Датчиктер мен электродтар реферат
Обновлено: 02.07.2024
Биоэлектрлік потенциалдар көптеген аурулардың диагностикалық көрсеткіштері болып табылады. Сондықтан, біріншіден, осы потенциалдарды дұрыс тіркеу, екіншіден, алынғын көрсеткіштерден қажетті медициналық ақпаратты алу маңызды.
Клиникалық практикада биопотенциалдарды теріге жалғанатын электродтар арқылы алып, аналогтық тіркеуші құралдар арқылы жазады. Бір тармақтан екінші тармаққа өту арнайы ауыстырыпқосқыш арқылы жүзеге асады. Биопотенциалдар шамасы оте кішкентай болған себепті құралдарда күшейткіш блогы болады. Электрокардиографияда тіркелетін биопотенциалдар бірнеше миллиВольт, электроэнцефалографияда — микровольт болғандықтан, оларды бірнеше мың есе арттыру үшін көп каскадты күшейткіш қолданылады.
Электрлік сигналдардың күшейткіштері (электрондық күшейткіштер) деп басқа ток көзінің энергиясы арқылы сигналдарды күшейтетін құралдарды айтады.
Генераторлар (электрондық генераторлар) деп тұрақты кернеу көзінің энергиясын түрлі пішіндегі электрмагниттік тербелістер энергиясына түрлендіретін құралдарды айтады.
Әсер принципі бойынша датчиктерді екі топқа бөлінеді: генераторлық және параметрлік (датчиктер-модуляторлар).
Генераторлық датчиктер тікелей кіріс шамасын электрлік сигналға түрлендіреді.
Параметрлік датчиктер кіріс шамасын датчиктің қандай да бір электрлік параметрдің (R, L немесе C) өзгеруіне әкеледі.
Жұмыс істеу принципі бойынша датчиктерді омдық, реостаттық, фотоэлектрлік (оптикалық-электрондық), индуктивтік, сиымдылықтық және т.б болып бөлінеді.
Датчиктерге қойылатын талаптар:
- шығыс шамасының кіріс шамасына тікелей тәуелділігі;
- сипаттамалардың уақытқа тәуелді тұрақтылығы;
- кіші өлшемі мен массасы;
- әр түрлі жағдайда жұмыс жасауға бейімділігі.
Пьезоэлектрлік датчиктер . Жұмыс істеу принципі пьезоэлектрлік эффектке - деформацияға ұшыраған кезде кристаллдық диэлектриктердің поляризациялануы - негізделеді. Бұл датчиктерде кіріс шамасы қысым, механикалық кернеу, орын ауыстыру, ал шығыс шамасы электрлік кернеу болады. Медицинада пьезодатчиктер артериялық қысымды автоматты түрде өлшеу құрылғыларында қолданылады.
Индукциялық датчиктер. Жұмыс принципі катушканы магнит өрісінде қозғалтқанда пайда болған ЭҚК өзгерісін тіркеуге негізделеді. Индукциялық датчиктерде кіріс шамасы механикалық ығысудың жылдамдығы болып табылады, сондықтан оларды тек жылдамдықты өлшеу құралдарында қолданады, мысалы, өкпе вентиляциясын импульстік тіркеуде.
Тензодатчик. Тензодатчиктің жұмысы тензоэффектіге негізделеді, ол механикалық деформация кезінде өткізгіштердің актив кедергісінің өзгеруін көрсетеді. Тірі ағза арқылы тұрақты ток өткен кезде ол үнемі өзгеріске ұшырайды, электродтарды жалғаған кезде ток шамасы азаяды да, бастапқы шамасынан әлдеқайда аз шамада тұрақталады. Бұл құбылыс былай түсіндіріледі: биологиялық жүйе арқылы тұрақты ток өткен кезде, ол жерде қарама- қарсы бағытта, белгілі бір шамаға дейін артатын ЭҚК пайда болады да, Ом заңынан ауытқу байқалады.
Тірі ағза мен ұлпаларға тұрақты токпен әсер еткенде, ток күші тұрақты болмай, өзгеріп, бастапқыдан көп аз болады. Тұрақты токтың биологиялық жүйеден белгілі бір шекке өткенде қарама-қарсы бағытта электрқозғаушы күш пайда болады. Осыдан қарама-қарсы бағытта электрқозғаушы күштің пайда болуынан Ом заңының ауытқуы байқалады. Байқалған құбылыс электролит сұйықтықтарында көрінеді. Қарама-қарсы белгісі бар иондардың жинақталуынан туған қосымша зарядтардың қозғалысынан пайда болған тұрақты токта поляризация құбылысы байқалады.. Биологиялық жүйелердегі ток күшінің өзгерісі олардың токты поляризациялайтын қабілетін көрсетеді.
Металл өткізгіште қоспаның болуы оның меншікті кедергісін арттырады. Өйткені заттарды қыздырған кезде олардың бөлшектерінің ретсіз қозғалысы қарқындырақ болып, ток тасымалдаушылар қозғалысына қарама-қарсы әсері артады.
Температураның біршама аймағында металдардың меншікті кедергісінің өсуі температураға тура пропорционал. Егер меншікті кедергіні 0 0 С –та , ал t 0 C –та деп белгісек онда немесе .
Затты тегіне байланысты қыздырғандағы меншікті кедергінің өзгеріс тәелділігін сипаттайтын шаманы кедергінің температуралық коэффициенті деп атайды. Кедергінің температуралық коэффициенті сан мен анықталыды, 0 0 С-та алынған шаманың 1 0 С-қа қыздырғанда меншікті кедергісінің өзгеруін көрсетеді.
. -өлшем бірлігі 0 С -1
Барлық металдарда шамасы оң, өйткені қыздырғанда оның кедергісі өседі, ал көмір мен электролиттерде және жартылай өткізгіштерде теріс болады, өйткені қыздырғанда олардың кедергілері азаяды. Жартылай өткізгіштердің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділігі , мұндағы тыйым салынған зонаның ені; -меншікті кедергінің пропорционалдық коэффициенті; k- Больцман тұрақтысы.
Электр тогы дегеніміз электр зарядтарының ретті қозғалысы. Егер зарядтардың ретті қозғалысы өткізгіште пайда болса, онда электр тогы өткізгіштік ток деп аталады. Токтың сандық сипаттамасының шамасы зарядтың өткізгіш қимасы арқылы уақыт аралығында өтуі
Осы шаманы ток күші деп атайды. Егер ток күші және оның бағыты уақытқа байланысты өзгермесе, оны тұрықты ток деп атайды. Тұрақты ток үшін
Токтың тығыздығы , мұндағы q және n –заряд және ток тасымалдау концентрациясы, v- қозғалыс бағытталған орташа жылдамдық.
Электролиттегі ток тығыздығы
мұндағы және - қозғалыстағы иондарға сәйкес таңбалар; Е- электр өрісінің кернеулігі.
Бөгде күштердің әсерін физикалық шама ретінде сипаттайды оны электрқозғаушы күш деп атайды. Бұл шаманы бірлік оң зарядқа әсер ететін бөгде күштердің тұйықталған тізбек бойымен немесе тізбектің белгілі бір бөлігіндегі атқарған жұмысы сияқты анықтауға болады.
ЭҚК= . ЭҚК кернеу сияқты вольтпен өрнектеледі.
Электрқозғаушы күшінің дәнекерлеу температураларының айырымына тәуелділігі ЭҚК=
мұндағы =1К сәйкес термо ЭҚК-не тең коэффициент.
электродтар
датчиктер
Диагностикада
Емдеу саласында
Мықтылық (төзімділік - прочность)
Жылдамдық (тез арада алып тіркеу)
Сигналдың бұзылауы (формасын өзгертпеуі, кедергі жасамауы, яғни параметрлердің тұрақтылығын қамтамасыз ету - искажения)
Биологиялық ұлпаны тітіркендірмеуі
Тер мен электрод арасына қойылған дәке (салфетка) физиологиялық ерітіндіге малынуы тиіс
Арнайы электр өткізгіш пастаны қолдану
-биопотенциал көзінің э.қ.к.
-ішкі ұлпаның кедергісі
-тері мен электрод арасындағы кедергі
- биологиялық жүйенің кірісі
Уақытша қолданылады (УЗИ каб.)
Ұзақ уақыт бойынша үздіксіз (кома, реанимация)
Қозғалыс жағдайында (спорттық және космостық медицинада)
Қауырт және жәрдем жағдайында (жүрек тоқтағанда)
Датчиктің көмегімен электр емес шамалар электрлік шамаларға түрленеді
Электр сигналын одан әрі күшейтеді
Күшейтілген электр сигналы тіркегіш қондырғыға беріледі.
Кіретін шама мен шығатын шама арасындағы сызықтық байланыс (2 сурет)
Пьезоэлектрлі датчик (поляризация)
Термоэлектрлі датчик (жылу)
Индукциялық датчик (электромагниттік индукцияға (э.қ.к) негізделген)
Фотоэлектрлік датчик (жарық әсері)
Индукциялық датчик. Индукциялық датчиктің жұмыс істеу принципі тұрақты магниттегі катушканың ЭҚК негізделген. Индукциялық датчиктің кіріс шамасы механикалық орын ауыстыру, сондықтан оларды (индукциялық датчиктерді) жылдамдық өлшейтін құралдарда пайдаланады. Мысалы, өкпенің вентиляциясын тіркеу аппаратында.
Параметрлік датчиктер-к іретін шаманың әсерінен параметрлері өзгереді
(кедергі, электросыйымдылық, индуктивтік т.б.)
Реостаттық (омдық кедергіге негізделген)
Сыйымдылық (сыйымдылыққа негізделген)
Индуктивті (индуктивтілік немес өзара индуктивтілікке негізделген)
Датчиктің сезгіштігі деп аталады.
Термисторды градуирлеу және дененің температурасын анықтау.
Термометр құрылысында температураның өзгеруімен өзінің кедергілерін өзгертетін металдар мен жартылай өткізгіштердің қасиеті қолданылады. Металдарда температура жоғарылаған сайын кедергі көбейеді, ал жартылай өткізгіштерде азаяды.
Мына формуланы өткізгіштің кедергісін есептеуге қолданылады
мұндағы - заттың табиғатына тәуелді кедергінің температуралық коэффициенті, 1 0 С температурадағы кедергінің өзгеруіне сәйкес.
Қазіргі уақытта температураның өзгеруіне қарай өзінің кедергісін металдарға қарағанда 20-30 есе артық өзгерте алатын термисторлар деп аталатын жартылай өткізгіштер жасалып шығарылды, әрі олардың кедергілері температура өсуіне қарай кемиді. Жартылай өткізгішті материалдардың кедергісі өте үлкен болуы себепті, термисторлар мөлшері өте кішкентай болады.
Медицинада термисторлар электротермометрлер ретінде қолданылады. Өзінің өте аз жылулық инерциясына байланысты олар өте аз уақыт мезетінде температураны өлшеуге мүмкіндік береді, термисторлар кішкене моншақ түрінде жасалып, автоқалам сияқты корпустың ұшына бекітіледі де сол арқылы Уитстон көпіріне қосылады. (3сурет)
Бұл сызбада температура көрсеткіші ретінде көпірдің бір тармағына қосылған термистор қолданылады. Басқа тармақтардың кедергілері белгілі бір бастапқы температурада көпір бейтарап болатындай таңдалып алынады. Термисторлар өте аз жылулық инерцияға ие болатындықтан зерттелетін ортамен немесе объектімен жанасқанда сол беттің температурасын тез қабылдап алады. Термистордың температурасының өзгеруі оның кедергісін өзгертеді де, соның әсерінен көпірдің бейтарап күйі бұзылып гальваномертдің тілі ауытқиды. Гальванометрдің шкаласы тікелей Цельсий бойынша бөлінген болуы мүмкін.
Термисторды қолдану үшін оны бөліктеу керек. Бөліктеу термистор кедергісінің температураға тәуелділігін анықтау үшін жүргізіледі. Термисторды градуирлеу үшін Уитстон сызбасы құрастырылады. Сызбада (3-сурет) көпірдің бір тармағына Rт термистор, екіншісінде кедергілер магазині , басқа екеуінде R1 және R2 тұрақты кедергілер болады. Көпір диагоналіне гальванометр қосылады. Өлшеу кезінде R1 және R2 кедергілерді ток гальванометр арқылы өтпейтіндей етіп таңдап алады. Өлшеуіш тізбектің мұндай күйі бейтарап немесе тепе-теңдікте деп аталады.
Терможұпты градуирлеу және дененің температурасын анықтау.
Екі ұшы дәнекерленген әр текті металдан тұратын құралда электр энергиясы дененің ішкі энергиясынан пайда болады, температураның айырымы терможұп немесе термоэлемент деп аталады.
Терможұптар кең интервалда ( -270-тен +1500 0 С-ке дейін) температураны өлшеу үшін қолданылады.
Егер дәнекерлеу арқылы жартылай өткізгішті терможұпқа бөгде көзден кемтікті электронды (термотоктың бағытына қарсы болса) жартылай өткізгішке тұрақты ток жіберсек онда сәйкес жартылай өткізгіштерде токтан пайда болған кемтік пен электрондар байланысқан дәнекерлеуде кездесіп рекомбинацияланады. Бұл жағдайда потенциалдық энергия кинетикалық сияқты жылуға айналады да , дәнекерлеу қызады. Кері бағытта дәнекерлеуде токтан электрон кемтік жұбы энергия шығындалып пайда болады. Дәнекер суиды. Бұл құбылыс Пельтье эффектісі деп аталады. Терможұпты температураны өлшеуге қолдану үшін бөліктеуге тура келеді. Ол үшін тізбекте пайда болған терможұптағы (немесе гальванометрдің ауытқуына сәйкес) қыздырылған дәнекерлеудің температурасының айырмасы мен дәнекерлеудің тұрақты температурасының ЭҚК-і арасындағы тәуелділікті аламыз. Термоэлектрқозғаушы күшті өлшеу үшін гальванометр (милливольтметрлер) немесе потенциометр қолданылады.
2- суреттегі схеманы қарастырайық. Бұл сызбада А және В қыздырылған және тұрақты температураларға сәйкес дәнекерлері, Г-гальванометр, Rқос- гальванометрдің ауытқуын болдырмас үшін тізбекке ендірілген қосымша кедергі. Қыздырылған дәнекерді тұрақты қыздырылатын сұйықтығы бар ваннаға салса, басқасы – термостатталады. Ваннаның температурасы термометрмен өлшенеді.
Бөліктеу гальванометрдің ауытқуы немесе қыздырылған дәнекердегі температураның термоэлектрқозғаушы күшінің шамасы арқылы жүзеге асырылады.
Градуирлеудің қорытындысын график көрсетеді: горизонталь оське қыздырылған дәнекердің температурасы салынса, вертикаль оське гальванометрдің ауытқуы немесе термо ЭҚК-ң шамасы салынады.
Е термо ЭҚК-і температураның онша үлкен емес өзгерулерінде t2-t1 температураларының айырмасына пропорционал өзгереді:
Онда шектелген температура интервалында терможұптың ЭҚК-ң қыздырылған дәнекерлеудің температурасына тәуелділігі түзу сызық болады. Кең температура интервалында көптеген терможұптарда пропорционалдылықтан ауытқулар байқалады.
Терможұпты бөліктеу қорытындысынан терможұптың ЭҚК-не сәйкес1 0 С қыздырылған дәнекерлеудің температура өзгерісін, терможұптың заттың табиғатына тәуелді К сезгіштігін, есептеуге болады:
мұндағы гальванометрмен өлшенген I-ток күші, RT-терможұптың кедергісі, -гальванометрдің орамдарының кедергісі, -қосымша кедергі. Берілген шамалардың мәндері берілген, терможұптың К сезгіштігін анықтау үшін шаманы анықтауымыз керек. Ол n- гальванометрдің ауытқуымен терможұптың қыздырылған дәнекерлеуінің t 0 температурадағы тәуелділік графигінен табылады.
Зертханалық жұмыстың орындалу тәртібі:
Қ
ұрылғының схемасын жинақтау (3 сурет)
2. Жылу кедергілерден және қыздырғыштан тұратын ыдыстағы судың бастапқы t 0 температурасын белгілеу, көпірді бейтараптандыру. Жылукедергі R-дің мәнін жазу. Ол келесі формула бойынша анықталады.
3. Суды қайнағанға дейін қыздыра отырып, әрбір 20-25 с сайын термистордың
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Пән: Роботтехникасы
Өтетін күні:
Сынып: 7 А, 7Б
Тақырыбы . Мотор және датчиктермен танысу. Датчиктер мен моторларды қосу. EV3 модулінің интерфэйсін зерделеу. EV3 бағдарламалық жасақтамасы
Мақсаты: мотор жөнінде ақпарат беру, түрлерімен таныстыру;
датчиктер туралы ұғым қалыптастыру, түрлерін ажыратуды үйрету
Мотор дегеніміз не ?
Мотор (тартпа, қозғалтқыш) тек қана роботты емес, сонымен қоса түрлі механизмдер мен манипуляторды қозғалысқа әкелетін роботтың ажырамас бөлігі болып табылады. Бір сөзбен айтқанда, мотор робот үшін электр қуатын қозғалыс қуатына айналдырады.
Егер біз роботтың қозғалысты бастағанын қаласақ, қозғалтқышты басқарудың әртүрлі драйверлері арқылы моторға электр кернеуін беру керекпіз.
Үлкен мотор
Негізгі қызметтері :
кіріктірме айналу тетігі ;
1 градусқа дейін өлшеудің дәлдігі .
Үлкен мотордың сипаттамасы
EV3 үлкен моторы 1 градусқа дейін жоғары дәлдікпен басқару үшін тахометриялық кері байланысты пайдаланатын қуатты мотор болып табылады EV3 үлкен моторы 1 градусқа дейін жоғары дәлдікпен басқару үшін тахометриялық кері байланысты пайдаланатын қуатты мотор болып табылады
Техникалық спецификациялары мен ерекшеліктері
1 градусқа дейін өлшеу дәлдігі бар кіріктірме айналу тетігі;
максималды айналым 160-170 айн/мин ;
қалыпты жұмыс кезіндегі айналу кезеңі 20 Н/см ;
максималды айналу кезеңі 40Н/см .
Орташа мотор
EV3 орташа моторы роботтың жылдамдығы, шапшаңдығы мен көлемі оның жүк көтергіштігінен маңыздырақ болғанда өте қолайлы.
Кіріктірме айналу тетігі .
1 градусқа дейін өлшеудің дәлдігі .
Техникалық спецификациялары мен ерекшеліктері
1 градусқа дейін өлшеу дәлдігі бар кіріктірме айналу тетігі.
максималды айналым 240-250 айн/мин ;
қалыпты жұмыс кезіндегі айналу кезеңі 8 Н/см ;
максималды айналу кезеңі 12 Н/см .
Датчик дегеніміз не?
Датчик — әр түрлі ақпаратты (температура, жылдамдық, сәуле, түс, дыбыс) өлшеуге арналған құрал. Датчиктер электронды және механикалық болып бөлінеді.
Датчиктің құрамына сезгіш және түрлендіргіш элементтері кіреді. . Электронды датчиктердің негізгі ерекшеліктері олардың сезгіштігі мен олқылықтар болып табылады.
Жанасу датчигі
Негізгі қызметтері :
датчик басуды, басудың жоқтығын, басудың санын анықтайды;
әрекеттің 3 режимін ажырата алады
Жанасу датчигі алдыңғы батырмасының басылғанын немесе басылмағанын анықтайтын, бір немесе бірнеше басылғанды есептейтін өте дәл аспап болып табылады
Бұл құрал арқылы оқушылар лабиринт тәрізді тапсырмаларды орындай алады. Жанасу датчигі күнделікті өмірде жиі қолданады. Мысалы, компьютер пернетақтасында, электронды пианиноларда.
Техникалық спецификациялары мен ерекшеліктері
Кіріктірілген алдыңғы батырма ;
EV3 бағдарламасымен автоматты түрде анықталу ы .
басу жіберу
Ультрадыбысты датчик
Негізгі қызметтері:
Ультрадыбысты датчик дыбыс толқындарын жіберіп, қайтып келген сигналдарды оқиды және нысандарды тауып, оларға дейінгі қашықтықты есептейді.
Сондай-ақ, ол эхолокатор ретінде жұмыс істейді және де дыбыс толқындарын күтіп, тапқан жағдайда бағдарламаны іске қоса алады. Мысалы, оқушылар жол қозғалысының мониторинг жүйесін жобалай алады және көліктердің арасындағы қашықтықты өлшей алады.
Ультрадыбысты датчик күнделікті өмірде технологиялардың қолдану принциптерін түсінуге мүмкіндік береді, мысалы, ол автоматты ашылатын есіктерде, автокөліктерде және өндірістік жүйелерде кеңінен қолданады.
өлшеу дәлдігі +/- 1 см дейін ;
қызыл түсті жарық сигналды беру кезінде үнемі жанып және эфирді тыңдау барысында жылтылдап тұрады ;
Гироскопиялық датчик Гироскопиялық датчик роботтың айналу қозғалысын және оның бағытындағы өзгерістерді өлшейді . Бұрыштарды өлшей алады, теңгеруші роботтарды жасап, көптеген шынайы құрылғыларда, мысалы, Segway ® самокатында қолданылатын технологияларды зерттей алады
Түс датчигі заттарды түс бойынша бөлетін роботтарды құрастырып, әртүрлі түстердің жарықпен шағылысуымен тәжірибелер жасай алады.
Осының барлығы қалдықтарды қайта өңдеуде, қаптамаларды өндіруде және ауыл шаруашылығында қолданылатын технологияға терең түсінік береді.
Техникалық спецификациялары мен ерекшеліктері
Қараңғыдан бастап өте жарық күн жарығына дейінгі шағылысқан қызыл жарық пен айналадағы жарықты өлшейді;
сегіз түске дейін анықтай алады. Ол ақ пен қара, көк, жасыл, сары, қызыл, қоңыр түстерін айыра алады.
Ол сегіз түсті ажырата алады . Шағылу жарықтықты өлшей алады Сыртқы жарықтықты есептейді.
Требование к электронной медицинской аппаратуре — сделать недоступным касание частей аппаратуры, находящихся под напряжением. Для этого:
1. Изолируют части приборов и аппаратов, находящихся под напряжением, от корпуса аппаратуры;
2. Делают заземление или зануление приборов.
По степени защиты от поражения током выделяют 4 типа приборов:
1.Изделия с нормальной степенью защиты (бытовой);
2.Изделия с повышенной степенью защиты;
3.Изделия с изолированной рабочей частью;
4.Изделия с наивысшей степенью защиты и изолированной рабочей частью.
Надёжность медицинской аппаратуры — способность изделия не отказывать в работе в заданных условиях эксплуатации и сохранять свою работоспособность в течение определённого интервала времени. Определяется параметрами: вероятностью безотказной работы и интенсивностью отказов.
Электроды– это проводники специальной формы, соединяющие измерительную цепь с биологической системой. Электроды используют в диагностике не только для съема электрического сигнала, но и для подведения внешнего электромагнитного воздействия, например, в реографии. В медицине электроды используют также для электромагнитного воздействия на биообъекты с целью лечения и при электростимуляции. К электродам предъявляются определенные требования: они должны быстро фиксироваться и сниматься, иметь высокую стабильность электрических параметров, быть прочными, не создавать помех, не раздражать биологическую ткань и т.п. Важной проблемой, относящейся к электродам для съема биоэлектрического сигнала, является минимизация потерь полезной информации, особенно на переходном сопротивлении электрод – кожа.
Датчик — (преобразователь медицинской информации) —устройство съема информации, осуществляющий преобразование измеряемой величины в форму, удобную для последующего усиления, регистрации, обработки и т. д.
Тип и конструкция датчика зависят от вида необходимого преобразования, т. е. определяются конкретными физическими представлениями входного неэлектрического сигнала и выходного электрического сигнала, а также зависят от условий работы датчика.
Датчики медико-биологической информации можно разделить на две группы: биоуправляемые и энергетические.
Биоуправляемые датчики изменяют свои характеристики непосредственно под влиянием медико-биологической информации, поступающей от объекта измерения. В свою очередь биоуправляемые датчики подразделяются на активные (генераторные) и пассивные (параметрические).
В активных датчиках измеряемый параметр непосредственно преобразуется в электрический сигнал, т. е. под воздействием измеряемой величины активные датчики сами генерируют сигнал соответствующей амплитуды или частоты. К таким датчикам относятся пьезоэлектрические, индукционные преобразователи, термоэлементы.
Пассивные датчики под воздействием входной величины изменяют свои электрические параметры: сопротивление, емкость или индуктивность. В отличие oт активных (генераторных) датчиков пассивные (параметрические) датчики для получения соответствующего значения выходного напряжения или тока включаются в электрическую цепь с внешним источником питания. К таким датчикам можно отнести емкостные, индуктивные, резистивные, контактные датчики.
Каждый датчик характеризуется определенными метрологическими показателями. Важнейшими из них являются:
1) чувствительность—минимальное изменение снимаемого параметра, которое можно устойчиво обнаружить с помощью данного преобразователя,
2) динамический диапазон — диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений от максимальной предельной величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех;
3) погрешность — максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами;
1) время реакции — минимальный промежуток времени, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий измененному уровню входной величины.
* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.
Человек глазами воспринимает форму, размеры и цвет окружающих предметов, ушами слышит звуки, носом чувствует запахи. Обычно говорят о пяти видах ощущений, связанных со зрением, слухом, обонянием, вкусом и осязанием. Для формирования ощущений человеку необходимо внешнее раздражение определенных органов - "датчиков чувств". Для различных видов ощущений роль датчиков играют определенные органы чувств:
Однако для получения ощущения одних только органов чувств недостаточно. Например, при зрительном ощущении совсем не значит, что человек видит только благодаря глазам. Общеизвестно, что через глаза раздражения от внешней среды в виде сигналов по нервным волокнам передаются в головной мозг и уже в нем формируется ощущение большого и малого, черного и белого и т.д. Эта общая схема возникновения ощущения относится также к слуху, обонянию и другим видам ощущения, т.е. фактически внешние раздражения как нечто сладкое или горькое, тихое или громкое оцениваются головным мозгом, которому необходимы датчики, реагирующие на эти раздражения.
Аналогичная система формируется и в автоматике. Процесс управления заключается в приеме информации о состоянии объекта управления, ее контроле и обработке центральным устройством и выдачи им управляющих сигналов на исполнительные устройства. Для приема информации служат датчики неэлектрических величин. Таким образом, контролируется температура, механические перемещения, наличие или отсутствие предметов, давление, расходы жидкостей и газов, скорость вращения и т.п..
Датчики информируют о состоянии внешней среды путем взаимодействия с ней и преобразования реакции на это взаимодействие в электрические сигналы. Существует множество явлений и эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые можно использовать для создания датчиков. При классификации датчиков в качестве основы часто используется принцип их действия, который, в свою очередь, может базироваться на физических или химических явлениях и свойствах.
С температурой мы сталкиваемся ежедневно, и это наиболее знакомая нам физическая величина. Среди прочих датчиков температурные отличаются особенно большим разнообразием типов и являются одним из самых распространенных.
Стеклянный термометр со столбиком ртути известен с давних времен и широко используется в наши дни. Терморезисторы сопротивления, которых изменяется под влиянием температуры, используются довольно часто в разнообразных устройствах благодаря сравнительно малой стоимости датчиков данного типа. Существует три вида терморезисторов: с отрицательной характеристикой (их сопротивление уменьшается с повышением температуры), С положительной характеристикой (с повышением температуры сопротивление увеличивается) и с критичной характеристикой (сопротивление увеличивается при пороговом значении температуры). Обычно сопротивление под влиянием температуры изменяется довольно резко. Для расширения линейного участка этого изменения параллельно и последовательно терморезистору присоединяются резисторы.
Термопары особенно широко применяются в области измерений. В них используется эффект Зеебека: в спае из разнородных металлов возникает ЭДС, приблизительно пропорциональная разности температур между самим спаем и его выводами. Диапазон измеряемых термопарой температур зависит от применяемых металлов. В термочувствительных ферритах и конденсаторах используется влияние температуры соответственно на магнитную и диэлектрическую проницаемость, начиная с некоторого значения, которое называется температурой Кюри и для конкретного датчика зависит от применяемых в нем материалов. Термочувствительные диоды и тиристоры относятся к полупроводниковым датчикам, в которых используется температурная зависимость проводимости p-n-перехода (обычно на кристалле кремния). В последнее время практическое применение нашли так называемые интегральные температурные датчики, представляющие собой термочувствительный диод на одном кристалле с периферийными схемами, например усилителем и др.
Подобно температурным оптические датчики отличаются большим разнообразием и массовостью применения по принципу оптико-электрического преобразования эти датчики можно разделить на четыре типа: на основе эффектов фотоэлектронной эмиссии, фотопроводимости, фотогальванического и пироэлектрических. Фотогальваническая эмиссия, или внешний фотоэффект,0 - это испускание электронов при падении света физическое тело. Для вылета электронов из физического тела им необходимо преодолеть энергетический барьер. Поскольку энергия фотоэлектронов пропорциональна1hc/л0 (где1h0 - постоянная Планка,1с0 - скорость света,1л0 - длина волны света), то, чем короче длина волны облучающего света, тем больше энергия электронов и легче преодоление ими указанного барьера.
Эффект фотопроводимости, или внутренний фотоэффект,0 - это изменение электрического сопротивления физического тела при облучении его светом. Среди материалов, обладающих эффектом фотопроводимости,- ZnS, CdS, GaAs, Ge, PbS и др. Максимум спектральной чувствительности CdS приходится приблизительно на свет с длиной волны 500-550 нм, что соответствует приблизительно середине зоны чувствительности человеческого зрения. Оптические датчики, работающие на эффекте фотопроводимости, рекомендуется использовать в экспонометрах фото и кинокамер, в автоматических выключателях и регуляторах света, обнаружителях пламени и др. Недостаток этих датчиков - замедленная реакция (50 мс и более).
Фотогальванический эффект 0 заключается в возникновении ЭДС на выводах p-n-перехода в облучаемом светом полупроводнике. Под воздействием света внутри p-n-перехода появляются свободные электроны и дырки и генерируется ЭДС. Типичные датчики, работающие по этому принципу, - фотодиоды, фототранзисторы. Такой же принцип действия имеет оптико-электрическая часть двухмерных твердотельных датчиков изображения, например датчиков на приборах с зарядовой связью (ПЗС-датчиков). В качестве материала подложки для фотогальванических датчиков чаще всего используется кремний. Сравнительно высокая скорость отклика и большая чувствительность в диапазоне от ближней инфракрасной (ИК) зоны до видимого света обеспечивает этим датчикам широкую сферу применения. Пироэлектрические эффекты 0 - это явления, при которых на поверхности физического тела вследствие изменений поверхностного температурного "рельефа" возникают электрические заряды, соответствующие этим изменениям. Среди материалов, обладающих подобными свойствами и множество других так называемых пироэлектрических материалов. В корпус датчика встроен полевой транзистор, позволяющий преобразовывать высокое полное сопротивление пиротехнического элемента с его оптимальными электрическими зарядами в более низкое и оптимальное выходное сопротивление датчика. Из датчиков этого типа наиболее часто используются ИК-датчики. Среди оптических датчиков мало найдется таких, которые обладали бы достаточной чувствительностью во всем световом диапазоне.
Большинство датчиков имеет оптимальную чувствительность в довольно узкой зоне ультрафиолетовой, или видимой, или инфракрасной части спектра. Основные преимущества перед датчиками других типов:
2. Возможность (при соответствующей оптике) измерения объектов как с чрезвычайно большими, так и с необычайно малыми размерами.
4. Удобство применения интегральной технологии (оптические датчики, как правило, твердотельные и полупроводниковые), обеспечивающей малые размеры и большой срок службы.
5. Обширная сфера использования: измерение различных физических величин, определение формы, распознавания объектов и т.д. Наряду с преимуществами оптические датчики обладают и некоторыми недостатками, а именно чувствительны к загрязнению, подвержены влиянию постороннего света, светового фона, а также температуры(при полупроводниковой основе).
В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение.
Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, трубки Прудона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.
В настоящее время в качестве датчиков давления все шире используются тензометры. Особенно перспективными представляются полкпроводниковые тензометры диффузионного типа. Диффузионные тензометры на кремниевой подложке обладают высокой чувствительностью, малыми размерами и легко интегрируются с периферийными схемами. Путем травления по тонкопленочной технологии на поверхности кристалла кремния с 1 n 0-продимостью формируется круглая диафрагма. На краях диафрагмы методом диффузии наносятся пленочные резисторы, имеющие 1p 0-проводимость. Если к диафрагме прикладывается давление, то сопротивление одних резисторов увеличивается, а других - уменьшается.
Выходной сигнал датчика формируется с помощью мостовой схемы, в которою входят эти резисторы. Полупроводниковые датчики давления диффузионного типа, подобные вышеописанному, широко используются в автомобильной электронике, во всевозможных компрессорах. Основные проблемы - это температурная зависимость, неустойчивость к внешней среде и срок службы.
Влажность - физический параметр, с которым, как и с температурой, человек сталкивается с самых древних времен; однако надежных датчиков не было в течение длительного периода. Чаще всего для подобных датчиков использовались человеческий или конский волос, удлиняющиеся или укорачивающиеся при изменении влажности. В настоящее время для определения влажности используется полимерная пленка, покрытая хлористым литием, набухающим от влаги. Однако датчики на этой основе обладают гистерезисом, нестабильностью характеристик во времени и узким диапазоном измерения. Более современными являются датчики, в которых используются керамика и твердые электролиты. В них устранены вышеперечисленные недостатки. Одна из сфер применения датчиков влажности - разнообразные регуляторы атмосферы. Газовые датчики широко используются на производственных предприятиях для обнаружения разного рода вредных газов, а в домашних помещениях - для обнаружения утечки горючего газа. Во многих случаях требуется обнаруживать определенные виды газа и желательно иметь газовые датчики, обладающие избирательной характеристикой относительно газовой среды. Однако реакция на другие газовые компоненты затрудняет создание избирательных газовых датчиков, обладающих высокой чувствительностью и надежностью. Газовые датчики могут быть выполнены на основе МОП-транзисторов, гальванических элементов, твердых электролитов с использованием явлений катализа, интерференции, поглощения инфракрасных лучей и т.д. Для регистрации утечки бытового газа, например сжиженного природного или горючего газа типа пропан, используется главным образом полупроводниковая керамика, в частности , или устройства, работающие по принципу каталитического горения. При использовании датчиков газа и влажности для регистрации состояния различных сред, в том числе и агрессивных, часто возникает проблема долговечности.
Главной особенностью магнитных датчиков, как и оптических, является быстродействие и возможность обнаружения и измерения бесконтактным способом, но в отличие от оптических этот вид датчиков не чувствителен к загрязнению. Однако в силу характера магнитных явлений эффективная работа этих датчиков в значительной мере зависит от такого параметра, как расстояние, и обычно для магнитных датчиков необходима достаточная близость к воздействующему магнитному полю.
Среди магнитных датчиков хорошо известны датчики Холла. В настоящее время они применяются в качестве дискретных элементов, но быстро расширяется применение элементов Холла в виде ИС, выполненных на кремниевой подложке. Подобные ИС наилучшим образом отвечают современным требованиям к датчикам. Магниторезистивные полупроводниковые элементы имеют давнюю историю развития. Сейчас снова оживились исследования и разработки магниторезистивных датчиков, в которых используется ферромагнетики. Недостатком этих датчиков является узкий динамический диапазон обнаруживаемых изменений магнитного поля. Однако высокая чувствительность, а также возможность создания многоэлементных датчиков в виде ИС путем напыления, т. е. технологичность их производства, составляют несомненные преимущества.
Читайте также: