Реферат на тему: " Сенсоры температуры"

ВСТУП3 1.
ТЕРМОРЕЗИСТИВНІ І НАПІВПРОВІДНИКОВІ ТЕРМОДАТЧКИ4 1.1
Основні відомості про терморезестивні датчики4 1.2
Основні відомості про напівпровідникові датчики 7 1.3
Технологія виготовлення і структура дротяного термометра 8 2.
СЕНСОРИ НА ОСНОВІ ТЕРМОПАР10 2.1
Принцип дії термопар10 2.2
Технологія виготовлення і структура термопар 12 3.
ПІРОМЕТРИ13 3.1
Принцип дії і особливості пірометрів13 2.2
Технологія виготовлення і структура …………………………………………………… 16 4.
ПРИНЦИП ДІЇ АКУТИЧНИХ ТЕРМОМЕТРІВ19 4.1
Принцип дії акустичних датчиків19 4.2
Структурна схема акустичних датчиків21
ВИСНОВКИ22
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ23 2
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

ВСТУП
Для контролю і регулювання температури різних процесів широко використовуються найрізноманітніші датчики температури . Так, у харчовій промисловості для забезпечення високої якості харчових продуктів потрібно температуру зберігання цих продуктів. Дослідників, що працюють у автомобільний промисловості, цікавить температура в робочих циклах двигунів.
Точні виміри температури необхідні для забезпечення максимальної тепловіддачі в перетворювачах сонячної енергії. Виміри температури сприяють раціональній витраті енергії як у побуті так і на виробництві.
Існує безліч способів виміру і контролю температури найрізноманітнішими сенсорами.
Робота сенсорів температури заснована на різних принципах. Якщо пристрій містить датчик температури й інші необхідні компоненти, що забезпечують відображення значень температури, то цей пристрій називається термометром.
Температурні датчики можна розділити на безконтактні датчики температури і контактні датчики температури.
Перші застосовують принцип вимірювання потужності інфрачервоного випромінювання, яке йде від будь-якого об'єкта (будь він холодний або гарячий). Безконтактні датчики температури використовуються в тих галузях, де утруднений доступ до вимірюваних деталям або при необхідності вимірювання високих температур - від 1500 до 3000 ° С.
Деякі моделі таких безконтактних датчиків спеціально розроблені для вимірювання температури прозорих об'єктів - плівки і скла, існують датчики для роботи в курній або задимленому середовищі.
Контактні датчики температури представлені, в основному, термопарами і термоопором.
Даний спосіб вимірювання температури заснований на тому, що різні метали і напівпровідники змінюють свій електричний опір зі зміною температури, внаслідок чого, передається електричний сигнал.
1.
3
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

ТЕРМОРЕЗИСТИВНІ І НАПІВПРОВІДНИКОВІ ТЕРМОДАТЧИКИ
1.1
Основні відомості про терморезестивні датчики
Терморезистори – це резистивні елементи, виготовлені з провідникового або напівпровідникового матеріалу, в яких використовується залежність електричного опору матеріалу від температури. Відповідно до виду застосування матеріалу розрізняють металеві та напівпровідникові терморезистори ( термістори, позистори).[1]
Принцип їх дії заснований на тому, що всі провідники та напівпровідники маютьтемпературний коефіцієнт опору - скорочено ТКС . Це приблизно те ж, що і всім відомий коефіцієнт температурного розширення: при нагріванні тіла розширюються.[2]
Слід зауважити, що всі метали володіють позитивним ТКС. Іншими словами електричний опір провідника збільшується при зростанні температури. Тут можна згадати той факт, що лампи розжарювання перегорають найчастіше в момент включення, поки спіраль холодна і опір її невелика. Звідси і підвищений струм при включенні. Напівпровідники мають негативний ТКС.
Чуттєвий елемент терморезисторного датчика температури (термометру опору) являє собою дротовий або напівпровідниковий терморезистор, величина якого змінюється в залежності від зміни температури.
Залежність електричного опору дротового терморезистора від температури (статична характеристика) у малому діапазоні температур близька до лінійної.
Температурна залежність питомого опору металу визначається, головним чином, довжиною вільного пробігу електронів :
(1.1.1)
де – середня довжина вільного пробігу електронів, n –концентрація електронів, q – елементарний електричний заряд, h – постійна Планка, K – стала.
Робочу формулу терморезистивного сенсора можна записати як :
(1.1.2)
де – питомий опір при температурі , питомий опір при температурі 0 (відносно), - температурний коефіцієнт опору (ТКО).
4
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Рис.1.1.1 – температурна залежність питомого опору металів.
Як видно з графіку температурна залежність являє собою лінійний закон. Але при гранично допустимих температурах виникають скачки, це пов’язано з хімічними , оптичними та
іншими властивостями металів.
Для виготовлення терморезестивних сенсорів також використовують сплави металів.
Питомий опір таких терморезисторів визначається законом Нортгейма( для бінарних сплавів) :
(1.1.3)
де – константа, що залежить від природи сплаву, – атомні долі компонентів в сплаві.
5
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Рис.1.1.2 залежність питомого опору і ТКО від концентрації металів в сплаві.
В бінарних сполуках питомий опір зростає при додаванні компонента А до компонента
В і навпаки. Максимальний питомий опір спостерігається при концентрації приблизно 50/50.
ТКО для металевих сплавів як правило більше нуля. Однак у випадку коли збільшення концентрації електронів при зростанні температури стає одного порядку, аніж зменшення середньої довжини пробігу електронів то ТКО дорівнює нулю, або менше нуля. Коли ТКО дорівнює нулю сплав називається термостабільним.
Металеві термометри опору можливо поділити на 2 групи:
1.
Дротові
2.
Тонкоплівкові
При виготовленні металевих термометрів опору висуваються наступні вимоги:
1.
Стабільний ТКО
2.
Відтворюваність опору за даної температури
3.
Стабільні фізичні і хімічні властивості при нагріванні
4.
Інертність до впливу досліджуваного середовища
При виготовленні термометрів використовуються наступні матеріали:
6
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Табл .1.1.1 Характеристики металів при виготовлені металевих дротяних термометрів.
Найменування металу
Питомий опір Ом мм
2
/
м Середній температурний коефіцієнт електричного опору для інтервалу
0 ÷ 100
о
С, 1/град
Температурна межа вимірювання у
о
С
Нижній
Верхній
Платина
0,0981 3.91 10
–3
– 250 1250
Мідь
0,018 4,26 10
–3
– 150
+ 180
Нікель
0,12 6,4 10
–3
– 200
+300
Табл .1.1.2 Характеристики металів при виготовлені металевих тонкоплівкових термометрів.
Найменування металу
Підкладка
Середній температурний коефіцієнт електричного опору для інтервалу
0 ÷ 100
о
С, 1/град
Температурна межа вимірювання у
о
С
Нижній
Верхній
Мідь
БСС
1.72 10
–6
– 50
+ 200
Молібден
Кераміка
5.7 10
–6
– 200
+ 200
Платина
Кераміка, скло, корунд
10.6 10
–6
– 60
+ 350 1.2
Основні відомості про напівпровідникові датчики
Для напівпровідникових терморезисторів питома провідність визначається наступним чином:
1.
Власна провідність:
(1.1.4)
2.
Домішкова провідність :
(1.1.5)
7
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Рис 1.2.1. – температурна залежність концентрації носіїв заряду у напівпровіднику.
Напівпровідникові терморезистори можна поділити на 2 групи :
1.
Термістори (ТКО < 0)
2.
Позистори (ТКО > 0)
Термістори – це напівпровідниковий терморезистор з від’ємним ТКО. В основі роботи термісторів лежать наступні фізичні явища :
•
Збільшення концентрації носіїв заряду
•
Збільшення інтенсивності обміну електронами між іонами за змінною валентністю
•
Фазові перетворення напівпровідникового матеріалу
Позистор – напівпровідниковий терморезистор з додатнім ТКО. В основі роботи лежать наступні фізичні явища:
•
Збільшення розсіяння носіїв заряду на теплових коливаннях гратки
•
Аномальна температурна залежність в околі точки Кюрі
1.3
Технологія виготовлення і структура дротяного термометра
Для прикладу технології виготовлення оберемо дротяний металевий термометр.
Для терморезистивного чутливого елементу використовується дріт з платини марки
ПЛА-0, ПЛА-1, ПЛА-2, ГОСТ 12341-81, діаметром 0,03 мм. Виготовляють платиновий дріт діаметром 0,03 мм за відомою металургійною технологією, яка містить в собі виплавку металу, розливання його у зливки, кування, прокатку і волочіння. Потім на спеціальному пристрої закріплюють один кінець дроту і намотують його з зачепленням за штирі спеціального пристрою (18-19 штирів) і з натягом матеріалу дроту рівним 20-35% його межі пропорційності.
При роботі дротяного датчику температури за умов змінних динамічних навантажень і вібрації на чутливий елемент приладу також діють ці навантаження. Якщо використовувати у
8
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

приладі чутливий елемент без попереднього натягу, то вплив часових навантажень відбивається на показаннях приладу, які можуть істотно відрізнятися від справжніх значень температури.[4]
При натязі матеріалу дроту меншому, ніж 20% його межі пропорційності, не забезпечується необхідна точність вимірювання, а натяг понад 35% межі пропорційності не призводить до подальшого підвищення точності вимірювань. Після намотування дроту і закріплення другого кінця вимірюють опір дроту, порівнюють його з опором, необхідним за технічними умовами на цей датчик, і, якщо ці опори не співпадають, здійснюють коректування шляхом зміни довжини дроту. Потім припаюють виводи, що проводять струм. Під намотані витки дроту підкладають поліетиленову плівку, потім витки дроту вкривають віжо наготовленим компаундом, зробленим з епоксидної смоли, отверджувача і пластифікатора в певному процентному співвідношенні, накладають зверху поліетиленову плівку, знову вкривають її компаундом, а потім зверху накладають склотканину. Склотканину попередньо просочують компаундом. Після накладання склотканини отриману заготовку перевертають на 180°, наносять шар компаунду, вкривають склотканиною і вміщують цю шаровану заготовку у спеціальну формуючу матрицю з фторопласту, яку обтискують по всій площі з величиною тиску (0,01-0,02)
Мпа. При такому тиску і температурі 20-80°С заготовку витримують протягом 18-20 годин, поки не завершиться процес полімеризації. Після цього ще раз перевіряють опір датчика і рівно обрізають його кінці.[4]
Дротяний датчик температури складається із захисного каркасу 1, терморезистивного чутливого елементу 2, виводів, що проводять струм 3 (рис. 4). Терморезистивний чутливий елемент 2 вкрито з двох сторін компаундом 4, на який накладено тонкі поліетиленові плівки 5.
Поверх поліетиленових плівок 5 ще раз нанесено компаунд 6, а вже на нього накладено пластини з склотканини 7, які також просочені компаундом (рис. 5). Така шарована конструкція датчику забезпечує його високу герметичність та надійну ізоляцію чутливого елементу
.[4]
9
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

2.
СЕНСОРИ НА ОСНОВІ ТЕРМОПАР
2.1
Принцип дії термопар
Рис 2.1.1. – структура термопари.
Термопара ( термоелектричний термометр) представляє собою два різнорідні металеві провідники(термоелектроди) , що призначені для вимірювання температури робочих об’єктів.
Кінець термопари, що поміщається в об’єкт вимірювання температури, називається робочим або
«
гарячим» спаєм, вільні або «холодні» кінці сполучені з вимірювальним приладом. Термопарою здійснюється перетворення теплової енергії в електричну.[8]
В основі утворення електричної енергії в термопарі лежить ефект Зеєбека. Він полягаю у виникненні термо–ЕРС в колі двох різнорідних провідників або напівпровідників(термоелектронів), якщо температура їх з’єднання ( робочий або гарячий спай) та температура вільних кінців є різною.
Аналітичний вираз дя опису ефекту Зеєбека можна записати наступним чином:
(2.1.1)
де - термо-ЕРС, - температура гарячого і холодного спаїв, - відносний коефіцієнт термо-ЕРС.
Коефіцієнт термо-ЕРС характеризую величину термо-ЕРС, що виникає при градієнті температур і записується як різниця абсолютних величин:
(2.1.2)
де – абсолютні значення відповідних електродів.
Тому робочу формулу сенсора можна записати як :
(2.1.2)
Було встановлено, що абсолютне значення коефіцієнта термо-ЕРС зростає зі зростанням концентрації вільних носіїв заряду.
Термо-ЕРС обумовлена трьома причинами :
12
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

1.
Температурна залежніть рівня Фермі( контактна складова термо-ЕРС)
2.
Дифузія носіїв заряду від гарячого кінця до холодного (об’ємна складова термо-ЕРС)
3.
Процес захоплення електронів фононами (фононна складова термо-ЕРС)
Для виготовлення термопар використовують наступні з’єднання:
Табл.2.1.1 Основні види термопар і їх характеристики.
Тип термопари за МЕК
Тип термопари за ДТСУ
Температурний діапазон
К
Хром ель-алюмелеві
0…+1100
J
Залізо-константанові
0…+700
N
Ніхросил-нісилові
0…+1100
R
Платино родій-платинові
0…+1600
S
Платинородій-платинові
0…+1600
В
Платинородій-платинородієві
+200…+1600
T
Мідь-константанові
-185…+300
E
Хромель-константанові
0…+800
Термопарні сенсори температури можна розділити на 2 групи за типом дії:
1.
Занурювальні (використовуються для виміру температур газів і рідин)
2.
Поверхневі ( використовуються для виміру температури твердого тіла)
За інерційністю можна поділити на:
1.
Малої інерційності (5/10 с)
2.
Середньої інерційності( 60/120 с)
3.
Великої інерційності (180/340 с)
До переваг сенсорів на основі термопар можна віднести наступні якості:
1.
Велика швидкодія
2.
Висока точність вимірів (до )
3.
Великий температурний діапазон вимірювання (-200…+2500 4.
Можливість проведення точкових вимірювань температури
5.
Відсутня похибка вимірювання, що обумовлена само розігрівом сенсора
6.
Простота конструкції
7.
Невелика вартість
13
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

На перевагу цього, термопарні сенсори мають наступні недоліки:
1.
Необхідна термостабілізація температурного опорного спаю
2.
Даний метод вимірювання є лише контактним
3.
Для отримання високої точності вимірювання необхідне
індивідуальне градуювання температури
4.
Наявність таких процесів як корозія , механічні напруги тощо призводять до суттєвої похибки у вимірюванні температури
5.
Може виникати ефект «антени» для існуючих електромагнітних полів
2.2.
Технологія виготовлення і структура термопар
Рис 2.2.1 – схеми включення термопар
1 – вимірювальний прилад
2,3 – термоелектроди
4 – з’єднувальні проводи
Т1- температура гарячого спаю
Т2 – температура холодного спаю
Існує декілька способів виготовлення термопар. Перший полягає в тому, що дифузною зваркою зварюють встик торцями два прутка із різних металів або сплавів. Токарним різцем знімають шар з’єднаних металів так, щоб зварений шов був розташований уздовж отриманої
14
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

стрічки.Проковуванням знижують рівень шорсткості стрічки до заданої величини , потіп проводять прокатку стрічки уздовж лінії зварного шва і вирізують з неї термопару.[5]
У іншому випадку у залізний тигель з металевою підставкою насипають вугільний порошок – подрібнені дугові електроди або електроди від гальванічних елементів. Один кінець електричного дроту від тигля з’єднують з клемою автотрансформатора (ЛАТР), інший електропровід від автотрансформатора під’єднують до скрученої термопарі, яку захоплюють плоскогубцями з ізольованими ручками і подають від автотрансформатора напруга близько
60-80
В.[5]
Скручені термоелектроди (наприклад, хромель-копель діаметром 0,3-0,5 мм) опускають у вугільний порошок, в який додано трохи флюсу (бура), в результаті чого виникає невелика електрична дуга, і кінці термопари зварюються, утворюючи кульку на кінцях електродів.[5]
Основні виробники :
1)OMRON Corporation(
Японія)
2)Microlife(
Китай)
3.
ПІРОМЕТРИ
3.1
Принцип дії та особливості пірометра
Піро́метр — прилад для безконтактного вимірювання температури непрозорих тіл за
їхнім випроміненням в оптичному діапазоні спектра. Принцип дії полягає у вимірюванні значення амплітуди електромагнітного випромінювання тіла. Тепловий промінь, попадає на поверхню вимірювання, відбивається та попадає на первинний перетворювач, на виході котрого формується електричний сигнал прямопропорційний температурі.[3]
Надалі розглянемо пірометри що ґрунтуються на оптичному вимірюванні температури.
ІЧ-фотоприймачі можна поділити на два класи: теплові та фотонні. В теплових приймачах ІЧ випромінювання, яке поглинається, викликає нагрівання чутливого елементу, що в свою чергу викликає зміну певних характеристик детектора. В фотонних приймачах поглинуте
ІЧ випромінювання призводить до переходів між енергетичними станами кристалу. Теплові приймачі характеризуються рівномірною чутливістю у досить широкому діапазоні ІЧ-спектру, однак мають невелику чутливість та швидкодію. Для фотонних приймачів характерним є селективність по спектру, однак високий рівень чутливості в цьому діапазоні та швидкодія. [1]
Принцип дії ІЧ-фотоприймачів базується на основі основних законів поглинання та випромінювання твердих тіл, сформульованих для так званого абсолютно чорного тіла.
Абсолютно чорне тіло (АЧТ) – це тіло, що поглинає все падаюче на нього електромагнітне випромінювання. Перший закон випромінювання Віна:
15
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

(3.1.1)
де – густина енергії випромінювання, – частота випромінювання, Т – температура тіла, що випромінює, f – функція, що залежить лише від частоти та температури.
Перший закон Віна є загальною формулою, з якої може бути виведений будь-який інший закон випромінювання, наприклад, закон Стефана-Больцмана, другий закон Віна, закон Планка, закон Релея-Джинса і т.д.
[1]
Другий закон Віна – частковий випадок першого закону Віна, справедливий лише в області високих частот:
(3.1.2)
де h – стала Планка, с – швидкість світла
Закон Релея-Джинса справедливий в області низьких частот:
(3.1.3)
Цей закон передбачає квадратичну залежність спектральної густини випромінювання від частоти. При прямуванні частоти до нуля даний закон переходить в закон Планка:
(3.1.4)
де Е (v, Т) – спектральна густина випромінювання, І – інтенсивність випромінювання АЧТ.
Закон Планка визначає спектр випромінювання АЧТ. А закон Релея-Джинса та другий закон Віна є його крайніми випадками, які історично стали відомими раніше.
Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана-Больцмана:
(3.1.5)
де j – потужність на одиницю поверхні, що випромінює, - постійна Стефана-Больцмана
Даний закон випливає із закону Планка шляхом інтегрування і говорить про те, що потужність випромінювання АЧТ, що припадає на одиницю площі поверхні, прямо пропорційна четвертій степені температури тіла. Для нечорних тіл приблизно можна записати, що:
(3.1.6)
де ε – степінь чорноти, для всіх тіл ε < 1, для АЧТ ε = 1.
Із закону Планка шляхом диференціювання випливає закон зміщення Віна, який полягає в тому, що довжина хвилі, за якої енергія випромінювання АЧТ є максимальною, визначається формулою:
16
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

(3.1.7)
За цією формулою визначають співвідношення між температурою АЧТ та кольором його випромінювання. Оптична пірометрія – це метод вимірювання температури, який базується на співвідношенні між температурою тіла та оптичним випромінюванням, яке це тіло випромінює.
Звідси пірометр – це прилад для безконтактного вимірювання температури тіла, принцип дії якого основується на вимірюванні потужності теплового випромінювання досліджуваного об’єкту. Болометр – це терморезистор з зачорненою поверхнею, яка здатна ефективно поглинати
ІЧ-випромінення.
[1]
Безконтактний метод вимірювання є необхідним для:
•
F 0
B 0
високих вимірюваних температур (більше 2000 С),
•
дуже агресивного оточуючого середовища (хімічна промисловість),
•
матеріалів, що погано проводять тепло (скло, дерево, пластмаси),
•
частин, що знаходяться під високою напругою,
•
рухомих тіл (наприклад, листовий матеріал в прокатному виробництві металу).
Піроелектричний сенсор температури працює на основі піроелектричного ефекту, який полягає у зміні поляризованості діелектрика при зміні температури. В найпростішому вигляді даний клас сенсорів являє собою конденсатор – діелектрична пластина виготовлена з піроелектрику і розміщена між металевими обгортками. На одну з металевих обгорток наноситься зачорнений шар. В результаті поглинання теплової енергії температура пластини конденсатора збільшується і між обгортками з’являється напруга, що реєструється. Матеріали піроелектричних датчиків: тригліцинсульфат, титанат барія, титанат свинця тощо.
Основна відмінність піроелектричних сенсорів температури від термодатчиків полягає в тому, що в піродатчиках нескомпенсований електричний заряд виникає лише в моменти швидкої появи/зникнення випромінювання. При тривалому опроміненні піродатчиків, електричний сигнал на виході сенсора буде рівний нулю. До переваг піроелектричних сенсорів температури відносять їх високу швидкодію та відсутність нагріву активного елементу сенсору.
[1]
Фотопровідність –зміна електричної провідності речовини під дією електромагнітного випромінювання.
1)
Власна фотопровідність :
(3.1.8)
2)
Домішкова фотопровідність:
17
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

(3.1.9)
де час життя нерівноважних носіїв заряду, квантовий вихід внутрішнього фотоефекту, – коефіцієнт поглинання матеріалу, І – інтенсивність світла
2.3.
Технологія виготовлення та структура
У візуальних яскравісних пірометрах результати вимірювань залежать від суб’єктивних помилок спостерігача. Крім цього візуальними пірометрами не можна автоматично контролювати температуру. Цих недоліків не мають фотоелектричні яскравісні пірометри. Блок- схема простого фотоелектричного яскравісного пірометра показана на рис 3.2.1. Світло від вимірювального джерела S через лінзу О і фільтр Т надходить на фотоелемент Ф. Фотострум, що виникає в ланцюзі, посилюється підсилювачем У і поступає на реєструючий прилад РП
Рис. 3.2.1 Блок схема фотоелектричного пірометра
18
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Рис. 3.2.2 Оптична система автоматичного фотоелектричного пірометра
1 — джерело випромінювання; 2 — лінзи оптичної системи; 3 — модулятор, поперемінно проникний випромінювання джерела і еталонної лампи 4 до фотоелемента 7; 5 — фільтр з вузькою частотною смугою пропускання; 6 — погнута лінза. Фотоелемент по черзі освітлює то джерелом, то лампою. При нерівності створюваних ними освещенностей в ланцюзі фотоелемента виникає змінна складова фотоструму, амплітуда якої пропорційна різниці освещенностей. При вимірах струм напруження лампи регулюють так, щоб змінна складова фотоструму дорівнювала нулю.
19
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Рис. 3.2.3 Приципова схема візуального пірометра
1 — джерело випромінювання; 2 — оптична система (телескоп пірометра); 3 — еталонна лампа розжарювання; 4 — фільтр з вузькою смугою пропускання; 5 — об'єктив; 6 — реостат, яким регулюють струм напруження; 7 — вимірювальний прилад (міліамперметр).
Основним елементом фоторезистора являється напівпровідниковий світлочутливий шар напівпровідника, який може бути виконаний у вигляді монокристалічної або полікристалічної пластини напівпровідника або у вигляді полікристалічної плівки, яка нанесена на діелектричну підложку. В якості напівпровідникового матеріалу для фоторезисторів найчастіше використовують сульфід кадмію, селенід кадмію або сульфід свинцю. На поверхню світлочутливого шару наносять металічні електроди. Іноді електроди наносять безпосередньо на діелектричну підложку перед осадженням напівпровідникового шару.
Поверхню напівпровідникового світлочутливого шару, який розташований між електродами називають, називають робочою площадкою. Фоторезистори виготовляють з робочими площадками у вигляді прямокутників, міандра та кільця. Площа робочих площадок різних фото резисторів найчастіше складає від десятих частин до десятків квадратних міліметрів.
Пластину з нанесеною на неї напівпровідниковим світлочутливим шаром або пластину напівпровідника розміщують в пластмасовий або металічний корпус. Навпроти робочої площадки роблять вікно з прозорого матеріалу.
20
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

Для виготовлення фото чутливих елементів використовують наступні матеріали:
Тип приймача
Матеріал
Робочий спектральний діапазон, мкм
Фотодіод
Si
0,5….1,1
Ge
0,8….1,8
PbS
1,2…3
PbSe
2…5
InSb
3…5,5
PbSnTe
2….14
HgCdTe
2….12
Основні виробники:
1.
OMRON Corporation(
Японія)
2.
Medisana (
Росія)
4.
АКУСТИЧНІ ТЕРМОМЕТРИ
4.1
Принцип дії акустичних термометрів
В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного керування, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними позитивними характеристиками електричних вимірів: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому розумінні, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні й навпаки; вони точно перетворяться в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості й швидкодії засобів вимірів.[6]
Акустичні датчики засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їхньої температури й використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур.
Акустичний термометр містить просторово рознесений випромінювач акустичних хвиль і їхній приймач, що включаються звичайно в ланцюг автогенератора, частота коливань якого міняється зі зміною температури; звичайно такий датчик використовує й різного типу резонатори.[6]
Датчик температури являє собою пластинку кварцу, поміщену в сталевий корпус, заповнений гелієм для збільшення теплової провідності між кварцом і корпусом датчика.
П'єзоелектричний кварц характеризується тим, що головна площина пластинки
21
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

перпендикулярна електричної осі. У цьому випадку спостерігається поява зарядів протилежного знака на протилежних поверхнях пластинки при додатку сили по нормалі до них. Це явище називається прямим п'єзоелектричним ефектом. При додатку до протилежних поверхонь пластинки різниці потенціалів відбувається зміна товщини пластинки (розтягання або стиск) залежно від знака різниці потенціалів. Це явище називається зворотним п'єзоелектричним ефектом. П'єзоелектричний ефект експериментально був відкритий братами Кюрі.[6]
Якщо до протилежних поверхонь пластинки прикласти змінну різницю потенціалів, частота якої буде періодично змінюватись, виникає явище електромеханічного резонансу, що супроводжується періодичним перетворенням механічної енергії в електричну й назад з дуже малими втратами.[6]
Електроди, за допомогою яких підводить різниця потенціалів до пластинки, можуть бути напиляні у вакуумі або виконані із двох притиснутих до пластинки шматочків фольги.
Поблизу однієї із цих резонансних частот механічних коливань пластинка кварцу з електричної точки зору являє собою двухполюсник, що складається із двох паралельних галузей.
Параметри L, С, R визначаються геометричними, механічними й кристалографічними характеристиками пластинки; С – обумовлено наявністю металевих електродів
Є два ланцюги електричного резонансу:
1)
Послідовна :
(4.1.1)
2)
Паралельна :
(4.1.2)
Кварцова пластинка з активним елементом утворять у сукупності генератор, що створює вимірювальний сигнал.
(4.1.3)
де
, якщо
Визначивши за допомогою частотоміра величину й знаючи S можна знайти температуру:
(4.1.4)
22
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

4.2
Схема акустичного сенсора температури
Рис. 4.2.1 схема акустичного сенсора температури
Датчик складається з трьох компонентів: ультразвукових передавача і приймача, а також герметичній трубки, заповненої газом. Передавач і приймач є керамічні п'єзоелектричні пластини, акустично незв'язані з трубкою, що забезпечує поширення звуку переважно через газ усередині трубки. Як газ найчастіше використовується сухе повітря. Тактовий пристрій запускає передавач, який посилає в трубку короткий ультразвуковий імпульс, який пройшовши через тестуючу середу трубки приймається приймачем. Час проходження сигналу подається в контролер, який обчислює швидкість поширення ультразвуку, а потім визначає температуру тестуймого середовища.
23
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

ВИСНОВКИ
Таким чином, можна сказати що на даний момент існує безліч способів для вимірювання температури. Вимірювання і контроль температури є істотно важливими для всіх галузей промисловості так і для побуту.
Так як існує велика кількість різноманітних виробництв, то вимоги до сенсорів при вимірюванні температури також дуже різноманітні. Вимоги що висуваються до сенсорів наступні:
•
Температурний діапазон
•
Точність вимірювання
•
Ціна
В даному рефераті було розглянуто найпопулярніші сенсори температури : сенсори на основі резистивних елементів, що змінюють свою провідність під дією температуриі напівровідникові термометри. Такі термометри призначені для вимірювання температури твердих об’єктів.
Термометри на основі термопар, в основі яких лежить перетворення теплової енергії в електричну.Призначені для точкового виміру температури і характеризується малою вартістю.
Пірометри на основі фотоефекту, що базуються на випромінені від об’єкта. Перевагою є відсутність контакту з предметом виміру та великий температурний діапазон.
Та акустичні термометри.
24
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1.
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з курсу "Фізичні основи сенсорики" (для підготовки бакалаврів за напрямком 6.050801 «Мікро- та наноелектроніка»).
Укл. Коваль В.М. – Київ, 2013. – 35 с.
2.
Пасынков В.В., Чиркилин Л.К. Полупроводниковые приборы: учебное пособие. –
СПБ.:Лань, 2002. – 480 с.
3. https://uk.wikipedia.org/wiki/
Пірометр
4.http://elartu.tntu.edu.ua/bitstream/123456789/17269/5/
Metody_i_zasoby_sprjazhennja_temperaturnyh_sensoriv_u_mikroprocesornyh_vymirjuvalnyh_kompl eksah.pdf
5.
Датчики. Устройство и приминение : пер. с нем. / Г.Виглеб. М: Мир, 1989.-196 с.
6. https://ukrbukva.net/page,2,79860-Sovremennye-datchiki-temperatury-otechestvennogo- proizvodstva.html
7.
Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов. : Пер с пол. :М.:Советское радио -1970. -392 с.
8. https://uk.wikipedia.org/wiki/
Термопарa
25
Document shared on www.docsity.com
Downloaded by: notroyallion (musicreeemixer@gmail.com)