Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика при быстрых изменениях входной величины.

Динамическая характеристика зависит от внутренней структуры датчика и его элементов. Она может быть задана различными методами. Однако наиболее широко используют амплитудно-частотную и фазовую характеристики.

Частотная характеристика это зависимость чувствительности датчика от частоты изменения выходного сигнала.

Фазовая характеристика это зависимость сдвига фаз между векторами входной и выходной величин от частоты синусоидального изменения входной величины.

Общие требования, предъявляемые к датчикам

В зависимости от конкретных условий применения датчиков к ним хтредьявляются некоторые обпще требования. [1]

Ниже хтриведён примерный перечень этих требований:

однозначная зависимость выходной величины от входной;

высокая избирательность; датчик должен реагировать только на изменение той величины, для которой он предназначен;

минимальное изменение характеристик под влиянием внешних факторов (например, температуры, угла наклона, вибрахщй и т.п.);

охтределенный вид зависимости между выходной и входной величинами;

высокая чувствительность (отношение приращения выходной величины к хтриращению входной);

охтределенные динамичесхсие харахстеристихси (постояхшая времехш);

повторхтмость харахстеристхтк (взаимозамехтяемость);

стабхтльностъ харахстеристик во времехш;

устойчивость к ххтмичесхсхтм воздействхтям измеряемой и охфужающей сред;

устойчивость против мехахшчесхсхтх, термхтчесхсхтх, элехстрхтческхтх и т.п. перегрузок;

взрьшобезопасность;

простота и технологичность конструкхрш;

удобство монтажа и обслужхшания;

хшзкая стохтмость хтри серхтйном хтроизводстве.

Зарубежная классификация микроэлектронных датчиков

Зарубежхтьхми производхгтелями используется следующая хслассифхткахртя мхткроэлехстрохшьхх датчхтков и XIX составляюхтщх.

Полупроводниковый чувствительный элемент (ПЧЭ) датчика считается основным элементом, вьшолхтяюхтщм фухткхртю хтреобразователя ухтравляющего магхтхгшого поля в элехстрхтчесхсий схтгнал.

НЧЭ наиболее хорошо хтриспособлехтьх к массовому хтроизводству, однако охш не хтмехот охтределёхтхтьхх метрологичесхсих харахстеристик.

Первичный преобразователь (ПП) (Sensor) представляет собой НЧЭ, закрепленньхй в корпусе, без каких либо внехтххшх элемехгтов коррехсх;хш и обработки сигнала. НН обладает полхтьхм набором метрологичесхсхтх харахстеристик, но все охш хшдхтхтдуальньх, а хтх разброс достигает: по велхтчине чувствительности + 50%; начального вьхходного сигнала ± 20% от диапазона вьхходного сигнала; по температурному дрейфу нуля ± 5%, а дрейфу чувствхгтельности +10%.

Унифицированный первичный преобразователь (УПП) (Transducer) включает НН и элементы балансхфовхси, настройхси и коррехсхрш харахстеристхтк (как хтравхтло, пассивные). УНН одной модели имехот близхсие харахстеристихси и могут быть с известной степехтью точности взаимозамехтяемьхми.

В некоторьхх случаях термхш Transducer хтрхтмехтяхот к полностью ухшфихрфовахтхтьхм датчикам с вьхходньхм схтгналом в вхтде нахтряжехтхтя.

Датчик (Transducer) хтмеет полностью ухшфхщхфованхтьхе метрологичесхсие харахстеристихси и обьхчно токовьхй вьхходной схтгнал дистахтхщохшой передачи, что достигается добавлехшем к НН (хтли УНН) элехстрохшого преобразователя и проведехтхтя хшдхшидуальной настройхси датчика. Такая настройка составляет 60...70% трудоемкости изготовлехтхтя датчхтков и резко ограхтхтчхтвает возможность полной автоматизахрш хтх хтроизводства.

Вместо термхша датчхтк (sensor) хтредпочтительньхм является использовахше термхша михфоэлехстронхтьхй датчхтк .

Зарубежхтьхми хтроизводхгтелями отмечается, что датчхтхси, изготавлхшаемые с использовахшем технологхш михфоэлехстрохтхтхси, отлхтчахотся больхтххтм разнообразием метрологичесхсхтх и эксхшуатах;иохтхтьхх харахстеристхтк. Отлхтчхгтельной чертой массового хтроизводства тахсих датчхтков является неизбежхтьхй технологичесхсий разброс харахстеристхтк, и, как хтравхтло, больхтше дополхштельхтьхе погрехтшости. [25]

Интегральные полупроводниковые сенсоры

Всемерное развитие технологических процессов микроэлектроники привело к созданию полностью интегральных полупроводниковых приборов получивших наименование Интегральные полупроводниковые сенсоры (ИПС).

Интегральные полупроводниковые сенсоры представляют собой отдельный класс твердотельных датчиков, чья основная особенность - конструкгивно-технологичес-кая и функциональная интеграция различных элементов измерительного канала на одном полупроводниковом кристалле ( чипе ) с использованием микро - и нанотехнологий.

Простые ИПС, как правило, содержат на чипе один чувствительный элемент (первичный преобразователь) и простейшие элементы вторичного преобразования (мостовые схемы, преобразователи сопротивления, предусилители и т.п.) и используются для преобразования какой-либо одной физической величины в электрический сигнал. Их можно отнести к разряду интегральных микросхем низкой и средней степени интеграции.

Сложные ИПС - могут содержать на чипе несколько чувствительных преобразуюпщх элементов (ЧЭ), различные элементы вторичного преобразования (усилители, коммутаторы, преобразователи типа напряжения-частота , АЦП и др.), устройства обработки и хранения данных (компараторы, счетчики, сумматоры, перемножители, схемы памяти, процессоры) и актюаторные элементы.

Сложные ИПС относятся к разряду интегральных микросхем средней и высокой степени интеграции. ИПС с большим количеством однородных чувствительных элементов (например, матричных структур магниточувствительных элементов) - назьшаются сенсорами матричного типа.

Устройства, способные вьшолнять функции измерения и контроля нескольких физических величин, автоматического переключения каналов и коррекции систематических погрешностей, адаптации к изменению эксплуатационных условий, вьгаислений, сравнений, принятия решений и формирования соответствуюпщх сигналов, назьшают интеллектуальными сенсорами.

Магнитные ИПС представляют отдельную большую группу сложных интегральных полупроводниковых сенсоров для построения которых типовыми элементами являются интегральные преобразователи Холла, 2-х коллекторные транзисторы, а также усилители и ключи на биполярных и КМОП транзисторах и т.д.

Большинство серийно вьшускаемых сенсоров являются простыми ИПС.

В них, как кажется на первый взгляд, мало проявляются преимущества интеграции элементов, поскольку для создания приборов и систем к простым интегральным сенсорам, как и к дискретным, все равно приходится подключать устройства интерфейсной электроники, а невысокая стоимость чипов часто подавляется относительно высокой стоимостью корпусов датчика или прибора.

К преимуществам ИПС можно отнести следующее:

малые габариты, масса, потребляемая мощность, тепловая инертность, разброс геометрических и электрофизических параметров элементов;

высокая воспроизводимость элементов;

возможность внутренней и автоматической компенсации систематических погрешностей;

возможность унификации выходных сигналов по типу и по величине для устройства сопряжения с устройствами обработки и отображения данных;

технологическая совместимость с типовыми элементами ИМС;

возможность создания новых типов сенсоров и микросистем, которые принципиально не могут быть изготовлены по другим технологиям. [20]

На рис. 5.2. приведена классификация датчиков перемещения по характеру связи с объектом и виду выходного сигнала, предложенная М. Феррети [26]

Датчики, регистирирующие перемещения объекта

Отсутствует механическая связь с объектом

Имеется механическая связь с объектом

Логичесвшй выход

Аналоговый выход

Логический выход

Цифровой выход

Детектор (индикатор) приближения

Датчик приближения

Аналоговый выход

Детектор (индикатор) положения

Кодер (преобразователь перемещение-код) перемещения

Датчик перемещения

Рис. 5.2. Классификация датчиков по характеру связи с объектом и виду выходного сигнала

5.1.Магнитные датчики для регистрации перемещений

Магнитные датчики для регистрации перемещений контролируемых объектов относятся к, т.н. функционально-ориентированным магнитным датчикам, которые составляют основную группу магнитоэлектронных приборов.

Функционально-ориентированный магнитный датчик - это специально сконструированное магнитоэлектронное устройство, предназначенное для решения узкого круга задач. Например, для регистрации перемещений или контроля скорости вращения контролируемого объекта, угла наклона и т.п.

Магнитные датчики перемещения (МДП) являются наиболее универсальными магнитоэлектронными устройствами, поскольку они используются и как самостоятельные датчики, и как составные элементы многих других более сложных датчиков.

Некоторые датчики содержат специальные элементы, преобразующее давление управляющего элемента (например, поводка, штока и др.) в перемещение, и выходные преобразователи магнитного поля, преобразующее перемещение в выходной сигнал. Аналогичное устройство имеют многие датчики уровня, расхода и температуры.

Датчики перемещения находят широкое применяются в различных областях науки, техники и в производстве, в том числе, в металлообрабатьшающем оборудованиия с программным управлением, различного вида транспортерах, роботах и микророботах, подъемных механизмах, поточных линиях с автоматизированным управлением, в бытовой технике и аппаратуре и т.п.

Кроме того, датчики перемещения используются как нулевые органы датчиков с силовой компенсацией и в других устройствах.производстве. В том числе, в металлообрабатьшающем оборудования с программным управлением, различного вида транспортерах, роботах и микророботах, подъёмных механизмах, поточных линиях с автоматизированным управлением, в бытовой технике и аппаратуре и т.п.

Отличительные особенности магнитных датчиков перемещения:

высокая надежность работы при относительной простоте конструкции и электрической схемы;

отсутствие механического контакта между перемещающейся деталью и датчиком;

высокая точность фиксации положения;

высокая разрешающая способность и низкий порог чувствительности;

возможность эксплуатации в условиях агрессивной окружающей среды;

низкая потребляемая мопщость;

малые габариты,

большой срок службы;

низкая стоимость и пр.