Трибоэлектрические датчики обнаружения реферат
Обновлено: 06.07.2024
Смирнова Любовь Александровна - студентка Технологического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К.Аммосова. (СВФУ, г.Якутск)
Николаева Анна Владимировна - студентка Технологического института Северо-Восточного федерального университета им. М.К.Аммосова. (СВФУ, г.Якутск)
Аннотация: Устройство предназначено для обслуживания технического состояния зданий и позволяет повысить точность определения места сдвига строения. В качестве датчиков используют трибоэлектрический датчик, выполненный в виде набора изолированных проводов, путем установки на балки между сваями. С его помощью можно будет прослеживать деформацию здания, и обнаруживать изменение положения бетонной конструкции.
Ключевые слова: Датчики, отслеживание повреждений, трибоэлектрический эффект.
Одним из методов защиты, является установка оборудования по предупреждению обрушений.
Основной целью настоящей работы является разработка динамического метода исследования трибоэлектрических свойств конструкций, построение модели накопления и релаксации электрических зарядов на сваях и балках с учетом электропроводящих свойств материала для прогноза долговечности здания.
Практическая значимость исследования состоит в том, что предложенные нами аспекты использования трибоэлектрических датчиков позволят расширить их применение.
В нашем же случае, применение его будет с целью обнаружения повреждений или сдвигов опорных балок.
Принцип действия датчика основан на регистрации блоком обработки сигнала электрических сигналов, возникающих в чувствительном элементе и его узлах напряжения (местах жёсткого крепления чувствительного элемента к бетонному изделию), при механическом воздействии на элементы или сдвиге в какую-либо сторону.
Каждый датчик (провод) присоединен к блоку сбора сигналов, выполненному в виде прибора, измеряющего напряжение. В качестве прибора, измеряющего напряжения, предполагается использовать стандартные промышленные многоканальные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), соответственно 32 канала для одной линии.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При деформации или изменения положения сваи на датчиках (проводах), расположенных на опорной балке, вследствие трибоэлектрического эффекта появляется электрический заряд, который в виде импульса напряжения U(t) регистрируется блоком сбора сигналов (АЦП). Величина напряжения равна
где R - входное сопротивление прибора, измеряющего напряжение,
Q - электрический заряд, появившийся на датчике,
dQ/dt - скорость изменения заряда во времени.
Компьютер постоянно опрашивает все каналы АЦП. Интервал времени между опросами каждого канала должен быть значительно меньше чем длительность импульса. При превышении напряжения на каком-нибудь канале выше заданной пороговой амплитуды Uп включается режим записи и все сигналы со всех каналов записываются в течение интервала времени, большего чем длительность импульса.
Полученные данные из блока сбора сигналов поступают в блок обработки сигналов. Блок обработки сигналов (компьютер) анализирует записанные данные (импульсы напряжения), поступившие от различных датчиков. Обработка данных, поступивших от каждой группы датчиков (32 датчика), расположенных параллельно земле или линии установки сваи, производится раздельно.
Использование таких датчиков в обеспечении безопасности людей позволит значительно облегчить управление процессами устранения и своевременного обнаружения повреждений и дефектов конструкций. В дальнейшем планируется производить упрощенные датчики с облегченной конструкцией и быстрым взаимодействием с головным центром управления. Установка такой системы слежения за состоянием здания позволяет даже при большом перепаде температур отслеживать состояние жилых домов, производственных зданий и других сооружений, используемых человеком, без угрозы обрушения.
Как получить сигнал с первичного преобразователя, сегодня понятно… Любой кабель связи, обладающий трибоэлектрическим эффектом, может стать чувствительным элементом вибрационного извещателя. Не вдаваясь в физические дебри, можно сказать, что принцип формирования сигналов в кабелях связан с тем, что при изменениях геометрии кабеля происходят локальные перераспределения электрических зарядов в его структуре, что в свою очередь вызывает протекание микротоков, которые и улавливаются специальными усилителями. Такие кабели могут быть:
- со специально нормированным трибоэффектом (или пьезоэффектом), как, например, кабель Multisensor про изводства Galdor (Израиль), продукция фирмы Ormal (Великобритания) Vibetek 3, Vibetek 10 и т.п.;
- паразитным трибоэффектом, типа ТППэп, КТВУ, КТМ и т.п.
Специально изготовленные кабели обладают рядом преимуществ:
Кроме того, существуют специальные кабели с защитной металлизированной оплеткой (из серии Ormal Vibetek), предохраняющие чувствительный элемент от повреждений.
Получение сигналов первичным преобразователем — кабельным чувствительным элементом вибрационного извещателя — в обоих случаях одинаково: кабель должен быть жестко связан со средой, на которую оказывает воздействие нарушитель, преодолевающий контролируемый рубеж. В качестве такой среды могут быть:
- полотно ограждения из гибких металлических материалов: сетки, колючей проволоки, спирали АКЛ, листового металла (фото 1) и т.п.;
- полотно ограждения из твердых металлических решеток, стены зданий, бетонные ограждения; грунт.
Рисунок 1 - TREZOR-V на металлическом ограждении и на спирали АКЛ
Периметровый охранный извещатель имеет две основные характеристики, составляющие его, так сказать, потребительскую сущность: вероятность обнаружения и устойчивость к помехам. Простыми словами, он должен обнаруживать нарушителя и не обнаруживать все остальное: снег, ветер, ветки деревьев, птиц и животных, электромагнитные наводки, и т.д. и т.п. Эти характеристики взаимосвязаны: они имеют смысл только вместе. Например, вероятность обнаружения 0,98 при одной ложной тревоге на охранную зону в неделю. Разбить эту фразу на две независимые половинки просто невозможно: каждая из них будет лишена всякого смысла, потому что не даст никакой информации о потребительских свойствах извещателя. Никому не нужна система обнаружения с вероятностью обнаружения нарушителя 0,98, если каждые 10 минут от нее поступают ложные тревоги, точно так же не нужна система, не реагирующая на преодоления нарушителем, но имеющая очень высокую наработку на ложный сигнал тревоги!
Зачастую на всякого рода испытаниях или показах ограничиваются только проверкой чувствительности (вероятности обнаружения) извещателя.
Запуская из укромного места детскую вертушку, которая в полете воздействовала на лучи активного инфракрасного извещателя, он добился нескольких тревог за ночь. Вертушка, подобно бумерангу, каждый раз возвращалась к нему, охранники не могли установить причину тревоги, в результате чего система охраны была признана неисправной и отключена.
Осмелюсь предположить, что если на объекте случается ложная сработка в сутки, то это можно считать приемлемым. При этом:
- протяженность периметра роли особой не играет, если по тревогам действует одна и та же смена охраны (охранник);
- для охраны совершенно безразлично, упала ли это шапка снега на ограждение, подул ли сильный ветер или под ограждением протиснулась собака, по размерам сопоставимая с нарушителем.
Для среднего периметра протяженностью 1 км и длине участка, контролируемого одним извещателем, 100 м наработка на ложный сигнал тревоги на один участок (извещатель) должна составлять не менее 240 часов. Если периметр 5 км — требования к извещателям резко возрастают и их наработка должна составлять 600-1200 часов. Таким образом, чем длиннее периметр, тем надежнее должен быть извещатель. Общепринятые европейские представления о периметровых извещателях соответствуют величине 720 часов (или 1 месяц).
На сегодняшний день ни один нормативный документ не содержит четкого определения, что дает возможность предлагать самые фантастические интерпретации.
Адекватное определение, на мой взгляд, такое: любой сигнал тревоги, не связанный с преодолением охраняемого рубежа нарушителем или сотрудником охраны в качестве проверки, является ложным.
Самое нелепое определение я слышал совсем недавно от одного компетентного сотрудника очень уважаемого мною ведомства: любой сигнал тревоги от любого воздействия на ограждение не является ложной тревогой, так как извещатель должен обнаруживать любое воздействие. Иначе как же он обнаружит нарушителя? Без комментариев.
Три подхода борьбы с ложными тревогами
Итак, как же бороться с ложными тревогами. Вот тут-то и хочется перейти к описанию возможных способов, исходя из имеющихся на рынке безопасности средств.
В настоящее время на рынке периметровых вибрационных извещателей присутствуют в виде технических воплощений три различных, достаточно ярко выраженных подхода.
Существует, справедливости ради, и некая регулировка накопления таких превышений, но ею пользоваться не рекомендуется:
У такого подхода есть безусловное преимущество — отсутствие какой бы то ни было адаптации к изменяющимся условиям эксплуатации исключает возможность ухищренного преодоления системы путем зашумления извещателя. Наработка на ложный сигнал тревоги по определению не может быть высокой, что особенно ярко проявляется на длинных периметрах.
Багульник-м
Рисунок 2 - TREZOR-V с пультом настройки
Возможность точной (фиксированной) настройки извещателя по нескольким информационным признакам (не только порогового превышения) под конкретное ограждение позволяет в несколько раз повысить помехоустойчивость извещателя по сравнению с предыдущим случаем и исключить жесткую зависимость повышения чувствительности и возрастания количества ложных тревог.
Такой подход позволяет при построении систем периметровой охраны реализовать следующие функции:
- дистанционную, с поста охраны, настройку извещателей;
- сохранение, хранение и загрузку в извещатель файлов настройки для конкретных типов ограждений и грунтов, что значительно сокращает время настройки;
- введение совместного (коррелированного) анализа внешнего шума от всех извещателей системы или флангов одного извещателя, что значительно повышает помехоустойчивость системы в целом.
Такого типа извещатель может быть построен только с применением специально изготавливаемого кабеля с пониженным уровнем трибоэлектрических шумов, что вкупе с высокоинтеллектуальной обработкой сигналов обусловливает довольно высокую стоимость комплекта. Оборудование полноростового ограждения извещателем MS-018B при длине участка 250 м обойдется заказчику $40..50 за погонный метр. Сюда же можно добавить и высокие требования к квалификации инсталляторов.
Рисунок 3 - МС-018В с пультом настройки и с чувствительным кабелем
Рисунок 4 - Чувствительный элемент "Мультисенсор" на жесткой решетке
Практика показывает, что все три подхода к созданию вибрационных извещателей с кабельным чувствительным элементом имеют право на существование.
Вместе с тем, при синтезе периметровых охранных систем необходимо понимать возможности, а значит, и область применения различных подходов к обеспечению помехоустойчивости системы.
Для охраны объектов различного назначения от несанкционированного проникновения используются системы сигнализации. Охранная система состоит из центрального устройства, которое получает информацию с датчиков, срабатывающих от внешних факторов. Датчики охранной сигнализации могут реагировать на звук, движение, вибрацию, температуру или разрыв электрической цепи . В пожарной сигнализации применяются устройства, реагирующие на температуру и дым . Датчики охранной сигнализации достаточно разнообразны, поэтому в ходе проектирования системы важно правильно соотнести их возможности с требованиями к защите в конкретных условиях.
По способу передачи сигнала;
По конструктивному исполнению;
По принципу действия.
История охранной сигнализации
В 1853 году охранная сигнализация была запатентована преподобным Августом Расселом Поупом из Сомервилла, штат Массачусетс. Этот блок работал от батареи и требовал индивидуального блока для каждого окна или двери. Несколько лет спустя Эдвин Холмс купил патент у Папы Римского. Холмсу приписывают фактически производство устройства, которое было доступно для покупки. Люди скептически относились к использованию электричества для сигнализации, поэтому бизнес не пошел хорошо. Это было до тех пор пока Холмс не начал продавать свой продукт в Нью-Йорке. Он построил сеть сигнализаций, которые контролировались центральной станцией.
В 1905 году американская Телефонно-Телеграфная компания купила бизнес Холмса. Они начали связывать систему с системами экстренного вызова, чтобы предупредить полицию и пожарных о чрезвычайных ситуациях.
Классификация датчиков охранной сигнализации
Контактные;
Движения;
Акустические;
Вибрационные;
Тепловые;
Дымовые;
Комбинированные и прочие.
Контактные датчики
Датчики движения
Инфракрасные;
Ультразвуковые;
Микроволновые (радиочастотные);
Гибридные.
Акустические датчики
Микрофон улавливает предварительно отфильтрованные звуки и преобразовывает их в цифровой сигнал;
Усилитель усиливает цифровое значение и передает контроллеру;
Контроллер сверяет полученные данные с массивом пороговых значений, при превышении всех параметров передается сигнал на реле.
Оптические;
Пьезоэлектрические;
Трибоэлектрические.
Максимальные;
Дифференциальные;
Максимально-дифференциальные.
Дымовые датчики
Оптоэлектронные;
Ионизационные (радиоизотопные).
Прочие типы
Индикатор протечки воды;
Датчик пламени;
Датчик утечки газа;
Датчик наклона.
Датчики движения
Инфракрасные датчики
Пассивный инфракрасный детектор движения представляет собой электронное устройство, реагирующее на перемещение физического объекта с температурой выше температуры окружающей среды.
Роль сенсора в ИК-датчике играет пироэлектрический преобразователь на чувствительных полупроводниковых элементах. Когда ИК-свет поражает кристалл, он генерирует электрический заряд. Пироприемник состоит из двух сенсоров. На каждый из них от двух соседних лучей поступает поток излучения. При нарушении этого баланса, прибор извещает контрольную панель о нарушении зоны охраны (см. рис. 2).
![e:\учеба\технические измерения и приборы\реферат\новая папка\04c707fbf6b3fd121abbade60e86ddd0.jpg]()
Ясно, что чем больше сегментов содержит мультилинза, тем чувствительней будет работать датчик, поскольку каждая микролинза работает со своим сегментом, охватывая собственную часть объема рабочего пространства, и при перемещении объекта внутри этого сегмента срабатывания не произойдет. Зачастую применяются сдвоенные или даже счетверенные пироэлементы, это делается для более точного срабатывания устройства, исключая незначительные световые помехи, вызываемые сменой температуры фона.
Блок обработки датчика использует для анализа амплитуду, форму и длительность выходного сигнала пироэлектрического преобразователя. Воздействие нарушителя вызывает симметричный двухполярный сигнал. Помехи выдают несимметричные значения на обрабатывающий модуль. В простейшем варианте сравнивается амплитуда сигнала с определенным пороговым значением. В более сложных датчиках измеряется длительность превышения порога, количество этих превышений. Для повышения помехозащищенности прибора используется автоматическая термокомпенсация. Она обеспечивает постоянную чувствительность во всем диапазоне температур.
Активные инфракрасные датчики состоят из передатчика излучения и приёмного устройства и относятся к категории активных потайных линейных датчиков. Такие виды датчиков охранной сигнализации чаще всего используются при блокировке периметра. В качестве передатчики используется инфракрасный лазер, который вырабатывает невидимый луч, непрерывно попадающий на приёмный блок (см. рис. 3).
![e:\учеба\технические измерения и приборы\реферат\новая папка\общий-принцип-действия.jpg]()
Рис. 3 Принцип действия активного ИК-датчика
К достоинствам ультразвуковых датчиков можно отнести низкую чувствительность к негативному воздействию окружающей среды. Они легко переносят высокую запыленность и влажность, резкие перепады температур. Приборы эффективно определяют движущийся объект самого разного происхождения: как живое существо, так и механизм.
Микроволновые внутренние датчики перемещения в подавляющем большинстве случаев устанавливаются в моностатической конфигурации, т. е. для передачи и приема сигналов используется одна и та же антенна. Зона обнаружения имеет удлиненную каплеобразную форму, параметры которой определяются конструкцией антенны. Антенна, как правило, представляет собой микроволновый рупорный облучатель, в некоторых случаях используются также плоские печатные платы или фазированные антенные решетки.
Однопозиционные микроволновые датчики могут быть селекционированы по дальности. Селекция по дальности — метод электронной калибровки датчика, позволяющей принимать только те отраженные сигналы, которые поступают в течение определенного заданного периода времени. Отраженные сигналы, поступающие до или после заданного периода времени, игнорируются.
Микроволновые детекторы способны эффективно работать даже в том случае, если они закрыты тонким ограждением из непроводящих материалов. Также на работу оборудования не влияют условия окружающей среды.
Из недостатков стоит отметить, что высокая чувствительность способна провоцировать ложные срабатывания, когда устройство реагирует на движущийся объект, находящийся за пределами зоны ответственности. Мощные датчики с большим радиусом действия испускают излучение, которое может быть опасным для животных и человека, поэтому рядом с ними постоянно находиться крайне нежелательно.
* 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:
Более современные датчики состоят из двух элементов: герметичного магнитоуправляемого контакта (геркона) и постоянного магнита. Такие датчики начали применять после запуска герконов в серийное производство в 40-х годах 20ого века. Магнитоуправляемый контакт устанавливается на неподвижной части, а магнит (задающее устройство) монтируется на дверное полотно или оконную створку (см. рис. 1).
Рис. 1 Принцип действия магнитоконтактного датчика
При нахождении этих двух частей в непосредственной близости друг от друга контакты замкнуты или разомкнуты (первый вариант используется гораздо чаще). При удалении магнита от геркона на определенное расстояние (порядка 10-20 мм) происходит размыкание электрической цепи.
Герконы бывают сухие и смоченные. В первом случае они находятся в инертном газе (чаще всего азоте), во втором контакты смочены ртутью для предотвращения дребезга.
Подвидом оптических вибрационных извещателей являются оптоволоконные кабели. Они прокладываются вдоль протяженных охраняемых участков длиной до 2 км. Луч, проходящий внутри стеклянной сердцевины, реагирует на любые вибрации, что изменяет показания сигнала на выходе.
Пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика реагирует на деформацию. Он закреплен на упругих растяжках. При возникновении вибраций пьезоэлектрический преобразователь вырабатывает электрический ток, пропорциональный колебаниям. Он обрабатывается управляющим блоком, и при превышении пороговых значений подается сигнал тревоги. Пьезоэлектрические датчики используются для защиты сейфов, банковских хранилищ и других помещений требующих особой охраны. Их применяют и для предупреждения актов вандализма, устанавливая на витринах, окнах, телефонных шкафах, банкоматах.
Дифференциальные извещатели реагируют на превышение порога по скорости изменения контролируемого признака.
Максимально-дифференциальные датчики реагируют на превышение порога как по абсолютной величине, так и по скорости изменения контролируемого признака.
Пожарные извещатели пламени являются средствами обнаружения электромагнитного излучения пламени или тлеющего очага пожара. Пламя сопровождается процессом возникновения электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, который в зависимости от длины волны подразделяется на ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный. Излучение очага пожара в зависимости от температуры и вида химической реакции имеет различный спектральный состав. Чувствительный элемент извещателя пламени представляет собой преобразователь электромагнитного излучения в электрический сигнал и реагирует на излучение пламени в одном или нескольких диапазонах волн.
Датчик утечки бытового газа может включаться в приёмно-контрольный прибор, но вместе с тем некоторые типы датчиков являются универсальным устройством и оборудованы встроенной сиреной. Чувствительный сенсор такого датчика реагирует на 20% превышение содержания в воздухе бытового газа.
