9. AZ ÉRZÉKELŐK MŰKÖDÉSÉNEK FIZIKAI ALAPJAI Berendezések vezérléséhez, szabályozásához és felügyeletéhez olyan villamos jelek szükségesek, amelyek egy fizikai mennyiségének, pl. egy mérési eredménynek felelnek meg. Azokat az eszközöket, amelyek a fizikai mennyiségeket villamos jellé átalakítják, átalakítóknak nevezzük. Gyakran szükségesek olyan jelek, amelyek egy mennyiségnek az előírt értéktől való eltérését, vagy egyáltalán annak jelenlétét jelzik. Ezeket a jeladókat érzékelőknek (szenzoroknak, szondáknak vagy detektoroknak) nevezzük. Az érzékelők jeleit gyakran kalibrálják, vagyis a mért jellemző értékeit és a kimenő jel értékeit egymáshoz rendelik, ebben az esetben az érzékelők mérési eredményeket szolgáltatnak. Az érzékelők villamos, mechanikai, hő, fény, kémiai mennyiségeket alakítanak át villamos mennyiséggé, egy részük pneumatikus vagy hidraulikus jellé. A jelek érzékelése, átalakítása, erősítése többfokozatú feladat, amely nagyon sok esetben egymástól elválaszthatatlan egységben kerül beépítésre. Az érzékelőket működési módjuk szerint feloszthatjuk passzív és aktív viselkedésű csoportokra. A szakirodalomban gyakran találkozunk azzal a tárgyalásmóddal, hogy egy-egy fizikai mennyiség mérésére szolgáló eszközöket csoportosítják, figyelmen kívül hagyva, hogy a legtöbb érzékelő működési elve lehetővé teszi azt, hogy többféle jellemző mérésére alkalmas legyen. (pl. kapacitív jelátalakítót lehet nyomásmérésre, páratartalom érzékelésre, de folyadékszint érzékelésére is alkalmazni.) Az érintkező (szenzor) olyan eszköz, amely egy fizikai mennyiséget (pl. hőmérséklet, távolság, nyomás) a vezérlés- és szabályozástechnikában jobban felhasználható, jobban kiértékelhető jellé alakít át (elektromos jel, pneumatikus jel). Az érzékelők általános felépítésük működési módjuk szerint lehetnek: passzív : ellenállás-változáson alapulók; induktivitás-változáson alapulók; kapacitásváltozáson alapulók; aktív : hőelektromos hatással működő; sugárzáson alapuló átalakítók; indukciós átalakítók; piezoelektromos átalakítók;
valamint egyéb átalakítók, amelyeknél az előbbi éles elhatárolás nem húzható meg. Egyszerű érzékelőknek nevezzük azokat az egységeket, amelyekben a felsorolt átalakítókból csak egy van beépítve. Összetett az érzékelő, ha több azonos típusú, vagy több különböző funkciójú szenzorelemet tartalmaz. Az előbbiként említhető a fotodióda-sorból vagy mátrixból álló helyzetérzékelő, az utóbbira példa a hőmérséklet-érzékelőt tartalmazó nyomásmérő. Az ilyen változatokat multiszenzoros érzékelőknek nevezzük. Az integrálási technológia igen széles lehetőséget nyújt, nemcsak az áramkörökkel való egybeépítés megvalósítására, hanem hogy a jelformáló, erősítő, linearizáló, hőkompenzáló és jelfeldolgozó áramköröket is integrálják. Ezeket a bonyolultabb felépítésű, összetett szenzorokat intelligens szenzoroknak nevezik, utalva arra, hogy IC-k a számítógépek egyszerűbb funkcióit ellátva képesek az érzékelt jel értelmezésére és a zavaró körülmények okozta hibák korrigálására. A továbbiakban néhány gyakran alkalmazott érzékelő működési elvét mutatjuk be. 9.1. Ellenállás-változáson alapuló átalakító 9.1.1. Nyúlásmérő ellenállások A nyúlásmérő ellenállásokat már évtizedek óta használnak, rugalmas deformációval terhelt szerkezetekben fellépő feszültségek mérésére. Testre ható erőhatások a testben az erővel arányos deformációt okoznak. A nyúlásmérő bélyegek ezt a mechanikai deformációt alakítják át ellenállás változássá. A mérés elve azon alapul, hogy az l hosszúságú, q keresztmetszetű fém huzal ellenállása húzó-, illetve nyomó igénybevétel hatására megváltozik. Hogy a szerkezetben fellépő kis alakváltozás hatására is megfelelő nagyságú ellenállás-változás jöjjön létre, kis keresztmetszetet és nagy hosszúságot érdemes kialakítani. A hatásos hossz növelése céljából a vezető szálat ún. meander-vonalban helyezik el a bélyegen 9.1. ábra. Deformáció húzás, nyomás hatására az alapellenállás megváltozik, A gyakorlatban ezeket kizárólag fólia alakban készítik, amelyeket a megfelelő számítások alapján a mérendő felületre ragasztanak. A mérés pontosságát erősen befolyásolja a ragasztás minősége. A félvezető technológiák rohamos fejlődése a nyúlásmérő ellenállások alkalmazásának új ágait hozta létre. Mint az előbbiekben láttuk az ellenállás-változást a geometriai méretek (l, q) változása hozta létre. Ha adalékolt félvezető kristályt külső erőforrással deformálnak, ellenállása megváltozik. Belátható, hogy a kristály deformációja folytán a szabad töltéshordozók számára kisebb, vagy nagyobb tér áll rendelkezésre. Ez gátoltabb vagy szabadabb áramlást tesz lehetővé, ami fajlagos ellenállás-növekedést vagy csökkenést hoz létre. A kristály ellenállás-változása exponenciális. A félvezetőkben, amelyek polikristályos szilícium vagy germánium anyagúak, a deformáció hatására a fajlagos ellenállásukat megváltoztatják, oly mértékben, hogy a kimenő jel értékében 50 60 szoros
változás érhető el a fém ellenállásokhoz képest. Ezeket az ellenállásokat piezorezisztív ellenállásoknak nevezzük. 9.1. Erőmérés nyúlásmérő bélyeg alkalmazásával [22] 9.1.2. Hőellenállások Hőellenállásnak akkor nevezünk egy villamos áramtól átjárt vezetőt (félvezetőt) ha a mérés céljára azt a tulajdonságát használjuk fel, hogy ellenállása a hőmérséklettől függ. A mérés során a hőellenállás hőmérsékletét a környezettel folytatott hőcsere termikus egyensúlya szabja meg. Az ellenállás-hőmérők anyaguk szerint lehetnek fém, vagy félvezető alapanyagúak. 9.1.2.1. Ellenállás-hőmérők fémből A fémeknek általában pozitív hőmérsékleti tényezőjük van, ami azt jelenti, hogy fajlagos ellenállásuk a hőmérséklet növekedésével nő. A leggyakrabban alkalmazott ellenállás-hőmérő anyagok a platina, a réz és a nikkel. A platina ellenállás-hőmérő igen pontos eszköz, mert a platina nagy vegyi tisztaságban állítható elő, oxidációval szemben ellenálló. Hátránya, hogy redukáló közegben az ellenállása megváltozik. A mérési tartománya széles, -200 C + 800 C (egyes esetekben + 1000 C) határok között alkalmazható. Hitelesítő és kompenzáló mérésekre kiválóan alkalmas. A nikkel ellenállásmérőt főleg üzemi hőmérőként alkalmazzák, az összes fém közül a legmagasabb a hőmérsékleti tényezője. Hátránya, hogy jelleggörbéje csak -60 C + 180 C közötti tartományban lineáris, az anyagban 350 C körül molekuláris változások lépnek fel. Nem lehet kémiailag tisztán előállítani, ezért minden esetben egyedi hitelesítést igényel. A réz ellenállás-hőmérőket csak -50 C + 200 C lehet alkalmazni, főleg villamos áramkörökben kompenzációra használják. Az érzékelő általában huzalból készül, kb. 0,1.0,6 mm átmérőben, a mért hőmérséklettől függően. Az alapellenállást általában szabványos 100 Ω értékre választják és Pt100 jelöléssel látják el. A huzalt csévetestre tekercselik, vagy védőfelületben helyezik el. Néhány ilyen kivitelt a 9.2.
ábrán láthatunk. Az a.) ábra a Ni-ellenállás-hőmérő átalakítóját (csévetest: prespán), a b). ábra a Ptellenállás-hőmérőt (csévetest: kerámia), a c). ábra pedig a Degussa & Haereus Pt-ellenállás-hőmérőt mutatja (bifiláris tekercselés). A csévetest anyagát is a hőmérséklet függvényében választják meg, az egyszerű papíralapú szigetelőktől a kerámia testig. Az egyszerűbb igényű érzékelőknél (pl.: a). ábra) prespán alapra, Ni ellenálláshuzalt csévéltek fel, egymás utáni tekercseléssel. A b). és a c. ábrána kerámia illetve üvegtestre úgynevezett bifiláris (indukciószegény) tekercs biztosítja az érzékelést. A tekercset védőburkolattal látják el, így laboratóriumi mérésekre alkalmasak. 9.2. ábra. Ellenállás-hőmérők jellegzetes kialakítása [23] Fém ellenállás hőérzékelőket integrált kivitelben is gyártanak. Réz és platina alapanyagúak, egy integrált felületre kerülnek, a hőmérsékletet, illetve más fizikai jellemzőket érzékelő elemre. Funkciójuk általában hőmérsékletkompenzáció, vagy referencia hőmérséklet előállítása. 9.1.2.2. Hőmérsékletérzékelő félvezető ellenállások, termisztorok A gyakorlatban nagy szükség van a szobahőmérséklet körüli tartományban hőmérséklet-mérésre. A félvezetős hőmérséklet-érzékelő ellenállások három fajtája terjedt el, a negatív karakterisztikájú (NTK), a pozitív karakterisztikájú (PTK) és a terjedési ellenállás alapú szilícium hőmérsékletérzékelők.
A tiszta félvezető anyagban meglévő mozgékony elektronok koncentrációja a hőmérséklettől függ és igazolható, hogy a jelleggörbéje negatív meredekségű, exponenciális görbe. A negatív jelleg magyarázata az, hogy az anyag melegítése energiaközvetítést jelent, az elektronok gerjesztődnek és egyre több elektron vesz részt a vezetésben. Ez egyértelműen fajlagos ellenállás-csökkenést eredményez. Adalékolással az anyag villamos tulajdonságai megváltoztathatók. Az adalékolás során ugyanis megnő a mozgékony töltéshordozók koncentrációja, ami az adalékolás arányában csökkenti a fajlagos ellenállást. A hőmérséklet emelkedésével nő a bázisanyag mozgékony töltéshordozóinak koncentrációja, de az adalékolással bevitt töltéshordozók koncentrációja nem változik, ami a negatív hőmérsékleti együtthatót (TK) még tovább csökkenti. Ez jellemző a kis és közepesen adalékolt félvezető érzékelőkre. Az adagolási mérték további növelésével a hőmérsékleti együttható pozitívvá válik, mert az atomi hőmozgás egyre jobban gátolja a szabad töltéshordozók irányított mozgását. Az NTK (negatív hőmérsékleti együtthatójú) termisztorok fém-oxidok keverékéből szintereléssel (zsugorítással) készülnek. Ez a technológia lehetővé teszi a kiviteli formák sokféleségét, az olcsó, nagy tömegű gyártást. Többféle kivitelben készülnek: gyöngy termisztorok, tárcsa termisztorok, rúd termisztorok, morzsa termisztorok stb. Az egyes termisztorfajták között, de a fajtákon belül is jelentős méreteltérések vannak. A gyöngy termisztorban például gombostűfejnyi nagyságú termisztor massza van, többnyire védő üvegcsőbe forrasztva. A tárcsa termisztorok különböző átmérőjű és vastagságú oxidpasztillák, amelyek kivezetéssel, védőlakk burkolattal vagy fémszerelvénnyel kiegészítve készülnek. A rúd termisztorok hossza és átmérője is tág határok között változhat. A morzsa termisztorok ónozott kontaktusfelületű, apró hasáb alakú alkatrészek, amelyeket főleg hibrid integrált, és felületen szerelt (SMD) áramkörök használnak fel. A termisztorok viselkedését jelleggörbéik ismertetésével lehet követni. A legfontosabb az ellenállás-hőmérséklet jelleggörbe. A 9.3. ábrán tüntettük fel az NTK termisztor (b jelű), a PTK termisztor (c jelű), a terjedési ellenállás alapú szilíciumérzékelő (d jelű) és összehasonlításul a platina ellenállás hőmérő (a jelű) jelleggörbéit.
9.3. ábra. Hőmérséklet-érzékelő ellenállások jelleggörbéi [23] 9.1.3. Fotoellenállás A fotoellenállások fénytől függő ellenállások. A fényérzékeny rétegek kialakítására nagyon erős fényelektromos tulajdonságokkal bíró anyagokat (kadmium-szulfid CdS, ólom-szulfid PbS stb.) használnak. Minél jobban megvilágítunk egy fotoellenállást, annál inkább csökken az ellenállása. A fotóellenállás meghatározott fényhullámhossznál éri el a legnagyobb érzékenységet, ezt spektrális érzékenységnek nevezzük. Vannak olyan fotóellenállások amelyek kimondottan speciális hullámhosszra, azaz színekre érzékenyek. A fotoellenálláshoz megadják a sötét-ellenállást (megvilágítás nélküli ellenállásérték MΩ nagyságrendű) és a világos ellenállást (1000 lx megvilágításhoz tartozó ellenállásérték 100 Ω 1-2 kω-ig). A fotoellenállások tehetetlensége néhány milliszekundumnyi. A fotoellenállás kivitelét tekintve egy félvezető darab vagy réteg, melynek két végén ohmos kontaktus van 9.4. ábra. Technikai kivitelüket tekintve a fotoellenállások vákuumpárologtatott vagy kémiai úton egy megfelelő hordozóra felvitt vékony félvezető rétegből állnak meander, vagy fésűs szerkezetben 9.5. ábra. A meander szerkezettel növelhető a hossz és csökkenthető a keresztmetszet így a sötétellenállás igen nagy lehet.
9.4. ábra. A fotoellenállás szerkezeti kialakítása [24] 9.5. ábra. Meander elrendezésű fotoellenállás és a rajzjel [24] 9.2. Mágneses érzékelők Korábbi előtanulmányokból ismert, hogy a mozgó töltéshordozók a környezetükben lévő teret különleges, energiával töltött állapotba hozzák, amelyet mágneses erőtérnek nevezünk. A mágneses teret erővonalakkal ábrázoljuk, melyek iránya az áram irányától függ. A mágneses erővonalak önmagukban záródó erővonalak, amelyek sem nem keresztezhetik, sem nem érinthetik egymást. Több vezető körül kialakult, mágneses terek átfedik egymást és eredő mágneses teret hoznak létre. A 9.6. és a 9.7. ábrán egy körvezető és egy tekercs mágneses tere látható.
9.6. ábra. Körvezető mágnese tere [24] 9.7. ábra. Tekercs mágnese tere [24] A vas és néhány más fém, valamint bizonyos ötvözetek és oxidok mágnessé válhatnak, azaz környezetükben mágneses teret hoznak létre. Ezeket az anyagokat ferromágneses anyagoknak nevezzük. A ferromágneses anyagok lehetnek kemény- vagy lágy-mágneses tulajdonságúak. A kemény-mágneses anyagok a külső mágneses tér hatásának megszűnte után is megőrzik mágnesességüket, ezek az állandó mágnesek. A lágy-mágneses tulajdonságot mutató anyagok a külső mágneses hatás megszűntével mágnesességük túlnyomó részét elvesztik. A visszamaradt részt remanens mágnességnek nevezzük. Lágy-mágneses anyagokból készülnek a tekercs vasmagjai, a transzformátorok és motorok lemezei. A ferromágneses anyagok nagyon jól vezetik a mágneses erővonalakat. Ha a mágneses térbe ún. vasmagot helyezünk, akkor majdnem minden erővonal ezen a vasmagon halad keresztül. A mágneses tér és az azt létrehozó áram között a tapasztalati gerjesztési törvény ad összefüggést, amely szerint homogén anyagban a mágneses indukciónak egy zárt görbére vett integrálja arányos a zárt görbe által körülfogott áramok összegével.
9.2.1. Reed-kapcsoló Az érintkező nyelveket inert gázzal (inert gáz: kémiailag közömbös, vagyis a kémiai anyagok többségével nem lép reakcióba pl.: nemesgázok, hélium, neon, stb.). töltött üvegcsőbe szerelik, így védik meg felületüket a szennyeződéstől, korróziótól és nedvességtől 9.8. ábra. Az érintkezők anyaga ferromágneses anyag, többnyire vas-nikkel ötvözet és az érintkezés helyén arannyal vonják be. A védőgáz 97% nitrogén és 3% hidrogén keveréke. Mágneses tér hatására az érintkező nyelvek átmágneseződnek, köztük vonzóerő ébred és egymáshoz kapcsolódnak, ezáltal zárja az áramkört (vagy egy más elrendezésben nyitja), vagyis kapcsolóként működik. A reed magyarul nádat jelent, ez jellegzetes kinézetére utal. 9.8. ábra. A Reed relé szerkezeti felépítése [25] 9.2.2. Induktív átalakítók Egy zárt mágneses körben elhelyezett tekercs (transzformátor) L induktivitása függ a kör mágneses ellenállásától. A rendszerint vasat tartalmazó átalakító mágneskörének ellenállása befolyásolható: a mágneskörbe iktatott légrés változtatásával; a tekercs permeabilitásának változtatásával (a vasmag mozgatásával); a relatív permeabilitási tényező megváltoztatásával (magnetoelasztikus átalakító). Áramköri kapcsolásukat tekintve lehetnek: tekercstípusúak (egytekercses vagy differenciáltekercses); transzformátortípusúak.
9.9. ábra. Légrésváltoztatásos egytekercses induktív átalakító [23] A tekercstípusú, egytekercses átalakító vázlatát látjuk az 9.9. ábrán ahol az érzékelendő jel az x elmozdulás, azaz a légrés változik. A 9.10. ábrán egy merülőmagos átalakítót látunk, ahol az induktivitás változást a ferromágneses vasmag és a levegő arányának változása adja. Főleg nagy elmozdulások érzékelésére alkalmas. 9.10. ábra. Merülővasmagos egytekercses induktív átalakító nagy elmozdulás érzékelésére [23] A kimenőjel erősítése érdekében mindkét kivitelnél alkalmazzák a kettős tekercses (differenciál) felépítést. Ezekből láthatunk egy-egy kivitelt az 9.11. és a 9.12. ábrán.
9.11. ábra. A légrés mágneses ellenállásának változásán alapuló differenciál átalakítók. [23] a). bemenőjele kis elmozdulás; b). kis szögelfordulás; c). szögelfordulás. 9.12. ábra. Merülővasmagos differenciál átalakító nagy elmozdulásokra [23] A transzformátoros érzékelők, amelyekben zárt lágymágneses körben két tekercs helyezkedik el, és az egyik tekercsben átfolyó áram változása a mágneses kör fluxusváltozását okozza, az pedig a másik tekercsben feszültséget indukál. Leggyakrabban a differenciál transzformátoros átalakítókat használják, amelyek primer vagy szekunder tekercsét (esetleg mindkettőt) megosztják, hogy ezáltal
a differenciál-hatást növeljék. A 9.13. ábrán a leggyakrabban alkalmazott jelátalakítót látjuk, ahol a belső tekercs a közös primer, a külsők a szekunder tekercsek. Minden olyan jelátalakítóban alkalmazható, ahol az érzékelt jel elmozdulás, vagy azzá alakítható (út, erő, nyomás, rezgés, gyorsulás). 9.13. ábra. Merülővasmagos transzformátoros mérőátalakító [23] Az induktív érzékelők harmadik csoportjába tartoznak a magnetoelasztikus átalakítók. A magnetoelasztikus hatás lényege, hogy mechanikai igénybevételek hatására a ferromágneses anyagok permeabilitása megváltozik. Pl. a nikkel-réz ötvözetből készült erőmérő cellájában a nagyobb terhelések tartományában, 40% együttható-változás is létrejöhet. A lágymágneses anyag permeabilitásának változása a tekercs induktivitását változtatja meg. A jelenség megfordítható, vagyis ha a tekercset nagyfrekvenciájú váltakozó árammal táplálják, a ferromágneses anyag megváltoztatja a geometriai méreteit, amely alkalmas megfelelő kialakítással pl. ultrahangos hegesztő-berendezés, vagy tisztítóberendezés forrásául szolgálni. 9.2.3 Hallgenerátorok A mágneses jelátalakítók egyre gyakrabban alkalmazott fajtája, amely a Hall-effektust használja ki. A Hall-effektus lényege, hogy ha egy árammal átjárt fém (eredetileg arany) vagy félvezető-lapkára merőlegesen mágneses teret bocsátunk, a lapkában töltéseltolódás lép föl. Feszültség keletkezik, amely egyenes arányban van a mágneses indukcióval 9.14. ábra. A lapka vastagságának kicsinek
kell lenni a lapka másik két méretéhez képest. A feszültség elérheti az 1,5 V-ot. 9.14. ábra. A Hall-effektus szemléltetése [25] A feszültség kialakulása azzal magyarázható, hogy az I áramot keltő hosszirányú elektronmozgást ( n-típusú vezetés) illetve a lyukak hosszirányú mozgását (p-típusú vezetés) a B keresztirányú mágneses tér befolyásolja. A mágneses tér hat a v sebességgel mozgó elektronokra, illetve lyukakra, azokra erőhatást, az u.n. Lorentz-féle erőt fejti ki. A Lorentz-erő a lemezben a hosszirányú töltéseket keresztben elmozdítja, amelyek a lemez szélein polarizációt hoznak létre, ami végül a Hall-feszültséget létesíti. A mágneses tér ilyen módon egy villamos teret, az u.n. Hallteret hozza létre. A keletkezett Hall-tér ugyancsak erőt fejt ki a töltéshordozókra, és ez az erő ellentétes a Lorentz-erő irányával. A Hall-tér növekedése mindaddig folytatódik, amíg a töltéshordozókra ható, kétféle erő ki nem egyenlítik egymást. A gyakorlatban főleg a villamos és mágneses mennyiségek méréstechnikájában került bevezetésre, így a mágnes indukció mérésére, mágneses anyagok vizsgálatára, egyen és váltóáram teljesítménymérésére stb. Ezeket a mérési elveket analóg mágnestér mérési elveknek nevezzük. A másik fő alkalmazási területük a mágnestérre kapcsoló elemek. A kapcsolóüzemű Hallgenerátorok általában integrált technológiával készült, tokozott elemek, amelyek magukban foglalják a feldolgozó elektronikát is. Fő alkalmazási területük érintésmentes kapcsolók, optoelektronikai elemeket kiváltó fénysorompók, forgásérzékelők, diszkrét helyzetérzékelők (pl. szerszámgépek, robotok).
9.2.4. Wiegand-szenzor A Wiegand-szenzor lényegében egy olyan ferromágneses anyagból készült (kb. 1 mm átmérőjű) huzal, amelynek mágneses polarizációja mindkét irányban csak a huzallal párhuzamos lehet 9.15. ábra. A mágnesesen lágy magot egy mágnesesen kemény külső héj veszi körül. Mágneses mező hatására a huzal teljes hosszában átmágneseződik, a huzalra feltekert nagy menetszámú tekercsben feszültség indukálódik. Ez 15 30 mm hosszú szenzor esetében 2 8 V. A Wiegand-szenzor működéséhez nem szükséges külső feszültségforrás. 196 o C-tól + 175 o C-ig terjedő hőmérséklettartományban alkalmazható. 9.15. ábra A Wiegand-szenzor kialakítása [25] 9.3. Kapacitív átalakító A kapacitív átalakítók a mérendő mennyiséget kapacitás-változássá képezik le, amit a továbbiakban az átalakító mérőköre dolgoz fel. Érzékelésre legtöbb esetben a sík és hengerkondenzátorok, valamint az ezekből képzett soros, illetve párhuzamos elrendezéseik alkalmasak. Ismert, hogy a 9.16. ábrán látható síkkondenzátor kapacitása:, ahol : d: a fegyverzetek távolsága [m]
A : a fegyverzetek felületének nagysága [m 2 ] ε 0 =8,85 10-12 pf/m, a vákum permittivitása ε r : a relatív permittivitás, (dimenzió nélküli szám) amely azt mutatja meg, hogy a szigetelőanyag permittivitása hányszorosa a vákuménak. A kondenzátor kapacitásváltozása a fegyverzetek felületéből és helyzetéből (párhuzamos és merőleges elmozdulás) valamint a dielektrikum anyagától függ. 9.16. ábra. A kondenzátor mint jelátalakító [23] A b ). és c). ábrán hengerkondenzátorok alkalmazását látjuk, különböző szigetelő, illetve vezető folyadékok szintjének mérésére. A b). ábrán a hengerkondenzátor dielektruma a változó magasságú folyadékok és a levegő, vagyis két változó kapacitású kondenzátor van a fegyverzetek között hosszirányban rétegezve, ami megfelel a kondenzátorok párhuzamos kapcsolásának: C = C 1 + C 2 A c). ábra egy olyan szintmérő elvet mutat be, ahol a folyadék vezető, vagyis a belső fegyverzetet szigetelőcsőbe helyezik. A minimális szintnél a levegő és a szigetelőcső a dielektrikum, majd a folyadék emelkedésével csak a szigetelő és a benne lévő levegő marad. Látható, hogy a dielektrikum mozgatásával a fegyverzet külső felülete változik. Mint az előző példában láttuk, a szintmérő szondánál a felület és a dielektrikum egyszerre változott. Ha a dielektrikum vastagság megváltozik, szintén kapacitás-változást eredményez. Ezt használják fel nyomásmérésre. Akár fém, akár elektromosan szigetelő anyag kerül az aktív zónába, az kapacitásváltozást okoz. Így használhatjuk többek között elmozdulás, tárgyak, folyadék, por érzékelésére. A kapacitív
közelítő kapcsolók tetszőleges tárgyak érintés nélküli érzékelésére szolgálnak. A kizárólag fémeket érzékelő induktív eszközökkel ellentétben a kapacitív érzékelőkkel a nemfémes anyagokat is lehet érzékelni. A kondenzátor lehet például egy RC oszcillátor része, amely úgy van méretezve, hogy akkor rezeg be, ha ez a kapacitásváltozás bekövetkezik. 9.4. Hőelektromos hatással működő átalakítók 9.4.1. Termoelektromos átalakítók A termoelektromos mérőátalakítók vagy az elterjedtebben használt elnevezésük szerint hőelemek működése a termikus-elektromos energiaátalakítással kapcsolatos fizikai hatáson alapszik. Két különböző anyagú vezető végeiket összekötve (forrasztva, hegesztve, vagy fémesen összesajtolva), ha áram folyik rajtuk, akkor az egyik kötési pont melegszik, a másik hűl, illetve a fordított folyamatban az egyik pont melegítése (vagy a másik hűtése) a hurkon áramot hajt keresztül 9.17. ábra. 9.17. ábra. Hőmérsékletmérés két fémmel [23] A különböző anyagú vezetékeknek (jelen esetben konstantán és réz) több, de legalább két csatlakozási pontjuk van. A mérhető termofeszültség az egyes csatlakozási (forrasztási) pontokban keletkező termofeszütségek összege. A maximális méréshatár: Cu-Ko (réz-konstantán) esetén kb. 500 C. Megállapodás, hogy a mérő termoelem forrasztási pontját a mérőrendszer melegpontjának, az összehasonlítási hőmérsékleten elhelyezkedő hőelem forrasztási pontját hidegpontnak nevezik. Hőelemeket hőmérsékletmérésre mindig zárt áramkörben használják. Az ipari felhasználásoknál a
hőelempárok huzaljait egymástól, pl. kerámiagyűrűkkel elszigetelik és szabványos kivitelű tokba szerelik. A tok anyaga a mérendő közeg hőmérsékletéhez illeszkedik. 9.4.2.Bimetálok Szilárd testekből kialakított hőmérők lehetnek tágulórúd, vagy kettősfém típusúak. A tágulórúd hőmérő egy fém csőbe helyezett fém rúdból áll. A két test hőtágulási együtthatója lényegesen eltér egymástól, ezért a hőmérsékletváltozás hatására a két test nem egyformán terjed ki, elmozdulnak egymáshoz képest. A kettősfém (más néven bimetall) is két eltérő hőtágulási együtthatójú fémből áll, de a két fémszalag teljes hosszukban sajtolással, forrasztással össze van erősítve 9.18. ábra. Mivel egymáshoz képest a lemezek elcsúszni nem tudnak, a lemezpár meggörbül. 9.18. ábra. A bimetál kialakítása [24] 9.4.3. Félvezetők, mint hőmérséklet-érzékelők Hőmérsékletérzékelőként felhasználhatók a diódák és tranzisztorok is. Ezekben az érzékelőkben a félvezető elem ellenállás jellegű viselkedését tapasztalhatjuk, és nem lineáris jelleggörbéje ellenére passzív elemként működik. Az egyszerű p-n átmenet (többnyire rétegdióda) legkézenfekvőbb tulajdonsága a hőmérsékletérzékenység, így hőmérséklet-érzéklelő készítésére alkalmas. Az egyszerű diódás hőmérsékletérzékelőket széles körben használják, mert olcsók, és a -50..+ 150 C -os hőmérsékleti tartományt elfogadható linearitással és üzem-biztosan mérik. Az érzékelő időállandója a dióda hőtehetetlenségétől függ és hűtőborda segítségével szinte tetszőlegesre növelhető. Az egyszerű p-n átmenetet hőmérséklet-érzékelőként többnyire nyitóáramban szokták alkalmazni. Ebben az esetben célszerű áramgenerátorral meghajtani, mert ilyenkor az áram hőmérsékletfüggése kiesik és nagy linearitású hőmérséklet jelleggörbét kapunk.
9.5. Sugárzáson alapuló érzékelők 9.5.1.Fotoellenállások A gyakorlatban a sugárzásérzékelők közül a legjelentősebbek a fotoellenállások, amelyek a sugárzás hatására az ellenállásukat meredeken csökkentik. Az érzékelők működése a polikristályos félvezetők azon tulajdonságán alapul, hogy külső elektromágneses sugárzás hatására, ha a sugárzás energiatartalma meghalad egy, az anyagra jellemző kvantumértéket, az elektronok gerjesztett állapotba kerülnek, vagyis az anyag vezetőképessége nő. A gyakorlatban sugárzásérzékelőket az infravörös és látható fény tartományában készítenek. Általános felépítésüket a 9.19. ábra mutatja. A fényérzékeny réteget szigetelő réteg (legtöbbször üveg) hordozóra viszik fel és fésűszerű, gőzölt kivezető-elektródákkal látják el. Az ellenállásokat általában üvegtokban hozzák forgalomba. 9.19. ábra. Fényellenállás felépítése [23] A fényellenállások legnagyobb része kandium-szulfid ( CdS) alapanyagú. A polikristályos fényellenállás spektrális hullámhossza fedésben van az ember szemével, azért olyan helyen alkalmazzák, ahol a helyes színátvitel fontos. A fény-áram változása nagy, vagyis szabályozó berendezések érzékelőjeként is alkalmazható. Kis megvilágításnál nagy az időállandója. 9.5.2. Fényelem Olyan érzékelő, amelyben a beeső sugárzás hatására az n és p típusú félvezetők határán létrejövő zárórétegen fotofeszültség keletkezik. Ha két eltérően adalékolt félvezetőt helyezünk egymás mellé, határukon ún. záróréteg (p-n átmenet) jön létre, amely alkalmas a pozitív és negatív töltéshordozók (lyukak és elektronok) szétválasztására. Ha sugárzás éri ezt az átmenetet, töltéshordozók keletkeznek, amik a záróréteg két oldalán feszültséget hoznak
létre. Ez a fotofeszültség elérheti a 0,7 V-ot. A fényelemek régebben szelénből készültek, ma leggyakrabban szilíciumból, GaAs-ból készült fényelemeket használnak. Ha a fényelem két sarkát kis ellenálláson át összekötjük, a rajta mérhető áram a besugárzással (megvilágítással) arányos. 9.5.3. Fotodiódák A zárófeszültséges dióda működésének alapja, hogy az előfeszített p-n átmenetben a külső feszültség elektromos teret létesít, amely a kiürített réteg szélességét megnöveli, az áramkörben csak a kis záróáram folyik. Megvilágítás hatására töltéshordozó párok keletkeznek, amelyek az erőtér hatására szétválnak, az elektronok az n típusú, a lyukak a p típusú tartományba vándorolnak. Ezt nevezzük a fotodióda fotoáramának. A megvilágítás nélküli záróáramot pedig, sötétáramnak. 9.20. ábra. A fotodióda vázlatos felépítése [23] A fotodióda áramgenerátor jellegű eszköz, azaz a zárófeszültség (tápfeszültség) nagysága gyakorlatilag nem befolyásolja a fotoáramot. Így a fotoáram a megvilágítás erősségétől függ, amelyet a p-n átmenetű anyagok hőmérséklet-érzékenysége befolyásol. A fotodiódák germániumból vagy szilíciumból készülnek. A látható fény körüli tartományban a szilícium diódák alkalmazása terjedt el. Dinamikai tulajdonságaik jók. A fotodiódák vázlatos felépítését az 9.20. ábrán láthatjuk. 9.5.4. Fotótranzisztor A fototranzisztor hatásmechanizmusa egy erősítővel egybeépített fotodiódának felel meg, és annál mintegy 500-szor nagyobb fotóérzékenységgel rendelkezik, amelyek felépítését a 9.21. ábra mutatja (a szaggatott vonal jelzi a bázis-kollektor tértöltés zóna határát). Az emmitter és a báziscsatlakozásokat úgy alakítják ki, hogy a beeső sugárzás számára lehetőleg nagy felület álljon
rendelkezésre. A bázis-kollektor záróáram a sugárzáskor a fotóáramnak megfelelően növekszik. A fotótranzisztorok átviteli jelleggörbéje nem olyan lineáris mint a fotodiódáké. Ennek az az oka, hogy a tranzisztor áramerősítő tényezője munkapont-függő, egy meghatározott kollektor áramnál maximuma van, ettől kisebb és nagyobb áramú munkapontokban kisebb értékű. A jelleggörbe linearizálására szokásos a bázispont kivezetése, amely lehetővé teszi, hogy külső áramforrásról előfeszítő áramot tápláljanak a bázisra. Sok esetben nincs szükség a lineáris jelleggörbére, mert a sötét-világos érzékelése között több nagyságrendű megvilágítás-különbség van, közbülső finom átmenet nincs. Ilyenek a digitális leolvasók, jelenlét-érzékelők, sorompók, fordulatszám-érzékelők, stb. 9.21. ábra. A fotótranzisztor vázlatos felépítése [23] Kiviteli formájuk általában tokozott, planár-technológiával készült szilícium alapú félvezetők. A tokon ablakot nyitnak, amelyet síküveggel, lencsével vagy műanyag fedéssel látnak el. 9.5.6. Félvezető lézerek Az Analóg áramkörök és érzékelők I. jegyzetben a lézerdióda működését már ismertettük. A működés lényegét összefoglalva: a félvezető kristályban az elektronok egy része egész kristályhoz tartozik, s nem diszkrét energiaállapotok, hanem sávok alakulnak ki bennük. Az elektronok zöme az alsó, az un. vegyértéksávban helyezkedik el, kis részük a néhány ev-tal magasabb, un. vezetési sávban található. Szennyezett félvezetőben a szennyezett atomok vagy elektronokat adhatnak át, amelyek a vezetési sáv közelében vannak (n típusú félvezető), vagy elvehetnek elektronokat, ily módon pozitív töltésű lyukak keletkeznek, amelyek az alsó vegyértéksáv közelében helyezkednek el (p típusú félvezető). Külső elektromos tér hatására, az n típusú rétegből lyukak áramlanak be a p-n
átmeneti rétegbe. Az elektronok és lyukak egyesülhetnek, az eközben felszabaduló energia fény formájában sugárzódik ki. Ez az un. rekombinációs sugárzás. Ha az elektronok és lyukak száma elegendően nagy, vagyis elég nagy az áram és megfelelő a visszacsatolás, az egyes elektronlyukpárok sugárzása indukált emisszióval egymáshoz kapcsolódik, beindul a lézer. A spontán sugárzásnak indukált sugárzásba való átmenete tehát egy bizonyos áramküszöb felett megy végbe, és a lézerműködésbe való átcsapás nem csak a kisugárzott teljesítmény növekedésében, hanem az egyébként széles sugárzási spektrum összeugrásában és a sugárzás irányelosztásának jelentős összeszűkülésében nyilvánul meg. A félvezető lézerek legegyszerűbb típusa a GaAs alapanyagú, amelyet tellúrral (n típus) és cinkkel (p típus) szennyeznek. A legegyszerűbb lézerfelépítést az 9.23. ábra mutatja. 9.23. ábra. Egyszerű félvezető lézer felépítése [23] A rezonátort a félvezető polírozott véglapjai alkotják. A kibocsátott sugárzás elég nagy sávszélességű ( 100 GHz) és széttartású ( 5 ), hullámhossza a közeli infravörös tartományba esik ( 900 nm). Az egyszerű GaAs lézer áramküszöbe nagy (10000 A/cm 2 ), ezért általában cseppfolyós nitrogén hűtést igényel. 77 K o hőmérsékleten a hatásfoka jó (30-50 %), teljesítménye folyamatos üzemben néhány mw, impulzusüzemben néhányszor tíz Watt. Legnagyobb előnye a kis méret és az árammal való közvetlen modulálhatóság. 9.6. Piezoelektromos átalakítók Piezoelektromos érzékelőnek nevezzük azokat az átalakítókat, amelyek mechanikai erőhatást piezoelektromos úton villamos jellé alakítanak át. E hatás lényegében abból áll, hogy ezek az anyagok mechanikai feszültségállapot (pl. nyomás) hatására felületükön polarizálódnak, ott villamos töltések jönnek létre. (piézein: görög eredetű szó, jelentése: nyomni). E töltések
mennyisége és az előidéző mechanikai igénybevétel egymással függvénykapcsolatban áll. Előnyei miatt még ma is szívesen használják a kvarckristályt (SiO 2) érzékelőként, a számos kifejlesztett piezoelektromos kerámiák mellett. A mechanikai feszültséget okozhatja nyomás, erő, illetve M tömegre ható gyorsulás. Eszerint nyomás, erő-, súly-, illetve gyorsulásérzékelőkről beszélünk. Egy adott irányú terhelésnél a piezokristály kapcsain megjelenő töltésmennyiség és a hatóerő között a kapcsolat lineáris, az úgynevezett piezoelektromos állandóval jellemezhető. A kapcsokon felhalmozódott töltésmennyiség potenciálkülönbséget, ezáltal feszültséget eredményez. Mivel a kristály, mint jelforrás, igen nagy belső ellenállású generátorként fogható fel, ezért a feszültségét statikusan mérni igen körülményes. A rákapcsolt feszültségmérő belső ellenállása túl nagy terhelést jelent a kristály számára, így a kondenzátorként feltöltődött piezokristály rövid idő alatt kisül, tehát a feszültség megszűnik. Dinamikus igénybevétel esetén már sokkal kedvezőbb a helyzet, mert ilyenkor már kisebb impedanciájú generátorként viselkedik, ezáltal jobban terhelhető. Alkalmazási területe is ezért inkább a dinamikus erőhatásmérés, illetve nagyobb frekvenciájú rezgésmérés. Előnye a kis méret, elmozdulás mentes mérés és a nagy felső határfrekvencia. A kvarckristályból készült erő (nyomás) és gyorsulásérzékelők nagyon stabilak és meglehetősen lineárisak. Mivel a piezoelektromos érzékelők nagyon gyorsak, rezgésmérésre is alkalmasak. Aktív eszköz, nincs szükség tápegységre, stabilizátorra. Ezzel együtt jár, hogy nem igényel nullázást, kiegyenlítést, az erőhatás megjelenésével késedelem nélkül üzemel. Rendkívül stabil, élettartama szinte végtelen. A természetes piezoanyagok mellett felhasználják a mesterséges anyagokat is, az un. piezokerámiákat. A legfontosabb piezokerámiák a bárium-titán-trioxid, az ólom-(cirkónium-, titán-) trioxid, az ólom-dinóbium-hexaoxid és a (nátrium-, kálium-) nóbium-trioxid. Az anyagok jellemzője, hogy magas hőmérsékleten köbös rácsszerkezetűek, de Curie-pont alá hűtve a rácsszerkezet eltorzul és valamilyen aszimmetrikus alakzatot vesz fel, ez a feltétele a piezoelektromosságnak. Jelenleg a legelterjedtebb az ólom-(cirkónium-, titán-) trioxid kerámia, amely különböző adalékanyagokkal és a technológia megfelelő megválasztásával az egyes fizikai jellemzők megváltoztathatók, de a piezoelektromos alapjelenség megmarad. Piezokerámia anyagból nem csak érzékelőket, hanem átalakítókat is készítenek. A csatolási tényező, illetve a piezoelektromos állandó nagy értéke általában kedvező, de pl. a szűrők esetében a nagy stabilitás érdekében, inkább megelégszenek a kisebb értékekkel.