Upload
others
View
2
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
CzujnikiRyszard J. Barczyński, 2018Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała StałegoMateriały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Czujniki
Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznejna wielkość elektryczną łatwą do pomiaru
Najczęściej spotykane są
czujniki wielkości mechanicznych (ciśnienia, naprężenia, odkształcenia, prędkości, przepływu, położenia, przyspieszenia) czujniki temperatury czujniki pola magnetycznego, elektrycznego czujniki optyczne (i innych fal elektromagnetycznych) czujniki akustyczne i ultradźwiękowe czujniki elektrochemiczne
Czujniki
Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznejna wielkość elektryczną łatwą do pomiaru
Ze względu na generowany sygnał czujniki możemy podzielić na
czujniki generacyjne, które wytwarzają sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru (prąd, napięcie) czujniki parametryczne, których parametry elektryczne zależą od mierzonej wielkości fizycznej, ale by otrzymać sygnał elektryczny możliwy do bezpośredniego pomiaru musimy wbudować je w odpowiedni układ elektroniczny
Przykłady czujnikówi ich zastosowań
Czujniki podstawowychwielkości mechanicznych
Pomiary wielkości takich jak położenia, odkształcenie, ciśnienia, siły,naprężenia, a nawet przyspieszenie są ściśle ze sobą związane. Pomiarjednej z tych wielkości umożliwia wyznaczenie innej poprzez analizę
właściwości odpowiedniego układu mechanicznego.
Czujniki podstawowych wielkości mechanicznych
Stosuje się tu bardzo różnorodne techniki pomiarowe, takie jak: tensometrię opartą na zmianie oporu elektrycznego materiałów po odkształceniu potencjometry oporowe sprzężone z czujnikiem położenia czujniki indukcyjne i pojemnościowe o bardzo zróżnicowanej konstrukcji fotoelektryczne (w tym laserowe) czujniki położenia czujniki naprężenia działające w oparciu o efekt piezoelektryczny czujniki Halla współpracujące ze źródłami pola magnetycznego
Czujniki podstawowych wielkości mechanicznych
TensometryCzujniki tensometryczne są niezwykle
popularne w technice. Działają na zasadziepomiaru zmian oporu cienkiego drucika
(zwykle platynowego) lub cienkiejwarstwy metalicznej pod wpływem
przyłożonego naprężenia.
Tensometry
Przykład zastosowania tensometru do pomiaru ciśnienia.
Tensometry
Tensometry pracują zwykle w dosyć złożonych (często mostkowych)układach pomiarowych tłumiących niepożądane zakłócenia i kompensujących
wpływ warunków pracy i zasilania na sygnał wyjściowy.
Tensometry
Wykorzystanie wzmacniacza różnicowego (pomiarowego)w typowym pomiarze mostkowym
Czujniki indukcyjne
Czujniki indukcyjne reagująna zmianę położenia poprzez zmianę względnego położenia uzwojeń zmianę położenia zwory lub rdzenia względem uzwojenia
Ich konstrukcja jest bardzozróżnicowana.
Czujniki pojemnościowe
Przykład pojemnościowegoczujnika ciśnienia
Czujniki Halla
Czujniki Halla są wszechstronnie wykorzystywane do pomiarów: indukcji pola magnetycznego dużych prądów położenia, na przykład w różnego rodzaju przełącznikach czy zapłonach samochodowych położenia względem ziemskiego pola magnetycznego
Czujnik Hallaprzykładyzastosowań
Nadajnik Halla w samochodowym układzie zapłonowym
Układ do pomiarudużych prądów Koder położenia
Akcelerometry i żyroskopyzintegrowane
To bardzo nowoczesne elementy wykorzystujące zmiany parametrów struktur półprzewodnikowych pod wpływem naprężeń.
Czujniki temperatury
Temperatura jest jedną z częściej mierzonych i analizowanych wielkości.
Wynika to nie tylko z faktu, że ma ona bezpośredni wpływ na wiele procesów, często jest interesująca “sama w sobie” :-) ale także z tego, że wiele wielkości bada się pośrednio poprzez temperaturę na przykład... egzo- i endotermiczne reakcje chemiczne (czujniki gazów palnych)... moc promieniowania elektromagnetycznego
Właściwości czujników temperatury
Termopara
Termopara
Kompensacja temperatury złącza odniesienia
TermoparaKompensacja temperatury złącza odniesienia
Termometrymonolityczne
Wiele firm elektronicznych produkuje układy scalone do pomiarówtemperatury. Zwykle są mało precyzyjne, ale proste w zastosowaniu.
(Przykład: AD590 firmy Analog Devices)
Czujniki optyczne
Bywają wykorzystywane na przykład w czujnikach położenia (i czujnikach systemów dozorowania) w analizatorach gazów do pomiarów natężenia światła (i innego promieniowania e-m)
To szeroka klasa czujników najczęściej wykorzystującaoddziaływanie fali elektromagnetycznej z materią
Fotorezystory
Fotorezystory charakteryzują siędużą czułością, co ułatwia stosowanie
ich w prostych układach aplikacyjnych.
Charakterystyka widmowa fotorezystora CdSjest zbliżona do charakterystyki oka ludzkiego
Czujniki elektrochemiczne
Bywają potencjometryczne (sygnałem wyjściowym jest napięcie) amperometryczne (sygnałem wyjściowym jest prąd) konduktometryczne (sygnałem wyjściowym jest przewodnictwo)
To szeroka klasa czujników wykorzystującareakcje elektrochemiczne
zachodzące zarówno w fazie stałej jak i ciekłej.
Czujniki elektrochemiczne
V
Czujniki potencjometryczne mierzą napięcie ogniwa przy braku prądu. Jest ono zależne od stężenia jonów w roztworze. Czujniki zwykle stosowane do pomiaru stężenia jonów nieorganicznych ... w tym jonów wodorowych (pH) Wymagają elektrody odniesienia
elektrodaodniesienia
elektroda pomiarowa
badany roztwórmostek
Czujniki elektrochemiczneGlucose Gluconic acid
Oxygen Hydrogen Peroxide
Glucose Oxidase
ELECTRODE
2H+, 2e-
5.4 mM
ELECTRODE
2H+, 2e-
5.4 mM
GlukometrMedisene
Elektroda roboczaz enzymem (oksydazą)
Elektroda odniesieniaKontakty
Przykład czujnika do pomiarustężenia glukozy czujnik amperometryczny(prąd proporcjonalny dostężenia substratów)
Zaawansowane czujniki piezoelektryczne
Bardzo nowoczesnym zastosowaniem rezonatorów na kryształachpiezoelektrycznych jest budowa czujników biochemicznych.