2. Pasivní snímače. 2.1 Odporové snímače

Transkript

1 . Pasivní snímače Pasivní snímače při působení měřené veličiny mění svoji charakteristickou vlastnost, která potom ovlivní tok elektrické energie. Její změna je pak mírou hodnoty měřené veličiny. Pasivní snímače jsou odporové, indukční, kapacitní, vodivostní a fotoelektrické..1 Odporové snímače Odporové snímače převádějí na elektrický signál všechny neelektrické veličiny, jejichž změnu můžeme vyjádřit změnou odporu. Jedná se o snímače polohy, snímače deformací, snímače teploty a snímače viditelného záření..1.1 Odporové snímače polohy Funkce tohoto snímače je založena na realizaci drátového odporu (obr..1). Na tyčce z isolantu je rovnoměrně navinut odporový drát (konstantan, manganin) závit vedle závitu. Délka dráhy je obvykle v rozmezí od desítek do stovek mm. Po povrchu takto vzniklé plochy se pohybuje kontakt, který je mechanicky spojen s pohyblivou částí, jejíž polohu chceme měřit. Obr..1 Princip odporového snímače polohy Elektrické napětí na odporu V U V = U P = U x L Napětí U je přímo úměrné poloze x jezdce a tedy hodnotě mechanického posunutí pohyblivé části stroje. Tato závislost platí za předpokladu, že z >> = 1 +. Pokud není tato podmínka splněna, bude závislost mezi U a x nelineární, jak je znázorněno na obr... Obr.. Závislost výstupního napětí na poloze jezdce 1

2 Aby se eliminoval vliv zatěžovacího odporu na linearitu odporové charakteristiky, zapojuje se odporový snímač do obvodu s operačním zesilovačem (obr..3). Obr..3 Připojení odporového snímače přes OZ Mechanickým uspořádáním odporového snímače do oblouku získáme odporový snímač úhlové výchylky. Délka odporové dráhy je realizována obvykle v úhlu 70. Polohových odporových snímačů se používá pro měření všech neelektrických veličin, které je možné převést na lineární nebo úhlový posuv (např. hladina, tlak aj.)..1. Tenzometrické snímače deformací Změna vodivosti kovů při jejich deformaci vedla ke vzniku oboru tenzometrie. Tenzometry využívají závislosti změny odporu kovových vodičů a polovodičů na jejich pružné deformaci (ohyb, tlak, krut apod.). Platí Hookův zákon pružné deformaceσ = ε E, kde σ je mechanické napětí, ε = L/L relativní prodloužení a E modul pružnosti. Podle materiálu a konstrukce lze tenzometry rozdělit - kovové - drátové, fóliové a napařované, - polovodičové - řezané z monokrystalů ve tvaru vláken nebo piezorezistivní Tenzometrů se používá pro měření síly, tlaku, vibrací, zrychlení, geometrických rozměrů a průtoků. Odpor válcového kovového vodiče je závislý na jeho délce L a průřezu S = ρ L S kde konstanta úměrnosti ρ je měrný odpor. Pro kovové tenzometry namáhané v podélné ose tahem platí v omezeném rozsahu teplot deformační charakteristika L = K P = K P ε L kde Kp je součinitel deformační citlivosti, jehož velikost je závislá na materiálu tenzometru. Součinitel deformační citlivosti materiálů, kterých se používá pro výrobu drátových tenzometrů je v rozmezí 1,6 3,5 (u konstantanu Kp = ), u polovodičových tenzometrů v rozmezí (větší nelinearita a teplotní závislost).

3 Pro namáhání všestranným tlakem ve všech hlavních osách platí = α p p kde p je tlak a αp tlakový součinitel. Deformační charakteristika polovodičových tenzometrů je dána nelineárním vztahem: = C 3 1 ε + C ε + C3 ε kde C1, C, C3 Jsou součinitelé, které závisí na měrném odporu tenzometru, krystalografické orientaci tenzometrického čidla a na druhu vodivosti. U křemíkových tenzometrů je možné kubický člen vynechat. Odporově tenzometrické snímače se skládají z vlastního čidla (drátku, fólie, vlákna křemíku) a z podložky (nejčastěji papíru nebo pryskyřice). Podložka zprostředkovává přenos deformace s povrchu měřeného tělesa (např. membrány vystavené tlaku) na vlastní čidlo. Podložka se na povrch měřeného tělesa lepí speciálními lepid1y. Příklady tvarového uspořádání různých typů tenzometrů jsou na obr..5. Obr..5 ůzná provedení tenzometrů a) drátový tenzometr, b) fóliový tenzometr, c) polovodičový tenzometr 1 podložka, drátek, 3 fo1ie, 4 vlákno či destička polovodiče (tloušťka setiny až desetiny mm, délka jednotky mm)..1.3 Odporové snímače teploty Odporové snímače teploty využívají závislosti odporu kovů nebo polovodičů na teplotě. Jejich materiál má mít co největší měrný odpor, co největší teplotní součinitel odporu, který má být požadovaném rozsahu teplot stálý. 3

4 Kovové odporové snímače teploty Tyto mají nejčastěji jako materiál čidla Pt Ni. Cu nebo Ag ve tvaru drátků navinutých na vhodné podložce. Nejrozšířenější je odporový snímač platinový, jehož teplotní závislost odporu je dána v rozsahu 0 C až 850 C rovnicí: ϑ [ + A ϑ + ( ) ] = 1 ϑ 0 B kde ϑ je odpor snímače při teplotě ϑ, 0 odpor snímače při tep1otě 0 C, A = / C, B= / C ϑ je rozdíl teploty ϑ a teploty 0 C V rozsahu teplot 0 C až 00 C přistupuje ještě kubický člen. Platinové snímače představují teplotní etalony v rozsahu teplot -58,34 C až +630,74 C, Polovodičové odporové snímače teploty Podle materiálu můžeme polovodičové odporové snímače teploty rozdělit na: polykrystalické - termistory, jejich odpor s teplotou klesá a posistory, jejich odpor s teplotou stoupá monokrystalické - bez přechodu PN (z Ge, Si, GaAs a jiného materiálu) a s přechody PN (diodové nebo tranzistorové snímače). Termistory jsou nelineární polovodičové součástky s velkou závislostí elektrického odporu na teplotě, přičemž jejich teplotní součinitel odporu Je 5 až 50x větší než u kovových vodičů. Vyráběny jsou práškovou metalurgií (spékáním) kysličníku Fe03, Ti0, CuO a jiných. Teplotní závislost jejich odporu je dána vztahem B B T = 0 exp T0 T kde T a 0 Je odpor termistoru při teplotě T resp. T0 v K, B materiálová konstanta. Odpor 0 bývá 10-1 až l0 8 Ω. Pro malé změny teploty je možné použít lineární závislost [ + ( T )] 1 T T = 0 α T 0 B kde α T = je teplotní součinitel odporu termistoru. T 0 Teplotní součinitel odporu α T se zmenšuje přibližně se čtvercem absolutní teploty. Pro správnou činnost termistoru jako snímače teploty je nutné, aby proud, který jím prochází, byl co nejmenší. Posistory jsou polykrystalické polovodičově součástky s kladným teplotním součinitelem odporu. Pro měřeni teploty se využívají jen v úzkém teplotním rozmezí, ve kterém přibližně platí lineární závislost jejich odporu na teplotě. Používají se spíše jako čidla teplotních ochran. 4

5 Obr..6 Závislost odporu posistoru na teplotě Diodové snímače teploty s přechodem PN využívají závislosti proudu v diodě při konstantním napětí v propustném i závěrném směru na teplotě, která však není zcela lineární. Pro nasycený proud v závěrném směru platí I Sϑ = I exp( b ϑ), b = 0,05 0,1 K Sϑ0 1 Obdobně tranzistorové snímače teploty využívají tohoto jevu na přechodu B-E..1.4 Odporové snímače infračerveného záření, nazývané bolometry, byly po prvé uvedeny ani kolem roku l880. Pracují tak, že absorpci zářivého toku se mění teplota odporového článku a tím i jeho odpor. Podle použitého materiálu je můžeme rozdělit na kovové a polovodičové (polykrystalické nebo monokrystalické). Materiály pro kovové bolometry jsou Pt, Ni, Bi atd. Velmi malé tepelné kapacity je dosaženo tenkou vrstvou kovu 0,1 až 3µm. Délka kovového pásku je řádu mm šířka řádu desetinách mm. Pásek je dokonale začerněn zlatou nebo platinovou černí, aby přijímal všechny vlnové délky zářeni. Bolometry můžeme používat pro bezdotykové měření teploty v rozsahu C. Moderní polovodičové bolometry jsou z polykrystalického materiálu. Používají se výbrusy z křemene..1.5 Odporové snímače viditelného záření se také nazývají fotodetektory. Obvykle jsou polovodičové, a to buď z polykrystalického materiálu (fotorezistory) nebo z monokrystalického materiálu s přechodem PN (fotodiody, fototranzistory ). Fotorezistory jsou založeny na změně odporu polovodiče v důsledku jeho osvětlení. Dopadající světelný tok zpravidla generuje v polovodiči přídavné volné nosiče proudu, což způsobí zvýšení vodivosti resp. snížení odporu. Jako materiál se používá selen a jeho sloučeniny s kovy a antimon india. Fotodiody využívají vnitřního fotovoltaického jevu a schopnosti PN přechodu separovat volné nositele náboje. Když dopadá viditelné záření na oblast přechodu, objeví se na něm přídavný potenciál. Potom se dioda chová jako odpor řízený osvětlením. Na obr.7 je nakreslena V-A charakteristika fotodiody. 5

6 Obr..7 V-A charakteristika fotodiody. Indukčnostní snímače Pasivní indukčnostní snímače, v praxi běžně nazývané indukční vysílače, tvoří rozsáhlou skupinu pasivních snímačů, u nichž je neelektrická veličina převedena na změnu vlastní nebo vzájemné indukčnosti. Jako všechny ostatní snímače jsou i tyto snímače zapojeny do elektrického obvodu, v tomto případě se střídavým napětím. Indukčnostní snímač se skládá z jedné nebo více cívek. Magnetický obvod cívky může být uzavřený nebo otevřený, s feromagnetickým jádrem nebo bez feromagnetického jádra. Každá indukční cívka, u které musíme uvažovat kromě její indukčnosti ještě ohmický odpor a kapacitu, je spojena s elektrickým obvodem spojovacím vedením, jehož indukčnost, odpor i kapacita se také projevují a tyto veličiny mohou výrazně ovlivnit parametry snímače a přesnost měření. Tab..1 Základní typy indukčnostních snímačů linearních posunutí 6

7 Dále je popsáno provedení těchto indukčnostních snímačů: - snímače lineární výchylky s uzavřeným magnetickým obvodem, které se nazývají snímače s malou vzduchovou mezerou nebo snímače s otevřeným magnetickým obvodem v transformátorovém provedení, - snímače úhlové výchylky, které se nazývají selsyny. Pro indukčnostní snímače lze jako měřicích obvodů využít - střídavé můstky - transformátorové můstky - rezonanční obvody..1 Snímače s malou vzduchovou mezerou Indukčnostní snímač s malou vzduchovou mezerou je podobný konstrukci indukčního snímače elektromagnetického uvedenou na obr.4.3 v kapitole aktivních snímačů. V tomto případě se však feromagnetická část (kotva) se pohybuje spolu s pohyblivou částí, jejíž polohu měříme. Výstupní veličinou je změna její impedance Z vyvolaná změnou magnetického odporu magnetického obvod cívky změnou vzduchové mezery. Ta pak vyvolá změnu proudu v cívce, který může měřit. Z = jωµ 0 SN l Z kde N Z je počet závitů cívky, S průřez jádra cívky, l šířka vzduchově mezery, µ 0 permeabilita vakua,.. Transformátorový snímač Transformátorové indukční snímače (indukční vysílače) patří mezi indukčnostní snímače s otevřeným magnetických obvodem, u nichž se změna měřené veličiny projevuje změnou vzájemné indukčnosti cívek sekundárního vinutí. Změnou polohy jádra se mění koeficient vzájemné indukčnosti mezi oběma systémy cívek Jádro je vyrobeno z feritu nebo z měkkého železa a je nastavitelné podélně ve vzduchové mezeře. Je-li jádro zcela zasunuto nebe zcela vysunuto, jsou koeficienty vzájemné indukčnosti M1 a M stejně, ale indukovaná elektromotorická napětí U1 a U jsou navzájem opačného směru, a proto se ruší, protože sekundární vinutí jsou zapojena protisměrně. Posune-li se jádro, pak se změní koeficienty vzájemné indukčnosti a na sekundárním vinutí se objeví rozdílové napětí U V0, které se obvykle dvoucestně usměrňuje a přivádí na měřicí přístroj 7

8 Obr..8 Schéma transformátorového snímače Závislost výstupního napětí na rozdílu vzájemných indukčností U V 1 ω( M 1 M ) 1 0 ( jω) = U Z ( jω) L1 1+ ω 1..3 Selsynový snímač Selsyn se skládá ze statoru, provedeného stejně jako stator třífázového asynchronního motoru se souměrným vinutím, a z rotoru, který je vinutý jednofázově a je napájen střídavým budícím napětím Hz. Selsyn vypadá jako motor, je to však typ indukčnostního snímače s primárním (rotor) a sekundárním vinutím (stator). Pro přenos úhlu natočení nějaké mechanické součásti se používá dvou selsynů, z nichž jeden je vysílač a druhý přijímač. Příkladem může být anténa radiolokátoru a rotační cívka radiolokačního displeje, které se musejí synchronně otáčet. Je-li rotor selsynu vysílače, který ovlivňuje měřená veličina, ve stejné poloze jako rotor přijímače α 1 = α ), pak se ve vinutích obou statorů indukuje stejné napětí a synchronizačním vedením neprochází žádný proud. Jakmile se vlivem měřené veličiny změní poloha rotoru vysílače, jsou napětí indukované ve statorech vysílače a přijímače různá a vznikne synchronizační proud, který v přijímači vytvoří magnetické pole, které jej natočí do stejné polohy, v jaké je rotor vysílače. Synchronizačním vedením opět neprotéká žádný proud. otor přijímače tedy sleduje úhlovou výchylku rotoru vysílače. Selsynové snímače se používají například u hladinoměrů. 8

9 Obr..9 Selsynový snímač polohy 1 rotor, stator, 3 selsyn vysílač 5 synchronizační vedení, 4 selsyn přijímač.3 Kapacitní snímače Kapacitní snímače jsou podstatě dvou a víceelektrodové kondenzátory, jejichž parametry se mění působením měřené veličiny. Kapacita jednoduchého rovinného snímače je dána vztahem: C = ε S d kde S je plocha elektrod, d vzdálenost elektrod, ε permitivita dielektrika. Působeni měřené veličiny můře měnit u kapacitního snímače: - velikost mezery mezi deskami, - plochu desek - dielektrikum Změna dielektrika může nastat těmito způsoby: - změnou plochy dielektrika a společného oběma elektrodám - změnou tloušťky dielektrika, - změnou permitivity. Změny dielektrika se využívá ve snímačích pro měření výšky hladiny kapalin, kdy ob elektrody jsou obvykle válcové, nebo pro bezdotykové měřeni rozměrů, druhého způsobu pro měření síly a třetího pro měření vlhkosti látek. 9

10 Tabulka 4.3 ůzně typy kapacitních snímačů.4 Vodivostní snímače Vodivostní snímače slouží k měřeni elektrolytické vodivosti roztoků, které je možno využívat pro kvantitavní analýzu kapalin a plynů konduktometrickou metodou. Tyto snímače jsou v podstatě kovové elektrody, které se ponoří do roztoku a měří se procházející proud. Elektrolytická vodivosti γ roztoků závisí přibližně lineárně na koncentraci iontů ρ i rozpuštěných látek (obr..10). Pokud nedochází k polarizaci elektrod, pak platí u elektrolytických vodičů Ohmův zákon. Kapalina se stává části elektrického obvodu a chová se jako elektrický odpor, přičemž protékající proud je úměrný obsahu iontů v kapalině. Sloupec kapaliny představuje elektrický vodič, jehož délka odpovídá vzdálenosti elektrod L a jehož průřez může být nahrazen plochou elektrod S. Pro odpor mezi dvěma elektrodami platí Z toho vyplývá L 1 = ρ = K S γ γ = K kde ρ je měrný elektrický odpor, γ měrná elektrická vodivost v S.cm -1, K je elektrodová konstanta, která závisí na konstrukci elektrod a elektrodové nádobce. Obr..10 Měrná vodivost roztoků 10

11 Hodnota vodivosti závisí na teplotě. Na rozdíl Od kovových voličů vodivost elektrolytů se stoupající teplotou stoupá. Pří nízkých koncentracích a malých rozdílech teplot je teplotní závislost vodivosti dána lineární rovnicí: ( + β ϑ) γ = γ kde β 1 je teplotní součinitel vodivosti a ϑ rozdíl teplot. Měrná elektrická vodivost je tedy obecně funkcí koncentrace látek a závisí na teplotě. Koncentrace se z naměřených hodnot vodivosti stanovuje pomocí cejchovních grafů..5 Optoelektrické snímače Měřená neelektrická veličina ovlivňuje výstupní ve1ičinu optoe1ektrických snímačů těmito způsoby. - změnou osvětlení fotonky clonkou (použití u všech měřených veličin, které je možno převést na lineární, nebo úhlovou výchylku,) - změnou osvětlení fotonky absorpcí záření měřenou látkou (h1adinoměry, kolorimetry atd), - změnou osvětlení fotonky změnou směru paprsků (refraktometry). Snímače založené na optoelektrickém principu lze podle použití rozdělit na metody analogové (spojité), impulsní (nespojité) a číslicové. Pro měření mechanických veličin se v těchto metodách vždy používá vhodný zdroj záření, detektor záření a někdy optická soustava. Jako zdroj záření se ve viditelné oblasti záření λ= 0,4 um - 0,7 um) používají žárovky s optickou soustavou nebo luminiscenční diody LED. V infračervené oblasti (λ >0,7 um) se používají GaAs luminiscenční diody. Pro velmi přesná měření délek se jako zdroj koherentního a monochromatického záření používají plynové nebo polovodičové lasery. Ve funkci indikátoru záření jak v oblasti viditelného tak v oblasti infračerveného spektra se používají fotodiody, fotoodpory, fototranzistory. Pro analogové systémy se jak zdroj záření používají luminiscenční diody. Vyzařovací plocha krystalu je řádově desetiny plošných milimetrů a lze tedy tento zdroj považovat za bodový. Z hlediska energetické účinnosti jsou nejvýhodnější diody emitující infračervené záření. Účinnost GaAs diod dosahuje pro λ = 0,9 um až 99 % a navíc je tatovlnová délka optimální z hlediska spektrální citlivosti křemíkových fotodiod (viz obr..11) Obr..11. Spektrální charkteristika GaAs luminiscenční diody a Si fotodiody 11

12 Z hlediska vyhodnocení ozáření je nejvhodnější použití fotodiody jako zdroje proudu (hradlový jev). Proud nakrátko (obr..11) je prakticky lineární funkcí osvětlení a jen málo závisí na teplotě (0, % /K). Naproti tomu výstupní napětí hradlové fotodiody (obr..11 je nelineární funkcí osvětlení a navíc je teplotně závislé. Použití fototranzistorů je nevýhodné z důvodu nelineární závislosti proudu na osvětlení a větší teplotní závislosti než u fotodiody. Ze stejných důvodů není vhodné použití fotoodporů. Spojité optoelektrické systémy Snímání různých mechanických veličin (dráha, úhel natočení, deformace tělesa, nerovnosti povrchu aj.) se převádí u analogových optoelektronických systémů na posun clony. Základní uspořádání je patrné obr..1. Obr..1. Fotoelektrický snímač poloh (S citlivý povrch fotodiody) Dá se odvodit závislost proudu fotodiody na hodnotě x posunutí clonky, která je nelineární. Pokud tuto závislost linearizujeme tečnou v jejím inflexním bodě, dostaneme vztah linearizované závislosti I(x). Tím se při měření dopouštíme určité chyby. b x I ( x) = K arctg D D + I 1 b x D D kde K je konstanta daná svítivostí bodového zářiče a citlivostí fotodiody, I 0 proud fotodiody pro počáteční x = 0. Doposud jsme předpokládali, že K je konstanta a že tedy proud diody není závislý na kolísání svítivosti zdroje a proměnné citlivosti fotodiody. Vzhledem k teplotním a časovým změnám obou veličin je nutné tyto změny v některých případech z měření vyloučit. To lze provést použitím diferenčního snímače polohy (dvojitá fotodioda) s automatickou kompenzací uvedených chyb (obr..13). 0 1

13 Obr..13 Kompenzace vlivu časových změn Pokud udržujeme součet proudů I 1 + I = k konstantní regulací proudu v LED diodě. Potom bude I 1 I = x 1/k. Nespojité optoelektrické systémy Jedním ze způsobů odměřování mechanického posunutí je ten, že po odměření určité vzdálenosti vyšle optoelektronický vysílač impulsů elektrický impuls. Sled impulsů je pak zpracován v čítači. Odměřování dráhy se tedy převádí na čítání impulsů přírůstkovým (tzv. inkrementálním) způsobem. Aby mohl být rozlišen směr pohybu měřeného tělesa, je nutné vybavit optoelektronický vysílač dvěma fázově posunutými fotoelektrickými snímači a čítač musí být obousměrný. Příklad uspořádání přímkového vysílače je na obr..14. Obr..14 Přímkový optoelektronický vysílač polohy Použití přímkových vysílačů není tak časté, protože délka měřítka se bude i při vhodné volbě materiálu (sklo, speciální kovové slitiny) měnit s teplotou. Mnohem častěji se používají 13

14 kruhové snímače, u nichž nemá teplotní roztažnost materiálu měřítka vliv na úhlové dělení a přesnost vysílače je ovlivněna prakticky pouze převodem přímého pohybu na točivý. ysky na měřítku, se zhotovují na skle fotochemickou technologií a na kovech fotolitografií. Optická dráha světelného toku je vymezena clonami a optickými soustavami. Šířka mezer a rysek na měřítku a mezer na cloně je stejná. Posuvem měřítka dochází k postupnému zacloňování a odcloňování fotodiody nebo fototranzistoru. 14