Систематика датчиков

ВВЕДЕНИЕ

Датчики (сенсоры) позволяют получать, регистрировать, обрабатывать и предавать информацию о состоянии различных систем. Это может быть информация о физическом строении, химическом составе, форме, положении и динамике исследуемой системы. Существуют различные типы датчиков. Принципы их действия базируются на определенных физических или химических явлениях и свойствах. Примерами могут быть широко известные температурные датчики, радары, эхолоты, датчики уровня радиации, датчики давления, гигрометры и др. [1-18].

Успехи в таких областях как лазерная физика, физика твердого тела, микроэлектроника, микропроцессорная техника, Интернет-технологии, материаловедение, квантовая электроника, и интегральная оптика привели к развитию нового направления в разработке датчиков – созданию химических сенсоров [4].

Одним из самых перспективных видов химических сенсоров по нашему мнению являются оптические химические сенсоры [3]. Интегрально-оптические химические датчики являются среди них очень перспективными [9-12, 17, 18]. Принцип работы интегрально-оптического химического датчика, например абсорбционного типа, основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с исследуемой газообразной (газ, пар) или жидкой средой на некоторых длинах волн, характерных для данной среды [9-12, 17, 18].

Актуальность и практическая значимость данного обзора обусловлена возможностью обнаружения целого ряда критически важных для безопасности людей газов с помощью различных химических сенсоров. Решение этой проблемы имеет приоритетное значение для электронной промышленности, химической промышленности, нефтегазовой промышленности (добыча, транспортировка, хранение), экологии, медицины, военных технологий и др.

СИСТЕМАТИКА ДАТЧИКОВ

При систематизации датчиков часто рассматривают принцип их действия, который может быть обусловлен физическими или химическими явлениями и свойствами. На рис. 1 приведена обобщенная функциональная схема измерения с помощью химического датчика.

Существует множество явлений, эффектов и видов преобразования энергии, которые могут быть использованы для построения датчиков [1-21]. В Таблице приведены примеры таких явлений и эффектов (см., например, [1-4]).

Рис. 1. Функциональная схема измерения с помощью химического сенсора.

Таблица.

Эффект, явление, свойство	Физическая сущность преобразования
Теплопроводность (тепловая энергия изменение физических свойств)	Переход теплоты внутри физического объекта из области с более высокой в область с более низкой температурой
Тепловое излучение (тепловая энергия инфракрасные лучи)	Оптическое излучение при повышении температуры физического объекта
Эффект Зеебека (температура электричество)	Возникновение ЭДС в цепи с биметаллическими соединениями при разной температуре спаев
Пироэлектрический эффект (температура электричество)	Возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при повышении температуры
Эффект фотопроводимости (свет электрическое сопротивление)	Изменение электрического сопротивления полупроводника при его облучении светом
Эффект Фарадея (свет и магнетизм свет)	Поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного светового луча, проходящего через парамагнитное вещество
Пьезоэлектрический эффект (давление электричество)	Возникновение разности потенциалов на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением
Эффект Доплера (звук, свет частота)	Изменение частоты при взаимном перемещении объектов по сравнению с частотой, когда эти объекты неподвижны
Химические свойства (информация о химических связях сигнал)	Биохимический преобразователь преобразует информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал

Не претендуя на полноту охвата, дадим некоторую полезную классификацию сенсоров [1-21].

Энергетические свойства входных величин датчиков позволяют разделить их по виду входных величин на активные и пассивные. В активных датчиках входные величины имеют энергетическую природу (напряжение, сила и т. д.), в пассивных же входные величины имеют неэнергетический характер (электрические ёмкость, сопротивление и др.).

По числу воспринимаемых и преобразуемых величин можно выделить одномерные датчики, оперирующие с одной величиной, и n-мерные (многомерные), воспринимающие несколько (n) входных величин. При этом многомерные сенсоры могут иметь общие элементы и поэтому быть проще совокупности одномерных датчиков, воспринимающих столько же величин.

По числу выполняемых (измерительных) функций можно выделить однофункциональные и многофункциональные датчики. Многофункциональные могут помимо основной функции (восприятие величины и формирование измерительного сигнала) выполнять ряд дополнитель­ных функций.

Многофункциональные датчики иногда называют также интеллектуальными. К таким датчикам, в принципе можно отнести аналоговые и цифровые датчики с суммированием сигналов, с перестраиваемыми адаптивными режимами работы и параметрами, с аналого-цифровым преобразованием, с метрологическим обслуживанием и датчики со встроенными микропроцессорами.

К допол­нительным функциям многофунк­циональных сенсоров можно отнести следующие:

· операции обработки данных и фильтрацию;

· коррекцию погрешностей;

· хранение сигналов;

· преобразование «поля» сигналов в изображение;

· защиту от влияния помех;

· и др.

По числу преобразований энергии и вещества датчики можно разделить на одноступенчатые и многоступенчатые.

По технологии изготовления сенсоры можно разделить на элементные, изготавливаемые из набора отдельных элементов, и интегральные, в которых все составные элементы датчика изготавливаются одновременно по интегральной технологии.

Особо выделяются биологические датчики, в которых в качестве чувствительных элементов используется рецепторная часть биологических органов чувств, ферменты и другие вещества, а также – электронная часть, формирующая измерительные сигналы.

По взаимодействию с источни­ками информации датчики делятся на контактные и бесконтактные (дистанционного действия).

По виду измерительных сигна­лов датчики делятся на аналоговые и цифровые. Для анализа работы аналоговых и цифровых датчиков должен быть использован соответствующий виду анализируемых сигналов математический аппарат.

В настоящее время существует тенденция увеличения числа и усложнения функций, выполняемых сенсорами. Особенно это характерно для интегральных датчиков, которые могут включать в свой состав дополнительные устройства. Такие датчики способны служить основой для создания измерительных систем, позволяющих осуществлять сбор, обработку, хранение и распределение информации (см., например, [2, 12]).

К современным датчикам предъявляются следующие основные требования:

· высокие качественные характеристики: чувствительность, точность, линейность, воспроизводимость показаний, скорость отклика, взаимозаменяемость, отсутствие гистерезиса и большое отношение сигнал-шум;

· высокая надежность: длительный срок службы, устойчивость к внешней среде, безотказность в работе;

· технологичность: малые габариты и масса, простота конструкции, интегральное исполнение, низкая себестоимость.

Основное внимание в дальнейшем уделим различным типам химических сенсоров. Внимание к химическим сенсорам продиктовано рядом причин, среди которых проблемы безопасности являются сейчас наиболее актуальными.

ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ