Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ 17
Глава 1
СБОР ДАННЫХ 19
1 1 Датчики, сигналы и системы 19
1 2 Классификация датчиков 25
1 3 Единицы измерения 29
Литература 31
Глава 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ 32
2 1 Передаточная функция 32
2 2 Диапазон измеряемых значений (Максимальный входной сигнал) 35
2 3 Диапазон выходных значений 35
2 4 Точность 36
2 5 Калибровка 38
2 6 Ошибка калибровки 39
2 7 Гистерезис 40
2 8 Нелинейность 41
2 9 Насыщение 42
2 10 Воспроизводимость 43
2 11 Мертвая зона 43
2 12 Разрешающая способность 44
2 13 Специальные характеристики 44
2 14 Выходной импеданс 44
2 15 Сигнал возбуждения 45
2 16 Динамические характеристики 45
2 17 Факторы окружающей среды 50
2 18 Надежность 52
2 19 Характеристики датчиков, диктуемые условиями их применения 55
2 20 Статистическая оценка 55
Литература 57
Глава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ДАТЧИКОВ 58
3 1 Электрические заряды, поля и потенциалы 59
3 2 Емкость 66
3 2 1 Конденсатор 67
3 2 2 Диэлектрическая проницаемость 69
3 3 Магнетизм 73
3 3 1 Закон Фарадея 75
3 3 3 Соленоид 76
3 3 4 Тороид 77
3 3 5 Постоянные магниты 78
3 4 Индукция 79
3 5 Сопротивление 82
3 5 1 Удельное сопротивление 84
3 5 2 Температурная чувствительность 85
3 5 3 Тензочувствительность 88
3 5 4 Влагочувствительность 89
3 6 Пьезоэлектрический эффект 90
3 6 1 Пьезоэлектрические пленки 96
3 7 Пироэлектрический эффект 100
3 8 Эффект Холла 106
3 9 Эффекты Зеебека и Пельтье 110
3 10 Звуковые волны 115
3 11 Температурные и тепловые свойства материалов 118
3 11 1 Температурные шкалы 119
3 11 2 Тепловое расширение 120
3 11 3 Теплоемкость 122
3 12 Теплопередача 123
3 12 1 Теплопроводность 124
3 12 2 Тепловая конвекция 126
3 12 3 Тепловое излучение 127
3 12 3 1 Излучающая способность 131
3 12 3 2 Резонансный эффект 134
3 13 Световое излучение 136
3 14 Динамические модели чувствительных элементов 138
3 14 1 Механические элементы 140
3 14 2 Тепловые элементы 142
3 14 3 Электрические элементы 143
3 14 4 Аналогии 144
Литература 144
Глава 4
ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ДАТЧИКОВ 146
4 1 Радиометрия 148
4 2 Фотометрия 152
4 3 Светопропускающие окна 155
4 4 Зеркала 156
4 5 Линзы 159
4 6 Линзы Френеля 160
4 7 Оптические волокна и волноводы 163
4 8 Концентраторы 167
4 9 Покрытия, поглощающие тепловое излучение 168
4 10 Электрооптические и акустикооптические модуляторы 169
4 11 Интерферометрическая оптоволоконная модуляция 171
Литература 172
Глава 5
ИНТЕРФЕЙСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ 173
5 1 Входные характеристики интерфейсных схем 173
5 2 Усилители 178
5 2 1 Операционные усилители 178
5 2 2 Повторители напряжения 181
5 2 3 Измерительный усилитель 181
5 2 4 Усилители заряда 184
5 3 Схемы возбуждения 187
5 3 1 Генераторы тока 187
5 3 2 Источники опорного напряжения 191
5 3 3 Генераторы 193
5 3 4 Задающие устройства 196
5 4 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 198
5 4 1 Принципы построения АЦП 198
5 4 2 Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) 200
5 4 3 АЦП двойного интегрирования 204
5 4 4 АЦП последовательного приближения 207
5 4 5 Улучшение разрешающей способности систем сбора данных 209
5 5 Прямая дискретизация и обработка сигналов 210
5 6 Измерители отношений сигналов 214
5 7 Мостовые схемы 216
5 7 1 Неуравновешенный мост 218
5 7 2 Уравновешенный мост 219
5 7 3 Температурная компенсация резистивного моста 219
5 7 4 Мостовые усилители 225
5 8 Передача данных 226
5 8 1 Двухпроводная передача 226
5 8 2 Четырехпроводной способ подключения датчика 227
5 8 3 Шестипроводный способ подключения мостовой схемы 228
5 9 Шумы в датчиках и интерфейсных схемах 229
5 9 1 Собственные шумы 229
5 9 2 Вносимый шум 233
5 9 3 Электрическое экранирование 237
5 9 4 Блокировочные конденсаторы 240
5 9 5 Экранирование от магнитных полей 241
5 9 6 Механический шум 243
5 9 7 Слои заземления 243
5 9 8 Развязка по цепи заземления и паразитные контуры заземления 244
5 9 9 Шум Зеебека 246
5 10 Гальванические источники питания для маломощных датчиков 247
5 10 1 Первичные элементы 248
5 10 2 Вторичные элементы аккумуляторы 249 Литература 250
Глава 6
ДЕТЕКТОРЫ ПРИСУТСТВИЯ И ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ 251
6 1 Ультразвуковые датчики присутствия 252
6 2 Микроволновые детекторы движения 253
6 3 Емкостные датчики присутствия 257
6 4 Электростатические датчики движения 261
6 5 Оптоэлектронные детекторы движения 264
6 5 1 Структуры датчиков 264
6 5 1 1 Составные датчики 265
6 5 1 2 Датчики со сложной формой чувствительного элемента 266
6 5 1 3 Искажение изображения 266
6 5 1 4 Фасетный фокусирующий элемент 266
6 5 2 Детекторы движения, работающие в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра 268
6 5 3 Детекторы движения, работающие в дальнем ИК-диапазоне 269
6 5 3 1 Детекторы движения на основе пассивных ИК-элементов 270
6 5 3 2 Анализ эффективности работы пассивного
ИК-детектора движущихся объектов (ПИК-детектора) 273
Литература 277
Глава 7
ДЕТЕКТОРЫ ПОЛОЖЕНИЯ, ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УРОВНЯ 278
7 1 Потенциометрические датчики 279
7 2 Гравитационные датчики 282
7 3 Емкостные датчики 284
7 4 Индуктивные и магнитные датчики 287
7 4 1 Линейно-регулируемые дифференциальные трансформаторы
(ЛРДТ) и поворотно-регулируемые дифференциальные
трансформаторы (ПРДТ) 288
7 4 2 Вихретоковые датчики 290
7 4 3 Поперечный индуктивный датчик 291
7 4 4 Датчики приближения, использующие эффект Холла 292
7 4 5 Магниторезистивные датчики 296
7 4 6 Магнитострикционный детектор 299
7 5 Оптические датчики 300
7 5 1 Оптические мостовые схемы 301
7 5 2 Поляризационный детектор приближения 301
7 5 3 Волоконооптические датчики 302
7 5 4 Датчики Фабри-Перо 304
7 5 5 Решетчатые датчики 306
7 5 6 Позиционно-чувствительные детекторы 308
7 6 Ультразвуковые датчики 312
7 7 Радары 314
7 7 1 Микромощные импульсные радары 314
7 7 2 Радар для зондирования грунта 316
7 8 Датчики толщины и уровня 317
7 8 1 Датчики абляции 318
7 8 2 Детекторы толщины пленок 319
7 8 3 Датчики уровня жидкости 320 Литература 321
Глава 8
СКОРОСТЬ И УСКОРЕНИЕ 323
8 1 Характеристики акселерометров 325
8 2 Емкостные акселерометры 327
8 3 Пьезорезистивные акселерометры 329
8 4 Пьезоэлектрические акселерометры 330
8 5 Тепловые акселерометры 331
8 5 1 Акселерометры с нагреваемой пластиной 331
8 5 2 Акселерометры с нагреваемым газом 332
8 6 Гироскопы 335
8 6 1 Роторный гироскоп 335
8 6 2 Монолитные кремниевые гироскопы 336
8 6 3 Оптические гироскопы 339
8 7 Пьезоэлектрические кабели 341
Литература 343
Глава 9
ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
И ПРИКОСНОВЕНИЯ 345
9 1 Тензодатчики 347
9 2 Тактильные чувствительные элементы 349
9 3 Пьезоэлектрические датчики силы 356
Литература 358
Глава 10
ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ 359
10 1 Общие понятия о давлении 359
10 2 Единицы измерения давления 361
10 3 Ртутные датчики давления 361
10 4 Сильфоны, мембраны и тонкие пластины 362
10 5 Пьезорезистивные датчики 364
10 6 Емкостные датчики 369
10 7 Датчики переменного магнитного сопротивления 370
10 8 Оптоэлектронные датчики 372
10 9 Вакуумные датчики 374
10 9 1 Вакуумметры Пирани 374
10 9 2 Ионизационные датчики 376
10 9 3 Датчик газового сопротивления 377
Литература 377
Глава 11
РАСХОДОМЕРЫ 378
11 1 Основы гидродинамики 378
11 2 Датчики скорости потока по перепаду давления 380
11 3 Тепловые расходомеры 382
11 4 Ультразвуковые расходомеры 386
11 5 Электромагнитные расходомеры 389
11 6 Микрорасходомеры 391
11 7 Детектор изменения скорости потока газа 393
11 8 Кориолисовские расходомеры 394
11 9 Расходомеры с мишенями 396
Литература 397
Глава 12
АКУСТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 398
12 1 Резистивные микрофоны 399
12 2 Электростатические микрофоны 399
12 3 Оптоволоконные микрофоны 400
12 4 Пьезоэлектрические микрофоны 402
12 5 Электретные микрофоны 403
12 6 Твердотельные акустические детекторы 405
Литература 407
Глава 13
ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ 408
13 1 Общие понятия о влажности 408
13 2 Емкостные датчики 410
13 3 Резистивные датчики влажности 413
13 4 Термисторные датчики влажности 415
13 5 Оптический гигрометр 416
13 5 Вибрационный гигрометр 417
Литература 420
Глава 14
ДЕТЕКТОРЫ СВЕТОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ 419
14 1 Введение 419
14 2 Фотодиоды 423
14 3 Фототранзистор 430
14 4 Фоторезисторы 433
14 5 Охлаждаемые детекторы 435
14 6 Детекторы ИК-излучений 438
14 6 1 Ячейки Голея 439
14 6 2 Детекторы излучении на основе термоэлементов 440
14 6 3 Пироэлектрические датчики ИК-излучений 442
14 6 4 Болометры 447
14 6 5 Активный датчик излучения дальнего ИК-диапазона 450
14 7 Детекторы газового пламени 452
Литература 454
Глава 15
ДЕТЕКТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 455
15 1 Сцинтилляционные детекторы 456
15 2 Ионизационные детекторы 459
15 2 1 Ионизационные камеры 459
15 2 2 Пропорциональные камеры 461
15 2 3 Счетчики Гейгера-Мюллера 462
15 2 4 Полупроводниковые детекторы радиоактивности 463
Литература 467
Глава 16
ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ 468
16 1 Терморезистивные датчики 473
16 1 1 Резистивные детекторы температуры 473
16 1 2 Кремниевые резистивные датчики 476
16 1 3 Термисторы 478
16 1 3 1 Термисторы с отрицательным температурным
коэффициентом сопротивления 478
16 1 3 1 1 Простая модель 479
16 1 3 1 2 Модель Фрайдена 481
16 1 3 1 3 Модель Стейнхарта-Харта 483
16 1 3 1 4 Изготовление термисторов с отрицательным температурным коэффициентом 485
16 1 3 2 Явление саморазогрева в термисторах с отрицательным температурным коэффициентом 486
16 1 3 3 Термисторы с положительным температурным коэффициентом 490
16 2 Термоэлектрические контактные датчики 493
16 2 1 Законы термоэлектричества 494
16 2 2 Схемы подключения термопар 496
16 2 3 Термопарные сборки 498
16 3 Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n перехода 500
16 4 Оптические датчики температуры 504
16 4 1 Флуоресцентные датчики 504
16 4 2 Интерферометрические датчики 506
16 4 3 Датчики на основе растворов, изменяющих цвет от температуры 507
16 5 Акустические датчики температуры 507
16 6 Пьезоэлектрические датчики температуры 509
Литература 509
Глава 17
ХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ 511
17 1 Характеристики химических датчиков 512
17 2 Проблемы химических датчиков 512
17 3 Классификация химических детекторов 513
17 4 Датчики прямого действия 514
17 4 1 Металл-оксидные химические датчики 514
17 4 2 Химические полевых транзисторы 516
17 4 3 Электрохимические датчики 517
17 4 4 Потенциометрические датчики 518
17 4 5 Кондуктометрические датчики 519
17 4 6 Амперометрические датчики 520
17 4 7 Каталитические детекторы газов 522
17 4 8 Эластомерные химические резисторы 523
17 5 Составные датчики 524
17 5 1 Тепловые датчики 524
17 5 2 Каталитические датчики Пелистера 525
17 5 3 Оптические химические датчики 526
17 5 4 Гравиметрические детекторы 528
17 5 5 Биохимические датчики 531
17 5 6 Энзимные датчики 532
17 6 Химические детекторы в составе аналитических приборов 532
17 6 1 Хемометрия 535
17 6 2 Измерения при помощи нескольких датчиков 536
17 6 3 Датчики обоняния 537
17 6 4 Нейронные сети для обработки информации датчиков обоняния 540
17 6 5 Интеллектуальные химические датчики 542 Литература 543
Глава 18
МАТЕРИАЛЫ ДАТЧИКОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 545
18 1 Материалы 545
18 1 1 Применение кремния для изготовления датчиков 545
18 1 2 Пластмассы 549
18 1 3 Металлы и сплавы 553
18 1 4 Керамические материалы 555
18 1 5 Стекла 556
18 2 Поверхностные технологии 557
18 2 1 Нанесение тонких и толстых пленок 557
18 2 2 Литье при вращении 557
18 2 3 Термовакуумное напыление 557
18 2 4 Ионное распыление 558
18 2 5 Химическое осаждение из газовой фазы 559
18 3 Нано-технологии 560
18 3 1 Фотолитография 560
18 3 2 Методы обработки кремния 561
18 3 2 1 Основные методы 562
18 3 2 1 1 Нанесение тонких пленок 562
18 3 2 1 2 Жидкостное травление 562
18 3 2 1 3 Травление с барьерным слоем 564
18 3 2 1 4 Сухое травление 565
18 3 2 1 5 Метод обратной литографии 565
18 3 2 2 Соединение подложек 566
Литература 566
Приложение Единицы физических величин
Справочные данные по физическим характеристикам материалов 567