Пасивни и активни сензори
Първото деление е по енергията:
- Пасивен (генераторен) сензор сам прави електрическия сигнал от енергията на въздействието. Пример: термодвойка, фотодиод, пиезокристал. Пиезото, натиснато със сила F, дава заряд Q = d·F.
- Активен (параметричен) сензор има нужда от външен възбуждащ сигнал – ток или напрежение. Измерваната величина само мени негов параметър: R, C или L. Пример: термистор, тензорезистор. Без батерия мостът на кантара мълчи.
Изглежда, че пасивният е по-добрият: не му трябва захранване. Но зарядът на пиезото не стои. Той изтича през съпротивлението на утечка (тук 100 MΩ) и собствения капацитет (10 nF) с τ = RC = 1 s. Затова пиезото усеща промяна на силата, а не постоянна сила.
Тук на везната има 2 kg. При слагането пиезото дава връх 0,382 V, но три секунди по-късно, докато тежестта още стои, е паднало до 0,0221 V. Тензомостът през цялото време показва 0,997 V.
пиезо тензомост + усилвател
Розовото (пиезо) скача при слагането и после пада като на кондензатор. При вдигането скача надолу: силата намалява. Зеленото (тензомостът) стои, докато тежестта стои. Почукай – пиезото дава игла при всяко докосване: така работят пиезо датчиците за удар, детонация в двигателя и вибрации. Извади батерията – тензомостът мълчи, а пиезото продължава.
Ратиометричният изход
Активният сензор има и друга особеност: изходът му е пропорционален на възбуждането. Мостът дава 2 mV на всеки волт захранване. Ако батерията падне от 5 на 4 V, изходът пада с 20 % и кантарът ще покаже с 20 % по-малко. Затова повечето интегрални сензори са ратиометрични: Uизх = V_S·(V_off + S·x). Към тях се слага АЦП, чието опорно напрежение е същото захранване. Тогава отношението Uизх/Uоп, а оттам и числото, не зависи от батерията.
Захранването на моста е 5 V, а на везната има 2 kg. Усилвателят дава 0,997 V. С ратиометричен АЦП кантарът показва 2001 g, а с постоянно опорно 5 V показва 2001 g.
Какво показва кантарът при 2 kg
АЦП с опорно = захранването на моста АЦП с постоянно опорно 5 V
Зеленото е хоризонтално: при всяко захранване показва 2000 g. Жълтото расте с батерията. При постоянно опорно напрежение и 10 V захранване показва двойно: 4000 g.
Абсолютни и относителни: бутонът ТАРА
Второто деление е по отправната точка:
- Абсолютният сензор мери спрямо естествената нула: термисторът – спрямо 0 K, абсолютното налягане – спрямо вакуум.
- Относителният мери разлика спрямо нещо друго: термодвойката мери разликата между горещата спойка и студените краища, манометърът за гуми – налягането над атмосферното.
Кухненската везна може и двете. Бутонът ТАРА запомня какво има в момента и оттам нататък показва разликата. Сега кантарът показва 300 g, а на везната всъщност има 300 g.
Сложи купата: показва 300 g. Натисни ТАРА: 0, макар че купата е там. Добави брашното: показва само брашното, 500 g. Сензорът и АЦП мерят все същото абсолютно тегло. Микроконтролерът само изважда запомнената стойност.
Другите деления
| Признак | Видове | Пример |
|---|---|---|
| Принцип | физични (пиезо-, термо-, фото-, магнитоелектричен ефект) / химични (адсорбция, електрохимия) | Хол, пиезо / газов сензор, pH |
| Изходен сигнал | аналогов; цифров (I²C, SPI); псевдоцифров (честота, време); ключов (праг → 0/1) | NTC; цифров термометър; кварцов сензор; термостат |
| Материал | метални, керамични, полимерни, композитни; проводникови, полупроводникови, диелектрични, магнитни | Pt100, SnO₂, полиимид |
| Технология | интегрални, тънкослойни, дебелослойни, керамични | MEMS акселерометър |
| Предназначение | налягане и сила, ниво, ускорение, магнитно поле, разход, температура, влажност, газове, биосензори | – |
А ето кой ефект какво може да мери:
| Сензор | Принцип | Какво мери |
|---|---|---|
| Тензорезистор, термистор, полупроводников | промяна на R | сила, маса, налягане, ускорение, ниво, температура, влажност, газ |
| Капацитивен | промяна на C | сила, налягане, ускорение, ниво, влажност |
| Индуктивен | промяна на L | преместване, обороти, въртящ момент, магнитно поле |
| Хол | ефект на Хол | ъгъл, обороти, сила, магнитно поле |
| Пиезоелектричен, ултразвуков | пиезоефект | налягане, сила, ускорение, разстояние |
| Пироелектричен | пироефект | дим, огън, движение на хора (PIR) |
| Оптоелектронен | фотоефект | излъчване, ъгъл, обороти, преместване |
Самопроверка
1. Каква е разликата между пасивен и активен сензор? По един пример.
Пасивният сам генерира сигнала от енергията на въздействието (термодвойка, пиезо). Активният има нужда от възбуждащ ток/напрежение, а x мени негов параметър (тензорезистор, термистор).
2. Защо пиезо датчикът не става за кантар?
Зарядът d·F изтича през съпротивлението на утечка с τ = RC – при постоянна сила изходът пада до нула. Пиезото усеща промени (удари, вибрации), не постоянна сила.
3. Какво значи ратиометричен сензор и защо се свързва с АЦП, чието опорно е захранването?
Изходът му е пропорционален на захранването: V = V_S·(V_off + S·x). Ако АЦП мери спрямо същото V_S, отношението и числото не зависят от захранването.
4. Термодвойката абсолютен или относителен сензор е?
Относителен – мери разликата между горещата спойка и студените краища.
5. Какъв изходен сигнал дава термостат с биметал?
Ключов – при прага контактът се отваря или затваря (0/1).