Глава 2 (Учебник - информационные системы), страница 3

П ервичная и вторичные обмотки могут быть включены согласно или встречно, а также взаимно заменены в схеме.

Для питания датчиков дроссельного и трансформаторного типов используется синусоидальное напряжение час­то­той сети до 50 кГц. Правильный выбор частоты сети умень­шает помехи и магнитные потери.

В зависимости от диапазона измерений применяют схемы с продольным и поперечным перемещением сердечника. В первом случае (рис. 2.8), сердечник перемещается вдоль своей главной оси инерции, во втором (рис. 2.7) - перпендикулярно ей.

Индуктивные ЧЭ широко используются при построении бесконтактных датчиков перемещения. В частности, дифференциальные схемы с продольным перемещением сердечника позволяют измерять расстояния - 1 ... 500 мм, а с поперечным - 20 мкм ... 1 мм. При использовании сердечников длиной, равной длине катушки, регистрируемое перемещение может достигать 80% длины сердечника.

В табл. 2.3 приведены сравнительные характеристики для двух моделей электромагнитных ЧЭ. Обозначено: e погрешность, U_ип - напряжение питания.

Таблица 2.3. Сравнительные характеристики электромагнитных ЧЭ

Примечание. Модель B-TT разработана фирмой Balluff, Германия.

2.1.3. Преобразователи Холла

Одно из важнейших для практических приложений гальваномагнитных явлений - эффект Холла известно более 100 лет, оно было от­крыто в 1879 г. доктором Эдвином Холлом, сотруд­ником Бал­ти­мор­ско­го универ­си­тета им. Дж. Хопкинса. Этим открытием он подтвердил тео­рию движения элек­тронов, изложенную за 30 лет до этого лордом Кель­вином. Холл обнаружил, что если расположить магнит относительно золотой пластинки, по которой протекает ток I, так, чтобы магнитное поле было перпендикулярно пластинке, между ее боковыми сторонами возникнет разность потенциалов U_x - ЭДС Холла. Это напряжение пропорционально силе тока I через проводник и магнитной индукции В. Поэтому преобразователи Холла можно считать разновидностью электромагнитных ЧЭ.

Первые приборы использующие эффект Холла появились лишь в 50-е годы ХХ века, когда был создан датчик СВЧ-излучения. В 1968 году была изготовлена пер­вая полупроводниковая клавиатура, использующая это явление. В конце ХХ века эффект Холла обнаружен в квантовой физике, за что исследователи были удостоены двух Нобелевских премий (в 1985 г. и 1998 г.). Наиболее известно использование преобразователей Холла в магнетометрах, измерителях параметров магнитного поля, датчиках перемещений и др. Так, например, датчик перемещений состоит из двух основных элементов - ЧЭ Холла и магнита, подвижных друг относительно друга. Перемещение магнита относительно ЧЭ вызывает сигнал, пропорциональный величине перемещения.

Самыми распространенными материалами преобразователей Холла являются полупроводниковые структуры на базе GaAs, InAs, InSb и др.

Преобразователь Холла относится к классу генераторных преобразователей, его выходным сигналом яв­ляется напряжение Холла U_х. Оно возникает в слу­чае, если через кристалл, находящийся в магнитном по­ле протекает опо­рный ток I_оп (рис. 2.9а, б). Функцию пре­образования ЧЭ Холла мо­жно представить в виде:

где R_х - постоянная Холла, h - эффективная толщина по­лупроводникового слоя, B sin  - составляющая вне­шнего магнитного поля, перпендикулярная плоскости кристалла. Для металлов R_х  10^-3 см³/Кл, для полупроводников R_х  10⁵ см³/Кл. Постоянная Холла зависит от температуры, ее температурная чувствительность S_x^Т составляет  (1…3)%/⁰С.

Если I_оп и  постоянны, то U_х  B. Тогда U_х = S_x B, где S_x = R_х I_оп/h - чувствительность преобразователя (рис. 2.10б).

Конструктивной особенностью ЧЭ этого типа является то, что выводные линии располагаются перпендикулярно направлению протекания тока.

В измерительных устройствах используются интегральные микросхемы, основанные на эффекте Холла. В состав такой микросхе­мы (рис. 2.10а) входят: датчик Холла, ста­билизатор опорного напряжения, опе­­ра­ци­он­ный уси­литель и эмиттерный повторитель. Величина вы­ходного напряжения U_вых зависит от напряжения Хол­ла и коэффициента усиления схемы, и в отсутствии магнитного поля равна нулю. (Если питание микросхемы осуществляется от одно­по­ляр­ного источника, как на рисунке, то относительно земли U_вых^о = U_ип/2). Напряжение Холла невелико и составляет  30 мВ на 1 гаусс (0,1 миллитесла), что требует последующего усиления. Эмиттерный повторитель используется для умень­шения выходного сопротивления микросхемы.

Магнитные поля боль­шой силы не разрушают датчик Холла, лишь переводя его в режим насыщения с U_вых < U_ип. Чувствитель­ность микросхемы равна:

S = U_вых/B

Используя графики можно найти U_вых при изменении B для известного U_ип. Линейность схемы составляет  1 ... 2%.

Часто датчики, использующие преобразователи Хол­­­ла, имеют релейный выход. В этом случае, оконечный каскад микросхемы содержит триггер Шмитта и транзистор с открытым коллектором, что позволяет использовать разные шины питания микросхемы и нагрузки.

Микросхемы Холла используют в датчиках положения, тока, тахометрах, бесконтактных переключателях, магнит­ных карточках и замках. Сравнительные характеристики для нескольких ЧЭ Холла показаны .в табл. 2.4. Обозначено: B - индукция, t - время.

Таблица 2.4. Сравнительные характеристики ЧЭ датчиков Холла

Примечание. Модели SАS и TL разработаны фирмами Simens и Texas Instruments соответ­ст­венно.

2.1.4. Оптические чувствительные элементы

В качестве ЧЭ оптического типа в датчиках чаще всего ис­пользуются оптронные пары (свето­излуча­тель - фото­элемент), построенные с исполь­зованием светодиодов (или ламп накала с вольфрамовой нитью, а иногда и лазеров) и фотодиодов (или фо­то­транзисторов).

И сторически, первыми излучателями оптических систем были вакуумные или газонаполненные лампы, получившие название ламп накала. Их достоинством является срав­нительно большая мощность излучения и ста­бильная температурная характеристика в широком диа­пазоне температур -60 ... +150 ⁰С (рис. 2.11). Необходи­мый уровень выходного сигнала достигается уже при 50% выходной мощности, что позво­ляет увеличить ресурс работы ЧЭ путем пита­ния нити накала пониженным напряже­нием. (Так, при питании лампы 6В/4Вт, име­ющей срок службы 100 часов пониженным напряжением 4В ресурс возрастает до 10000 часов). Кроме того, высокая излучаемая мощность позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников.

Приме­нение ламп с нитью накала » в фотоэлектрических датчиках положений позволяет непосредственно сформировать «линию считывания и, тем самым, обойтись без ще­левых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

В последнее время в промышленных датчиках положений все чаще используются излучающие полупроводнико­вые диоды - светодиоды. Их действие основано на яв­лении элек­­­тро­лю­минесценции.

Электролюминесценция газов - свечение газового разряда известна давно. Применительно к твердым телам она была открыта О. Лосевым в 1923 г. Сейчас, чаще всего для электролюминесценции используются полупроводниковые материалы, где она проявляется в «излу­чательной рекомбинации» носителей в прямосмещенном p-n переходе (рис. 2.12). На рисунке показано: U_o - прямое смещение, Е_внеш - напряженность внешнего поля.

Яркость свечения пропорциональна току через светодиод.

В принципе, любой прямосмещенный p-n пе­реход является светодиодом, т.к. по крайней мере, часть носителей, попавших через барьер из эмиттера в базу рекомбинирует с рожде­нием фотона, и какая-то их доля, избежав по­глощения в диоде, вылетает наружу. На самом деле кремниевые и германиевые барьеры обла­дают малой вероятностью «излуча­тельной ре­комбинации». Для этой цели используются соединения на базе арсенида галлия (GaAsP, GaAlAs), в которых, даже не слишком хими­чески чистых, эта вероят­ность близка к 1.

Из курса электроники известно, что для создания в полупроводнике электрона проводимости и дырки, т.е. «электронно-ды­рочной» пары надо затратить энергию, или преодолеть энергетический барьер высотой Е_запр (рис.2.13). На рисунке обозначено: Е_вал и Е_пр - энергии, соответствующие валентной зоне и зоне проводимости, Е_запр - ширина запрещенной зоны. Добавлением в полупроводник акцепторов ширина запрещенной зоны уменьшается на величину Е_акц. Энергия, необходимая для преодоления энергетического барьера может быть получена в ре­зультате тепловых колебаний кристаллической решетки и от энергичного внешнего фотона. В результате электрон попадает на уровень проводимости и образуется «электронно-ды­рочная» пара (рис.2.13). При рекомбинации пары выде­ляется эне­­ргия, равная по величине Е_запр, иногда с излучением кванта света Е_ф = Е_запр. Цвет (длина волны l) определяется энер­гией фото­на Е_ф испускаемого при рекомбина­ции. В большинстве случаев она равна ширине запрещенной зоны полупроводника Е_запр, и, например, для GaAs светодиода равняется:

l =  c/Е_запр = 1,24/1,4 = 0,89 мкм.

Здесь  - постоянная Планка ( = 6,62 10^-34 Дж с), с - скорость света в среде. (Для вакуума с = 299792458 м/с)

Д ля перевода излучения в видимую, например, красную область спектра увеличи­вают ширину запрещенной зоны добавлением атомов фосфора.