Skip to content
СА · Тема 2 · Сензорът и неговите параметри

Защо кантарът не е с пиезо – видовете сензори

Пиезокристалът сам прави напрежение, когато го натиснеш – защо тогава кухненската везна е с тензорезистори, на които им трябва батерия? В урока слагаме една и съща тежест на двата сензора и виждаме разликата между пасивен и активен сензор, после натискаме бутона ТАРА и кантарът става относителен.

≈ 5 мин четене∿ 3 живи уредаСамопроверка: 5 въпроса

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 срещу тензорезистор
012345−1012t – време, su, V
пиезо тензомост + усилвател
Фигура 1.

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.

Ратиометричен АЦП
Какво показва кантарът при 2 kg
46810020004000захранване на моста, Vпоказание, g5 V
АЦП с опорно = захранването на моста АЦП с постоянно опорно 5 V
Фигура 2.

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.

ТАРА
Фигура 3.

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 ​

ПризнакВидовеПример
Принципфизични (пиезо-, термо-, фото-, магнитоелектричен ефект) / химични (адсорбция, електрохимия)Хол, пиезо / газов сензор, pH
Изходен сигналаналогов; цифров (I²C, SPI); псевдоцифров (честота, време); ключов (праг → 0/1)NTC; цифров термометър; кварцов сензор; термостат
Материалметални, керамични, полимерни, композитни; проводникови, полупроводникови, диелектрични, магнитниPt100, SnO₂, полиимид
Технологияинтегрални, тънкослойни, дебелослойни, керамичниMEMS акселерометър
Предназначениеналягане и сила, ниво, ускорение, магнитно поле, разход, температура, влажност, газове, биосензори–

А ето кой ефект какво може да мери:

СензорПринципКакво мери
Тензорезистор, термистор, полупроводниковпромяна на Rсила, маса, налягане, ускорение, ниво, температура, влажност, газ
Капацитивенпромяна на Cсила, налягане, ускорение, ниво, влажност
Индуктивенпромяна на Lпреместване, обороти, въртящ момент, магнитно поле
Холефект на Холъгъл, обороти, сила, магнитно поле
Пиезоелектричен, ултразвуковпиезоефектналягане, сила, ускорение, разстояние
Пироелектриченпироефектдим, огън, движение на хора (PIR)
Оптоелектроненфотоефектизлъчване, 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).