Физические датчики. 
Теория информации

Физические датчики — это устройства, которые, подвергаясь воздействию физической измеряемой величины, выдают эквивалентный сигнал, обычно электрической природы (напряжение, ток, заряд или изменение импеданса датчика), являющийся функцией измеряемой величины:

где S — выходной сигнал датчика; т — физическая величина, характеризующая объект (температура, давление, ускорение и т. д.).

Измерив значение S, можно определить тем самым значение т. Соотношение S = f (m) выражает в общей теоретической форме физические законы, положенные в основу работы датчиков. Для всех датчиков характеристика преобразования — соотношение S = f (m) — в численной форме определяется экспериментально в результате градуировки, при проведении которой для ряда точно известных значений т измеряют соответствующие значения S, что позволяет построить градуировочную кривую (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Градуировочную кривая: а — получение градуировочной кривой по известным значениям измеряемой величины т; б — использование градуировочной.

кривой для определения т

При использовании датчика из этой кривой для всех полученных в результате измерения значений S можно найти соответствующие значения искомой величины т (рис. 2.1, б).

Для удобства работы датчик стараются построить или использовать таким образом, чтобы существовала линейная зависимость между малыми приращениями выходной AS и входной Ат величин:

где у — чувствительность датчика.

Важнейшей проблемой при проектировании и использовании датчика является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как можно меньше зависеть от величины т (предопределяя линейность характеристики преобразования), частоты изменения значений т, от времени и от воздействия других физических величин, характеризующих не сам объект, а его окружение.

Для датчиков технических систем, в связи с обработкой их сигналов на цифровых процессорах, обязательно требуется выдача электрических сигналов. Различают генераторные датчики (зарубежное название — активные) и параметрические (зарубежное название — пассивные).

Принцип действия генераторного датчика основан на том или ином физическом явлении, обеспечивающем прямое преобразование соответствующей измеряемой величины в электрическую форму энергии. Наиболее часто используют эффект Зеебека (возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев: преобразование температура —" электричество), пироэлектрический эффект (возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры: преобразование температура —*? электричество), внешний фотогальванический эффект (появление свободных электронов в облучаемом светом веществе: преобразование свет —> электричество), эффект Холла (возникновение разности потенциалов на гранях твердого тела при пропускании через него электрического тока и при приложении магнитного поля перпендикулярно направлению электрического тока), пьезоэлектрический эффект (возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением: давление —> электричество), электромагнитную индукцию. Структурная схема такого датчика, называемого датчиком прямого типа, приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема генераторного датчика прямого типа

Однако нс всегда возможно построить датчик на основе прямого преобразования той или иной физической величины в электрический сигнал. Во многих случаях приходится использовать дополнительные преобразования. Датчики подобного типа называют косвенными (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Структурная схема генераторного датчика косвенного типа

Например, в электродинамическом микрофоне давление воздуха вызывает перемещение мембраны и подсоединенной к ней катушки, которая помещена в магнитное поле. При перемещении катушки в ней наводится ЭДС. Ещё одним примером датчика косвенного тина может служить датчик обледенения, выполненный на основе оптического элемента. Здесь осаждение инея вызывает изменение освещенности, которое, в свою очередь, преобразуется в выходной электрический сигнал.

В параметрических датчиках некоторые параметры могут меняться под воздействием измеряемой величины. Импеданс датчика, с одной стороны, обусловлен геометрией и размерами его элементов, а с другой стороны — свойствами материалов: удельным сопротивлением р, магнитной проницаемостью р, диэлектрической постоянной к.

Электрические свойства материала и состояние чувствительного элемента датчика зависят от переменных физических величин: температуры, давления, влажности, освещенности и т. д. Если меняется только одна из величин, а остальные поддерживаются постоянными, то можно оценить существующее однозначное соответствие между значениями этой величины и импедансом датчика. Это соответствие описывается градуировочной кривой. Зная градуировочную кривую, по результатам измерения импеданса можно определить соответствующее значение измеряемой величины.

Изменения параметров параметрического датчика можно измерить, не иначе, как включая датчик в специальную электрическую схему, содержащую источник питания и схему формирования сигнала (например: мостовая схема, колебательный контур).

В течение последних двадцати лет наблюдается значительный прогресс в научных исследованиях и изобретениях в области датчиков. Существенным достижением являются датчики на поверхностных акустических волнах.

Рис. 2.4. Устройства на основе МЭМС^[1]: а — подвижное соединение микрошестеренок; б — микродинамометр, позволяющий измерять тангенциальные и нормальные силы, а также оценивать микротрение (подвижный стержень и дуговая шкала отпечены стрелкой); в — микроактюатор; г — приводной микромеханизм; д — оптический переключатель (зубчатый кремниевый диск может быть механически выставлен в 4 положения, условно соответствующих сигнапам (0,0), (1,0), (0,1) и (1,1) (два положения отмечены стрелками), информация считывается неподвижным сфокусированным лазерным лучом; е — передаточное микроустройство, преобразующее вращательное движение в поступательное; ж — подвижное кремниевое микрозеркало (показано стрелкой), которое может изменять угол наклона за счет поступательного движения поршня, приводимого в движение передаточным устройством (е); з — оптический затвор; и — трехцилиндровый паровой двигатель: вода внутри каждого цилиндра нагревается электрическим током, и образовавшийся пар выталкивает поршень, при охлаждении жидкости поршень втягивается обратно в цилиндр под действием капиллярных сип.

Тенденцией развития датчиков является микроминиатюризация на основе технологии MEMS. Микроэлектромеханические системы (или микроэлектронные системы) управляются электричеством; MEMS называют также micromachines (в Японии), или технологии микросистем — MST (в Европе). Они обычно состоят из центрального блока, который обрабатывает информацию (микропроцессор), и нескольких компонентов, которые взаимодействуют с внешним миром. Как правило, к MEMS (рис. 2.4) относят механические устройства размером от нанометра до микрометра. Важно отметить, что на таком масштабе законы классической механики не всегда применимы. Поскольку отношение поверхности к объему для МЭМС на порядки больше, чем для макроскопических механических устройств, особое значение приобретают поверхностные эффекты, связанные с трением, электростатическими взаимодействиями и смачиваемостью.

В соответствии с недавним прогнозом производство микроэлектромеханических сенсоров и актуаторов (сенсоры со встроенным исполнительным механизмом) будет ежегодно прирастать (в среднем на 27% годовых).

До недавнего времени автомобильная электроника была главной движущей силой MEMS-рынка. Однако (согласно оценкам экспертов) акцент постепенно смешается в сторону производства устройств для потребительского сектора, например акселерометров и гироскопов для пультов дистанционного управления игровых консолей. Резко возрастет количество MEMS-устройств в составе дорогих мультимедийных телефонов и переносных накопителей на магнитных дисках, где они, как правило, обеспечивают работу систем стресс-защиты, улавливая опасные для жизни устройства ускорения.

Интенсивно разрабатываются датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), созданы образцы датчиков массы, влажности, температуры, деформации, магнитного поля [9].

• [1] Использованы микрофотографии с сайга Sandia National Laboratories (http://www.mems. sandia.gov)