czujnik
 
Encyklopedia
czujnik, sensor:
1) urządzenie lub substancja, w których pod działaniem bodźców (np. promieniowania, zmian temperatury), pochodzących od badanego obiektu, zachodzą zmiany dostarczające informacji o tym obiekcie.
2) element wejściowy systemu przetwarzania informacji, np. urządzenia pomiarowego, przetwarzający wejściową (oznaczaną, mierzoną) wielkość fiz., chem. lub biol. (sygnał wejściowy czujnika) na użyteczną wielkość wyjściową (sygnał wyjściowy czujnika, zw. też sygnałem pomiarowym), z zachowaniem informacji o przebiegu i wartościach charakterystycznych tej pierwszej. W większości czujników można wyraźnie wyodrębnić człony: detektorowy (receptorowy) i przetwarzający. Z przetwarzaniem wielkości wejściowej na wyjściową wiąże się na ogół przemiana jednego rodzaju energii w inną; różne rodzaje energii są bowiem związane z przetwarzanymi wielkościami, np. energia mech. — z przesunięciem, prędkością, przyspieszeniem, siłą, ciśnieniem; energia termiczna — z ilością ciepła, temperaturą; energia promieniowania — z mocą promieniowania, luminancją; energia elektr. — z natężeniem prądu elektr., napięciem elektr., rezystancją; energia magnet. — z indukcją lub natężeniem pola magnet.; energia chem. — ze stężeniem lub aktywnością substancji. Wykorzystuje się przy tym różne zjawiska fizykochemiczne i różne materiały. Liczba wielkości oznaczanych lub koniecznych do oznaczania jest bardzo duża i rośnie wraz z rozwojem techniki. Jest ona rzędu kilkuset dla wielkości fiz. i kilkuset mln — dla wielkości chem. i biochemicznych. Wielkością wyjściową jest najczęściej wielkość elektr. (np. natężenie prądu elektr. lub napięcie elektr.) ze względu na łatwość dalszego jej przetwarzania w urządzeniach pomiarowych i informatycznych. Czujnik w systemach techn. pełni rolę podobną do funkcji receptorów w organizmach żywych. Rodzaj wielkości wejściowej i wyjściowej, zastosowany materiał konstrukcyjny czy też zjawisko, na którym jest oparte działanie czujnika, odzwierciedla się często w jego nazwie, np.: czujnik mechaniczny, mechanoelektr., piezoelektr., piezomagnet., dopplerowski, napięciowy, konduktometryczny, rezystancyjny, ceramiczny, magnet., termomagnet., galwanomagnet., magnetorezystancyjny, hallotronowy, fotoelektryczny, światłowodowy, kolorymetryczny, chem., elektrochem., bioczujnik. Ze względu na sposób przetwarzania sygnału wejściowego na wyjściowy stosuje się podział czujników na: czujniki generacyjne (aktywne), w których następuje przetworzenie energii wejściowej na wyjściową (należą do nich np. termoelementy, fotoogniwa i ogniwa elektrochem.); czujniki parametryczne (modulacyjne, pasywne), które wymagają dodatkowego źródła zasilania i w których ulegają zmianie parametry elementów czujnika, m.in. rezystancja, indukcyjność, pojemność (należą do nich np. tensometry i fotorezystory); czujniki o wielokrotnym przetwarzaniu, np. czujnik przepływu, w którym natężenie przepływu determinuje temperaturę termistora i następnie jego rezystancję.
Właściwości czujnika opisuje się za pomocą odpowiednich charakterystyk i parametrów. Ustala się je dla stanu statycznego (wielkość mierzona jest stała w czasie lub jej zmienność nie wpływa na pracę czujnika) i dynamicznego (wielkość mierzona jest zmienna w czasie w sposób wpływający na właściwości czujnika). Podstawowymi parametrami czujnika wyznaczonymi na podstawie jego statycznej charakterystyki przetwarzania, ujmującej zależność między wielkościami wyjściową i wejściową, są: czułość, równa stosunkowi przyrostów wielkości wyjściowej i wejściowej; zakres pomiarowy, odpowiadający przedziałowi zmienności wielkości wejściowej, zapewniającemu przetwarzanie z odpowiednią dokładnością; rozdzielczość, odpowiadająca stosunkowi najmniejszego wykrywalnego przyrostu wielkości mierzonej do zakresu pomiarowego; selektywność, określająca wpływ innych wielkości na sygnał wyjściowy; minimalny wykrywalny sygnał; nieliniowość i histereza, które determinują błędy przetwarzania czujnika. Jakość czujnika jest ponadto określona stabilnością jego parametrów, odpornością na zakłócenia sygnałów oraz odpornością na niszczący wpływ środowiska; cechy te decydują o niezawodności czujnika. Właściwości dynamiczne czujnika określa się przy standardowych przebiegach wielkości wejściowej, tj. przy przebiegu skokowym, impulsowym i harmonicznym. Odpowiedź czujnika na jeden z pierwszych dwóch przebiegów nosi nazwę charakterystyki czasowej. Na jej podstawie można wyznaczyć błędy dynamiczne w dziedzinie czasu i czas odpowiedzi (przy zadanych dopuszczalnych błędach). Przebieg harmoniczny pozwala uzyskać charakterystyki: amplitudowo–częst. i fazowo–częst., wyznaczane przy stałej amplitudzie wielkości wejściowej i zmiennej częstotliwości. Charakterystyki te służą do oceny zniekształceń (błędów przetwarzania) amplitudowych i fazowych, jak również do oceny szerokości pasma przenoszenia częst. czujnika (przy założeniu dopuszczalnych wartości tych błędów). Wymagania co do niektórych właściwości czujnika, m.in. dopuszczalnych błędów statycznych i dynamicznych, zależą od jego zastosowania, a więc od wymagań stawianych systemowi zawierającemu czujnik, np. podzespołom bezpośrednio współpracującym z czujnikiem.
Ze względu na sposób połączenia czujnika z układami przetwarzania sygnałów i na zakres realizowanych funkcji dzieli się je na: dyskretne, scalone (zintegrowane) i inteligentne. Czujniki dyskretne są autonomicznymi strukturami wykonanymi tradycyjnymi metodami, gł. metodą obróbki mech., oraz za pomocą techniki cienkich warstw i techniki grubych warstw. Czujnik scalony jest układem, w którym człon detekcyjny czujnika jest integralnie związany z układami wzmacniaczy, przetworników analogowo-cyfrowych i układów standaryzujących. Czujnik scalony z procesorem o odpowiednim oprogramowaniu, zapewniającym przetwarzanie danych, autokalibrację i autokorekcję oraz współpracę z innymi czujnikami, stanowi układ nazywany czujnikiem inteligentnym. Czujniki scalone i inteligentne wykonuje się jako układy scalone o średniej i dużej skali integracji, stosując technologię planarną oraz fotolitografię krzemu (mikromechanika, litografia). Technologie te umożliwiają wytwarzanie mikroczujników, tj. czujników o bardzo małych rozmiarach.
Podstawowym materiałem stosowanym do budowy czujników jest krzem. W działaniu czujników krzemowych wykorzystuje się m.in.: zmiany pojemności lub rezystancji struktury krzemowej (lub innych materiałów piezorezystancyjnych naniesionych na krzem) pod wpływem naprężeń mech. wywołanych zmianami siły, ciśnienia lub przyspieszenia (np. w tensometrach półprzewodnikowych); zjawiska termoelektryczne (np. w termoelementach) i zjawisko fotoelektryczne (np. w fotorezystorach, fotodiodach, fototranzystorach, fotoogniwach, transoptorach). Wytwarza się też czujniki krzemowe, których struktura zawiera tranzystor polowy o parametrach zależnych od róznych wielkości fiz. i chem. (np. tranzystor polowy czuły na jony). Połączenie materiałów piezoelektr. ze strukturą krzemową umożliwia wykonanie czujników masy, których działanie jest oparte na powstawaniu powierzchniowych lub objętościowych fal akustycznych (akustoelektronika). Czujniki krzemowe, budowane jako miniaturowe struktury, mogą pełnić wielorakie funkcje. Stosuje się je, w celu zwiększenia niezawodności pomiaru, w systemach przeznaczonych do jednoczesnego pomiaru wielu różnych wielkości lub jednej wielkości w wielu punktach przestrzeni, a także w zwielokrotnionych (równoległych) torach przetwarzania sygnałów. Ze względu na małe rozmiary, dobre właściwości pomiarowe, niską cenę i wysoką niezawodność czujniki te są powszechnie stosowane w technice (automatyka, robotyka, kontrola jakości produkcji, sprzęt domowy, motoryzacja), ochronie środowiska przyr. i w medycynie (biopomiary). Szeroko rozpowszechnione są krzemowe mikroczujniki ciśnienia. Wyrafinowanym zastosowaniem tych czujników są sztuczne zmysły: elektroniczne oko, ucho, nos i język.
Spośród wielu rodzajów nowoczesnych czujników na uwagę zasługują przede wszystkim: czujniki światłowodowe, piezoelektr. cienkowarstwowe i ceramiczne oraz niektóre czujniki chemiczne (np. rezystancyjne czujniki gazów).
Czujniki światłowodowe pod względem zasady działania dzieli się na niesamoistne i samoistne. W czujnikach niesamoistnych sygnał świetlny wysyłany przez wzorcowe źródło przechodzi przez układ światłowodów, a następnie jest poddawany modulacji pod wpływem przebiegu wielkości mierzonej (np. przemieszczenia lub stężenia substancji). Do parametrów sygnału świetlnego, które w modulatorze mogą ulegać zmianie, należą: natężenie, faza, częst. i długość fali świetlnej, a także jej polaryzacja. Zmodulowany sygnał jest przesyłany światłowodem do detektora (demodulatora). W czujnikach samoistnych wielkość mierzona działa bezpośrednio na właściwości propagacyjne włókna szklanego, powodując jego odkształcenie się (np. zginanie) lub zmianę współczynnika załamania światła, co wpływa np. na zmianę natężenia lub fazy fali świetlnej. Szeroki zakres zastosowań czujników światłowodowych wynika z ich małych rozmiarów, elastyczności, dużej odporności na zakłócenia oraz braku odprowadzeń elektr.; ta ostatnia właściwość ułatwia ich stosowanie w badaniach med. i w środowiskach wysokiego ryzyka, np. zagrożonych niebezpieczeństwem wybuchu.
Działanie czujników piezoelektrycznych jest oparte na wykorzystaniu właściwości piezoelektr. pewnych substancji (piezoelektryczność). Do ich wytwarzania najczęściej stosuje się kwarc, tlenki: LiTaO3, SrBaNbO3, PbTiO3, siarczek triglicyny (TGS) i polifluorek poli(winylidenu) (PVDF). Piezoelektryczne czujniki cienkowarstwowe wykorzystujące PVDF i jego kopolimery mają postać cienkich, elastycznych, lekkich, mechanicznie wytrzymałych elementów o różnych kształtach i rozmiarach. Stosuje się je jako czujniki wielu wielkości mech. (np. parametrów ruchu) oraz temperatury i ciśnienia; są wykorzystywane do identyfikacji cząstek o bardzo małej masie (rzędu 10–12 g) i do pomiarów bardzo wysokiego ciśnienia (rzędu 30 GPa). Czujniki te odznaczają się wieloma zaletami, m.in.: szerokim pasmem przenoszenia częst. (od 10–3 do 109 Hz), małą impedancją akustyczną, dobrą podatnością na odkształcenia, wysoką czułością i odpornością na działanie wody i in. składników chem. oraz promieniowania nadfioletowego i jądrowego.
Bibliografia
Sensors. AQ Comprehensive Survey, red. W. Goepel, J. Hesse, J.N. Zemel, t. 1–8, Weinheim–Basel–Cambridge–New York 1989–1993.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia