2010.10.12.

1

Analitikai szenzorok –harmadik részGalbács Gábor

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokHőmérséklet, nyomás, tömegáram, elektromágneses sugárzás

A konkrét szenzorok közül a következőkben először a fizikai szenzorokkal foglalkozunkmajd, mégpedig illusztrációképpen azon fizikai mennyiségek mérésére szolgálószenzorokkal, amelyek az analitikai kémiai alkalmazásokban, műszerekben fontosparamétereket mérnek:

hőmérsékletnyomásáramlási sebesség (tömegáram)fényintenzitás

2010.10.12.

2

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokHőmérsékletmérő szenzorok

A hőmérséklet mérése, ismerete a kémiai rendszerekben is az egyik legfontosabbfeladat. Amint azt korábban említettük, a szenzorikában, a szabályzó‐ ésmérőrendszerekben kiemelt fontosságú a hőmérséklet mérése, mivel a legtöbb szenzorválaszjele hőmérsékletfüggő, ezért hőmérsékletmérő szenzorok beépítésével(hőmérséklet‐kompenzációs módszerekkel) a pontosságot nagymértékben lehetjavítani.

A hőmérsékletmérésre számos fizikai jelenség, anyagi jellemző hőmérsékletfüggéselehetőséget kínál (transzdukció). Ezek közül itt most a következőkkel fogunk foglalkozni:

az elektromos ellenállás megváltozása (rezisztív szenzorok)termoelektromos hatás (termoelektromos szenzorok)fél tőkb l ját ódó f l t k (fél tő k)félvezetőkben lejátszódó folyamatok (félvezető szenzorok)optikai folyamatok (optikai szenzorok)piezoelektromos hatás (piezoelektromos szenzorok)piroelektromos hatás (IR sugárzásmérő szenzorok)

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontakt hőmérsékletmérő szenzorok

A hőmérsékletmérő szenzorok ezen túlmenően két osztályba sorolhatók: a kontakt és anem‐kontakt (IR sugárzásmérő, piroelektromos) hőmérsékletmérő szenzorokcsoportjába.

A k k hő é ékl é é á (l bá il ki i) á i éA kontakt hőmérsékletmérés során a szenzor (legyen az bármilyen kicsi) átveszi a mértobjektum termikus energiájának egy részét, „hőátadás” történik. Ez egyfelől azt jelenti,hogy egy kontakt hőmérő mindig megzavarja a mért rendszert, másfelől hogy a kontakthőmérsékletmérés egy egyensúlyi folyamat és mint ilyen, csak véges mérési hibamegengedése esetén ér véget a mérési folyamat. Mindebből következően fontosműszaki/tervezési feladat az adott mérendő rendszerhez megtalálni/kialakítani amegfelelő kontakt hőmérsékletmérő szenzort.

A kontakt hőmérsékletmérő szenzorok közül a következő típusokkal fogunk foglalkozni:A kontakt hőmérsékletmérő szenzorok közül a következő típusokkal fogunk foglalkozni:

RTD (film vagy huzal formájú fém anyagú ellenállás/rezisztor)szilícium félvezető ellenállástermisztor (fémoxid alapú ellenállás, PTC és NTC)termoelemszilícium p‐n átmenetkontakt optikai hőmérsékletmérő szenzorok

2010.10.12.

3

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokRTD hőmérsékletmérő szenzorok

Az RTD (resistive thermal detector) szenzortípus lényegében egy fémhuzalból vagy fémvékonyrétegből áll. Az érzékelés fizikai alapjául az szolgál, hogy minden fém és ötvözetelektromos ellenállása hőmérsékletfüggő. Szinte kizárólag platina anyagú RTD‐khasználatosak, mivel megbízható működésűek, jó a hosszútávú stabilitásuk, széleshő é ékl á b h álh ók é b k A á ik k i lhőmérséklettartományban használhatók és robusztusak. A másik gyakori alapanyag awolfrám. A jó érzékenység érdekében hosszú érzékelő rétegeket használnak.

huzalcséve (wire‐wound) típus: Pt huzal kerámia hordozóra felcsévélve (felragasztva)és kerámia tokban elhelyezve. Vékony üvegréteg rögzíti és védi a fémhuzalt.

vékonyréteg (thin film) típus: Pt vagy Pt ötvözet vékony kerámia, üveg vagy szilíciumlapkára rögzítve. Vékony üvegréteg rögzíti és védi a fémcsíkot.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokRTD hőmérsékletmérő szenzorok

A Pt RTD esetében a különböző hőmérséklettartományokban a következő Callendar –van Dusen közelítő polinomiális transzfer függvényeket szokás alkalmazni (t ahőmérséklet °C egységekben, R0 a 0°C‐on mért ellenállás):

200°C ól 0°C i‐200°C‐tól 0°C‐ig:

0°C‐tól 630°C‐ig:

( ))100t(CtBtA1RR 20t −⋅+⋅+⋅+⋅=

( )20t tBtA1RR ⋅+⋅+⋅=

Az egyenletekben A, B és C a szenzor alapanyagára jellemző állandók, amelyek értékétkülönböző referencia hőmérsékleteken állapítanak meg kalibrációval.

Egy RTD szenzor pontossága kb. ±0.025°C, működési tartománya: kb. ‐200°C … 600°C.

2010.10.12.

4

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokSzilícium félvezető ellenállás szenzorok

Az n‐típusú szennyezett szilícium félvezető ellenállás jellegzetessége, hogy egybizonyos hőmérséklet (kb. 200 °C) alatt az ellenállásának pozitív a hőmérsékletikoefficiense, míg afölött negatív (ez utóbbi a tiszta szilícium félvezetőre jellemző).Ennek oka, hogy magasabb hőmérsékleteken a spontán generálódott töltséhordozók

i é ő é í é h ilí i lmennyisége megnő, és így nem a szennyezés, hanem a szilícium alapanyagtulajdonsága fog dominálni az elektromos ellenállás alakulásában. Mindez azt jelenti,hogy a gyakorlati szempontból leggyakrabban használatos, 200 °C alatti tartománybankészíthető n‐szennyezett szilícium félvezető alapanyagból ellenállás hőmérő, amiráadásul tűrhető linearitással is bír. Az eszköz tipikus pontossága néhány százalék.

n‐típusú PS ellenállása tipikus transzfer függvény tipikus mérési hiba

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokTermisztorok

A termisztor kifejezés alatt fémoxid vagy kerámia típusú ellenállásokat értünk, amitanyagi minőségük függvényében két csoportba sorolunk. A két csoport a negatívhőmérsékleti koefficiensű (NTC, negative thermal coefficient) és a pozitív hőmérsékletikoefficiensű (PTC, positive thermal coefficient) ellenállások csoportja. A termisztorokat

kfél i i ki i lb á ják l l k úd h l k b Asokféle geometriai kivitelben gyártják, pl. csepp alak, rúd, henger, lapka, stb. Atermisztorok sokkal érzékenyebbek, mint az RTD hőmérők, de transzfer függvényüknagymértékben nemlineáris, ezért legtöbbször csak szűk hőmérséklet tartománybanhasználatosak (pl. 0 … +150°C) és viszonylag erőteljes öregedést mutatnak.Leggyakrabban a Steinhart‐Hart transzfer függvényt alkalmazzák rájuk (T Kelvinben):

NTC termisztorok anyaga: Mn, Ni, Co, Fe, Cu és Ti oxidPTC termisztorok anyaga: dópolt Ba‐ vagy Sr‐titanát kerámia

A pontosságra (akár ±0.02°C) kihat az önfűtési effektus is…

2010.10.12.

5

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokTermoelemek

A termoelem (thermocouple) két különböző anyagiminőségű fémszálból (az ábrán: A és B) egyikvégüknél összeforrasztott szenzor. A két fémszálszabad végei között mV nagyságrendű feszültség

é h ő h hő é ékl k l b é h k lémérhető, ha hőmérséklet‐különbséget hozunk létreaz összeforrasztott (melegpont, hot junction) és aszabad végek között (hideg‐ vagy referenciapont,cold junction). Ez a Seebeck effektus.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokTermoelemek

A termoelemek széles hőmérséklet‐tartományban (akár 1500°C) képesek működni,robusztusak, jó linearitásúak, sokféle fizikai méretben és kivitelben elkészíthetők.Gyakorlati alkalmazásukat azonban sokáig megnehezítette, hogy a referencia pontszámára egy ismert, fix hőmérsékletű fürdőt (általában jeges víz) kellett biztosítani. Ezma már elektronikai eszközök használatával elkerülhető (cold junction compensation)ma már elektronikai eszközök használatával elkerülhető (cold junction compensation).Az alapötlet lényege, hogy a termoelem kalibrációjához valójában nem szükséges areferencia pontnak fix hőmérsékletűnek lennie, elegendő csak annak a hőmérsékletétpontosan ismerni, pl. egy másféle hőmérsékletmérő szenzorral mérni (aminek elegendőcsak a szobahőmérséklet közelében pontosan működnie). Ezt mutatja be az alábbi ábra(LM35DZ félvezető szenzorral).

2010.10.12.

6

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokp‐n átmenet alapú félvezető szenzorok

A nyitó irányban előfeszített p‐n félvezető átmenet (dióda) működése (átmenetiellenállása) erős hőmérsékletfüggést mutat. Ha tehát a diódát egy áramgenerátorhozkötjük és mérjük az átmeneten eső feszültséget, akkor így egy, az átmenethőmérsékletét mérő félvezető eszközhöz jutunk. Ennek az elegáns eszköznek nagyelőnye nagymértékű linearitása ami kalibrációval nagyfokú pontosságot (kb 0 1%)előnye nagymértékű linearitása, ami kalibrációval nagyfokú pontosságot (kb. 0.1%)eredményez. A mérési tartomány tipikusan kb. ‐50°C‐tól +150°C‐ig terjed. Többtranzisztorból vagy diódából álló integrált áramkörökkel mind feszültségkimenetű (pl.LM35Z) mind áramkimenetű (pl. AD590) típusokat készítenek.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontakt optikai hőmérsékletmérés – fluoreszcenciás szenzorok

A kontakt fluoreszcenciás hőmérsékletmérő szenzorok működése afotolumineszcenciás emisszió lecsengési sebességének hőmérsékletfüggésén alapul. Afotolumineszkáló anyagot (pl. Mn(IV)‐gyel adalékolt Mg‐fluoromagnetit vagy rubin, stb.)vagy a mérendő objektumra vagy a szenzorfejre viszik rá (az anyag veszélytelen, hő‐ ésUV stabil) A gerjesztő fény odavezetését és az emittált fény elvezetését száloptikaUV‐stabil). A gerjesztő fény odavezetését és az emittált fény elvezetését száloptikasegítségével oldják meg. Annak érdekében, hogy a gerjesztő és emittált fény egymástne zavarja, eltérő hullámhosszúságokat alkalmaznak (pl. színszűrővel elválasztva őket).A gerjesztő fényforrás Xenon villanó lámpa vagy félvezető lézer. A szenzorkonstrukcióelőnye, hogy a válaszjel jel (időállandó) a fényintenzitásoktól nem függ, jólreprodukálható, széles hőmérséklet‐tartományban használható (pl. ‐200°C‐tól +400°C‐ig). A mérési pontosság már kalibráció nélkülis kb. ±2°C a teljes tartományban.

2010.10.12.

7

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontakt optikai hőmérsékletmérés – interferometrikus szenzorok

Az interferometrikus optikai hőmérsékletmérőszenzorok az interferencia jelenségét és atörésmutató hőmérsékletfüggését használják ki.A szenzor aktív érzékelő része (ez a mérendőobjektummal kontaktusban van) egy olyanobjektummal kontaktusban van) egy olyanvékony réteg, amely hőmérsékletváltozásraoptikai törésmutatójának megváltozásávalreagál (pl. szilícium). Ezt koherens lézerfénnyelvilágítják meg. A vékonyrétegen áthaladó fény ahatárfelületről visszaverődik és interferencia jönlétre, ami a száloptika másik végén találhatódetektorba valamekkora fényt juttat vissza. Ha avékonyréteg hőmérséklete megváltozik, a rajtavékonyréteg hőmérséklete megváltozik, a rajtaáthaladó fény továbbításáben fáziskésés áll elő,ami az interferencia mintázatot, és így végül adetektorba jutó jelet megváltoztatja. A mérésitartomány felső határa kb. 350°C. Az alábbimegoldás SiO2 réteget alkalmaz „tükröző”rétegként (nSiO2 >nSi) és FeCrAl bevonatot azoxidáció elleni védelemre.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontakt optikai hőmérsékletmérés – termokromatikus szenzorok

A termokromatikus optikai hőmérsékletmérő szenzorok egy alkalmas vegyületoldatának fényelnyelési spektrumának reverzibilis és reprodukálhatóhőmérsékletfüggését használják ki. Ilyen pl. a CoCl2 vizes oldata, amelynekfényelnyelése 650 nm‐en a hőmérséklettől erősen függ. A válaszjel nem lineáris, dekalibráció után száloptikás konfigurációban távolról begyűjthető és elektromágneseskalibráció után száloptikás konfigurációban távolról begyűjthető, és elektromágneseszavarásoktól viszonylag mentes. Egy másik konstrukcióban egy száloptika végéreüvegben eloszlatott CdS félvezetőt javasolnak használni, ami akár szobahőmérséklettől1000 K hőmérsékletig is használható szenzort adhat.

2010.10.12.

8

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok

A nem‐kontakt sugárzásmérő, másképpen piroelektromos hőmérsékletmérő szenzorokaz infravörös tartományba eső EM sugárzás intenzitását mérik. Ezeket elterjedtenhasználják pl. IR spektrométerek detektoraként és biztonságtechnikai eszközökben.Kalibrációra minden esetben szükség van, mert ezek a szenzorok integráló jellegűek.

A kontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok közül a következő típusokkal fogunkfoglalkozni:

thermopilepiroelektromos szenzorbolométerGolay‐cella

Itt jegyezzük meg, hogy alkalmas félvezető anyagból is készíthető IR tartománybanműködő optikai szenzor, ami hőmérsékletmérésre is alkalmas. Ezt azonban inkább a„fénymérő” szenzoroknál tárgyaljuk.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok

A kontaktusmentes hőmérsékletmérő (pirometrikus, termikus)szenzorok általában a következő részeket tartalmazzák:érzékelő elem, támaszték (support), burkolat, elektromoskivezetések, védőablak.

Minden pirométer lelke az érzékelő elem bevonata, amely azIR sugárzást elnyeli, aminek eredményeképpen az érzékelőréteg felmelegszik. Ezek a bevonatok általában porózusak,mégpedig az IR hullámhossznál rövidebb részecskékből állnak.

platinakorom (platinum‐black): finom eloszlású Pt részecskék, amelyeket egy H2PtCl6 és Pb‐acetátot tartalmazó oldatból galvánfürdőben választanak letartalmazó oldatból galvánfürdőben választanak le. aranykorom (goldblack): W szálról aranyat elpárologtatnak mbar nyomású nitrogén atmoszférában, ami a céltárgyra tűs struktúra formájában leválik.fémoxid képzése: alacsony nyomáson, oxigén jelenlétében leválasztott fémek oxidként rakódnak le

2010.10.12.

9

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok ‐ thermopile

A thermopile („termoelem halmaz”) típusú szenzorok lényegében sorba kapcsolttermoelemekből állnak, amelyek melegpontja össze van kötve és IR elnyelő bevonattalvan ellátva. A hidepontok is össze vannak kötve egymással és egy hűtőtömbbel (esetlegegy független hőmérsékletmérő szenzorral a hideponti kompenzációhoz). 20‐tól akáröbb á i i j dh ö kö ö l k á A k lá é ltöbbszázig is terjedhet az összekötött termolemek száma. A soros kapcsolás értelme a

feszültségjel növelése, vagyis az érzékenység fokozása.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok – piroelektromos szenzorok

A piroelektromos effektus bizonyos kristályos anyagoknak azon képessége, hogykristálylapjaik között feszültség jelenik meg, ha a kristályt felmelegítjük vagy lehűtjük.Az ilyen anyagok közé tartozik pl. a turmalin, Co‐ftalocianin, LiTaO3, SrTiO3, triglicin‐szulfát (TGS), stb. Fontos tudnunk, hogy minden piroelektromos anyag egyben

i l k i i l já ü h i l k k (PIR)piezoelektromos is, ami azzal jár együtt, hogy a piroelektromos szenzorok (PIR) amechanikai vibrációkra (akár hanghullámokra) is hajlamosak interferenciát mutatni. Ajobb rezgéstűrés érdekében gyakran alkalmaznak duál piroelektromos szenzorokat,ahol két érzékelő van egy tokban. A kristály felületét hőelnyelő bevonattal látják el. Apiroelektromos anyagok elektromosan egy kapacitásként írhatók le.

2010.10.12.

10

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokKontaktusmentes hőmérsékletmérő szenzorok – a Golay cella és a bolométer

A Golay cella lényegében egy opto‐akusztikus szenzor. Egy IR transzmittáló (pl. KBr,PE, stb.) ablakkal lezárt pneumatikus cella, amiben Xe gáz tágul/húzódik össze az IRsugárzás hatására. Belül Sb (vagy hasonló) merev hőelnyelő bevonatot alkalmaznak. Agáz térfogatváltozása egy vékony tükröző membránt feszít meg (deformál) a cellaúl ld lá i ől kül ő fé f á fé é k fl iój bi í j é ülitúloldalán, amiről egy külső fényforrás fényének reflexiója biztosítja végülis a

kimeneti elektromos feszültségjelet. Ez a szenzor is igény érzékeny a mechanikaivibrációkra.

IR sugárzás

A bolométer lényegében nem más, mint egy ellenállás, amely be van vonva ahőelnyelő bevonattal. Az IR sugárzás elnyelése miatt az eszköz felmelegszik, ígymegváltozik annak ellenállása.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség (tömeg/térfogati áramlás) mérése

Az áramlási sebesség pontos mérése szintén gyakori és fontos méréstechnikai feladataz iparban és az analitikai kémiában. Az áramlásmérő szenzorok által szolgáltatottadatok teremtik meg az lehetőséget a gáz és folyadék közegek áramlási sebességénekpontos szabályzására (nagyméretű, átlátszatlan csövekben és közegekben is), továbbások esetben közvetetten más információkat is szolgáltatnak a mintáról (pl. viszkozitás,sűrűség, stb.).

Az áramlásmérő szenzorok változatosak, többféle fizikai jelenség kihasznásán isalapulhatnak. A követezőkben az alábbi típusokkal fogunk foglalkozni:

a differenciális nyomásmérésen alapuló szenzorelektromágneses elven működő szenzoraz örvényáramlások keltésén alapuló szenzoraz örvényáramlások keltésén alapuló szenzoraz ultrahangot alkalmazó szenzora Coriolis erőn alapuló szenzora turbinás áramlásmérő szenzor

Mivel ezek a szenzorok általában közvetett úton mérnek, ezért kalibrációjukelengedhetetlen!

2010.10.12.

11

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése turbinával

A turbina alkalmazásán alapuló áramlásmérő igen hasonló a rotaméterek működésielvéhez, azonban átlátszatlan csővezetékekben/folyadékokban is alkalmazható.Működésének lényege nem más, mint hogy az áramló közeg egy turbinát (propellert)forgat meg, amelynek egyik lamellájába mágnest építettek. A csőfalba épített kistekercs érzékeli, hogy időegységenként hányszor halad el előtte a mágnes (az indukciógenerálta áramcsúcsokat számolja meg egy számláló). Az áramlási sebesség tehát aturbina forgássebességének mérésre van visszavezetve.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése nyomáskülönbség méréssel (differential pressure flow sensor)

Fluid közegek áramlása nyomásesést generál (lásd Bernoullielv). Ebből következően egy fluid közeg áramlási sebességénekmérése visszavezethető egy szűkület előtt és után mértnyomások közötti különbségének mérésére. Az elrendezésalapulhat akár a Pitot cső, akár a Venturi cső alkalmazásán.p ,Ezen szenzorok kalibrációja azért is szükséges, mert valós(részlegesen összenyomható és/vagy viszkózus közegekre azeffektus kissé eltérően jelentkezik).

Pitot csöves elrendezés Venturi csöves elrendezés

Endress+Hauser video links: http://www.youtube.com/watch?v=oUd4WxjoHKYhttp://www.youtube.com/watch?v=D6sbzkYq3_c&p=FD0722A576981F74

2010.10.12.

12

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése indukált feszültség mérése révén (electromagnetic flow sensor)

Ha a folyadék legalább egy minimális elektromos vezetőképességgel rendelkezik (ionokjelenléte), akkor az áramlási sebesség mérhető a mágneses térben mozgó töltésekrefellépő szeparáció (Lorentz erő által indukált feszültség) mérése révén is. Lényegébenegy kondenzátort építenek cső falába, amelynek két fegyverzete között az áramlásiirányra merőleges mágneses teret hoznak létre. A cső falát el kell szigetelni a kételektródától.

mágneses tér

Endress+Hauser video links: http://www.youtube.com/watch?v=f949gpKdCI4

elektródok

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése a hangsebesség mérése révén (ultrasonic flow sensor)

A hullámterjedés sebessége egy közegben a közeg áramlási sebességével függ, ha azáramlásnak van a megfigyelés tengelyével párhuzamos komponense. A hullámterjedéssebessége pedig frekvenciamérésre vezethető vissza, ha a Doppler effektusragondolunk. A cső falába szög alatt pl. ultrahang keltő transducereket, velük szembenpedig érzékelőket helyezünk el akkor az áramlás irányában felfelé” sugárzottpedig érzékelőket helyezünk el, akkor az áramlás irányában „felfelé sugárzotthanghullám késedelmet szenved (sebessége csökken), látszólagos frekvenciája nő, mígaz ellenkező irányban sugárzott hanggé ellentétesen viselkedik. A mért frekvenciaalapján a közeg áramlási sebessége meghatározható. A módszer nagy előnye, hogysemmilyen szűkület, akadály elhelyezését nem igényli a csőben, sőt akár kívülről,utólag is telepíthető (lásd a képet jobb oldalon lent).

ultrahang generátorok

Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=Bx2RnrfLkQg

ultrahang érzékelők

2010.10.12.

13

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése örvényhullámok keltésével (vortex flow sensor)

Egy közegben elhelyezett nem áramvonalas akadály mögött az áramláskövetkezményeként örvényhullámok keletkeznek, amelyek okozta periodikus nyomás‐lökéshullámok egy piezoelektromos kristállyal érzékelhetők. A nyomásingadozásfrekvenciája közvetlenül arányos az áramlási sebességgel. A módszer pontos és jólinearitású de az alacsony és magas viszkozitások tartományában nem működik jóllinearitású, de az alacsony és magas viszkozitások tartományában nem működik jól.

piezoelektromos szenzor

Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=GmTmDM7jHzA

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokÁramlási sebesség mérése a Coriolis‐erő felhasználásával (Coriolis flow sensor)

A Coriolis‐erő olyan tehetetlenségi erő, amely akkor lép fel, ha a test egy forgórendszerben mozog (a forgástengelytől eltérő irányban). Az erő nagysága a testtömegétől, sebességétől, stb. függ, így felhasználható mozgó közegek áramlásisebességének mérésére (a közeg tehetetlensége folytán). Egy ilyen berendezés (amivalójában egy összetett aktív szenzoregyüttes) egy U‐alakú flexibilis csőszakaszból állvalójában egy összetett, aktív szenzoregyüttes) egy U alakú flexibilis csőszakaszból áll,amelynek oldalirányú kilengéseinek fázisát két szenzor érzékeli. A cső kilendüléseit egymozgató elem (aktuátor) periodikusan idézi elő. Ha nem áramlik a folyadék, akkor acsőszakasz szimmetrikusan lendül ki, nincs fáziskésés a két szenzor jele között. Ha vanáramlás, fáziskésés fog fellépni, amelynek nagysága az áramlási sebességtől is függ.

szenzorok

Áramlás hiányában a szenzorok jele fázisban van Áramlás esetén fáziskülönbség áll elő a jelekben

Endress+Hauser video link: http://www.youtube.com/watch?v=XIIViaNITIw

aktuátor

2010.10.12.

14

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése

Fénynek az elektromágneses spektrum UV tartomány elejétől az IR tartomány végéigterjedő részét nevezzük. Szenzorikai szempontból az ebbe a tartományba eső fotonokérzékelésének alapjául kvantum‐ vagy termikus effektusok szolgálnak. A kvantumérzékelők, amelyek félvezetőkből készülnek, az UV‐től a közép IR tartományigműködnek míg a termikus érzékelők (amelyekről a hőmérsékletmérésnél ejtettünkműködnek, míg a termikus érzékelők (amelyekről a hőmérsékletmérésnél ejtettünkszót) a közép‐ és távoli IR tartományban működnek.

A következőkben a kvantum (félvezető) érzékelőkről fogunk beszélni:

fotoellenállásfotodiódafototranzisztortöltéscsatolt MOS érzékelő (CCD)aktív pixel szenzorok (APS, CMOS)

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokA félvezetők viselkedése a sávelmélet szerint

Félvezető viselkedése nagyenergiájú (A) éskisenergiájú (B) fotonok érkezésekor. Ahatárt a tiltott sáv szélessége jelenti, amiazonban nem éles határvonal, hiszen ezelektrongerjesztésre az impulzusmegmaradás törvénye is érvényes. Mivel azelektronok impulzusa a vegyérték sávban ésa vezetési sávban is eloszlásfüggvénymentén, folytonosan változik, ezért agerjesztés tiltott sáv szélességénél kicsitkisebb és nagyobb energiájú fotonokkal ismegvalósulhat. Ezt illusztrálja egy fotodiódaérzékenység görbéje a jobb oldalon. A tiltottsáv szélessége dópolással (akceptor ésdonor szintek kialakításával módosítható).

2010.10.12.

15

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fotoellenállással

A fotoellenállások félvezető anyagok, amelyek elektromos ellenállása sötétben igennagy és tiltott sávszélessége az érzékelni kívánt tartományba esik. Fény besugárzáshatására ezen félvezetők elektromos ellenállása jelentősen lecsökken. Afotoellenállások aktív szenzorok, hiszen külső feszültségforrás alkalmazását igénylik, és

k l tk ő á ő é ét é jük (f t k d ktí kö ) A láth tó t t á ba keletkező áram erősségét mérjük (fotokonduktív eszköz). A látható tartománybanelőszeretettel alkalmaznak CdS vagy CdSe alapú fotoellenállásokat, az IR tartománybanpedig Ge, PbS, InSb, stb. alapúakat. A legjobb érzékenységet széles és rövidellenálláscsík kialakítással lehet elérni. Az elérhető érzékenység kiváló: mindenbeérkező foton akár 900 elektron áthaladását is lehetővé teheti.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fotodiódával

Amint azt korábban említettük, a fotodiódák egy félvezető p‐n átmenetettartalmaznak. A fotodiódák jelét kétféleképpen „olvashatjuk ki”: feszültség‐áramátalakítóval fotovoltaikus üzemmódban (photovoltaic mode, PV) és áram‐feszültségátalakítóval fotokonduktív üzemmódban (photoconductive mode, PC). A fotodiódákátalakítóval fotokonduktív üzemmódban (photoconductive mode, PC). A fotodiódákkarakterisztika görbéit a ráeső fényintenzitás (fény/optikai teljesítmény) függvényébenaz alábbi ábra mutatja.

2010.10.12.

16

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fotodiódával – a fotovoltaikus működési mód

A fotovoltaikus (PV) üzemmódban a diódát nem feszítjük elő negatív irányban, hanema rajta átfolyó áramot egy terhelő ellenálláson keresztül arra használjuk, hogyfeszültségjelet generáljunk. Az alábbi műveleti erősítős kapcsolás ezt végzi oly módon,hogy az erősítő nagy bemeneti ellenállása szolgál terhelő ellenállásként.

A PV üzemmód előnye, hogy nem szükséges külső feszültségforrás a szenzorműködéséhez. Ez egyúttal csökkenti a sötétáram szintjét is, vagyis nagy érzékenységűszenzorhoz jutunk, amit kis fényintenzitások mérésekor előnyösen alkalmazhatunk.Hátránya, hogy ilyenkor a fotodióda működési sebessége kicsi (azt saját kapacitásakorlátozza) és hogy a kapott feszültségjel nem lineárisan arányos a fényteljesítménnyel(intenzitással). Érdekesség, hogy lényegében ezen az elven működnek a „napelemek”,amelyek a nagy áramerősség érdekében nagy felületűek.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fotodiódával – a fotokonduktív működési mód

A fotokonduktív (PC) üzemmódban a diódát negatív irányban előfeszítjük és a fényhatására rajta átfolyó áramot mérjük. Az elektromos áram minimális értékét(sötétáram) a termikus zaj határozza meg.

A PC üzemmód előnye, hogy ilyenkor a fotodióda igen gyors működésű és az áramválaszjel lineárisan változik a fényteljesítménnyel (intenzitással). Hátránya, hogy kisebbaz érzékenysége a sötétáram miatt és külső feszültségforrást igényel.

2010.10.12.

17

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fotodiódával – speciális fotodiódák

PIN fotodióda: a p és n rétegek közé egy vastag, nagytisztaságú, intrinsic (szennyezetlen, I) félvezető rétegetiktatnak be. A lyuk‐elektron pár képződése a kiürített(depletion layer) részén valósul meg a p‐n átmenetnek,

é t t I ét b ikt tá k t h ték áezért a vastag I réteg beiktatása a kvantumhatékonyságnövelését segíti, vagyis az érzékenységet fokozza. A p‐réteget is elvékonyítják a fotonok bejutásánaksegítésére. Mivel a saját kapacitása ennek a diódának alegkisebb, ezért ez a leggyorsabb fotodióda.

Avalanche (lavina) fotodióda: ez a dióda úgykészül, hogy kimondottan magas záróirányúfeszültségeket (több száz V) is elviseljen. Ennek az azelőnye, hogy ezáltal a fotonok által keltetttöltéshordozók az ellentétes potenciálú elektród feléhaladva a nagy elektromos erőtérben erőteljesenfelgyorsulnak és ütközések révén (ütközési ionizáció)másodlagos töltéshordozókat generálnak. Ezjelsokszorozáshoz vezet (gain): akár 1000‐szereséreis növelhető így a jel. A konstrukció többféle lehet,az ábrán csak egy látható.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése fototranzisztorral

A fototranzisztor lényegében egy szokásos bipoláris tranzisztor, aminek a tokozásaolyan, hogy a p‐n‐p (vagy n‐p‐n) átmenetet kívülről meg tudjuk világítani. Ennek az azeredménye, hogy a bázisáramot a fotonok indukálják, a tranzisztor pedig – ahogy aztmindig is teszi (lásd balodali képet) – a bázisáramot felerősíti (ICE= β⋅IBE), akár több

á á iszázszorosára is.

+ VCC

A fototranzisztor így kellemesen nagy kimeneti jeleket szolgáltat, azonbanérzékenysége nem jobb, mint egy fotodiódáé, és sebessége sem nagyobb.

2010.10.12.

18

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése töltéscsatolt eszközzel (CCD)

A töltéscsatolt eszköz (CCD, charge coupled device) érzékelők valójában fémoxidfélvezető (MOS) típusú kondenzátorok, amelyek p‐n átmenetet tartalmaznakdielektrikumként. A p‐n átmenet n‐rétege nincs közvetlenül fémesen kivezetve, hanemegy szigetelő SiO2 réteg van közbeiktatva és a fotonok áthaladását segítendő, PS kapuelektródát alakítanak ki A negatív előfeszítésű p‐n átmenetben a fotonok hatásáraelektródát alakítanak ki. A negatív előfeszítésű p‐n átmenetben a fotonok hatásáragenerálódó elektronok a p‐típusú (alsó) réteg közelében gyűlnek össze. Mivel akondenzátor elektron tárolási képessége véges, ezért a CCD eszközöket mindig csak egyadott „integrációs időig” működtetik, majd amikor a kívánt fotonexpozíció megszűnik, akapu (gate) elektróda feszültségét megszüntetik és „kiolvassák” a töltésmennyiséget,ami összegyűlt. Az érzékenységet azzal szokták fokozni, hogy a rétegszekezetetmegfordítják és a Si szubsztrátot kimaratják, így a fotonok nagyobb hányada jut be. Maa legtöbbször 2D tömböket képeznek CCD‐ből, képalkotásra.

Fizikai paraméterek mérésére szolgáló szenzorokFényintenzitás mérése aktív pixel szenzorral (CMOS)

Az aktív pixel érzékelők (active pixel sensor, APS; agyártástechnológiáról – complementary metal‐oxidesemiconductor, CMOS‐ként is ismert) érzékelők olyanintegrált áramkörök, amelyek minden egyesfényérzékelő elem (fotodióda) mellett aktívfényérzékelő elem (fotodióda) mellett aktíverősítő/kiolvasó áramkört tartalmaznak (3‐4 db FETtranzisztort). Valójában a CCD‐előtt valamivel fedeztékfel őket (1969), azonban abban az időben a félvezetőkCMOS gyártástechnológiája még kiforratlan volt, és aCCD töltéselvű kialakítása megbízhatóbban működött.Az 1990‐es évekre azonban a CMOS gyártástechnológiaegyeduralkodóvá vált a bonyolult (pl. mikroprocesszor,memória, stb.) IC‐kben, így ma már nagy előny, hogy) gy gy y gyugyanazon a lapkán és anyagból lehet a fényérzékelőt iskialakítani, mint a kiolvasó áramkört (ezt a CCD‐nél egysajátos módon oldották meg), ami számosképfeldolgozó algoritmus alkalmazását lehetővé teszi. ACMOS szenzorok gyorsabbak, olcsóbbak és kevesebbetfogyasztanak, mint a CCD. A fotondetektálás primerfolyamata azonban hasonló: a fotodiódán alapul.