Физические основы работы и классификация электрических сенсоров. Резистивные, емкостные и импедансные сенсоры
Цель лекции: с помощью рациональной классификации упорядочить знания слушателей об электрических сенсорах. Обратить внимание на их повсеместное использование в качестве трансдьюсеров в составе других сенсоров. Ознакомить слушателей с устройством и возможностями разных видов современных резистивных, емкостных и импедансных сенсоров.
8.1. Физические основы работы электрических сенсоров
Напоминаем, что к электрическим сенсорам мы относим те сенсоры, первичные сигналы в которых появляются в виде изменения электрических свойств физических тел, веществ или связанных с ними электрических цепей.
В широком смысле все или почти все интеллектуальные сенсоры можно отнести к классу электрических. Ведь, в конце концов, любые сигналы в интеллектуальных сенсорах превращаются в электрические сигналы, с которыми работает микрокомпьютер. Как вытекает из двух предыдущих разделов, и в механических, и в акустических сенсорах почти всегда имеются чувствительные элементы, превращающие механические или акустические сигналы в электрические. Такая ситуация очень часто имеет место и во всех других классах интеллектуальных сенсоров. Электрические сенсоры, являющиеся составными частями других сенсоров, обычно рассматриваются в таких случаях как "трансдьюсеры", – преобразователи других видов сигналов в электрическую форму. В них изменение электрических свойств является уже вторичным, – следствием первичных изменений механических, акустических или других свойств. Переход к электрической форме сигналов нужен лишь для удобства их дальнейшей обработки. Тем не менее, такие трансдьюсеры и в составе других сенсоров сами по себе остаются электрическими сенсорами.
Электрическими свойствами тел являются: их электрический заряд, электрический потенциал, конфигурация создаваемого электрического поля, электроёмкость и т.п. К электрическим свойствам веществ принадлежат их электропроводность или электрическое сопротивление, диэлектрическая постоянная и, в более общем случае, – их комплексная диэлектрическая постоянная. К свойствам электрических цепей можно отнести напряжение на том или ином участке цепи; протекающий через них ток; для цепей переменного тока – импеданс, амплитуду, частоту и фазу колебаний тока, собственные резонансные частоты и т.п. Если любое из этих свойств изменяется под действием факторов или процессов, за которыми требуется "наблюдать", то эти изменения можно регистрировать и на этой основе строить определенные заключения об объекте наблюдения.
Физические механизмы действия чувствительных электрических элементов чрезвычайно разнообразны, и охватить их все в одном месте было бы громоздко. Поэтому физические основы работы каждого вида электрических сенсоров мы кратко раскроем непосредственно при их рассмотрении.
8.1.1. Классификация электрических сенсоров
По физическому принципу действия чувствительного элемента электрические сенсоры обычно классифицируют ( рис. 8.1) на сенсоры с пассивными и с активными чувствительными элементами.
К активным чувствительным элементам относят транзисторы, диоды, нелинейные электронные элементы, имеющие участки вольтамперной характеристики с отрицательным наклоном, газоразрядные и другие элементы, внутри которых вызванные внешним влиянием небольшие изменения сразу же значительно усиливаются за счет внешнего источника энергии.
Обычно считают, что все активные чувствительные элементы являются "токовыми", т.е. под воздействием контролируемого внешнего фактора изменяется протекающий сквозь них электрический ток.
Пассивные чувствительные элементы классифицируют по виду электрической характеристики, изменяющейся под влиянием контролируемого фактора, на резистивные, ёмкостные и т.д. Дальше их можно классифицировать на подвиды в зависимости от того, под действием какого именно внешнего фактора изменяются их электрические характеристики (пьезорезисторы, терморезисторы, фоторезисторы, ...).