
(85% Ni, 12% Cr)
platynorod - platyna (PtRh - Pt) 0 ÷ 1250 oC,
chromel - nikiel (NiCr - Ni) 0 ÷ 1000 oC,
żelazo - konstantan (Fe - konstantan)
( -200) ÷ 700 oC,
miedź - konstantan (Cu - konstantan)
(-200) ÷ 400 oC.
(+18,5)÷(+18,9)
+22
15
Tranzystor jako czujnik temp.
16
Czujniki tensometryczne (metalowe)
Tensometr metalowy jest to (w uproszczeniu) płaski i bardzo cienki odcinek
folii metalowej lub bardzo cienki drut. Jest naklejany specjalnym klejem na
elementy konstrukcji mechanicznych, poddawanych naprężeniom. Do celów
pomiarowych wykorzystuje się zmianę rezystancji drutu pod wpływem
rozciągania w granicach odkształceń sprężystych, tj. po usunięciu
naprężenia drut wraca do poprzedniej długości.
R = ρl/A
stąd
kt= dR/R//dl/l=1-dA/A//dl/l+dρ/ρ//dl/l
czułość dkształceniowa
Charakterystyka rozciągania drutu, w granicach deformacji sprężystych (prawo
Hooke’a): dl/l=ε=F/(EA) więc dR/R=ε kt= Fkt/(EA) ~ F/A~σ∼Εε
E – moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga).
kt – czułość tensometru; dla metalowego wynosi 2¸3,
dla półprzewodnikowego jest 20 ¸100 razy większaL .
17
Przykład przetwornika sprężystego (belki
płaskiej z naklejonym tensometrem)
Posiadamy wzmacniacz operacyjny z wyjściem i wejściem typu rail-to rail i na napięcie zasilania
10V. Można więc przyjąć napięcie UREF = 10V. Weźmy R2=19k i R1=1k. Mamy więc dla kt=2:
18
Piezorezystywność (kryształu SiO2)
Q kpF
U= =
C
C
W przypadku półprzewodników naprężenia mogą spowodować zmiany siatki
krystalicznej i rezystywności kryształu. W zjawisku tym zmiany geometryczne
nie odgrywają większej roli, ponieważ o zmianie rezystancji decyduje zmiana
rezystywności.
19
Podstawowy układ pracy piezorezystora
R0
E
Rc(ε)
U
mV
R0
Rk(0)
1
U ≈ k⋅E⋅ε
4
Niech: k=100, E=10V, ε=1‰. → U=250mV
20
Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia
ΔU C
S=
Δp U REF
ΔR
⎛ R + ΔR R − ΔR ⎞
UC = ⎜
−
U REF
⎟U REF =
R
2R ⎠
⎝ 2R
stosowane są napięcia UREF od 2 V do 12 V.
Typowy zakres pomiarowy 0 ÷ 200 kPa,
a czułość S=50 ÷ 200 μV/VkPa.
21
Akcelerometr piezoelektryczny
(pomiar przyspieszenia a(t))
d 2x
Q(t ) = k p F (t ) = k p a (t )m = k p 2 m
dt
m
Q(t )
u (t ) =
= k p a (t )
C
C
22
Wibrometr tensometryczny
a = A sinωt
v = ∫ adt = −
A
ω
cos ωt
s = ∫∫ adt = ∫ vdt = −
A
ω
2
sin ωt
23
Czujniki indukcyjne (dławikowe)
Z = R 2 + ω 2 L2
z2
L=
=
RμFe + Rμp
z2
2l p
l Fe
+
μ Fe AFe μ p A p
≈k
Układ mostkowy (różnicowy):
Ap
lp
U wy ≈ k ( Z 1 Z 3 − Z 2 Z 4 ) ≈ kR( Z 1 − Z 2 ) = f (Δl )
24
Czujniki transformatorowe (zmiana
ind.wzajemnej) i solenoidalne
ΔE=E1-E2=ΔE(lp)
25
Przetworniki przemieszczenia liniowego
(transformatorowy i pojemnościowy)
Przesunięcie rdzenia w kierunku +x lub -x
powoduje powstanie napięcia U2 proporcjonalnego
do przemieszczenia x. Napięcie U2 mierzone
jest miliwoltomierzem, zwykle wyskalowanym w mm.
Czujniki tego typu są wytwarzane na zakresy
pomiarowe od ± 10 mm do 1000 mm i
niepewności pomiaru ±(0,1 ... 0,5 %).
Zmiana położenia ruchomego cylindra 5 wykonanego z dielektryka (np. z polistyrenu)
względem cylindrycznych me-talowych okładzin 3 i 4 tworzących kondesator powoduje
zmianę jego pojemno-ści, proporcjonalną do przemieszczenia popychacza 6 (do 1026cm).
Czujniki indukcyjne z wykorzystaniem
prądów wirowych w materiałach
diamagnetycznych (blach)
27
Czujniki magnetoindukcyjne
Pracują na zasadzie indukowania siły
dΦ
e = −z
dt
elektromotorycznej w uzwojeniu
pod wpływem ruchu, który
powoduje zmianę wartości
związanego z uzwojeniem
strumienia magnetycznego,
wytwarzanego przez magnes.
Są elektrodynamiczne (ze stałym
magnesem) i elektromagnetyczne
(inaczej reluktancyjne - z
przemieszczającym się magnesem
lub z wirującym ekranem
ferromagnetycznym)
I
28
Prądnica tachometryczna z
wykorzystaniem prądów wirowych
SEM samoindukcji:
e=BlNv
Podczas wirowania magnesu 1 w kubku 3 indukuje się
SEM i płyną prądy wirowe. Jest wytwarzany moment
napędowy proporcjonalny do prędkości kątowej ω,
obracający kubek 3 w kierunku obrotów wirnika.
Kubek ulegnie obrotowi o kąt a, przy którym moment
zwrotny, wytworzony przez sprężynę spiralną 4,
zrównoważy moment napędowy.
Niepewność pomiaru wynosi ±1% w zakresie
prędkości 1000 ÷ 20 000 obr/min.
29
Czujniki pojemnościowe
S
d1 + Δd
C2
1
=
Δd
C1
1+
d1
C2 = ε Oε r
S ef
C
l
=
=
C max
S
b
ΔC ε 2 − ε1 l
⋅
=
ε1
C
b
30
Fotorezystywność i fotorezystory
Jf
Δρ
≈ kf ⋅ Jf ;
ρ0
I
μA
kf=kf(Pp,T,λ,r,wym.)
U
1
R ~ ; → I U =const ~ J f
Jf
31
Fotorezystor grzebieniowy
Warstwa
światłoczuła
Elektroda
metalowa
32
Fotodioda
33
Fotoelektryczne czujniki prędkości
kątowej
Jeżeli tarcza 4 na rys. a ma m otworów równomiernie rozmiesz-czonych na obwodzie,
to podczas jej wirowania z prędkością obrotową n światło pada na detektor fotoelektryczny 3 z częstotliwością f = mn/60 [Hz], a więc prędkość obrotowa n = 60 f/m [obr/min]
34
jest określona częstotliwością impulsów z detektora.
Wizyjny przetwornik obrazu CID-MOS-XY
Do układu odczytu
Z dekodera linii
p n
Si
Al
SiO2
35
Czujniki magnetyczne - Gaussotron
600 R[Ω]
500
400
Paski metalowe
Półprzewodnik
GT11
InSb
300
200
Ceramika
100
0
B[T]
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0
36
Czujnik magnetyczny - hallotron
Efekt Halla to powstanie tzw. napięcia Halla (1-100mV) o kierunku
prostopadłym do kierunku prądu i kierunku pola.
Na poruszające się w płytce elektrony działa pole
magnetyczne z siłą Lorentza, powodując skręcenie
ich drogi w kierunku jednej z bocznych ścianek płytki.
Pojawi się tam ładunek ujemny, a po przeciwnej stronie
płytki ładunek dodatni. W miarę wzrostu ładunków
wzrasta natężenie pola elektrycznego między
ściankami do takiej wartości, przy której siła
pochodząca od tego pola zrównoważy siłę
od pola magnetycznego.
U=
RH
⋅ I ⋅ Bz
c
c – grubość płytki (~100μm)
37
Zastosowania hallotronu
Istotną zaletą hallotronów jest możliwość zintegrowania z innymi układami
elektronicznymi w jednym układzie scalonym (np. ze wzmacniaczem
operacyjnym, korektorem, koncentratorem strumienia). Prawdopodobnie
najważniejszą zaletą hallotronu są jego małe wymiary, co pozwala na
„nieinwazyjne” pomiary.
Zastosowanie:
„
badanie położenia elementów ruchomych
np. w silnikach spalinowych
„
bezinwazyjny pomiar prądu w przewodniku
„
badanie drgań elementów
„
pomiar szybkości obrotowej
w bezszczotkowych silnikach prądu stałego
38
Czujnik magnetyczny magnetotranzystor
39
Czujnik gazów wydechowych silników
spalinowych
T = 850 ± 3o C
40
H2
ISFET
I
ΔU = c ⋅ p[H 2 ]
c ~ 7mV/ppm
U
41