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.