Физические основы работы и классификация электрических сенсоров. Резистивные, емкостные и импедансные сенсоры

8.2. Резистивные сенсоры

Одними из простейших электрических сенсоров являются резистивные сенсоры, в которых под действием внешнего фактора изменяется сопротивление того или иного участка электрической цепи. Как сказано уже выше, их мы будем классифицировать, исходя из того внешнего фактора, под действием которого изменяется электрическое сопротивление резистора.

Известным примером резисторов, реагирующих на механическое воздействие, являются сенсоры-"вахтёры" для наблюдения за целостностью оконных стекол. По поверхности стекла протягивают "кружево" из тонких, почти незаметных проволочек. Сенсор измеряет и контролирует общее сопротивление этого "кружева" проволочек. Если стекло разбивается, то некоторые проволочки неминуемо разрываются, вследствие чего общее электрическое сопротивление изменяется. Регистрируя такое изменение, сенсор подает сигнал тревоги.

К "механическим" резисторам относятся также реостаты, которые изменяют свое электрическое сопротивление при перемещении ползунка.

8.2.1. Терморезисторы

Другой известный пример – терморезисторы, у которых электрическое сопротивление проводника или полупроводника зависит от температуры.

Точность измерения температуры с использованием терморезисторов зависит от ряда факторов. С точки зрения теплофизики терморезистор характеризуется собственной теплоемкостью и собственным тепловыделением , где – величина электрического тока, который течет через терморезистор, – его электрическое сопротивление. Величину называют еще "мощностью саморазогрева" терморезистора. Обычно теплоемкость терморезистора тем меньше, чем меньше его масса.

На самом деле терморезистор далеко не всегда находится при температуре, совпадающей с температурой объекта. Ведь он обменивается теплом не только с объектом, температуру которого он должен измерять, но также с окружающей средой и со схемой измерения. Пользуясь известной электротепловой аналогией, эквивалентную теплоэлектрическую схему измерения можно представить в виде, показанном на рис. 8.2.

Расчет этой схемы в стационарном режиме, т.е. в состоянии уже достигнутого теплового равновесия, дает для температуры, измеряемой температурным сенсором, следующую формулу

где – тепловые сопротивления между температурным сенсором и объектом, температурным сенсором и окружающей средой, температурным сенсором и измерительной схемой соответственно; – абсолютные температуры объекта, окружающей среды и измерительной схемы соответственно.

Отсюда видно, что сенсор будет верно измерять температуру объекта лишь при условии, что и , т.е. если терморезистор находится в тесном тепловом контакте с объектом, а от окружающей среды и от измерительной схемы хорошо теплоизолирован, и если измерительный ток достаточно мал.

Из схемы, показанной на рис. 8.2, вытекает также, что, когда температура объекта быстро изменяется, то реакция терморезистора на эти изменения будет зависеть от его тепловой инерции. Она характеризуется временной постоянной . Для того чтобы измерение температуры было малоинерционным, теплоемкость терморезистора СТ должна быть по возможности меньшей, а его тепловой контакт с объектом по возможности лучшим.

Подчеркнем, что изложенные соображения относятся не только к терморезисторам, но и ко всем другим температурным сенсорам.

Известно, что электрическое сопротивление металлов возрастает с повышением температуры по закону, известному из школьного курса физики:

где – сопротивление проводника при абсолютной температуре – сопротивление того же проводника при абсолютной температуре – температурный коэффициент сопротивления. Все металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления. С целью уменьшения теплоемкости терморезисторы из металлов обычно изготавливают в виде очень тонких проволочек или пленок. Чаще всего используют платину, вольфрам, никель, которые имеют высокую температуру плавления, отличаются своей химической, термической и механической стойкостью и долговременной стабильностью. Однако температурные коэффициенты сопротивления у них относительно невелики.

Более значительные по величине и разные по знаку температурные коэффициенты электрического сопротивления имеют полупроводники. Полупроводниковые терморезисторы принято называть термисторами. Вводя в кремний незначительные примеси, можно получить в определенных температурных диапазонах как положительный, так и почти нулевой, а также отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Особенно широко в роли термисторов применяют окислы металлов. Их изготавливают в виде тонких и толстых пленок, маленьких керамических пластинок, стержней, цилиндров, небольших бусинок и т.д.

Терморезисторы далеко не всегда имеют линейную характеристику, т.е. линейную зависимость электрического сопротивления от температуры. Для простых сенсоров это было проблемой. В составе интеллектуальных сенсоров как нелинейность характеристики, так и тепловые влияния окружающей среды, измерительной схемы и саморазогрев терморезистора могут быть учтены при расчетах на микрокомпьютере. Интеллектуальные терморезистивные сенсоры могут не только пассивно измерять и показывать температуру объекта, но и по заданному алгоритму запоминать и анализировать динамику ее изменения, обнаруживать критические ситуации для системы, в составе которой они работают, или еще только угрожающее приближение к таким ситуациям и своевременно сигнализировать об этом. Микрокомпьютер может руководить и регулированием температуры по заранее заданной программе.

Одним из примеров возможной реализации интеллектуального сенсора на основе терморезисторов являются так называемые "PID-регуляторы температуры" (например, типов T16/P16 и T48), которые выпускаются промышленно. Небольшие по размерам (50×50×106 мм), они удовлетворяют жестким требованиям промышленных применений IP65. Их входы рассчитаны на подключение стандартных платиновых терморезисторов Pt100 (2 или 3, диапазон изменения сопротивления от 1 до 320 Ом) или терморезисторов типов S, T, J, N, K, E, R, B. Измерения происходят каждые 0,4 с. Пользователь может выбрать разные режимы работы: пассивное слежение за изменениями температуры, автоматическая сигнализация о выходе температуры за заданные пределы, автоматическое регулирование температуры через выходные силовые реле по нескольким разным оптимальным алгоритмам. Текущее значение температуры четко высвечивается на светодиодных индикаторах в указанных пользователем единицах. Туда же выводится и другая важная информация. О разработке аналогичного интеллектуального сенсора температуры с погрешностью измерений, не превышающей 0,1% , сообщается в [ [ 250 ] ].

С использованием микрокомпьютеров и набора миниатюрных термисторов, имеющих очень малую собственную теплоемкость и незначительную тепловую инерцию, можно строить более сложные интеллектуальные сенсоры. В лекции 1 уже приводился пример интеллектуального сенсора для наблюдения за изменениями объемного потока жидкости вдоль стебля или веток растения. В таких сенсорах используют 3 термистора: один – для контроля температуры в месте нагрева, второй – для измерения температуры стебля на заданном расстоянии от места нагрева, третий – для измерения температуры окружающей среды. Сигналы от первого служат для точного регулирования и поддержания заданной температуры в месте нагрева. Это важно, так как повышение температуры выше физиологической границы может отрицательно повлиять на жизнедеятельность растения. Сигналы от второго термистора позволяют микрокомпьютеру вычислить объемный поток жидкости. А сигналы от третьего дают возможность учесть поправку, связанную с отдачей тепла в окружающее пространство.

Еще один пример описан в [ [ 75 ] ]. Сенсор для определения теплопроводности и коэффициента диффузии жидкости состоит из миниатюрных малоинерционных германиевых терморезисторов, усилителей сигналов от них и из миниатюрного электронагревательного элемента. Все они сформированы с применением микроэлектронной технологии на одном кристалле полупроводника, который при измерениях погружают в исследуемую жидкость. Микрокомпьютер регулирует мощность нагрева так, чтобы температура жидкости в месте нагрева изменялась по синусоидальному закону. Измерительные терморезисторы расположены на заданном расстоянии от нагревателя. Из сигналов, которые они выдают, микрокомпьютер выделяет гармонические колебания только нужной частоты, определяет их амплитуду и фазовый сдвиг. В работе описана двумерная аналитическая модель переноса тепла в неподвижной жидкости, которая позволяет вычислить по этим данным на микрокомпьютере теплопроводность и коэффициент диффузии жидкости.

Компания Honeywell выпускает сенсоры потока газов, которые состоят из микронагревателя и двух тонкоплёночных терморезисторных измерительных мостов. Они перекрывают диапазон измеряемых потоков от нескольких мл/мин до сотен л/мин и широко применяются в химической и фармацевтической промышленности [ [ 251 ] ] (см. также http://content.honeywell.com/sensing/products).

Внешний вид некоторых из них показан на рис. 8.3.

8.2.2. Фоторезисторы

Следующим видом резистивных сенсоров являются фоторезисторы. Их электрическое сопротивление зависит от освещенности. Фоторезисторы изготавливают чаще всего из полупроводников группы путем напыления тонких слоёв или намазывания толстых слоёв с последующим спеканием пластин, реже – из монокристаллов. Изменение их электрического сопротивления под действием света происходит благодаря внутреннему фотоэффекту, т.е. благодаря тому, что при поглощении квантов света в полупроводнике появляются дополнительные свободные носители электрического заряда.

От материала, из которого изготовлен фоторезистор, и от внесенных в него примесей зависит спектральная характеристика, т.е. зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны падающего света. Спектры чувствительности существующих фоторезисторов перекрывают весь широкий оптический диапазон спектра от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области. Синтезированы также фоторезисторы, которые практически повторяют спектральную кривую чувствительности человеческого глаза. Именно их рекомендуют применять для точной фотометрии, т.е. для измерений характеристик света в так называемых "световых единицах" (люменах, люксах, канделах и т.п.).

Зависимость электрического сопротивления фоторезистора от интенсивности падающего света далеко не всегда является линейной. Эта зависимость несколько изменяется также с температурой. В простых сенсорах это часто создавало проблемы. Однако для интеллектуальных сенсоров это не является помехой, поскольку и нелинейность, и влияние температуры можно легко учесть путем перерасчета на микрокомпьютере.

С использованием фоторезисторов можно построить многие виды интеллектуальных сенсоров как исследовательского, так и прикладного характера. В качестве примеров можно упомянуть схемы автоматического определения выдержки в фотоаппаратах, в автоматах печати фотоснимков, схемы автоматического управления искусственным освещением и т.д.