eng
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ
Глава 1
СБОР ДАННЫХ ............................................................................................. 19
1.1
Датчики, сигналы и системы ............................................................................. 19
1.2
Классификация датчиков ................................................................................... 25
1.3
Единицы измерения ............................................................................................ 29
Литература ............................................................................................... 31
Глава 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ..................................................................................... 32
2.1
Передаточная функция ....................................................................................... 32
2.2
Диапазон измеряемых значений (Максимальный входной сигнал) ............... 35
2.3
Диапазон выходных значений ............................................................................ 35
2.4
Точность ............................................................................................... 36
2.5
Калибровка............................................................................................ 38
2.6
Ошибка калибровки ............................................................................ 39
2.7
Гистерезис ................................................................................................ 40
2.8
Нелинейность ...................................................................................... 41
2.9
Насыщение ............................................................................................ 42
2.10
Воспроизводимость ................................................................................. 43
2.11
Мертвая зона ......................................................................................... 43
2.12
Разрешающая способность .................................................................... 44
2.13
Специальные характеристики .............................................................. 44
2.14
Выходной импеданс ............................................................................. 44
2.15
Сигнал возбуждения............................................................................................ 45
2.16
Динамические характеристики .......................................................................... 45
2.17
Факторы окружающей среды ............................................................. 50
2.18
Надежность ........................................................................................... 52
2.19
Характеристики датчиков, диктуемые условиями их применения ................ 55
2.20
Статистическая оценка ........................................................................ 55
Литература .............................................................................................. 57
Глава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ДАТЧИКОВ .......................................................... 58
3.1
Электрические заряды, поля и потенциалы ..................................................... 59
3.2
Емкость ................................................................................................... 66
3.2.1
Конденсатор .................................................................................. 67
3.2.2
Диэлектрическая проницаемость ........................................................... 69
3.3
Магнетизм ............................................................................................ 73
3.3.1
Закон Фарадея ................................................................................ 75
3.3.3
Соленоид 76
3.3.4
Тороид.................................................................................................. 77
3.3.5
Постоянные магниты ................................................................... 78
3.4
Индукция .............................................................................................. 79
3.5
Сопротивление .............................................................................. 82
3.5.1
Удельное сопротивление................................................................ 84
3.5.2
Температурная чувствительность ...................................................... 85
3.5.3
Тензочувствительность ................................................................ 88
3.5.4
Влагочувствительность .................................................................... 89
3.6
Пьезоэлектрический эффект .................................................................. 90
3.6.1
Пьезоэлектрические пленки ..................................................................... 96
3.7
Пироэлектрический эффект .............................................................. 100
3.8
Эффект Холла .................................................................................................... 106
3.9
Эффекты Зеебека и Пельтье ................................................................. 110
3.10
Звуковые волны ................................................................................................. 115
3.11
Температурные и тепловые свойства материалов .......................................... 118
3.11.1
Температурные шкалы ........................................................................... 119
3.11.2
Тепловое расширение ............................................................... 120
3.11.3
Теплоемкость ............................................................................. 122
3.12
Теплопередача ..................................................................................... 123
3.12.1
Теплопроводность .................................................................... 124
3.12.2
Тепловая конвекция ................................................................. 126
3.12.3
Тепловое излучение ............................................................... 127
3.12.3.1
Излучающая способность......................................................... 131
3.12.3.2
Резонансный эффект ............................................................ 134
3.13
Световое излучение .............................................................................. 136
3.14
Динамические модели чувствительных элементов ........................................ 138
3.14.1
Механические элементы ...................................................................... 140
3.14.2
Тепловые элементы ............................................................................... 142
3.14.3
Электрические элементы ...................................................................... 143
3.14.4
Аналогии ...................................................................................... 144
Литература ............................................................................................. 144
Глава 4
ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДАТЧИКОВ..................................................... 146
4.1
Радиометрия .......................................................................................... 148
4.2
Фотометрия ............................................................................................ 152
4.3
Светопропускающие окна .................................................................... 155
4.4
Зеркала ................................................................................................ 156
4.5
Линзы ..................................................................................................... 159
4.6
Линзы Френеля .................................................................................................. 160
4.7
Оптические волокна и волноводы ...................................................... 163
4.8
Концентраторы ................................................................................ 167
4.9
Покрытия, поглощающие тепловое излучение ............................................... 168
4.10
Электрооптические и акустикооптические модуляторы ............................... 169
4.11
Интерферометрическая оптоволоконная модуляция ..................................... 171
Литература .............................................................................................. 172
Глава 5
ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ............................................................. 173
5.1
Входные характеристики интерфейсных схем ............................................... 173
5.2
Усилители .............................................................................................. 178
5.2.1
Операционные усилители ..................................................................... 178
5.2.2
Повторители напряжения ...................................................................... 181
5.2.3
Измерительный усилитель .................................................................... 181
5.2.4
Усилители заряда ......................................................................... 184
5.3
Схемы возбуждения ................................................................................ 187
5.3.1
Генераторы тока ...................................................................................... 187
5.3.2
Источники опорного напряжения ........................................................ 191
5.3.3
Генераторы ................................................................................... 193
5.3.4
Задающие устройства ............................................................................ 196
5.4
АналогоHцифровые преобразователи (АЦП) ................................................... 198
5.4.1
Принципы построения АЦП ................................................................. 198
5.4.2
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) .................................. 200
5.4.3
АЦП двойного интегрирования............................................................. 204
5.4.4
АЦП последовательного приближения ................................................ 207
5.4.5
Улучшение разрешающей способности систем сбора данных ............ 209
5.5
Прямая дискретизация и обработка сигналов................................................. 210
5.6
Измерители отношений сигналов ........................................................... 214
5.7
Мостовые схемы ............................................................................. 216
5.7.1
Неуравновешенный мост ...................................................................... 218
5.7.2
Уравновешенный мост ........................................................................... 219
5.7.3
Температурная компенсация резистивного моста............................... 219
5.7.4
Мостовые усилители ............................................................................. 225
5.8
Передача данных ............................................................................................... 226
5.8.1
Двухпроводная передача ........................................................................ 226
5.8.2
Четырехпроводной способ подключения датчика .............................. 227
5.8.3
Шестипроводный способ подключения мостовой схемы ................... 228
5.9
Шумы в датчиках и интерфейсных схемах ..................................................... 229
5.9.1
Собственные шумы ............................................................................... 229
5.9.2
Вносимый шум ....................................................................................... 233
5.9.3
Электрическое экранирование ............................................................. 237
5.9.4
Блокировочные конденсаторы .............................................................. 240
5.9.5
Экранирование от магнитных полей .................................................... 241
5.9.6
Механический шум ............................................................................... 243
5.9.7
Слои заземления .................................................................................... 243
5.9.8
Развязка по цепи заземления и паразитные контуры
заземления .............................................................................................. 244
5.9.9
Шум Зеебека .......................................................................................... 246
5.10
Гальванические источники питания для маломощных датчиков .................. 247
5.10.1
Первичные элементы ............................................................................ 248
5.10.2
Вторичные элементы аккумуляторы .................................................... 249
Литература
Глава 6
ДЕТЕКТОРЫ ПРИСУТСТВИЯ И ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ....................................... 251
6.1
Ультразвуковые датчики присутствия ........................................................ 252
6.2
Микроволновые детекторы движения ...................................................... 253
6.3
Емкостные датчики присутствия .............................................................. 257
6.4
Электростатические датчики движения ........................................................ 261
6.5
Оптоэлектронные детекторы движения ................................................... 264
6.5.1
Структуры датчиков ........................................................................... 264
6.5.1.1
Составные датчики .................................................................... 265
6.5.1.2
Датчики со сложной формой чувствительного элемента ...... 266
6.5.1.3
Искажение изображения ........................................................... 266
6.5.1.4
Фасетный фокусирующий элемент .......................................... 266
6.5.2
Детекторы движения, работающие в видимом и ближнем
ИК диапазонах спектра ......................................................................... 268
6.5.3
Детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне............... 269
6.5.3.1
Детекторы движения на основе пассивных
ИК элементов ............................................................................. 270
6.5.3.2
Анализ эффективности работы пассивного
ИК детектора движущихся объектов (ПИКHдетектора) ............ 273
Литература ................................................................................................. 277
Глава 7
ДЕТЕКТОРЫ ПОЛОЖЕНИЯ, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УРОВНЯ .................................... 278
7.1
Потенциометрические датчики ............................................................... 279
7.2
Гравитационные датчики .................................................................................. 282
7.3
Емкостные датчики .......................................................................................... 284
7.4
Индуктивные и магнитные датчики ..................................................... 287
7.4.1
ЛинейноHрегулируемые дифференциальные трансформаторы
(ЛРДТ) и поворотноHрегулируемые дифференциальные
трансформаторы (ПРДТ) ....................................................................... 288
7.4.2
Вихретоковые датчики .......................................................................... 290
7.4.3
Поперечный индуктивный датчик ....................................................... 291
7.4.4
Датчики приближения, использующие эффект Холла....................... 292
7.4.5
Магниторезистивные датчики .............................................................. 296
7.4.6
Магнитострикционный детектор ......................................................... 299
7.5
Оптические датчики.................................................................................. 300
7.5.1
Оптические мостовые схемы ................................................................ 301
7.5.2
Поляризационный детектор приближения .......................................... 301
7.5.3
Волоконооптические датчики ............................................................... 302
7.5.4.
Датчики ФабриHПеро ............................................................................. 304
7.5.5
Решетчатые датчики .............................................................................. 306
7.5.6
ПозиционноHчувствительные детекторы ............................................. 308
7.6
Ультразвуковые датчики .......................................................................... 312
7.7
Радары ............................................................................................. 314
7.7.1
Микромощные импульсные радары ............................................... 314
7.7.2
Радар для зондирования грунта ............................................................. 316
7.8
Датчики толщины и уровня....................................................................... 317
7.8.1
Датчики абляции ................................................................................... 318
7.8.2
Детекторы толщины пленок ................................................................. 319
7.8.3
Датчики уровня жидкости ..................................................................... 320
Литература ................................................................................................ 321
Глава 8
СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ.................................................................................. 323
8.1
Характеристики акселерометров ............................................................ 325
8.2
Емкостные акселерометры ....................................................................... 327
8.3
Пьезорезистивные акселерометры ........................................................... 329
8.4
Пьезоэлектрические акселерометры ...................................................... 330
8.5
Тепловые акселерометры........................................................................ 331
8.5.1
Акселерометры с нагреваемой пластиной ........................................... 331
8.5.2
Акселерометры с нагреваемым газом .................................................. 332
8.6
Гироскопы ............................................................................................ 335
8.6.1
Роторный гироскоп ................................................................................ 335
8.6.2
Монолитные кремниевые гироскопы .................................................. 336
8.6.3
Оптические гироскопы ......................................................................... 339
8.7
Пьезоэлектрические кабели ............................................................................. 341
Литература .......................................................................................... 343
Глава 9
ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ПРИКОСНОВЕНИЯ................................................................................... 345
9.1
Тензодатчики ................................................................................... 347
9.2
Тактильные чувствительные элементы ................................................... 349
9.3
Пьезоэлектрические датчики силы ...................................................... 356
Литература .............................................................................................. 358
Глава 10
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ .................................................................................. 359
10.1
Общие понятия о давлении ............................................................................... 359
10.2
Единицы измерения давления ......................................................................... 361
10.3
Ртутные датчики давления ............................................................................... 361
10.4
Сильфоны, мембраны и тонкие пластины ..................................................... 362
10.5
Пьезорезистивные датчики .............................................................................. 364
10.6
Емкостные датчики ........................................................................................... 369
10.7
Датчики переменного магнитного сопротивления ......................................... 370
10.8
Оптоэлектронные датчики ................................................................................ 372
10.9
Вакуумные датчики .......................................................................................... 374
10.9.1
Вакууметры Пирани .............................................................................. 374
10.9.2
Ионизационные датчики ....................................................................... 376
10.9.3
Датчик газового сопротивления ........................................................... 377
Литература ............................................................................................... 377
Глава 11
РАСХОДОМЕРЫ ................................................................................... 378
11.1
Основы гидродинамики .................................................................................... 378
11.2
Датчики скорости потока по перепаду давления ......................................... 380
11.3
Тепловые расходомеры ..................................................................................... 382
11.4
Ультразвуковые расчходомеры ......................................................................... 386
11.5
Электромагнитные расходомеры ...............................11.6 Микрорасходомеры .................................................................................... 391
11.7
Детектор изменения скорости потока газа ................................................. 393
11.8
Кориолисовские расходомеры .......................................................................... 394
11.9
Расходомеры с мишенями ................................................................................ 396
Литература ................................................................................................. 397
Глава 12
АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ............................................................................. 398
12.1
Резистивные микрофоны ................................................................................. 399
12.2
Электростатические микрофоны ....................................................... 399
12.3
Оптоволоконные микрофоны ........................................................................... 400
12.4
Пьезоэлектрические микрофоны ........................................................... 402
12.5
Электретные микрофоны ................................................................................. 403
12.6
Твердотельные акустические детекторы ................................................... 405
Литература ................................................................................................ 407
Глава 13
ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ ............................................ 408
13.1
Общие понятия о влажности ............................................................................. 408
13.2
Емкостные датчики ........................................................................................... 410
13.3
Резистивные датчики влажности ........................................................... 413
13.4
Термисторные датчики влажности ............................................................ 415
13.5
Оптический гигрометр .............................................................................. 416
13.5
Вибрационный гигрометр ................................................................................. 417
Литература ................................................................................................ 420
Глава 14
ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ .............................................................. 419
14.1
Введение..................................................................................................... 419
14.2
Фотодиоды .............................................................................................. 423
14.3
Фототранзистор ............................................................................ 430
14.4
Фоторезисторы ................................................................................ 433
14.5
Охлаждаемые детекторы.............................................................. 435
14.6
Детекторы ИКHизлучений ....................................................................... 438
14.6.1
Ячейки Голея................................................................................... 439
14.6.2
Детекторы излучений на основе термоэлементов ............................... 440
14.6.3
Пироэлектрические датчики ИКHизлучений ...................................... 442
14.6.4
Болометры.................................................................................. 447
14.6.5
Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона ........................ 450
14.7
Детекторы газового пламени ............................................................................ 452
Литература ................................................................................................. 454
Глава 15
ДЕТЕКТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ .................................................. 455
15.1
Сцинтилляционные детекторы ................................................................. 456
15.2
Ионизационные детекторы............................................................................... 459
15.2.1
Ионизационные камеры........................................................................ 459
15.2.2
Пропорциональные камеры .................................................................. 461
15.2.3
Счетчики ГейгераHМюллера ................................................................. 462
15.2.4
Полупроводниковые детекторы радиоактивности .............................. 463
Литература ........................................................................................... 467
Глава 16
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ ................................................................................. 486
16.1
Терморезистивные датчики .............................................................................. 473
16.1.1
Резистивные детекторы температуры .................................................. 473
16.1.2
Кремниевые резистивные датчики ...................................................... 476
16.1.3
Термисторы .................................................................................. 478
16.1.3.1
Термисторы с отрицательным температурным
коэффициентом сопротивления ............................................. 478
16.1.3.1.1
Простая модель ...................................................... 479
16.1.3.1.2
Модель Фрайдена .................................................. 481
16.1.3.1.3
Модель СтейнхартаHХарта .................................... 483
16.1.3.1.4
Изготовление термисторов с отрицательным
температурным коэффициентом ........................ 485
16.1.3.2
Явление саморазогрева в термисторах
с отрицательным температурным коэффициентом .............. 486
16.1.3.3
Термисторы с положительным температурным
коэффициентом ...................................................................... 490
16.2
Термоэлектрические контактные датчики .................................................... 491
16.2.1
Законы термоэлектричества ................................................................. 494
16.2.2
Схемы подключения термопар ............................................................. 496
16.2.3
Термопарные сборки .............................................................................. 498
16.3
Полупроводниковые датчики температуры на основе рHn перехода ............ 500
16.4
Оптические датчики температуры ........................................................... 504
16.4.1
Флуоресцентные датчики ..................................................................... 504
16.4.2
Интерферометрические датчики .......................................................... 506
16.4.3
Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры .... 507
16.5
Акустические датчики температуры...................................................... 507
16.6
Пьезоэлектрические датчики температуры ............................................. 509
Литература ................................................................................................. 509
Глава 17
ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ .............................................................................. 511
17.1
Характеристики химических датчиков ................................................... 512
17.2
Проблемы химических датчиков ............................................................ 512
17.3
Классификация химических детекторов ............................................... 513
17.4
Датчики прямого действия ................................................................................ 514
17.4.1
МеталлHоксидные химические датчики .............................................. 514
17.4.2
Химические полевых транзисторы ..................................................... 516
17.4.3
Электрохимические датчики ................................................................ 517
17.4.4
Потенциометрические датчики ............................................................ 518
17.4.5
Кондуктометрические датчики ............................................................. 519
17.4.6
Амперометрические датчики ................................................................ 520
17.4.7
Каталитические детекторы газов ......................................................... 522
17.4.8
Эластомерные химические резисторы................................................. 523
17.5
Составные датчики ........................................................................................... 524
17.5.1
Тепловые датчики 17.5.2 Каталитические датчики Пелистера .................................................... 525
17.5.3
Оптические химические датчики......................................................... 526
17.5.4
Гравиметрические детекторы ................................................................ 528
17.5.5
Биохимические датчики........................................................................ 531
17.5.6
Энзимные датчики ................................................................................. 532
17.6
Химические детекторы в составе аналитических приборов .......................... 532
17.6.1
Хемометрия ................................................................................ 535
17.6.2
Измерения при помощи нескольких датчиков ................................... 536
17.6.3
Датчики обоняния ....................................................................... 537
17.6.4
Нейронные сети для обработки информации датчиков обоняния .... 540
17.6.5
Интеллектуальные химические датчики ............................................. 542
Литература ............................................................................................. 543
Глава 18
МАТЕРИАЛЫ ДАТЧИКОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ......................... 545
18.1
Материалы ............................................................................................. 545
18.1.1
Применение кремния для изготовления датчиков ............................... 545
18.1.2
Пластмассы ................................................................................... 549
18.1.3
Металлы и сплавы ....................................................................... 553
18.1.4
Керамические материалы ...................................................................... 555
18.1.5
Стекла .............................................................................................. 556
18.2
Поверхностные технологии .............................................................................. 557
18.2.1
Нанесение тонких и толстых пленок .................................................... 557
18.2.2
Литье при вращении .................................................................... 557
18.2.3
Термовакуумное напыление .................................................................. 557
18.2.4
Ионное распыление ................................................................................ 558
18.2.5
Химическое осаждение из газовой фазы .............................................. 559
18.3
НаноHтехнологии .................................................................................. 560
18.3.1
Фотолитография ...................................................................................... 560
18.3.2
Методы обработки кремния .......................................................... 561
18.3.2.1
Основные методы ..................................................................... 562
18.3.2.1.1
Нанесение тонких пленок ....................................... 562
18.3.2.1.2
Жидкостное травление ........................................... 562
18.3.2.1.3
Травление с барьерным слоем ................................ 564
18.3.2.1.4
Сухое травление ...................................................... 565
18.3.2.1.5
Метод обратной литографии .................................... 565
18.3.2.2
Соединение подложек .............................................................. 566
Литература ............................................................................................. 566
Предисловие
Уже прошло семь лет с выхода предыдущего издания этой книги. За это время в
технологии изготовлении датчиков произошел значительный прогресс. Чувстви
тельность датчиков стала выше, размеры меньше, избирательность лучше, а цена
ниже. Но при всем при этом не изменились основные принципы разработки дат
чиков, поскольку все они базируются на законах природы. Леонардо Да Винчи,
бесспорно являющийся одним из величайших гениев, когда либо живших на зем
ле, так говорил в своих молитвах: «Спасибо, тебе Боже, за то, что ты никогда не
нарушаешь своих собственных законов.» Для развития науки очень важен тот факт,
что с течением времени законы природы не изменяются, а только уточняются.
Конечно же, и в этой книге принципы действия всех рассматриваемых датчиков
основываются на старых и добрых законах природы. Это издание не сильно отли
чается от предыдущего. В нем существенно расширены разделы, посвященные прак
тическим вопросам разработки датчиков. В новое издание также добавлен матери
ал, описывающий последние разработки и новые идеи датчиков, а ряд менее важ
ных разделов исключен из книги. Наиболее ощутимый прогресс в технологии из
готовления датчиков произошел в областях разработки электромеханических и
электрооптомеханических микродатчиков, чему в новом издании уделено боль
шое внимание.
Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инст
рументы, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни.
Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, вос
производить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри по
мещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими
с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически лю
бые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большин
ство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас
мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуаль
ные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, не
обходимы интерфейсный устройства, преобразующие разнообразные физические
величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и явля
ются датчики. Другими словами, датчики – это глаза, уши и органы обоняния
кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью
жизни любого человека. Только в США объем их выпуска составляет 12 миллиар
дов долларов.
Работая инженером, я часто ощущал потребность в книге, объединяющей прак
тическую информацию по вопросам, касающимся принципов действия, разработ
ки и использования различных датчиков. Конечно, я мог найти всю интересую
щую информацию в учебниках по физике и электронике, в технических журналах и
в каталогах производителей. Однако вся эта информация была разбросана по раз
ным публикациям, и для того, чтобы найти ответ на какой либо вопрос, мне при
ходилось много часов проводить в библиотеках. Таким образом мне удалось
18
собрать довольно много информации по вопросам разработки и применения раз
личных датчиков в научной и инженерной практике. Вскоре я понял, что собран
ная мной информация может быть весьма полезной и для других людей. Именно
это заставило меня написать эту книгу.
При работе над этой книгой я старался включить в нее, как можно, более широ
кий спектр датчиков. При этом я стремился дать краткое описание различных ва
риантов датчиков без подробного рассмотрения их деталей. Я надеюсь, что мне
удалось охватить большую часть существующих в настоящее время датчиков и де
текторов (хотя, это может быть весьма нескромным утверждением). Многие из рас
смотренных устройств хорошо известны, но я старался дать системное описание
всех типов датчиков, что является очень полезным для студентов. Для инженеров
эта книга может служить очень удобным справочным пособием. Здесь представле
на информация о современных датчиках: дано описание их физических принци
пов, устройства и практических способов применения в научных, промышленных
и пользовательских приложениях. Материал, включенный в книгу, отражает прак
тический опыт автора: его предпочтения и толкование. Конечно же, некоторые
читатели могут найти описания отдельных датчиков либо слишком подробными,
либо, наоборот, слишком краткими. Хотя в большинстве случаев я стремился най
ти компромисс между детальным описанием и простотой изложения материала.
Эта книга охватывает очень широкий спектр современных датчиков и детекто
ров. Однако, очевидно, что ни в одной книге нельзя отобразить все многообразие
датчиков и их применений, даже если она будет называться «Энциклопедией дат
чиков». Данная работа не претендует быть энциклопедией, ее цель гораздо менее
амбициозная. Автор стремился сделать удобное справочное пособие, полезное для
студентов, исследователей (инженеров и научных сотрудников), работающих с из
мерительной аппаратурой, разработчиков датчиков и специалистов, для которых
необходимо знать и уметь подбирать датчики для применения в конкретных прак
тических системах.
Предыдущие издания этой книги достаточно широко использовались в каче
стве учебных пособий в технических учебных заведениях. В этом издании учтены
дополнения, предложенные разработчиками датчиков, профессорами и студента
ми, а также внесены некоторые изменения и исправлены ошибки.
Jacob Fraden
Сан Диего, Калифорния
Ноябрь, 2003
Предисловие
Уже прошло семь лет с выхода предыдущего издания этой книги. За это время в
технологии изготовлении датчиков произошел значительный прогресс. Чувстви
тельность датчиков стала выше, размеры меньше, избирательность лучше, а цена
ниже. Но при всем при этом не изменились основные принципы разработки дат
чиков, поскольку все они базируются на законах природы. Леонардо Да Винчи,
бесспорно являющийся одним из величайших гениев, когда либо живших на зем
ле, так говорил в своих молитвах: «Спасибо, тебе Боже, за то, что ты никогда не
нарушаешь своих собственных законов.» Для развития науки очень важен тот факт,
что с течением времени законы природы не изменяются, а только уточняются.
Конечно же, и в этой книге принципы действия всех рассматриваемых датчиков
основываются на старых и добрых законах природы. Это издание не сильно отли
чается от предыдущего. В нем существенно расширены разделы, посвященные прак
тическим вопросам разработки датчиков. В новое издание также добавлен матери
ал, описывающий последние разработки и новые идеи датчиков, а ряд менее важ
ных разделов исключен из книги. Наиболее ощутимый прогресс в технологии из
готовления датчиков произошел в областях разработки электромеханических и
электрооптомеханических микродатчиков, чему в новом издании уделено боль
шое внимание.
Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инст
рументы, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни.
Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, вос
производить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри по
мещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими
с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически лю
бые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большин
ство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас
мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуаль
ные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, не
обходимы интерфейсный устройства, преобразующие разнообразные физические
величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и явля
ются датчики. Другими словами, датчики – это глаза, уши и органы обоняния
кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью
жизни любого человека. Только в США объем их выпуска составляет 12 миллиар
дов долларов.
Работая инженером, я часто ощущал потребность в книге, объединяющей прак
тическую информацию по вопросам, касающимся принципов действия, разработ
ки и использования различных датчиков. Конечно, я мог найти всю интересую
щую информацию в учебниках по физике и электронике, в технических журналах и
в каталогах производителей. Однако вся эта информация была разбросана по раз
ным публикациям, и для того, чтобы найти ответ на какой либо вопрос, мне при
ходилось много часов проводить в библиотеках. Таким образом мне удалось
18
собрать довольно много информации по вопросам разработки и применения раз
личных датчиков в научной и инженерной практике. Вскоре я понял, что собран
ная мной информация может быть весьма полезной и для других людей. Именно
это заставило меня написать эту книгу.
При работе над этой книгой я старался включить в нее, как можно, более широ
кий спектр датчиков. При этом я стремился дать краткое описание различных ва
риантов датчиков без подробного рассмотрения их деталей. Я надеюсь, что мне
удалось охватить большую часть существующих в настоящее время датчиков и де
текторов (хотя, это может быть весьма нескромным утверждением). Многие из рас
смотренных устройств хорошо известны, но я старался дать системное описание
всех типов датчиков, что является очень полезным для студентов. Для инженеров
эта книга может служить очень удобным справочным пособием. Здесь представле
на информация о современных датчиках: дано описание их физических принци
пов, устройства и практических способов применения в научных, промышленных
и пользовательских приложениях. Материал, включенный в книгу, отражает прак
тический опыт автора: его предпочтения и толкование. Конечно же, некоторые
читатели могут найти описания отдельных датчиков либо слишком подробными,
либо, наоборот, слишком краткими. Хотя в большинстве случаев я стремился най
ти компромисс между детальным описанием и простотой изложения материала.
Эта книга охватывает очень широкий спектр современных датчиков и детекто
ров. Однако, очевидно, что ни в одной книге нельзя отобразить все многообразие
датчиков и их применений, даже если она будет называться «Энциклопедией дат
чиков». Данная работа не претендует быть энциклопедией, ее цель гораздо менее
амбициозная. Автор стремился сделать удобное справочное пособие, полезное для
студентов, исследователей (инженеров и научных сотрудников), работающих с из
мерительной аппаратурой, разработчиков датчиков и специалистов, для которых
необходимо знать и уметь подбирать датчики для применения в конкретных прак
тических системах.
Предыдущие издания этой книги достаточно широко использовались в каче
стве учебных пособий в технических учебных заведениях. В этом издании учтены
дополнения, предложенные разработчиками датчиков, профессорами и студента
ми, а также внесены некоторые изменения и исправлены ошибки.
Jacob Fraden
Сан Диего, Калифорния
Ноябрь, 2003
Предисловие
ГЛАВА 1
СБОР ДАННЫХ
«Это такое же большое, как жизнь, но гораздо более натуральное»
Lewis Caroll, “Through the Looking Glass”
1.1. Датчики, сигналы и системы
Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик – это уст
ройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них».
Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охва
тывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка в револьвере. Рас
смотрим систему контроля за уровнем жидкости, показанную на рис. 1.1 [1]. Опе
ратор управляет уровнем жидкости в резервуаре при помощи клапана. При этом
оператор должен учитывать расход жидкости, изменение температуры (от которо
го зависит вязкость жидкости, и, следовательно, скорость ее прохождения через
клапан), а также другие параметры, оказывающие влияние на эту систему. Без осу
ществления контроля резервуар либо перельется, либо, наоборот, станет пустым.
Для принятия правильного решения оператору необходимо постоянно получать
информацию об уровне воды в резервуаре. В рассматриваемом примере информа
ция поступает от датчика, состоящего из двух основных частей: смотровой трубки
на резервуаре и глаза оператора, подающего импульсы на зрительный нерв. Сами
по себе ни глаз оператора, ни смотровая трубка не являются датчиками, но их
комбинация формирует детектор, обладающий избирательной способностью оп
ределять уровень жидкости. При корректном проектировании системы изменение
уровня жидкости в резервуаре быстро отразится на уровне жидкости в смотровой
трубке, поэтому, можно сказать, что рассматриваемый датчик характеризуется хо
рошей реакцией или малой инерционностью. Но если внутренний диаметр трубки
будет слишком мал для вязких жидкостей, уровень в ней будет отставать от уровня
в резервуаре. Поэтому необходимо учитывать фазовые характеристики такого дат
чика. Для некоторых применений такая задержка может быть приемлемой, тогда
как для других надо использовать иную конструкцию смотровой трубки. Отсюда
видно, что рабочие характеристики каждого датчика можно оценить только отно
сительно конкретной системы сбора данных.
20 Глава 1. Сбор данных
Окружающий нас мир можно
разделить на две части: природа и
объекты, созданные человеком. Есте
ственные сенсоры, которыми снаб
жен любой живой организм, обычно
реагируют на электрохимические сиг
налы, т.е. их физический принцип
действия основывается на передаче
ионов в нервных тканях, как это было
в рассмотренном примере со зритель
ным нервом оператора. В системах
же, созданных людьми, в передаче
сигналов участвуют электроны. Дат
чики в таких системах «разговарива
ют» с устройствами, в которые они
встроены, на одном языке. Язык об
щения здесь – электрические сигна
лы, в которых информация, переда
ется при помощи электронов, а не
ионов. (Хотя в оптических системах связи информация передается через фотоны,
но этот раздел выходит за рамки книги.) В данной книге будут рассматриваться
датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи
электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волок
на. Исходя из этого, перефразируем определение датчика:
Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирую
щее на них изменением электрических сигналов.
Термин внешние воздействия широко используется в этой книге, поэтому его
необходимо правильно воспринимать. Под внешним воздействием понимается
количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необ
ходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В некоторых книгах
(например, [2]) для этих целей используется термин измеряемая величина, имею
щий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент на количе
ственной характеристике сенсорной функции.
Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздей
ствие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измеритель
ными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик – это преобразова
тель физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под
термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобра
зован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по ли
нии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или
заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, часто
той, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом
выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором вход
ных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических
параметров.
клапан
Рис. 1.1 Система контроля за уровнем воды.
Смотровая трубка и глаз оператора формируют
датчик (устройство, преобразующее информа
цию в электрический сигнал).
21
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа
измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта
к датчику. Работа датчика – это особый случай передачи информации, а любая
передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт,
что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть
как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться
от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является
ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит переда
ча информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инф
ракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда
объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика),
или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное из
лучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинако
вую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также
равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур
датчика и объекта.
Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобра
зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует
любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером пре
образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический
сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустичес
ких волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Инте
ресно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилите
ля, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим
датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Привод
можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преоб
разует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Приме
ром привода является электрический мотор, преобразующий электрическую энер
гию в механическую.
Рис. 1.2 Датчик может состоять из нескольких преобразователей. е1, е2,… раз
личные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы
является датчиком прямого действия
Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 1.2). Например,
в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых
конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, пре
образовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух
преобразо
ватель 1
преобразо
ватель 2
преобразо
Внешнее ватель 3
воздествие
датчик
электри
ческий
сигнал
1.1. Датчики, сигналы и системы
22 Глава 1. Сбор данных
преобразователей представляет собой химический датчик – устройство, вырабаты
вающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что в рас
смотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим
из преобразователя и еще одного датчика – датчика температуры. В структуру со
ставных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и
несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, кото
рые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредствен
ное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. При
мерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека, описы
ваемые в третьей главе.
Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого
действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее
воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соот
ветствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем
получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия
необходимо осуществить несколько преобразований энергии.
На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав
измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных де
текторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих уст
ройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встро
енными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того,
Рис. 1.3 Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль
датчиков в системе сбора данных. Датчик 1 является бесконтактным,
датчики 2 и 3 – пассивными устройствами, датчик 4 – активным, а
датчик 5 внутренним элементом системы сбора данных.
объект
измерения
привод
датчик
схема
возбуж
дения
интер
фейс
мультиплексор
интер
фейс
АЦП
датчик
компью
тер
перифе
рийное
устройство
система сбора данных
23
чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях
в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для
мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной
работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем
сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измеритель
ных комплексов со множеством обратных связей.
На рис. 1.3 показана блок схема автоматизированного измерительного комп
лекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Из этого
рисунка хорошо видна роль датчиков в таких системах. Субъектами измерений
могут быть любые материальные объекты: автомобили, космические корабли, че
ловеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об измеряемом объекте со
бираются при помощи датчиков, часть из которых, (2, 3 и 4), располагается на
поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет непосредственной связи с
объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные камеры и детекторы излу
чений служат примерами таких датчиков. Даже когда датчик называется бескон
тактным, всегда между ним и объектом происходит передача энергии.
Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит для контро
ля за условиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не могут быть
напрямую подсоединены к стандартным электронным схемам из за несоответ
ствия форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специаль
ные интерфейсные устройства – преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5
являются пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не
требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 – представитель ак
тивных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сиг
нал, получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сиг
нал в соответствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных
датчиков является температурно чувствительный резистор, который часто назы
вается термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, яв
ляющегося в данном случае схемой возбуждения. Измерительный комплекс мо
жет включать в себя либо один датчик (домашний термостат), либо несколько
тысяч (космический корабль).
Электрические сигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор, вы
полняющий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков являются ана
логовыми, они поступают на аналого цифровой преобразователь (АЦП), если циф
ровыми – непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу муль
типлексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод, воздей
ствующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут использоваться
электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав из
мерительной системы также входят периферийные устройства (накопители дан
ных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не показанные в блок
схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения,
усилители и прочие преобразователи.
Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим простую систему,
контролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь автомобиля оснащена
датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве
1.1. Датчики, сигналы и системы
24 Глава 1. Сбор данных
машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический вык
лючатель. Сигналы от датчиков всех дверей поступают на встроенный микропро
цессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП, поскольку сиг
налы датчиков являются цифровыми: 0 – дверь открыта, 1 – закрыта). Микропро
цессор определяет какая из дверей открыта и посылает на соответствующее пери
ферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнализатор) специаль
ный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это сообще
ние и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь.
Примером более сложной системы является дозатор паров анестезирующих
веществ, применяемый в медицине для регулирования количества анестетиков,
вдыхаемых пациентом в ходе хирургических операций. В такую систему входят не
сколько активных и пассивных датчиков. Концентрация паров анестезирующих
веществ контролируется при помощи пьезоэлектрического датчика, установлен
ного в отводной трубке. Молекулы анестетиков увеличивают массу пьезокристал
ла, тем самым изменяя частоту его колебаний. Величина изменения собственной
частоты кристалла и является мерой концентрации паров анестезирующих веществ.
Чтобы отличить вдох от выдоха применяется датчик, контролирующий уровень
СО2. В дополнение к этому для компенсации некоторых переменных составляю
щих в системе используются датчики температуры и давления. Сигналы от всех
этих датчиков поступают на мультиплексор, отцифровываются и подаются в мик
ропроцессор, который и определяет реальную концентрацию паров анестезирую
щих веществ. Анестезиолог задает требуемый уровень подачи анестетиков, а про
цессор, управляя соответствующим образом приводом (в данном случае клапана
ми), поддерживает необходимую концентрацию анестезирующих веществ.
На рис. 1.4 показан комплекс, состоящий из комбинации различных датчи
ков, приводов и сигнализаторов, применяемый в корпорации Nissan для повыше
ния безопасности автомобиля. В его состав входят две системы, борющиеся с засы
панием водителя за рулем автомобиля. Действие одной из этих систем направлено
на предупреждение водителя, а другой – на выравнивание курса автомобиля. Для
выполнения этих функций необходимы специальные датчики, роль которых могут
играть сенсоры слежения за глазным яблоком водителя и детекторы наклона его
головы. В систему выдачи сигнала необходимости экстренного торможения, пост
роенную на основе датчиков микроволнового, ультразвукового и инфракрасного
диапазонов, часто входит устройство опережающего включения индикаторов тор
можения, позволяющее заранее предупредить об опасности водителей транспорт
ных средств, едущих сзади. В состав системы предупреждения о препятствиях вхо
дят инфракрасные детекторы и радар. Адаптивная система круиз контроля начи
нает работать в момент, когда водитель слишком приблизился к впереди идущему
транспортному средству: при этом скорость автомобиля немедленно снижается
для обеспечения безопасной дистанции. Устройство мониторинга пешеходов оп
ределяет присутствие людей на дороге в темное время суток и в зонах, закрытых для
обзора, и предупреждает об этом водителя автомобиля. Система контроля полосы
движения определяет ситуации, при которых отклонение автомобиля происходит
не по воле водителя. При этом система оповещает водителя об уходе с полосы и
автоматически выравнивает транспортное средство.
25
Рис. 1.4 Система безопасности автомобиля (с разрешения Nissan Motor
Company)
В следующих главах будут подробно рассмотрены типы сенсорных элементов, фи
зические основы работы датчиков, их конструктивные решения и электронные схемы
интерфейсных устройств. Описания других важных элементов измерительных комп
лексов, таких как приводы, дисплеи, накопители данных, передающие устройства, не
вошли в эту книгу, и о них будет встречаться только краткое упоминание.
Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически лю
бую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, коле
бания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов – все это примеры
внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназ
начения. Для особых условий применения может потребоваться разработка специаль
ных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения
кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень
миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус
того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной
манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется чтобы они реагиро
вали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор дви
жения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак
не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки.
1.2. Классификация датчиков
Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до
сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели про
ведения классификации. В этой книге предлагается несколько практических под
ходов к этой проблеме.
Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный
датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение
1.2. Классификация датчиков
26 Глава 1. Сбор данных
внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это
означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сиг
нал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлек
трические чувствительные элементы. Большинство пассивных датчиков являются
устройствами прямого действия (их определение приведено в разделе 1.1). В отли
чие от пассивного собрата активный датчик для своей работы требует внешней энер
гии, называемой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала ак
тивный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. По
скольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних
сигналов, их иногда называются параметрическими. Фактически, в активных датчи
ках происходит преобразование изменения их внутренних характеристик в электри
ческие сигналы, т.е. определенные параметры активных датчиков модулируют сиг
налы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об измеряемой вели
чине. Например, термисторы являются температурно чувствительными резистора
ми. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но
при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопро
тивление может быть определено по изменению тока и/или падению напряжения
на них. Значение сопротивления (в омах) отражает измеряемую температуру, кото
рая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных
датчиков является резистивный тензодатчик, чье электрическое сопротивление зави
сит от величины его деформации. Для определения сопротивления датчика через него
также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания.
В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолют
ные и относительные. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолют
ных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда
как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может
трактоваться по разному. Примером абсолютного датчика является термистор. Его
электрическое сопротивление напрямую зависит от абсолютной температуры по
шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры – термопара – явля
ется относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является
функцией градиента температуры на проволочках термопары. Поэтому определить
конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только относи
тельно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относи
тельных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика со
ответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давле
ний, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давле
ние относительно атмосферного давления, которое не является нулевым.
Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их ха
рактеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо
знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физичес
ком принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из
какого материала он изготовлен, какая область его применения. В таблицах 1.1 1.6,
взятых из книги [3], представлена схема такой классификации, которая является
наиболее информативной. Для примера рассмотрим акселерометр на поверхност
ных акустических волнах (ПАВ). Согласно приведенным таблицам ему можно дать
следующее описание.
27
Таблица 1.1 Характеристики
Внешнее воздействие Ускорение
Характеристики Чувствительность определяется как
отношение изменения частоты
на единицу ускорения, краткосрочная
и долговременная стабильность изме
ряется в Гц на единицу времени и т.д.
Физический принцип Механический
Механизм преобразований Упругоэлектрический
Материал Неорганический диэлектрик
Область применения Морской и автомобильный транспорт,
космические исследования,
научные измерения
Таблица 1.2 Материалы датчиков
Таблица 1.3 Средства детектирования
Биологические
Химические
Электрические, магнитные или электромагнитные волны
Тепло, температура
Механическое перемещение или волна
Радиоактивность, излучение
Другие
1.2. Классификация датчиков
Неорганические
Проводники
Полупроводники
Биологические ткани
Органические
Диэлектрики
Жидкости, газы, плазма
Другие
Чувствительность
Стабильность(краткосрочная и
долговременная)
Точность
Быстродействие
Характеристики при перегрузке
Гистерезис
Эксплуатационный ресурс
Стоимость, размеры, вес
Диапазон входных значений
Разрешающая способность
Избирательность
Окружающие условия
Линейность
Мертвая зона
Формат выходного сигнала
Другие
28 Глава 1. Сбор данных
Таблица 1.4 Механизм преобразований
Физические
Термоэлектричество
Фотоэлектричество
Фотомагнетизм
Магнитоэлектричество
Электромагнетизм
Термоупругость
Электроупругость
Термомагнетизм
Термооптика
Фотоупругость
Другие
Химические
Химические преобразования
Физические преобразования
Электрохимический процесс
Спектроскопия
Другие
Биологические
Биохимические преобразования
Физические преобразования
Влияние на тестируемые организмы
Спектроскопия
Другие
Таблица 1.5 Области применения
Архитектура
Гражданское строительство,
проектирование
Распределение, торговля, финансы
Энергетика
Здравоохранение, медицина
Оборонная промышленность
Научные исследования
Транспорт (исключая автомобильный)
Автомобильный транспорт
Домашнее применение
Окружающая среда, метеорология,
средства безопасности
Средства информации,
телекоммуникация
Судоходство
Отдых, развлечения
Космос
другие
Таблица 1.6 Внешние воздействия
Акустические
Амплитуда волны, фаза, поляризация
Спектр
Скорость волны
Другие
Биологические
Биомасса
(вид, концентрация, состояние)
Другие
Химические
Элементы (идентичность,
концентрация, состояние)
Другие
Электрические
Заряд, ток
Потенциал, напряжение
Электрическое поле (амплитуда,
фаза, поляризация, спектр)
Проводимость
Диэлектрическая проницаемость
Другие
Магнитные
Магнитное поле (амплитуда, фаза,
поляризация, спектр)
Магнитный поток
Проницаемость
Другие
29
1.3. Единицы измерения
В этой книге используются единицы измерения системы СИ, принятые на 14 ой
Международной Конференции по Мерам и Весам (1971). В таблице 1.7 приведены
основные единицы измерения физических величин, взятые из французского спра
вочника Le Systeme International d’Unites [4]. Все остальные единицы измерения
являются производными от этих основных единиц. Некоторые из них приведены в
Приложении.
Таблица 1.7 Основные единицы измерения системы СИ
Величина Название Обозначение Определение (Год установления)
Длина Метр м Метр – длина пути, пройденного светом в вакууме
за время, равное 1/299792458 доли секунды
(1983)
Масса Килограмм кг Килограмм – масса эталона, сделанного из сплава
платины и иридия (1889)
Время Секунда с Секунда – длительность 9192631 периодов
излучения, испускаемого атомом Цезия 133 при
точно определенных условиях резонанса (1967)
Оптические
Амплитуда волны, фаза,
поляризация, спектр
Скорость волны
Коэффициент отражения
Излучающая способность
Отражающая способность,
поглощение
Другие
Механические
Положение
(координаты линейные и угловые)
Ускорение
Сила
Напряжение, давление
Деформация
Масса, плотность
Движение, момент
Скорость потока, расход массы
Форма, шероховатость, ориентация
Жесткость, податливость
Вязкость
Упорядоченность структуры,
интеграция
Другие
Излучение
Тип
Энергия
Интенсивность
Другие
Тепловые
Температура
Поток
Тепло
Теплопроводность
Другие
1.3. Единицы измерения
Таблица 1.6 Внешние воздействия (продолжение)
30 Глава 1. Сбор данных
Величина Название Обозначение Определение (Год установления)
Электри Ампер А Ампер сила установившегося электрического тока,
ческий ток который проходя по двум параллельным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малого попереч
ного сечения, расположенных в вакууме на рас
стоянии 1 метра друг от друга, вызывает появление
силы между ними, равной 2х10 7Н/м (1946)
Термодина Кельвин определяется температурой тройной точки
мическая Кельвин К воды (когда все три фазы воды: жидкая, парообразная
темпе и твердая –находятся в термодинамическом равновесии).
ратура Эта температура равна 273.16 К. (1967)
Количество Моль моль Моль – количество элементарных частиц (атомов,
вещества молекул, ионов, электронов и др.),
содержащихся в 0.012 кг изотопа улерода 12 (1971)
Интенсив Кандела кд Свеча – сила света, излучаемого в перпендикулярном
ность света (свеча) направлении черным телом, имеющим площадь
поверхности 1/600000 м2, при температуре
замерзания Рt и давлении 101325 Нм2. (1967)
Плоский Радиан рад Дополнительная единица
угол
Телесный Стерадиан срад Дополнительная единица
угол
Часто на практике бывает неудобно напрямую использовать основные едини
цы или их производные, поскольку они могут быть либо слишком большими, либо
слишком маленькими. Тогда применяют стандартные множители или делители,
приведенные в Приложении. При произношении полученных единиц ударение
всегда делается на первый слог. Например, 1 Ампер (А) при умножении на коэффи
циент 10 3 образует меньшую единицу, называемую миллиампером (мА), равную
одной тысячной доле ампера.
Иногда используются еще две системы единиц измерения: Система Гаусса и
Британская Система, которая в США называется Пользовательской Системой США.
Америка является единственной развитой страной, в которой система СИ не явля
ется общеупотребимой. Однако, в скором будущем система СИ будет также приня
та и в США. В этой книге в большинстве случаев используется система СИ. Однако
для удобства понимания в некоторых местах применяется американская система.
Для перевода единиц измерения других систем в систему СИ читатель может вос
пользоваться таблицами приведенными в Приложении (Номенклатура, аббревиа
тура и произношение многих единиц взяты из работы «Standard practice for use of
the International System of units (SI)». Standard E380 91a.©1991 ASTM, West
Conshocken, PA.) Для перевода любой единицы в систему СИ ее необходимо умно
жить на коэффициент, указанный в таблице. Например, для перевода ускорения
55 фут/с2 в систему СИ надо умножить это значение на коэффициент 0.3048:
55фут / с 2 × 0.3048 = 16.764м / с 2 .
31
Подобным образом можно преобразовать значение электрического заряда 1.7
фарадей:
1.7фарадей × 9.65 × 1019 = 1.64 × 10 20 Кл .
Читатель должен понимать как физическую, так и техническую терминоло
гию, принятую в разных странах. Например, в США и многих других странах раз
ность потенциалов называется «вольтаж», тогда как в остальных странах – «электри
ческое напряжение» или просто «напряжение». В этой книге будет часто встречать
ся терминология, принятая в США.
Уже прошло семь лет с выхода предыдущего издания этой книги. За это время в
технологии изготовлении датчиков произошел значительный прогресс. Чувстви
тельность датчиков стала выше, размеры меньше, избирательность лучше, а цена
ниже. Но при всем при этом не изменились основные принципы разработки дат
чиков, поскольку все они базируются на законах природы. Леонардо Да Винчи,
бесспорно являющийся одним из величайших гениев, когда либо живших на зем
ле, так говорил в своих молитвах: «Спасибо, тебе Боже, за то, что ты никогда не
нарушаешь своих собственных законов.» Для развития науки очень важен тот факт,
что с течением времени законы природы не изменяются, а только уточняются.
Конечно же, и в этой книге принципы действия всех рассматриваемых датчиков
основываются на старых и добрых законах природы. Это издание не сильно отли
чается от предыдущего. В нем существенно расширены разделы, посвященные прак
тическим вопросам разработки датчиков. В новое издание также добавлен матери
ал, описывающий последние разработки и новые идеи датчиков, а ряд менее важ
ных разделов исключен из книги. Наиболее ощутимый прогресс в технологии из
готовления датчиков произошел в областях разработки электромеханических и
электрооптомеханических микродатчиков, чему в новом издании уделено боль
шое внимание.
Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инст
рументы, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни.
Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, вос
производить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри по
мещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими
с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически лю
бые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большин
ство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас
мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуаль
ные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, не
обходимы интерфейсный устройства, преобразующие разнообразные физические
величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и явля
ются датчики. Другими словами, датчики – это глаза, уши и органы обоняния
кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью
жизни любого человека. Только в США объем их выпуска составляет 12 миллиар
дов долларов.
Работая инженером, я часто ощущал потребность в книге, объединяющей прак
тическую информацию по вопросам, касающимся принципов действия, разработ
ки и использования различных датчиков. Конечно, я мог найти всю интересую
щую информацию в учебниках по физике и электронике, в технических журналах и
в каталогах производителей. Однако вся эта информация была разбросана по раз
ным публикациям, и для того, чтобы найти ответ на какой либо вопрос, мне при
ходилось много часов проводить в библиотеках. Таким образом мне удалось
18
собрать довольно много информации по вопросам разработки и применения раз
личных датчиков в научной и инженерной практике. Вскоре я понял, что собран
ная мной информация может быть весьма полезной и для других людей. Именно
это заставило меня написать эту книгу.
При работе над этой книгой я старался включить в нее, как можно, более широ
кий спектр датчиков. При этом я стремился дать краткое описание различных ва
риантов датчиков без подробного рассмотрения их деталей. Я надеюсь, что мне
удалось охватить большую часть существующих в настоящее время датчиков и де
текторов (хотя, это может быть весьма нескромным утверждением). Многие из рас
смотренных устройств хорошо известны, но я старался дать системное описание
всех типов датчиков, что является очень полезным для студентов. Для инженеров
эта книга может служить очень удобным справочным пособием. Здесь представле
на информация о современных датчиках: дано описание их физических принци
пов, устройства и практических способов применения в научных, промышленных
и пользовательских приложениях. Материал, включенный в книгу, отражает прак
тический опыт автора: его предпочтения и толкование. Конечно же, некоторые
читатели могут найти описания отдельных датчиков либо слишком подробными,
либо, наоборот, слишком краткими. Хотя в большинстве случаев я стремился най
ти компромисс между детальным описанием и простотой изложения материала.
Эта книга охватывает очень широкий спектр современных датчиков и детекто
ров. Однако, очевидно, что ни в одной книге нельзя отобразить все многообразие
датчиков и их применений, даже если она будет называться «Энциклопедией дат
чиков». Данная работа не претендует быть энциклопедией, ее цель гораздо менее
амбициозная. Автор стремился сделать удобное справочное пособие, полезное для
студентов, исследователей (инженеров и научных сотрудников), работающих с из
мерительной аппаратурой, разработчиков датчиков и специалистов, для которых
необходимо знать и уметь подбирать датчики для применения в конкретных прак
тических системах.
Предыдущие издания этой книги достаточно широко использовались в каче
стве учебных пособий в технических учебных заведениях. В этом издании учтены
дополнения, предложенные разработчиками датчиков, профессорами и студента
ми, а также внесены некоторые изменения и исправлены ошибки.
Jacob Fraden
Сан Диего, Калифорния
Ноябрь, 2003
Предисловие
Уже прошло семь лет с выхода предыдущего издания этой книги. За это время в
технологии изготовлении датчиков произошел значительный прогресс. Чувстви
тельность датчиков стала выше, размеры меньше, избирательность лучше, а цена
ниже. Но при всем при этом не изменились основные принципы разработки дат
чиков, поскольку все они базируются на законах природы. Леонардо Да Винчи,
бесспорно являющийся одним из величайших гениев, когда либо живших на зем
ле, так говорил в своих молитвах: «Спасибо, тебе Боже, за то, что ты никогда не
нарушаешь своих собственных законов.» Для развития науки очень важен тот факт,
что с течением времени законы природы не изменяются, а только уточняются.
Конечно же, и в этой книге принципы действия всех рассматриваемых датчиков
основываются на старых и добрых законах природы. Это издание не сильно отли
чается от предыдущего. В нем существенно расширены разделы, посвященные прак
тическим вопросам разработки датчиков. В новое издание также добавлен матери
ал, описывающий последние разработки и новые идеи датчиков, а ряд менее важ
ных разделов исключен из книги. Наиболее ощутимый прогресс в технологии из
готовления датчиков произошел в областях разработки электромеханических и
электрооптомеханических микродатчиков, чему в новом издании уделено боль
шое внимание.
Использование микропроцессоров позволяет создавать очень сложные инст
рументы, находящие свое применение в различных областях повседневной жизни.
Например, микропроцессорные системы «умеют» стирать одежду, варить кофе, вос
производить музыку, охранять дома, а также регулировать температуру внутри по
мещений. Микропроцессоры являются цифровыми устройствами, работающими
с двоичными кодами. В виде двоичных кодов можно представить практически лю
бые электрические сигналы. Однако мы живем в аналоговом мире, где большин
ство устройств не являются цифровыми. Более того, сигналы окружающего нас
мира не всегда бывают электрическими. Для того, чтобы сложные интеллектуаль
ные цифровые системы могли воспринимать информацию из внешнего мира, не
обходимы интерфейсный устройства, преобразующие разнообразные физические
величины в электрические сигналы. Такими интерфейсными устройствами и явля
ются датчики. Другими словами, датчики – это глаза, уши и органы обоняния
кремниевых кристаллов. В настоящее время датчики стали неотъемлемой частью
жизни любого человека. Только в США объем их выпуска составляет 12 миллиар
дов долларов.
Работая инженером, я часто ощущал потребность в книге, объединяющей прак
тическую информацию по вопросам, касающимся принципов действия, разработ
ки и использования различных датчиков. Конечно, я мог найти всю интересую
щую информацию в учебниках по физике и электронике, в технических журналах и
в каталогах производителей. Однако вся эта информация была разбросана по раз
ным публикациям, и для того, чтобы найти ответ на какой либо вопрос, мне при
ходилось много часов проводить в библиотеках. Таким образом мне удалось
18
собрать довольно много информации по вопросам разработки и применения раз
личных датчиков в научной и инженерной практике. Вскоре я понял, что собран
ная мной информация может быть весьма полезной и для других людей. Именно
это заставило меня написать эту книгу.
При работе над этой книгой я старался включить в нее, как можно, более широ
кий спектр датчиков. При этом я стремился дать краткое описание различных ва
риантов датчиков без подробного рассмотрения их деталей. Я надеюсь, что мне
удалось охватить большую часть существующих в настоящее время датчиков и де
текторов (хотя, это может быть весьма нескромным утверждением). Многие из рас
смотренных устройств хорошо известны, но я старался дать системное описание
всех типов датчиков, что является очень полезным для студентов. Для инженеров
эта книга может служить очень удобным справочным пособием. Здесь представле
на информация о современных датчиках: дано описание их физических принци
пов, устройства и практических способов применения в научных, промышленных
и пользовательских приложениях. Материал, включенный в книгу, отражает прак
тический опыт автора: его предпочтения и толкование. Конечно же, некоторые
читатели могут найти описания отдельных датчиков либо слишком подробными,
либо, наоборот, слишком краткими. Хотя в большинстве случаев я стремился най
ти компромисс между детальным описанием и простотой изложения материала.
Эта книга охватывает очень широкий спектр современных датчиков и детекто
ров. Однако, очевидно, что ни в одной книге нельзя отобразить все многообразие
датчиков и их применений, даже если она будет называться «Энциклопедией дат
чиков». Данная работа не претендует быть энциклопедией, ее цель гораздо менее
амбициозная. Автор стремился сделать удобное справочное пособие, полезное для
студентов, исследователей (инженеров и научных сотрудников), работающих с из
мерительной аппаратурой, разработчиков датчиков и специалистов, для которых
необходимо знать и уметь подбирать датчики для применения в конкретных прак
тических системах.
Предыдущие издания этой книги достаточно широко использовались в каче
стве учебных пособий в технических учебных заведениях. В этом издании учтены
дополнения, предложенные разработчиками датчиков, профессорами и студента
ми, а также внесены некоторые изменения и исправлены ошибки.
Jacob Fraden
Сан Диего, Калифорния
Ноябрь, 2003
Предисловие
ГЛАВА 1
СБОР ДАННЫХ
«Это такое же большое, как жизнь, но гораздо более натуральное»
Lewis Caroll, “Through the Looking Glass”
1.1. Датчики, сигналы и системы
Наиболее часто используемое определение датчиков звучит так: «датчик – это уст
ройство, воспринимающее сигналы и внешние воздействия и реагирующее на них».
Это очень широкое определение. Фактически, оно настолько широкое, что охва
тывает почти все: от человеческого глаза до спускового крючка в револьвере. Рас
смотрим систему контроля за уровнем жидкости, показанную на рис. 1.1 [1]. Опе
ратор управляет уровнем жидкости в резервуаре при помощи клапана. При этом
оператор должен учитывать расход жидкости, изменение температуры (от которо
го зависит вязкость жидкости, и, следовательно, скорость ее прохождения через
клапан), а также другие параметры, оказывающие влияние на эту систему. Без осу
ществления контроля резервуар либо перельется, либо, наоборот, станет пустым.
Для принятия правильного решения оператору необходимо постоянно получать
информацию об уровне воды в резервуаре. В рассматриваемом примере информа
ция поступает от датчика, состоящего из двух основных частей: смотровой трубки
на резервуаре и глаза оператора, подающего импульсы на зрительный нерв. Сами
по себе ни глаз оператора, ни смотровая трубка не являются датчиками, но их
комбинация формирует детектор, обладающий избирательной способностью оп
ределять уровень жидкости. При корректном проектировании системы изменение
уровня жидкости в резервуаре быстро отразится на уровне жидкости в смотровой
трубке, поэтому, можно сказать, что рассматриваемый датчик характеризуется хо
рошей реакцией или малой инерционностью. Но если внутренний диаметр трубки
будет слишком мал для вязких жидкостей, уровень в ней будет отставать от уровня
в резервуаре. Поэтому необходимо учитывать фазовые характеристики такого дат
чика. Для некоторых применений такая задержка может быть приемлемой, тогда
как для других надо использовать иную конструкцию смотровой трубки. Отсюда
видно, что рабочие характеристики каждого датчика можно оценить только отно
сительно конкретной системы сбора данных.
20 Глава 1. Сбор данных
Окружающий нас мир можно
разделить на две части: природа и
объекты, созданные человеком. Есте
ственные сенсоры, которыми снаб
жен любой живой организм, обычно
реагируют на электрохимические сиг
налы, т.е. их физический принцип
действия основывается на передаче
ионов в нервных тканях, как это было
в рассмотренном примере со зритель
ным нервом оператора. В системах
же, созданных людьми, в передаче
сигналов участвуют электроны. Дат
чики в таких системах «разговарива
ют» с устройствами, в которые они
встроены, на одном языке. Язык об
щения здесь – электрические сигна
лы, в которых информация, переда
ется при помощи электронов, а не
ионов. (Хотя в оптических системах связи информация передается через фотоны,
но этот раздел выходит за рамки книги.) В данной книге будут рассматриваться
датчики, которые могут быть подключены к измерительной системе при помощи
электрических проводов, а не через электрохимические растворы и нервные волок
на. Исходя из этого, перефразируем определение датчика:
Датчик – это устройство, воспринимающее внешние воздействия и реагирую
щее на них изменением электрических сигналов.
Термин внешние воздействия широко используется в этой книге, поэтому его
необходимо правильно воспринимать. Под внешним воздействием понимается
количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необ
ходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. В некоторых книгах
(например, [2]) для этих целей используется термин измеряемая величина, имею
щий аналогичное значение, однако в этом термине делается акцент на количе
ственной характеристике сенсорной функции.
Назначение датчиков – реакция на определенное внешнее физическое воздей
ствие и преобразование его в электрический сигнал, совместимый с измеритель
ными схемами. Другими словами, можно сказать, что датчик – это преобразова
тель физической величины (часто неэлектрической) в электрический сигнал. Под
термином электрический сигнал понимается сигнал, который может быть преобра
зован при помощи электронных устройств, например, усилен или передан по ли
нии передач. Выходными сигналами датчиков могут быть напряжение, ток или
заряд, которые описываются следующими характеристиками: амплитудой, часто
той, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик называется форматом
выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характеризуется набором вход
ных параметров (любой физической природы) и набором выходных электрических
параметров.
клапан
Рис. 1.1 Система контроля за уровнем воды.
Смотровая трубка и глаз оператора формируют
датчик (устройство, преобразующее информа
цию в электрический сигнал).
21
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа
измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объекта
к датчику. Работа датчика – это особый случай передачи информации, а любая
передача информации связана с передачей энергии. Очевидным является тот факт,
что передача энергии может проходить в двух направлениях, т.е. она может быть
как положительной, так и отрицательной, например, энергия может передаваться
от объекта к датчику, и, наоборот, от датчика к объекту. Особым случаем является
ситуация, при которой энергия равна нулю, но и в этом случае происходит переда
ча информации о существовании именно такой особой ситуации. Например, инф
ракрасный датчик температуры вырабатывает положительное напряжение, когда
объект теплее датчика (инфракрасное излучение направлено в сторону датчика),
или отрицательное напряжение, когда объект холоднее датчика (инфракрасное из
лучение направлено от датчика на объект). Когда датчик и объект имеют одинако
вую температуру, инфракрасный поток равен нулю, и выходное напряжение также
равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве температур
датчика и объекта.
Понятие датчик необходимо отличать от понятия преобразователь. Преобра
зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик преобразует
любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. Примером пре
образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий электрический
сигнал в переменное магнитное поле для последующего формирования акустичес
ких волн. Здесь речь не идет ни о каком восприятии внешней информации. (Инте
ресно отметить тот факт, что если громкоговоритель подключить ко входу усилите
ля, он будет работать как микрофон. В этом случае его можно назвать акустическим
датчиком.) Преобразователи могут выполнять также функции приводов. Привод
можно определить как устройство, противоположное датчику, поскольку он преоб
разует электрическую энергию, как правило, в неэлектрическую энергию. Приме
ром привода является электрический мотор, преобразующий электрическую энер
гию в механическую.
Рис. 1.2 Датчик может состоять из нескольких преобразователей. е1, е2,… раз
личные виды энергии. Отметим, что последний элемент данной схемы
является датчиком прямого действия
Преобразователи могут быть частью составных датчиков (рис. 1.2). Например,
в состав химического датчика могут входить два преобразователя, один из которых
конвертирует энергию химических реакций в тепло, а другой, термоэлемент, пре
образовывает полученное тепло в электрический сигнал. Комбинация этих двух
преобразо
ватель 1
преобразо
ватель 2
преобразо
Внешнее ватель 3
воздествие
датчик
электри
ческий
сигнал
1.1. Датчики, сигналы и системы
22 Глава 1. Сбор данных
преобразователей представляет собой химический датчик – устройство, вырабаты
вающее электрический сигнал в ответ на химическую реакцию. Отметим, что в рас
смотренном примере химический датчик является составным датчиком, состоящим
из преобразователя и еще одного датчика – датчика температуры. В структуру со
ставных датчиков, как правило, входит хотя бы один датчик прямого действия и
несколько преобразователей. Датчиками прямого действия называют датчики, кото
рые построены на физических явлениях, позволяющих проводить непосредствен
ное преобразование энергии внешнего воздействия в электрические сигналы. При
мерами таких физических явлений являются фотоэффект и эффект Зеебека, описы
ваемые в третьей главе.
Таким образом, все датчики можно разделить на две группы: датчики прямого
действия и составные датчики. Датчики прямого действия преобразуют внешнее
воздействие непосредственно в электрический сигнал, используя для этого соот
ветствующее физическое явление, в то время как в составных датчиках прежде чем
получить электрический сигнал на выходе оконечного датчика прямого действия
необходимо осуществить несколько преобразований энергии.
На практике датчики не работают сами по себе. Как правило, они входят в состав
измерительных систем, часто довольно больших, объединяющих много разных де
текторов, преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих уст
ройств и приводов. Датчики в таких системах могут быть как наружными, так и встро
енными. Часто их располагают на входах измерительных приборов для того,
Рис. 1.3 Автоматизированный измерительный комплекс, показывающий роль
датчиков в системе сбора данных. Датчик 1 является бесконтактным,
датчики 2 и 3 – пассивными устройствами, датчик 4 – активным, а
датчик 5 внутренним элементом системы сбора данных.
объект
измерения
привод
датчик
схема
возбуж
дения
интер
фейс
мультиплексор
интер
фейс
АЦП
датчик
компью
тер
перифе
рийное
устройство
система сбора данных
23
чтобы они реагировали на внешние воздействия и сообщали системе об изменениях
в окружающих условиях. Также они размещаются внутри измерительных систем для
мониторинга их функционирования, что необходимо для поддержания корректной
работы всех внутренних устройств. Датчики являются неотъемлемой частью систем
сбора данных, которые, в свою очередь, могут входить в состав больших измеритель
ных комплексов со множеством обратных связей.
На рис. 1.3 показана блок схема автоматизированного измерительного комп
лекса, состоящего из системы сбора данных и управляющего устройства. Из этого
рисунка хорошо видна роль датчиков в таких системах. Субъектами измерений
могут быть любые материальные объекты: автомобили, космические корабли, че
ловеческие тела, различные жидкости и газы. Данные об измеряемом объекте со
бираются при помощи датчиков, часть из которых, (2, 3 и 4), располагается на
поверхности или внутри объекта. Датчик 1 не имеет непосредственной связи с
объектом, т.е. является бесконтактным. Телевизионные камеры и детекторы излу
чений служат примерами таких датчиков. Даже когда датчик называется бескон
тактным, всегда между ним и объектом происходит передача энергии.
Датчик 5 может выполнять различные функции. Часто он служит для контро
ля за условиями внутри самой системы сбора данных. Датчики 1 и 3 не могут быть
напрямую подсоединены к стандартным электронным схемам из за несоответ
ствия форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специаль
ные интерфейсные устройства – преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5
являются пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не
требуется дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 – представитель ак
тивных устройств. Для обеспечения его работы необходим вспомогательный сиг
нал, получаемый от схемы возбуждения. При этом датчик модулирует этот сиг
нал в соответствии с изменением измеряемого параметра. Примером активных
датчиков является температурно чувствительный резистор, который часто назы
вается термистором. Такой датчик работает от источника постоянного тока, яв
ляющегося в данном случае схемой возбуждения. Измерительный комплекс мо
жет включать в себя либо один датчик (домашний термостат), либо несколько
тысяч (космический корабль).
Электрические сигналы с выходов датчиков поступают на мультиплексор, вы
полняющий роль переключателя. Если выходные сигналы датчиков являются ана
логовыми, они поступают на аналого цифровой преобразователь (АЦП), если циф
ровыми – непосредственно на компьютер, который синхронизирует работу муль
типлексора и АЦП, а также посылает управляющие сигналы на привод, воздей
ствующий непосредственно на объект. В качестве приводов могут использоваться
электрические моторы, соленоиды, реле и пневматические клапаны. В состав из
мерительной системы также входят периферийные устройства (накопители дан
ных, дисплеи, сигнализаторы и т.д.) и другие компоненты, не показанные в блок
схеме. Такими компонентами могут быть фильтры, схемы выборки и хранения,
усилители и прочие преобразователи.
Для иллюстрации того, как такая схема работает, рассмотрим простую систему,
контролирующую закрытие дверей в автомобиле. Каждая дверь автомобиля оснащена
датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве
1.1. Датчики, сигналы и системы
24 Глава 1. Сбор данных
машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический вык
лючатель. Сигналы от датчиков всех дверей поступают на встроенный микропро
цессор автомобиля (здесь нет необходимости использовать АЦП, поскольку сиг
налы датчиков являются цифровыми: 0 – дверь открыта, 1 – закрыта). Микропро
цессор определяет какая из дверей открыта и посылает на соответствующее пери
ферийное устройство (приборную панель или звуковой сигнализатор) специаль
ный сигнал. Водитель автомобиля (играющий роль привода) получает это сообще
ние и воздействует на объект, т.е. закрывает дверь.
Примером более сложной системы является дозатор паров анестезирующих
веществ, применяемый в медицине для регулирования количества анестетиков,
вдыхаемых пациентом в ходе хирургических операций. В такую систему входят не
сколько активных и пассивных датчиков. Концентрация паров анестезирующих
веществ контролируется при помощи пьезоэлектрического датчика, установлен
ного в отводной трубке. Молекулы анестетиков увеличивают массу пьезокристал
ла, тем самым изменяя частоту его колебаний. Величина изменения собственной
частоты кристалла и является мерой концентрации паров анестезирующих веществ.
Чтобы отличить вдох от выдоха применяется датчик, контролирующий уровень
СО2. В дополнение к этому для компенсации некоторых переменных составляю
щих в системе используются датчики температуры и давления. Сигналы от всех
этих датчиков поступают на мультиплексор, отцифровываются и подаются в мик
ропроцессор, который и определяет реальную концентрацию паров анестезирую
щих веществ. Анестезиолог задает требуемый уровень подачи анестетиков, а про
цессор, управляя соответствующим образом приводом (в данном случае клапана
ми), поддерживает необходимую концентрацию анестезирующих веществ.
На рис. 1.4 показан комплекс, состоящий из комбинации различных датчи
ков, приводов и сигнализаторов, применяемый в корпорации Nissan для повыше
ния безопасности автомобиля. В его состав входят две системы, борющиеся с засы
панием водителя за рулем автомобиля. Действие одной из этих систем направлено
на предупреждение водителя, а другой – на выравнивание курса автомобиля. Для
выполнения этих функций необходимы специальные датчики, роль которых могут
играть сенсоры слежения за глазным яблоком водителя и детекторы наклона его
головы. В систему выдачи сигнала необходимости экстренного торможения, пост
роенную на основе датчиков микроволнового, ультразвукового и инфракрасного
диапазонов, часто входит устройство опережающего включения индикаторов тор
можения, позволяющее заранее предупредить об опасности водителей транспорт
ных средств, едущих сзади. В состав системы предупреждения о препятствиях вхо
дят инфракрасные детекторы и радар. Адаптивная система круиз контроля начи
нает работать в момент, когда водитель слишком приблизился к впереди идущему
транспортному средству: при этом скорость автомобиля немедленно снижается
для обеспечения безопасной дистанции. Устройство мониторинга пешеходов оп
ределяет присутствие людей на дороге в темное время суток и в зонах, закрытых для
обзора, и предупреждает об этом водителя автомобиля. Система контроля полосы
движения определяет ситуации, при которых отклонение автомобиля происходит
не по воле водителя. При этом система оповещает водителя об уходе с полосы и
автоматически выравнивает транспортное средство.
25
Рис. 1.4 Система безопасности автомобиля (с разрешения Nissan Motor
Company)
В следующих главах будут подробно рассмотрены типы сенсорных элементов, фи
зические основы работы датчиков, их конструктивные решения и электронные схемы
интерфейсных устройств. Описания других важных элементов измерительных комп
лексов, таких как приводы, дисплеи, накопители данных, передающие устройства, не
вошли в эту книгу, и о них будет встречаться только краткое упоминание.
Входные сигналы датчиков (внешние воздействия) могут иметь практически лю
бую физическую или химическую природу. Поток света, температура, давление, коле
бания, перемещение, положение, скорость, концентрация ионов – все это примеры
внешних воздействий. Конструкция датчиков меняется в зависимости от их предназ
начения. Для особых условий применения может потребоваться разработка специаль
ных корпусов и схем монтажа. Например, пьезорезистивный датчик для измерения
кровяного давления внутри аорты монтируется в герметичном корпусе и имеет очень
миниатюрные размеры для возможности прохождения через микрокатетер. Корпус
того же самого датчика будет совсем другим для случая применения внутри надувной
манжеты медицинского тонометра. Иногда от датчиков требуется чтобы они реагиро
вали только на определенный диапазон входных сигналов. Например, детектор дви
жения в охранной системе должен срабатывать только на перемещение людей и никак
не реагировать на передвижение маленьких животных, таких как собаки и кошки.
1.2. Классификация датчиков
Системы классификации датчиков могут быть очень разными: от очень простых до
сложных. Критерий классификации всегда выбирается в зависимости от цели про
ведения классификации. В этой книге предлагается несколько практических под
ходов к этой проблеме.
Все датчики можно разделить на две категории: пассивные и активные. Пассивный
датчик не нуждается в дополнительном источнике энергии и в ответ на изменение
1.2. Классификация датчиков
26 Глава 1. Сбор данных
внешнего воздействия на его выходе всегда появляется электрический сигнал. Это
означает, что такой датчик преобразует энергию внешнего сигнала в выходной сиг
нал. Примерами пассивных датчиков являются термопары, фотодиоды и пьезоэлек
трические чувствительные элементы. Большинство пассивных датчиков являются
устройствами прямого действия (их определение приведено в разделе 1.1). В отли
чие от пассивного собрата активный датчик для своей работы требует внешней энер
гии, называемой сигналом возбуждения. При формировании выходного сигнала ак
тивный датчик тем или иным способом воздействует на сигнал возбуждения. По
скольку такие датчики меняют свои характеристики в ответ на изменение внешних
сигналов, их иногда называются параметрическими. Фактически, в активных датчи
ках происходит преобразование изменения их внутренних характеристик в электри
ческие сигналы, т.е. определенные параметры активных датчиков модулируют сиг
налы возбуждения, и эта модуляция несет в себе информацию об измеряемой вели
чине. Например, термисторы являются температурно чувствительными резистора
ми. Сами по себе термисторы не производят никаких электрических сигналов, но
при прохождении через них электрического тока (сигнала возбуждения), их сопро
тивление может быть определено по изменению тока и/или падению напряжения
на них. Значение сопротивления (в омах) отражает измеряемую температуру, кото
рая может быть найдена по известным зависимостям. Другим примером активных
датчиков является резистивный тензодатчик, чье электрическое сопротивление зави
сит от величины его деформации. Для определения сопротивления датчика через него
также необходимо пропустить электрический ток от внешнего источника питания.
В зависимости от выбора точки отсчета датчики можно разделить на абсолют
ные и относительные. Абсолютный датчик определяет внешний сигнал в абсолют
ных физических единицах, не зависящих от условий проведения измерений, тогда
как выходной сигнал относительного датчика в каждом конкретном случае может
трактоваться по разному. Примером абсолютного датчика является термистор. Его
электрическое сопротивление напрямую зависит от абсолютной температуры по
шкале Кельвина. Другой же популярный датчик температуры – термопара – явля
ется относительным устройством, поскольку напряжение на его выходе является
функцией градиента температуры на проволочках термопары. Поэтому определить
конкретную температуру по выходному сигналу термопары можно только относи
тельно известной базовой точки отсчета. Другим примером абсолютных и относи
тельных датчиков является датчик давления. Показания абсолютного датчика со
ответствуют значениям давления относительно абсолютного нуля по шкале давле
ний, т.е. относительно полного вакуума. Относительный датчик определяет давле
ние относительно атмосферного давления, которое не является нулевым.
Другой подход к классификации датчиков заключается в рассмотрении их ха
рактеристик. Для того чтобы отнести датчик к той или иной группе необходимо
знать, какие величины он может измерять, его характеристики, на каком физичес
ком принципе он реализован, какой механизм преобразований он применяет, из
какого материала он изготовлен, какая область его применения. В таблицах 1.1 1.6,
взятых из книги [3], представлена схема такой классификации, которая является
наиболее информативной. Для примера рассмотрим акселерометр на поверхност
ных акустических волнах (ПАВ). Согласно приведенным таблицам ему можно дать
следующее описание.
27
Таблица 1.1 Характеристики
Внешнее воздействие Ускорение
Характеристики Чувствительность определяется как
отношение изменения частоты
на единицу ускорения, краткосрочная
и долговременная стабильность изме
ряется в Гц на единицу времени и т.д.
Физический принцип Механический
Механизм преобразований Упругоэлектрический
Материал Неорганический диэлектрик
Область применения Морской и автомобильный транспорт,
космические исследования,
научные измерения
Таблица 1.2 Материалы датчиков
Таблица 1.3 Средства детектирования
Биологические
Химические
Электрические, магнитные или электромагнитные волны
Тепло, температура
Механическое перемещение или волна
Радиоактивность, излучение
Другие
1.2. Классификация датчиков
Неорганические
Проводники
Полупроводники
Биологические ткани
Органические
Диэлектрики
Жидкости, газы, плазма
Другие
Чувствительность
Стабильность(краткосрочная и
долговременная)
Точность
Быстродействие
Характеристики при перегрузке
Гистерезис
Эксплуатационный ресурс
Стоимость, размеры, вес
Диапазон входных значений
Разрешающая способность
Избирательность
Окружающие условия
Линейность
Мертвая зона
Формат выходного сигнала
Другие
28 Глава 1. Сбор данных
Таблица 1.4 Механизм преобразований
Физические
Термоэлектричество
Фотоэлектричество
Фотомагнетизм
Магнитоэлектричество
Электромагнетизм
Термоупругость
Электроупругость
Термомагнетизм
Термооптика
Фотоупругость
Другие
Химические
Химические преобразования
Физические преобразования
Электрохимический процесс
Спектроскопия
Другие
Биологические
Биохимические преобразования
Физические преобразования
Влияние на тестируемые организмы
Спектроскопия
Другие
Таблица 1.5 Области применения
Архитектура
Гражданское строительство,
проектирование
Распределение, торговля, финансы
Энергетика
Здравоохранение, медицина
Оборонная промышленность
Научные исследования
Транспорт (исключая автомобильный)
Автомобильный транспорт
Домашнее применение
Окружающая среда, метеорология,
средства безопасности
Средства информации,
телекоммуникация
Судоходство
Отдых, развлечения
Космос
другие
Таблица 1.6 Внешние воздействия
Акустические
Амплитуда волны, фаза, поляризация
Спектр
Скорость волны
Другие
Биологические
Биомасса
(вид, концентрация, состояние)
Другие
Химические
Элементы (идентичность,
концентрация, состояние)
Другие
Электрические
Заряд, ток
Потенциал, напряжение
Электрическое поле (амплитуда,
фаза, поляризация, спектр)
Проводимость
Диэлектрическая проницаемость
Другие
Магнитные
Магнитное поле (амплитуда, фаза,
поляризация, спектр)
Магнитный поток
Проницаемость
Другие
29
1.3. Единицы измерения
В этой книге используются единицы измерения системы СИ, принятые на 14 ой
Международной Конференции по Мерам и Весам (1971). В таблице 1.7 приведены
основные единицы измерения физических величин, взятые из французского спра
вочника Le Systeme International d’Unites [4]. Все остальные единицы измерения
являются производными от этих основных единиц. Некоторые из них приведены в
Приложении.
Таблица 1.7 Основные единицы измерения системы СИ
Величина Название Обозначение Определение (Год установления)
Длина Метр м Метр – длина пути, пройденного светом в вакууме
за время, равное 1/299792458 доли секунды
(1983)
Масса Килограмм кг Килограмм – масса эталона, сделанного из сплава
платины и иридия (1889)
Время Секунда с Секунда – длительность 9192631 периодов
излучения, испускаемого атомом Цезия 133 при
точно определенных условиях резонанса (1967)
Оптические
Амплитуда волны, фаза,
поляризация, спектр
Скорость волны
Коэффициент отражения
Излучающая способность
Отражающая способность,
поглощение
Другие
Механические
Положение
(координаты линейные и угловые)
Ускорение
Сила
Напряжение, давление
Деформация
Масса, плотность
Движение, момент
Скорость потока, расход массы
Форма, шероховатость, ориентация
Жесткость, податливость
Вязкость
Упорядоченность структуры,
интеграция
Другие
Излучение
Тип
Энергия
Интенсивность
Другие
Тепловые
Температура
Поток
Тепло
Теплопроводность
Другие
1.3. Единицы измерения
Таблица 1.6 Внешние воздействия (продолжение)
30 Глава 1. Сбор данных
Величина Название Обозначение Определение (Год установления)
Электри Ампер А Ампер сила установившегося электрического тока,
ческий ток который проходя по двум параллельным проводникам
бесконечной длины и ничтожно малого попереч
ного сечения, расположенных в вакууме на рас
стоянии 1 метра друг от друга, вызывает появление
силы между ними, равной 2х10 7Н/м (1946)
Термодина Кельвин определяется температурой тройной точки
мическая Кельвин К воды (когда все три фазы воды: жидкая, парообразная
темпе и твердая –находятся в термодинамическом равновесии).
ратура Эта температура равна 273.16 К. (1967)
Количество Моль моль Моль – количество элементарных частиц (атомов,
вещества молекул, ионов, электронов и др.),
содержащихся в 0.012 кг изотопа улерода 12 (1971)
Интенсив Кандела кд Свеча – сила света, излучаемого в перпендикулярном
ность света (свеча) направлении черным телом, имеющим площадь
поверхности 1/600000 м2, при температуре
замерзания Рt и давлении 101325 Нм2. (1967)
Плоский Радиан рад Дополнительная единица
угол
Телесный Стерадиан срад Дополнительная единица
угол
Часто на практике бывает неудобно напрямую использовать основные едини
цы или их производные, поскольку они могут быть либо слишком большими, либо
слишком маленькими. Тогда применяют стандартные множители или делители,
приведенные в Приложении. При произношении полученных единиц ударение
всегда делается на первый слог. Например, 1 Ампер (А) при умножении на коэффи
циент 10 3 образует меньшую единицу, называемую миллиампером (мА), равную
одной тысячной доле ампера.
Иногда используются еще две системы единиц измерения: Система Гаусса и
Британская Система, которая в США называется Пользовательской Системой США.
Америка является единственной развитой страной, в которой система СИ не явля
ется общеупотребимой. Однако, в скором будущем система СИ будет также приня
та и в США. В этой книге в большинстве случаев используется система СИ. Однако
для удобства понимания в некоторых местах применяется американская система.
Для перевода единиц измерения других систем в систему СИ читатель может вос
пользоваться таблицами приведенными в Приложении (Номенклатура, аббревиа
тура и произношение многих единиц взяты из работы «Standard practice for use of
the International System of units (SI)». Standard E380 91a.©1991 ASTM, West
Conshocken, PA.) Для перевода любой единицы в систему СИ ее необходимо умно
жить на коэффициент, указанный в таблице. Например, для перевода ускорения
55 фут/с2 в систему СИ надо умножить это значение на коэффициент 0.3048:
55фут / с 2 × 0.3048 = 16.764м / с 2 .
31
Подобным образом можно преобразовать значение электрического заряда 1.7
фарадей:
1.7фарадей × 9.65 × 1019 = 1.64 × 10 20 Кл .
Читатель должен понимать как физическую, так и техническую терминоло
гию, принятую в разных странах. Например, в США и многих других странах раз
ность потенциалов называется «вольтаж», тогда как в остальных странах – «электри
ческое напряжение» или просто «напряжение». В этой книге будет часто встречать
ся терминология, принятая в США.