Snímačedle fyzikálního principu

Rozdělení dle fyzikálního principu Aktivní (generátorové) - Při působení

měřené (neelektrické) veličiny se chovají jako zdroj energie

Pasivní (parametrické) - Při působení měřené (neelektrické) veličiny se mění některý parametr

Druhy aktivních (generátorových) snímačů• termoelektrické• fotoelektrické• indukční• piezoelektrické• pyroelektrické

Termoelektrické snímače - (termočlánky)• na styku dvou kovů vzniká

rozdíl potenciálu. Je způsobený přechodem elektronů z kovu s menší atomovou vazbou.

•Výhody: – jednoduché – odolné vůči mechanickému i teplotnímu namáhání. – malá časová konstanta

Druhy termočlánků:– Fe – Ko ( konstantan) pro – 200 až 600 °C– NiCr – Ni………………. pro 0 až 1000 °C– PtRh – Pt……………..... pro 0 až 1300 °C

Fotoelektrické snímače a) fotonky a fotonásobiče - využívají vnějšího fotoefektu, kdy fotokatoda

emituje při dopadu záření z povrchu elektrony a ty mohou být u fotonásobičů dále urychleny a sekundární emisí na pomocných anodách rozmnoženy.

• Fotonky jsou jednoduché, mají dobrou linearitu světelné charakteristiky, velmi dobré kmitočtové vlastnosti ( t = 0,1ns).

• Fotonásobiče jsou vhodné pro měření malých světelných výkonů, vyžadují zdroj vysokého napětí, čas.konstanta řádově 10ns, jsou konstrukčně složité.

A

- +

skleněnábaňka

asi 100V

Vakuum

katoda anoda

Fotoelektrické snímače b) Fotoodpor je tvořen polovodičovou binární

sloučeninou (např.-CdS, PbS, InSb, atd…) ve tvaru tenkého pásku naneseného na vhodné podložce v pouzdře.

Vykazuje velmi vysokou citlivost (1mA/lumen)

Výkonově je zatížitelný do 100mW

Odpor za tmy dosahuje řádově M

Nevýhodou je poměrně vysoká setrvačnost ( t > 1ms) a teplotní závislost.

Světelné charakteristiky jsou u fotoodporů nelineární, především v oblasti větších osvětlení.

A

-

Fotoelektrické snímače c) Fotodiody a fototranzistory - jsou tvořeny z

monokrystalického materiálu s PN nebo PIN přechodem mezi rozličně dotovanými polovodiči nebo mezi polovodičem a kovem (Schottkyho diody).

Vysokou citlivost vykazují lavinové fotodiody, využívající mechanismu lavinového zesílení nosičů náboje v oblasti PN přechodu.

Fotodiody mají malou setrvačnost ( t = 1 ms), dobrou časovou stabilitu, ale i větší proud za tmy. Mohou pracovat v odporovém nebo hradlovém zapojení.

Fototranzistor obsahuje dva PN přechody s větší citlivostí než fotodioda, horšími dynamickými vlastnostmi ( t = 0,5ms) i proudem za tmy.

Indukční snímače• Využívají Faradayova zákona elektromagnetické indukce• Pracují s časovou změnou magnetického pole:

– U [ V ] = výstupní napětí snímače – Φ [ Wb ] = magnetický tok – N [ - ] = počet závitů cívky

Indukční snímač obecně slouží pro vyhodnocování přítomnosti kovového materiálu.

Snímač lze použít jako bezdotykový koncový spínač na strojích, automatických linkách apod. Je možné ho použít v prostředí prašném i venkovním.

Indukční snímače

Základ snímače tvoří oscilátor pracující na principu změny činitele jakosti jádra Q při přiblížení kovového materiálu. Tato změna se projeví útlumem kmitů oscilátoru a oscilátor přestane kmitat.

Vysazení kmitů oscilátoru vyhodnotí prahový detektor, který řídí klopný obvod ovládající výkonový koncový stupeň.

Odstraněním kovového materiálu z aktivní spínací zóny oscilátor obnoví kmitání. Podle toho o jaký druh spínače jde, spínací nebo rozpínací, se výstup spojí nebo rozpojí při přiblížení kovového materiálu do aktivní zóny snímače.

V současnosti jsou k dispozici stovky různých modelů a provedení odpovídajících požadavkům průmyslové automatizace

Indukční snímačePoužití

Je možné jejich využití jako inkrementálních snímačů otáček

Piezoelektrické snímače• Ke konstrukci tohoto typu snímače se využívá

piezoelektrického jevu, který spočívá v tom, že uvnitř některých polykrystalických dielektrik vzniká vlivem mechanické deformace elektrická polarizace, čímž se na povrchu tvoří zdánlivé náboje, které mohou na přiložených elektrodách vázat nebo uvolňovat náboje skutečné.

• Jakmile napětí zmizí, dostává se dielektrikum do původního stavu.

Piezoelektrický jev u krystalu křemene• V měřící technice se nejčastěji využívá křemen (SiO2), který má velmi

dobré vlastnosti.• Křemen krystalizuje v šesterečné soustavě, přičemž elementárním

prvkem je šestiboký hranol. Má tři základní osy, jež jsou z hlediska vzniku piezoelektrického jevu velmi důležité.

• Podélná osa z se nazývá optická, osa x protínající hrany kolmo na optickou osu je elektrická a osa y, která je kolmá k ose x a ose z se označuje jako mechanická nebo neutrální.

• Vyřízneme-li z krystalu SiO2 destičku tak, aby její hrany byly rovnoběžné s jednotlivými osami, pak vlivem sil působících kolmo na optickou osu hranolu se krystal zelektrizuje, přičemž vektor polarizace P bude směřovat podél elektrické osy. Na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví náboje.

Piezoelektrický jev u krystalu křemene

Pyroelektrické (IR) snímače• Princip snímače - Molekuly látky se pohybují (tepelný pohyb).• Zastaví se pouze při absolutní nule. Protože dochází k pohybu

elektrických nábojů, tak každé těleso (s teplotou větší než absolutní nula) emituje elektromagnetické záření.

• Toto záření nese jednoznačnou informaci o teplotě tělesa. Prakticky využitelné spektrum, na které jsou citlivé IR detektory, je 0,7 μm - 14 μm.

• Každé těleso vysílá infračervené záření, ze kterého lze získat informaci o jeho teplotě.

• Měřicí systém infračerveného teploměru je poměrně jednoduchý. Záření z měřeného předmětu prochází čočkou, která jej koncentruje na čidlo. Teploměr poté zpracuje signál z čidla a zobrazí údaj o teplotě na displeji.

Měření IR teploměrem - Teoreticky totiž vzdálenost není omezená. Je však třeba si uvědomit, že při měření IR teploměrem se neměří teplota bodu, ale plochy!

Pyroelektrické (IR) snímače

Čidlo totiž snímá teplotu z kuželu, jehož parametry určuje optická charakteristika. Je to poměr vzdálenosti k průměru měřené plochy.

Například optická charakteristika 12:1 znamená, že z 12 m měříme teplotu plochy o průměru 1 m. Čím vyšší je první číslo (20:1, 30:1, 50:1), tím je kužel ostřejší a lze měřit na větší vzdálenosti.

Všechny lepší přístroje jsou vybaveny laserem k zaměření středu měřené plochy. Velice snadno totiž může nastat situace, kdy je měřená plocha větší než předmět, který chceme měřit a výslednou teplotu nám zkresluje pozadí měřeného předmětu. Jediným možným řešením této situace je přiblížit teploměr více k měřenému předmětu.

Pyroelektrické (IR) snímače

Otázky ke zkoušení

1) Jaké je rozdělení snímačů podle fyzikálního principu ?2) Jaké jsou druhy aktivních (generátorových) snímačů ?3) Jaké jsou druhy termočlánků a pro jaké teploty se vyrábějí ?4) Popiš princip činnosti fotonky.5) Popiš princip činnosti fotonásobiče.6) Popiš princip činnosti fotoodporu.7) Popiš jaké bloky obsahuje indukční snímač a jaká je jejich funkce.8) Popiš princip činnosti piezoelektrického snímače.9) Popiš princip činnosti pyroelektrického snímače.10)Vysvětli co je to optická charakteristika pyroelektrického snímače.11)Popiš princip měření pyroelektrickým snímačem.