eng
Содержание
Cодержание
Предисловие ............................................................................................................. 14
Глава 1. Сбор данных .............................................................................................. 16
1.1.
Датчики, сигналы и системы ..................................................................... 16
1.2.
Классификация датчиков .......................................................................... 23
1.3.
Единицы измерения ................................................................................... 26
Литература ......................................................................................................... 28
Глава 2. Функции преобразования ......................................................................... 29
2.1.
Математические модели ............................................................................ 29
2.1.1.
Концепция ......................................................................................... 30
2.1.2.
Аппроксимация функций ................................................................. 31
2.1.3.
Линейная регрессия .......................................................................... 35
2.1.4.
Полиномиальная аппроксимация .................................................... 35
2.1.5.
Чувствительность .............................................................................. 36
2.1.6.
Кусочно-линейная аппроксимация .................................................. 37
2.1.7.
Интерполяция с помощью сплайн-функции ................................... 38
2.1.8.
Многомерные функции передачи .................................................... 38
2.2.
Калибровка ................................................................................................. 39
2.3.
Расчет параметров ...................................................................................... 42
2.4.
Расчет внешнего воздействия .................................................................... 44
2.4.1.
Использование аналитического уравнения ..................................... 44
2.4.2.
Использование кусочно-линейной аппроксимации ....................... 45
2.4.3.
Итерационные вычисления внешнего воздействия
(метод Ньютона) ............................................................................... 48
Литература ......................................................................................................... 50
Глава 3. Характеристики датчиков ......................................................................... 51
3.1.
Датчики для устройств мобильной связи .................................................. 51
3.1.1.
Требования к УМС-датчикам ........................................................... 52
3.1.2.
Интеграция ........................................................................................ 54
3.2.
Диапазон измеряемых значений (максимальный входной сигнал) ......... 55
3.3.
Диапазон выходных значений ................................................................... 55
3.4.
Точность ...................................................................................................... 56
3.5.
Ошибка калибровки ................................................................................... 59
3.6.
Гистерезис ................................................................................................... 60
3.7.
Нелинейность ............................................................................................. 60
3.8.
Насыщение ................................................................................................. 62
3.9.
Воспроизводимость .................................................................................... 62
3.10.
Мертвая зона ............................................................................................. 63
3.11.
Разрешающая способность ...................................................................... 63
3.12.
Специальные характеристики ................................................................. 64
3.13.
Выходное сопротивление ......................................................................... 64
3.14.
Формат выходного сигнала ...................................................................... 65
3.15.
Сигнал возбуждения ................................................................................. 66
3.16.
Динамические характеристики ................................................................ 66
3.17.
Динамические модели элементов датчиков ............................................ 70
3.17.1.
Механические элементы ................................................................. 71
3.17.2.
Тепловые элементы ......................................................................... 72
3.17.3.
Электрические элементы ................................................................ 73
3.17.4.
Аналогии .......................................................................................... 74
3.18.
Факторы окружающей среды ................................................................... 75
3.19.
Надежность ............................................................................................... 78
3.19.1.
СВМО............................................................................................... 78
3.19.2.
Экстремальное испытание .............................................................. 78
3.19.3.
Ускоренное тестирование времени эксплуатации ......................... 79
3.19.3.1.
Ускоренное тестирование датчиков методом
экстремальных условий среды эксплуатации .................. 80
3.19.3.2.
Ускоренные испытания на долговечность
и сохраняемость (УИДС) .................................................. 81
3.19.3.3.
Ускоренное тестирование на отказ (УТО) ........................ 81
3.20.
Характеристики датчиков, диктуемые условиями их применения ........ 82
3.21.
Статистическая оценка ............................................................................ 82
Литература ......................................................................................................... 85
Глава 4. Физические основы чувствительности ..................................................... 86
4.1.
Электрические заряды, поля и потенциалы .............................................. 87
4.2.
Емкость ....................................................................................................... 94
4.2.1.
Конденсатор ...................................................................................... 96
4.2.2.
Диэлектрическая проницаемость ..................................................... 97
4.3.
Магнетизм .................................................................................................101
4.3.1.
Закон Фарадея ..................................................................................104
4.3.2.
Постоянные магниты .......................................................................106
4.3.3.
Катушка и соленоид .........................................................................107
4.4.
Индукция ...................................................................................................108
4.4.1.
Закон Ленца ......................................................................................113
4.4.2.
Вихревые токи ..................................................................................114
4.5.
Сопротивление ..........................................................................................114
4.5.1.
Удельное сопротивление ..................................................................116
4.5.2.
Температурная чувствительность резистора ...................................118
4.5.3.
Тензочувствительность резисторов .................................................121
4.5.4.
Влагочувствительность резистора ...................................................123
4.6.
Пьезоэлектрический эффект ....................................................................124
4.6.1.
Керамические пьезоэлектрические материалы ..............................127
4.6.2.
Полимерные пьезоэлектрические пленки ......................................131
4.7.
Пироэлектрический эффект .....................................................................133
4.8.
Эффект Холла ............................................................................................140
4.9.
Термоэлектрические эффекты ..................................................................143
4.9.1.
Эффект Зеебека ................................................................................143
4.9.2.
Эффект Пельтье ................................................................................148
4.10.
Звуковые волны .......................................................................................150
4.11.
Температура и тепловые свойства материалов .......................................153
4.11.1.
Температурные шкалы....................................................................154
4.11.2.
Тепловое расширение .....................................................................156
4.11.3.
Теплоемкость ..................................................................................158
4.12.
Теплопередача ..........................................................................................159
4.12.1.
Теплопроводность ..........................................................................160
4.12.2.
Тепловая конвекция .......................................................................163
4.12.3.
Тепловое излучение ........................................................................164
4.12.3.1.
Излучательная способность ..............................................167
4.12.3.2.
Эффект полости .................................................................172
Литература ........................................................................................................175
Глава 5. Оптические компоненты датчиков ..........................................................177
5.1.
Свет ............................................................................................................177
5.1.1.
Энергия квантов света ......................................................................177
5.1.2.
Поляризация света ...........................................................................179
5.2.
Рассеяние света .........................................................................................180
5.3.
Геометрическая оптика .............................................................................181
5.4.
Радиометрия ..............................................................................................183
5.5.
Фотометрия ...............................................................................................188
5.6.
Светопропускающие окна .........................................................................191
5.7.
Зеркала .......................................................................................................193
5.7.1.
Зеркала с покрытиями......................................................................194
5.7.2.
Призматические зеркала ..................................................................196
5.8.
Линзы .........................................................................................................197
5.8.1.
Линзы с изогнутыми поверхностями ..............................................197
5.8.2.
Линзы Френеля ................................................................................198
5.8.3.
Плоские нанолинзы .........................................................................201
5.9.
Оптические волокна и волноводы ............................................................202
5.10.
Оптическая эффективность ....................................................................206
5.10.1.
Эффект линз ...................................................................................206
5.10.2.
Концентраторы ...............................................................................208
5.10.3.
Покрытия, поглощающие тепловое излучение .............................209
5.10.4.
Антибликовые покрытия ...............................................................210
Литература ........................................................................................................211
Глава 6. Интерфейсные электронные схемы ........................................................212
6.1.
Формирователи сигналов ..........................................................................214
6.1.1.
Входные характеристики интерфейсных схем ................................215
6.1.2.
Усилители .........................................................................................220
6.1.3.
Операционные усилители ................................................................220
6.1.4.
Повторители напряжения ................................................................223
6.1.5.
Преобразователи заряда и тока в напряжение ................................223
6.1.6.
Преобразователи свет – напряжение ..............................................225
6.1.7.
Конвертеры емкость – напряжение ................................................227
6.1.8.
Конвертеры емкость – напряжение с замкнутым контуром ..........230
6.2.
Подключение датчиков .............................................................................231
6.2.1.
Измерители отношений сигналов ...................................................232
6.2.2.
Дифференциальные цепи ................................................................234
6.2.3.
Мост Уитстона ..................................................................................235
6.2.4.
Уравновешенный мост .....................................................................238
6.2.5.
Мостовые усилители .......................................................................239
6.3.
Схемы возбуждения ..................................................................................241
6.3.1.
Генераторы тока ................................................................................243
6.3.2.
Генераторы напряжения ...................................................................245
6.3.3.
Источники опорного напряжения ..................................................247
6.3.4.
Генераторы ........................................................................................247
6.4.
Аналого-цифровые преобразователи .......................................................249
6.4.1.
Основные концепции ......................................................................250
6.4.2.
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) .............................252
6.4.3.
Конвертеры широтно-импульсной модуляции ..............................256
6.4.4.
Преобразователи сопротивление – частота ....................................257
6.4.5.
Преобразователь последовательного приближения .......................258
6.4.6.
Улучшение разрешающей способности систем сбора данных .......260
6.4.7.
Интерфейс АЦП ...............................................................................262
6.5.
Встроенные интерфейсы ...........................................................................264
6.5.1.
Преобразователь напряжения..........................................................264
6.5.2.
Преобразователь напряжения .........................................................265
6.6.
Передача данных .......................................................................................266
6.6.1.
Двухпроводная передача ..................................................................267
6.6.2.
Четырехпроводной способ подключения датчика ..........................268
6.7.
Шумы в датчиках и интерфейсных схемах ...............................................268
6.7.1.
Собственные шумы ..........................................................................269
6.7.2.
Вносимый шум .................................................................................273
6.7.2.1.
Аддитивный шум .................................................................273
6.7.2.2.
Мультипликативный шум ...................................................275
6.7.3.
Электрическое экранирование ........................................................278
6.7.4.
Блокировочные конденсаторы ........................................................281
6.7.5.
Экранирование от магнитных полей ...............................................282
6.7.6.
Механический шум ..........................................................................284
6.7.7.
Слои заземления...............................................................................285
6.7.8.
Развязка по цепи заземления и паразитные контуры
заземления ........................................................................................286
6.7.9.
Шум Зеебека .....................................................................................288
6.8.
Гальванические источники питания для маломощных датчиков ...........289
6.8.1.
Первичные элементы .......................................................................291
6.8.1.1.
Щелочно-марганцевые батареи ..........................................291
6.8.1.2.
Первичные литиевые батареи .............................................291
6.8.2.
Вторичные элементы (аккумуляторы) ............................................292
6.8.3.
Суперконденсаторы .........................................................................292
6.9.
Аккумулирование энергии ........................................................................293
6.9.1.
Аккумулирование световой энергии ...............................................293
6.9.2.
Аккумулирование дальнего поля .....................................................295
6.9.3.
Аккумулирование ближнего поля ...................................................295
Литература ........................................................................................................296
Глава 7. Детекторы человека ..................................................................................298
7.1.
Ультразвуковые датчики ............................................................................300
7.2.
Микроволновые детекторы движения .....................................................303
7.3.
Микроимпульсные радары .......................................................................309
7.4.
Георадары ...................................................................................................311
7.5.
Линейные оптические датчики (ПЧД) .....................................................313
7.6.
Емкостные датчики присутствия ..............................................................316
7.7.
Трибоэлектрические датчики движения ..................................................320
7.8.
Оптоэлектронные детекторы движения ...................................................322
7.8.1.
Структура датчиков ..........................................................................323
7.8.2.
Составные датчики ...........................................................................324
7.8.3.
Датчики со сложной формой чувствительного элемента ...............325
7.8.4.
Искажения изображений .................................................................325
7.8.5.
Фасетный фокусирующий элемент .................................................325
7.8.6.
Детекторы движения, работающие в видимой и ближней
ИК-областях спектра .......................................................................327
7.8.7.
Детекторы движения, работающие в среднем и дальнем
ИК-диапазонах ................................................................................329
7.8.8.
Детекторы движения на основе пассивных ИК-элементов ...........330
7.8.9.
Анализ эффективности ПИК-детектора .........................................333
7.9.
Оптические датчики присутствия ............................................................338
7.9.1.
Фотоэлектрический пучок ...............................................................338
7.9.2.
Детекторы на основе отражения света ............................................339
7.10.
Датчики, работающие на градиентах давления ......................................340
7.11.
Двумерные указывающие устройства .....................................................343
7.12.
Детекторы жестов (3D-визуализация движущихся объектов) ...............344
7.12.1.
Инерционная и гироскопическая мышь .......................................345
7.12.2.
Оптические датчики движения ......................................................345
7.12.3.
Датчики жестов ближнего поля .....................................................346
7.13.
Тактильные датчики ................................................................................347
7.13.2.
Пьезоэлектрические тактильные датчики .....................................350
7.13.3.
Пьезорезистивные тактильные датчики ........................................354
7.13.4.
Тактильные МЭМС-датчики .........................................................356
7.13.5.
Емкостные датчики прикосновений .............................................357
7.13.6.
Оптические датчики прикосновений ............................................361
7.13.7.
Оптические датчики отпечатков пальцев ......................................362
Литература ........................................................................................................363
Глава 8. Детекторы присутствия, смещения и уровня ..........................................365
8.1.
Потенциометрические датчики ................................................................366
8.2.
Пьезорезистивные датчики .......................................................................370
8.3.
Емкостные датчики ...................................................................................372
8.4.
Индуктивные и магнитные датчики .........................................................376
8.4.1.
Линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы
(ЛРДТ) и поворотно-регулируемые дифференциальные
трансформаторы (ПРДТ) .................................................................377
8.4.2.
Поперечные индуктивные датчики .................................................379
8.4.3.
Датчики на вихревых токах ..............................................................380
8.4.4.
Автодорожные петли ........................................................................382
8.4.5.
Детекторы металлов .........................................................................383
8.4.6.
Датчики на основе эффекта Холла ..................................................384
8.4.7.
Магниторезистивные датчики .........................................................390
8.4.8.
Магнитострикционный детектор ....................................................392
8.5.
Оптические датчики ..................................................................................394
8.5.1.
Оптические мостовые схемы ...........................................................394
8.5.2.
Поляризационный детектор приближения .....................................395
8.5.3.
Призматические и отражательные датчики ....................................396
8.5.4.
Датчики Фабри – Перо ....................................................................398
8.5.5.
Датчики на основе волоконной решетки Брэгга ............................400
8.5.6.
Решетчатые датчики и фотомодуляторы .........................................402
8.6.
Датчики толщины и уровня ......................................................................404
8.6.1.
Датчики на основе абляции .............................................................404
8.6.2.
Датчики толщины пленок ................................................................406
8.6.3.
Датчики уровня жидкости при низких температурах .....................409
Литература ........................................................................................................410
Глава 9. Датчики скорости и ускорения ................................................................411
9.1.
Датчики постоянной скорости .................................................................414
9.1.1.
Линейная скорость ...........................................................................414
9.1.2.
Датчики скорости вращения (тахометры) .......................................416
9.2.
Инерционные датчики вращения .............................................................417
9.2.1.
Роторный гироскоп ..........................................................................418
9.2.2.
Вибрационные гироскопы ...............................................................419
9.2.3.
Оптические (лазерные) гироскопы .................................................422
9.3.
Инерционные линейные датчики (акселерометры) ................................424
9.3.1.
Передаточная функция и характеристики ......................................425
9.3.2.
Датчики наклона ..............................................................................429
9.3.3.
Сейсмические датчики .....................................................................432
9.3.4.
Емкостные акселерометры ..............................................................434
9.3.5.
Пьезорезистивные акселерометры ..................................................437
9.3.6.
Пьезоэлектрические акселерометры ...............................................437
9.3.7.
Тепловые акселерометры .................................................................439
9.3.7.1.
Акселерометры с нагреваемой пластиной ..........................439
9.3.7.2.
Акселерометры с нагреваемым газом .................................440
9.3.8.
Акселерометры с замкнутым контуром ...........................................442
Литература ........................................................................................................444
Глава 10. Сила и деформация .................................................................................445
10.1.
Основные положения ..............................................................................445
10.2.
Тензодатчики ...........................................................................................448
10.3.
Пленки, чувствительные к давлению .....................................................451
10.4.
Пьезоэлектрические датчики силы ........................................................453
10.5.
Пьезоэлектрические кабели ....................................................................457
10.6.
Оптические датчики силы .......................................................................460
Литература ........................................................................................................461
Глава 11. Датчики давления ...................................................................................463
11.1.
Общие понятия о давлении .....................................................................463
11.2.
Единицы измерения давления ................................................................465
11.3.
Ртутные датчики давления ......................................................................466
11.4.
Сильфоны, мембраны и тонкие пластины .............................................467
11.5.
Пьезорезистивные датчики .....................................................................469
11.6.
Емкостные датчики .................................................................................475
11.7.
Датчики переменного магнитного сопротивления ................................477
11.8.
Оптоэлектронные датчики давления ......................................................479
11.9.
Датчик косвенного измерения давления ................................................480
11.10.
Вакуумные датчики ...............................................................................482
11.10.1.
Вакуумметры Пирани .................................................................483
11.10.2.
Ионизационные датчики ...........................................................485
11.10.3.
Датчик газового сопротивления .................................................486
Литература ........................................................................................................487
Глава 12. Расходомеры ...........................................................................................488
12.1.
Основы гидродинамики ..........................................................................488
12.2.
Датчики скорости потока по перепаду давления ...................................490
12.3.
Тепловые расходомеры ............................................................................493
12.3.1.
Термоанемометры .........................................................................494
12.3.2.
Трехкомпонентный термоанемометр ..........................................498
12.3.3.
Двухкомпонентный термоанемометр ..........................................500
12.3.4.
Термоанемометры микропотока ..................................................504
12.4.
Ультразвуковые расходомеры ..................................................................505
12.5.
Электромагнитные расходомеры ............................................................508
12.6.
Детектор изменения скорости потока газа .............................................510
12.7.
Кориолисовы расходомеры .....................................................................511
12.8.
Расходомеры на основе вязкости ............................................................513
12.9.
Кантилеверные датчики МЭМС .............................................................514
12.10.
Детекторы пыли и дыма ........................................................................515
12.10.1.
Ионизационный детектор ........................................................515
12.10.2.
Оптический детектор ................................................................517
Литература ........................................................................................................519
Глава 13. Микрофоны ............................................................................................521
13.1.
Характеристики микрофона ...................................................................522
13.1.1.
Выходное сопротивление .............................................................522
13.1.2.
Сбалансированный симметричный выход ..................................523
13.1.3.
Чувствительность .........................................................................523
13.1.4.
Частотная характеристика ...........................................................524
13.1.5.
Собственный шум ........................................................................525
13.1.6.
Направленность ............................................................................525
13.1.7.
Эффект близости ..........................................................................529
13.2.
Резистивные микрофоны ........................................................................529
13.3.
Электростатические конденсаторные микрофоны ................................530
13.4.
Электретные микрофоны ........................................................................532
13.5.
Оптические микрофоны .........................................................................534
13.6.
Пьезоэлектрические микрофоны ...........................................................536
13.6.1.
Низкочастотный диапазон ...........................................................537
13.6.2.
Ультразвуковой диапазон .............................................................538
13.7.
Динамические микрофоны .....................................................................541
Литература ........................................................................................................542
Глава 14. Датчики влажности и содержания воды ................................................543
14.1.
Общие понятия о влажности...................................................................543
14.2.
Концепции датчиков влажности ............................................................547
14.3.
Емкостные датчики влажности ...............................................................548
14.4.
Резистивные датчики влажности ............................................................551
14.5.
Термисторные датчики влажности .........................................................552
14.6.
Оптический гигрометр ............................................................................553
14.6.1.
Охлаждаемое зеркало ...................................................................553
14.6.2.
Световые датчики относительной влажности .............................555
14.7.
Вибрационный гигрометр .......................................................................556
14.8.
Измерение влажности почвы ..................................................................557
Литература ........................................................................................................559
Глава 15. Детекторы световых излучений ..............................................................561
15.1.
Введение...................................................................................................561
15.1.1.
Принцип действия квантовых детекторов ..................................562
15.2.
Фотодиоды ...............................................................................................566
15.3.
Фототранзисторы ....................................................................................572
15.4.
Фоторезисторы ........................................................................................574
15.5.
Охлаждаемые детекторы .........................................................................577
15.6.
Датчики изображения для видимого диапазона ....................................579
15.6.1.
Датчик CCD (ПЗС).......................................................................581
15.6.2.
Датчики изображения CMOS (КМОП) .......................................582
15.7.
УФ-детекторы ..........................................................................................583
15.7.1.
Материалы и конструкции ...........................................................583
15.7.2.
Лавинные УФ-детекторы .............................................................584
15.8.
Детекторы ИК-излучений .......................................................................585
15.8.1.
Общие положения ........................................................................585
15.8.2.
Ячейки Голея .................................................................................588
15.8.3.
Термобатареи ................................................................................589
15.8.4.
Пироэлектрические датчики .......................................................596
15.8.5.
Микроболометры .........................................................................602
Литература ........................................................................................................605
Глава 16. Детекторы ионизирующего излучения ..................................................607
16.1.
Сцинтилляционные детекторы ...............................................................608
16.2.
Ионизационные детекторы .....................................................................612
16.2.1.
Ионизационные камеры ..............................................................612
16.2.2.
Пропорциональные камеры ........................................................613
16.2.3.
Счетчики Гейгера – Мюллера ......................................................614
16.2.4.
Полупроводниковые детекторы радиоактивности .....................616
16.3.
Облачные и пузырьковые камеры ..........................................................620
Литература ........................................................................................................622
Глава 17. Датчики температуры .............................................................................623
17.1.
Связь с объектом .....................................................................................623
17.1.1.
Статический теплообмен .............................................................623
17.1.2.
Динамический теплообмен ..........................................................627
17.1.3.
Схема датчика ...............................................................................630
17.1.4.
Обработка сигнала отклика датчика ............................................632
17.1.4.1.
Алгоритм прогнозирования ...........................................632
17.2.
Температурные эталоны ..........................................................................634
17.3.
Резистивные датчики температуры (РДТ) .............................................635
17.4.
Керамические термисторы ......................................................................637
17.4.1.
Простая модель .............................................................................639
17.4.2.
Модель Фрейдина.........................................................................641
17.4.3.
Модель Стейнхарта и Харта .........................................................644
17.4.4.
Явление саморазогрева в термисторах с отрицательным
температурным коэффициентом .................................................645
17.4.5.
Керамические термисторы с положительным
температурным коэффициентом .................................................649
17.4.6.
Изготовление термисторов с отрицательным
температурным коэффициентом .................................................653
17.5.
Кремниевые и германиевые термисторы ...............................................655
17.6.
Полупроводниковые датчики температуры на основе р-n-перехода ....659
17.7.
Кремниевые датчики температуры с ПТК .............................................664
17.8.
Термоэлектрические контактные датчики .............................................666
17.8.1.
Законы термоэлектричества ........................................................667
17.8.2.
Схемы подключения термопар ....................................................670
17.8.2.1.
Схема с разделенными спаями ......................................670
17.8.2.2.
Схема с разделенным переходом ...................................671
17.8.3.
Термопарные сборки ....................................................................672
17.9.
Оптические датчики температуры ..........................................................675
17.9.1.
Флуоресцентные датчики .............................................................675
17.9.2.
Интерферометрические датчики .................................................677
17.9.3.
Зондирование со сверхвысоким разрешением............................678
17.9.4.
Датчики на основе растворов, изменяющих цвет
в зависимости от температуры .....................................................679
17.9.5.
Волоконно-оптические датчики температуры (FBG) ................679
17.10.
Акустические датчики температуры .....................................................680
17.11.
Пьезоэлектрические датчики температуры ..........................................682
Литература ........................................................................................................682
Глава 18. Химические и биохимические датчики .................................................685
18.1.
Общие сведения .......................................................................................686
18.1.1.
Химические датчики ....................................................................686
18.1.2.
Биохимические датчики ...............................................................687
18.2.
История развития химических и биохимических датчиков ..................687
18.3.
Характеристики химических датчиков ...................................................688
18.3.1.
Избирательность (селективность) ...............................................689
18.3.1.1.
Распознавание по принципу «замок – ключ» ...............689
18.3.1.2.
Каталитическая избирательность (селективность) .......690
18.3.1.3.
Электрохимическая избирательность ...........................690
18.3.2.
Чувствительность ...........................................................................691
18.4.
Электрические и электрохимические датчики ......................................693
18.4.1.
Электродные системы ..................................................................693
18.4.2.
Потенциометрические датчики ...................................................696
18.4.3.
Кондуктометрические датчики ....................................................697
18.4.3.1.
Амперометрические датчики .........................................700
18.4.4.
Химические датчики с управлением
металл – оксид – полупроводник (МОП) ....................................702
18.4.5.
Эластомерные химические резисторы ........................................704
18.4.6.
Химические емкостные датчики .................................................707
18.4.7.
Химические полевые транзисторы ..............................................709
18.5.
Фотоионизационные детекторы .............................................................711
18.6.
Физические преобразователи .................................................................712
18.6.1.
Устройства на акустических волнах .............................................713
18.6.2.
Микрокантилеверы ......................................................................716
18.7.
Спектрометры ..........................................................................................719
18.7.1.
Спектрометрия ионной подвижности .........................................719
18.7.2.
Квадрупольный масс-спектрометр ..............................................720
18.8.
Тепловые датчики ....................................................................................721
18.8.1.
Концепция ....................................................................................721
18.8.2.
Каталитические датчики Пелистера ............................................723
18.9.
Оптические преобразователи ..................................................................724
18.9.1.
Инфракрасное детектирование ...................................................724
18.9.2.
Оптоволоконные преобразователи ..............................................725
18.9.3.
Логометрическая избирательность (пульсоксиметр) ..................726
18.9.4.
Датчики изменения цвета ............................................................730
18.10.
Измерения при помощи нескольких датчиков ....................................731
18.10.1.
Общие положения ......................................................................731
18.10.2.
Электронные анализаторы запаха и вкуса
(электронные носы и языки) ......................................................731
18.11.
Проблемы химических датчиков ..........................................................736
Литература ........................................................................................................737
Глава 19. Материалы датчиков и технологии изготовления .................................743
19.1.
Материалы ...............................................................................................743
19.1.1.
Применение кремния для изготовления датчиков .....................743
19.1.2.
Пластмассы ...................................................................................747
19.1.3.
Металлы и сплавы ........................................................................752
19.1.4.
Керамические материалы ............................................................754
19.1.5.
Структурные стекла ......................................................................755
19.1.6.
Оптические стекла ........................................................................756
19.1.6.1.
Видимый и ближний инфракрасный диапазоны..........756
19.1.6.2.
Средний и дальний инфракрасный диапазоны ............757
19.2.
Наноматериалы .......................................................................................758
19.3.
Поверхностные технологии ....................................................................760
19.3.1.
Центробежное литье .....................................................................760
19.3.2.
Термовакуумное напыление.........................................................761
19.3.3.
Ионное распыление .....................................................................762
19.3.4.
Химическое осаждение из газовой фазы .....................................763
19.3.5.
Гальваника ....................................................................................764
19.4.
МЭМС-технологии .................................................................................766
19.4.1.
Фотолитография ...........................................................................766
19.4.2.
Микрообработка кремния ...........................................................767
19.4.2.1.
Основные методы ...........................................................768
19.4.2.2.
Нанесение тонких пленок..............................................768
19.4.2.3.
Жидкостное травление ...................................................768
19.4.2.4.
Травление с барьерным слоем........................................770
19.4.2.5.
Сухое травление .............................................................771
19.4.3.
Микрообработка перемычек и консолей (кантилеверов) ..........772
19.4.4.
Метод обратной литографии .......................................................773
19.4.5.
Соединение подложек ..................................................................774
19.4.6.
LIGA ..............................................................................................774
Литература ........................................................................................................775
Приложения ............................................................................................................776
Предметный указатель ............................................................................................794
Предисловие
Современные компьютеризированные устройства стирают одежду, готовят кофе,
проигрывают музыку, охраняют дома и выполняют множество полезных функций.
Однако ни одно такое электронное устройство не может работать без получения
информации извне. Даже если такая информация исходит от другого электронного
устройства, где-то в цепочке, есть по-крайней мере один компонент, предназначен-
ный для приема внешних входных сигналов. Этот компонент называется «датчик».
Современные сигнальные процессоры – это устройства, которые манипулируют
двоичными кодами, на аппаратном уровне представленными электрическими им-
пульсами. Поскольку мы живем в аналоговом мире, который в основном не является
цифровым или электрическим (кроме атомного уровня), датчики – это устройства
интерфейса между различными физическими величинами и электронными схемами,
«понимающими» только язык движущихся электрических зарядов. Другими словами,
датчики – это глаза, уши и носы кремниевых чипов. Эта книга о созданных человеком
датчиках, которые очень сильно отличаются от органов чувств живых организмов.
Со времени публикации предыдущего издания этой книги технологии детек-
тирования совершили значительный рывок в своем развитии. Чувствительность
датчиков стала выше, габариты – меньше, селективность – лучше, а цены – ниже.
Новая, ставшая основной область применения датчиков – устройства мобильной
связи – быстро развивается. Несмотря на то что в таких устройствах используются
датчики, работающие на тех же фундаментальных принципах, что и прежние датчи-
ки, из-за их использования в мобильных устройствах к ним предъявляются особые
требования. Среди них – миниатюрные размеры и полная интеграция с компо-
нентами обработки сигналов и средств связи. Таким образом, в новом издании мы
более подробно рассмотрим мобильную составляющую технологий детектирования.
Датчик преобразует входные сигналы физической природы в электрические
выходные сигналы. Мы подробно рассмотрим принципы таких преобразований и
соответствующие законы физики. Один из величайших гениев, когда-либо живших,
Леонардо да Винчи, возможно, имел свой особый способ обращения к Богу (со-
гласно книге Акима Волынского, опубликованной на русском языке в 1900 году).
Леонардо обращался к Богу с такими словами: «О Господь, спасибо, что следуешь
Твоим законам». Воистину утешительно то, что законы природы не меняются, а
наше понимание ее законов постоянно совершенствуется. Разделы книги, посвя-
щенные этим законам, практически не изменились по сравнению с предыдущим
изданием. Разделы же, описывающие практические реализации датчиков, были
существенно переработаны, были добавлены последние идеи и разработки и ис-
ключены устаревшие и неактуальные в наше время.
В ходе инженерной работы мне часто хотелось найти книгу, в которой объединя-
лась бы практическая информация по широкому списку тем, связанных с наиболее
важными физическими законами, конструкциями и применениями различных дат-
чиков. Конечно, я мог просматривать Интернет или библиотечные полки в поисках
книг по физике, химии, электронике, рыться в технических и научных журналах,
но информация так сильно разбросана по множеству публикаций и веб-сайтов, что
почти каждый вопрос, над которым я размышлял, требовал серьезного исследования
и времени. Постепенно я собрал практическую информацию обо всем, что так или
иначе связано с различными датчиками и их применением в научных и инженерных
измерениях. Я также провел бесконечные часы за лабораторным столом, изобретая
и разрабатывая множество устройств, использующих различные датчики. Вскоре я
понял, что собранная мною информация будет весьма полезна не только мне. Эта
идея побудила меня написать данную книгу, а факт выпуска ее пятого обновленного
издания является доказательством того, что я был прав.
Темы, включенные в книгу, отражают собственные предпочтения и интерпрета-
ции автора. Некоторым описания конкретного датчика могут показаться слишком
подробными, обширными или, возможно, слишком лаконичными. Устанавливая
свои критерии выбора различных датчиков для данного нового издания, я старался
сохранить как можно более широкий охват тем, отдавая предпочтение множеству
различных конструкций, описанных весьма сжато (но, надеюсь, не тривиально),
вместо того чтобы рассматривать меньшее количество более подробно. В этой книге
делается попытка (возможно, нескромная) охватить очень широкий спектр датчи-
ков и детекторов. Многие из них хорошо известны, но их описание по-прежнему
полезно для студентов и тех, кто ищет удобный, но полный справочник.
Ни в коем случае эта книга не является заменой спецификаций. В ней дается
обзор множества конструкций и свойств датчиков с высоты птичьего полета, но без
углубления в какую-либо одну конкретную тему. В большинстве случаев я пытался
найти баланс между детализацией и простотой освещения материала, однако про-
стота и ясность были самыми важными требованиями, которые я поставил перед
собой. Моя истинная цель состояла не в том, чтобы накопить информацию и выдать
ее в одной книге, а в том, чтобы побудить читателя к творческому мышлению. Как
сказал почти два тысячелетия назад Плутарх, «ум – это не сосуд, который нужно
наполнить, но огонь, который нужно разжечь».
Несмотря на то что эта книга предназначена для ученых и инженеров, как пра-
вило, технические описания и математические трактовки в ней обычно не требуют
углубленных знаний, выходящих за рамки школьной программы. Это справочный
текст, который может быть использован исследователями и студентами, интересую-
щимися современным приборостроением (прикладными физиками и инженерами),
разработчиками датчиков, инженерами по применению современной техники,
чья работа заключается в понимании, выборе или проектировании датчиков для
практических систем.
Предыдущие издания этой книги довольно широко использовались в качестве
настольных справочников и учебников для соответствующих курсов в колледже.
Комментарии и предложения разработчиков датчиков, инженеров приложений,
профессоров и студентов побудили меня внести некоторые изменения и исправить
ошибки. Я глубоко благодарен тем, кто помог мне улучшить новое издание. Я в
долгу перед доктором Эфраимом Сухиром и Давидом Пинцовым за помощь в ма-
тематической обработке передаточных функций и доктором Санджаем В. Пателем
за его вклад в главу, посвященную химическим сенсорам.
Сан-Диего, Калифорния, США Яков Фрейдин
12 апреля 2015 года
ГЛАВА 1
СБОР ДАННЫХ
Это такое же большое, как жизнь,
но гораздо более натуральное.
Льюис Кэрролл «Алиса в Зазеркалье»
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.
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, создан-
ных 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, а датчик должен обладать возможностью
формировать выходные сигналы, в которых информация передается при помощи
смещения электронов, реже – 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 рас-
творы 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 понимать. Под внешним воздействием понимается
количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необ-
ходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. Примерами внеш-
них воздействий могут служить интенсивность и длина волны света, звук, сила,
ускорение, расстояние, темп движения и химический состав. Когда мы говорим
«электрический», то подразумеваем сигнал, который может быть направлен, усилен
и преобразован при помощи электрических устройств. В некоторых книгах (на-
пример [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 измерительными 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, полярностью, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик
называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характе-
ризуется набором вход ных параметров (любой физической природы) и набором
выходных электрических параметров.
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа
измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объ-
екта 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 поток чистой энергии равен нулю, но и в этом случае про-
исходит переда ча информации о существовании именно такой особой ситуации.
Например, инф ракрасный датчик температуры вырабатывает положительное на-
пряжение, 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 на-
пряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве
температур датчика и объекта.
Термины «датчик» и «детектор» – близкие по значению синонимы, их часто
используют вперемешку. Однако термин «детектор» гораздо чаще используется в тех
случаях, когда речь идет о качественных измерениях, а не количественных. Напри-
мер, пассивный инфракрасный детектор используется для фиксации факта движения
человека, но не для измерения направления, скорости или ускорения этого движения.
Понятие «датчик» необходимо отличать от понятия «преобразователь».
Преобра зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик пре-
образует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. При-
мером пре образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий элек-
трический 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 аку-
стическим 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, или пневматический привод, приводимый в действие
электрическим сигналом и преобразующий давление воздуха в силу.
Преобразователи могут быть частью гибридных или составных датчиков
(рис. 1.2). Например, в состав химического датчика могут входить два преобра-
зователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло,
а другой, термоэлемент, пре образовывает полученное тепло в выходной элек-
трический сигнал. Комбинация этих двух 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 неэлектрического преоб-
разователя и еще одного датчика прямого действия, преобразующего тепловую
энергию в электрическую. В структуру со ставных датчиков, как правило, входят
хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчи-
ками прямого действия называют датчики, кото рые построены на физических
явлениях, позволяющих проводить непосредствен ное преобразование энергии
внешнего воздействия в электрические сигналы или их модуляцию. 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, за-
поминающих 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, 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 явля-
ются 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 объ-
ектом, 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 на-
прямую подсоединены к стандартным электронным схемам из-за несоответ ствия
форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специаль ные ин-
терфейсные устройства – преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются
пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не требуется
дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 – пример 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. Одним из 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 оснаще-
на датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве
машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический вы-
к 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 (в качестве привода) получает это сообще ние и воздействует
на объект, т.е. закрывает дверь, посл
Современные компьютеризированные устройства стирают одежду, готовят кофе,
проигрывают музыку, охраняют дома и выполняют множество полезных функций.
Однако ни одно такое электронное устройство не может работать без получения
информации извне. Даже если такая информация исходит от другого электронного
устройства, где-то в цепочке, есть по-крайней мере один компонент, предназначен-
ный для приема внешних входных сигналов. Этот компонент называется «датчик».
Современные сигнальные процессоры – это устройства, которые манипулируют
двоичными кодами, на аппаратном уровне представленными электрическими им-
пульсами. Поскольку мы живем в аналоговом мире, который в основном не является
цифровым или электрическим (кроме атомного уровня), датчики – это устройства
интерфейса между различными физическими величинами и электронными схемами,
«понимающими» только язык движущихся электрических зарядов. Другими словами,
датчики – это глаза, уши и носы кремниевых чипов. Эта книга о созданных человеком
датчиках, которые очень сильно отличаются от органов чувств живых организмов.
Со времени публикации предыдущего издания этой книги технологии детек-
тирования совершили значительный рывок в своем развитии. Чувствительность
датчиков стала выше, габариты – меньше, селективность – лучше, а цены – ниже.
Новая, ставшая основной область применения датчиков – устройства мобильной
связи – быстро развивается. Несмотря на то что в таких устройствах используются
датчики, работающие на тех же фундаментальных принципах, что и прежние датчи-
ки, из-за их использования в мобильных устройствах к ним предъявляются особые
требования. Среди них – миниатюрные размеры и полная интеграция с компо-
нентами обработки сигналов и средств связи. Таким образом, в новом издании мы
более подробно рассмотрим мобильную составляющую технологий детектирования.
Датчик преобразует входные сигналы физической природы в электрические
выходные сигналы. Мы подробно рассмотрим принципы таких преобразований и
соответствующие законы физики. Один из величайших гениев, когда-либо живших,
Леонардо да Винчи, возможно, имел свой особый способ обращения к Богу (со-
гласно книге Акима Волынского, опубликованной на русском языке в 1900 году).
Леонардо обращался к Богу с такими словами: «О Господь, спасибо, что следуешь
Твоим законам». Воистину утешительно то, что законы природы не меняются, а
наше понимание ее законов постоянно совершенствуется. Разделы книги, посвя-
щенные этим законам, практически не изменились по сравнению с предыдущим
изданием. Разделы же, описывающие практические реализации датчиков, были
существенно переработаны, были добавлены последние идеи и разработки и ис-
ключены устаревшие и неактуальные в наше время.
В ходе инженерной работы мне часто хотелось найти книгу, в которой объединя-
лась бы практическая информация по широкому списку тем, связанных с наиболее
важными физическими законами, конструкциями и применениями различных дат-
чиков. Конечно, я мог просматривать Интернет или библиотечные полки в поисках
книг по физике, химии, электронике, рыться в технических и научных журналах,
но информация так сильно разбросана по множеству публикаций и веб-сайтов, что
почти каждый вопрос, над которым я размышлял, требовал серьезного исследования
и времени. Постепенно я собрал практическую информацию обо всем, что так или
иначе связано с различными датчиками и их применением в научных и инженерных
измерениях. Я также провел бесконечные часы за лабораторным столом, изобретая
и разрабатывая множество устройств, использующих различные датчики. Вскоре я
понял, что собранная мною информация будет весьма полезна не только мне. Эта
идея побудила меня написать данную книгу, а факт выпуска ее пятого обновленного
издания является доказательством того, что я был прав.
Темы, включенные в книгу, отражают собственные предпочтения и интерпрета-
ции автора. Некоторым описания конкретного датчика могут показаться слишком
подробными, обширными или, возможно, слишком лаконичными. Устанавливая
свои критерии выбора различных датчиков для данного нового издания, я старался
сохранить как можно более широкий охват тем, отдавая предпочтение множеству
различных конструкций, описанных весьма сжато (но, надеюсь, не тривиально),
вместо того чтобы рассматривать меньшее количество более подробно. В этой книге
делается попытка (возможно, нескромная) охватить очень широкий спектр датчи-
ков и детекторов. Многие из них хорошо известны, но их описание по-прежнему
полезно для студентов и тех, кто ищет удобный, но полный справочник.
Ни в коем случае эта книга не является заменой спецификаций. В ней дается
обзор множества конструкций и свойств датчиков с высоты птичьего полета, но без
углубления в какую-либо одну конкретную тему. В большинстве случаев я пытался
найти баланс между детализацией и простотой освещения материала, однако про-
стота и ясность были самыми важными требованиями, которые я поставил перед
собой. Моя истинная цель состояла не в том, чтобы накопить информацию и выдать
ее в одной книге, а в том, чтобы побудить читателя к творческому мышлению. Как
сказал почти два тысячелетия назад Плутарх, «ум – это не сосуд, который нужно
наполнить, но огонь, который нужно разжечь».
Несмотря на то что эта книга предназначена для ученых и инженеров, как пра-
вило, технические описания и математические трактовки в ней обычно не требуют
углубленных знаний, выходящих за рамки школьной программы. Это справочный
текст, который может быть использован исследователями и студентами, интересую-
щимися современным приборостроением (прикладными физиками и инженерами),
разработчиками датчиков, инженерами по применению современной техники,
чья работа заключается в понимании, выборе или проектировании датчиков для
практических систем.
Предыдущие издания этой книги довольно широко использовались в качестве
настольных справочников и учебников для соответствующих курсов в колледже.
Комментарии и предложения разработчиков датчиков, инженеров приложений,
профессоров и студентов побудили меня внести некоторые изменения и исправить
ошибки. Я глубоко благодарен тем, кто помог мне улучшить новое издание. Я в
долгу перед доктором Эфраимом Сухиром и Давидом Пинцовым за помощь в ма-
тематической обработке передаточных функций и доктором Санджаем В. Пателем
за его вклад в главу, посвященную химическим сенсорам.
Сан-Диего, Калифорния, США Яков Фрейдин
12 апреля 2015 года
ГЛАВА 1
СБОР ДАННЫХ
Это такое же большое, как жизнь,
но гораздо более натуральное.
Льюис Кэрролл «Алиса в Зазеркалье»
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.
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, создан-
ных 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, а датчик должен обладать возможностью
формировать выходные сигналы, в которых информация передается при помощи
смещения электронов, реже – 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 рас-
творы 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 понимать. Под внешним воздействием понимается
количественная характеристика объекта, его свойство или качество, которые необ-
ходимо воспринять и преобразовать в электрический сигнал. Примерами внеш-
них воздействий могут служить интенсивность и длина волны света, звук, сила,
ускорение, расстояние, темп движения и химический состав. Когда мы говорим
«электрический», то подразумеваем сигнал, который может быть направлен, усилен
и преобразован при помощи электрических устройств. В некоторых книгах (на-
пример [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 измерительными 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, полярностью, фазой или цифровым кодом. Этот набор характеристик
называется форматом выходного сигнала. Таким образом, каждый датчик характе-
ризуется набором вход ных параметров (любой физической природы) и набором
выходных электрических параметров.
Любой датчик является преобразователем энергии. Вне зависимости от типа
измеряемой величины всегда происходит передача энергии от исследуемого объ-
екта 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 поток чистой энергии равен нулю, но и в этом случае про-
исходит переда ча информации о существовании именно такой особой ситуации.
Например, инф ракрасный датчик температуры вырабатывает положительное на-
пряжение, 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 на-
пряжение также равно нулю. В этой ситуации и заключена информация о равенстве
температур датчика и объекта.
Термины «датчик» и «детектор» – близкие по значению синонимы, их часто
используют вперемешку. Однако термин «детектор» гораздо чаще используется в тех
случаях, когда речь идет о качественных измерениях, а не количественных. Напри-
мер, пассивный инфракрасный детектор используется для фиксации факта движения
человека, но не для измерения направления, скорости или ускорения этого движения.
Понятие «датчик» необходимо отличать от понятия «преобразователь».
Преобра зователь конвертирует один тип энергии в другой, тогда как датчик пре-
образует любой тип энергии внешнего воздействия в электрический сигнал. При-
мером пре образователя может служить громкоговоритель, конвертирующий элек-
трический 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 аку-
стическим 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, или пневматический привод, приводимый в действие
электрическим сигналом и преобразующий давление воздуха в силу.
Преобразователи могут быть частью гибридных или составных датчиков
(рис. 1.2). Например, в состав химического датчика могут входить два преобра-
зователя, один из которых конвертирует энергию химических реакций в тепло,
а другой, термоэлемент, пре образовывает полученное тепло в выходной элек-
трический сигнал. Комбинация этих двух 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 неэлектрического преоб-
разователя и еще одного датчика прямого действия, преобразующего тепловую
энергию в электрическую. В структуру со ставных датчиков, как правило, входят
хотя бы один датчик прямого действия и несколько преобразователей. Датчи-
ками прямого действия называют датчики, кото рые построены на физических
явлениях, позволяющих проводить непосредствен ное преобразование энергии
внешнего воздействия в электрические сигналы или их модуляцию. 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, за-
поминающих 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, 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 явля-
ются 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 объ-
ектом, 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 на-
прямую подсоединены к стандартным электронным схемам из-за несоответ ствия
форматов выходных сигналов. Для их подключения требуются специаль ные ин-
терфейсные устройства – преобразователи сигналов. Датчики 1, 2, 3 и 5 являются
пассивными, поскольку для формирования выходных сигналов им не требуется
дополнительная электрическая энергия. Датчик 4 – пример 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. Одним из 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 оснаще-
на датчиком, определяющим ее состояние (открыта она или закрыта). В большинстве
машин в качестве такого датчика используется обыкновенный электрический вы-
к 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 (в качестве привода) получает это сообще ние и воздействует
на объект, т.е. закрывает дверь, посл