Преобразователи физических величин

При воздействии любого из указанных факторов, например, повышении температуры, вольт-амперная характеристика терморезистора изменяется от кривой 2 к кривой 1. Рабочая точка перемещается из а в б, и ток в цепи резко увеличивается. При возвращении внешней температуры к первоначальному значению рабочая точка перемещается из б в в и высокое значение тока в цепи сохраняется. На этой основе могут быть построены датчики, реагирующие на изменение температуры, влажности, скорости потока, уровня жидкости.2.3. Зависимость параметров p-nперехода от температурыРис. 6. Вольтамперная характеристика реального p–n-перехода (кремниевого диода) при температурах -60, +70, +125 и +150 °С. Прямая и обратная ветви ВАХ изображены в разных масштабахТемпература оказывает значительное влияние на ток через p–n-переход. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей зарядов, их концентрация увеличивается и собственная проводимость растет, что вызывает рост прямого и обратного тока. Для p–n переходов на основе Ge обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; для Si – примерно в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве растет не так заметно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры. Для примера приведем зависимость вольт-амперной характеристики от температуры для кремниевого p–n-перехода.Использование кремниевых диодных структур в качестве первичных преобразователей температуры позволяет значительно улучшить линейность температурной характеристики полупроводникового датчика температуры по сравнения с кремниевым резистором. Это объясняется тем, что прямое падение напряжения на диоде более линейно изменяется с изменением температуры, чем электрическое сопротивление кремниевого терморезистора. Действительно, если через диод в прямом направлении пропускается постоянный ток Iпр, то его связь с прямым напряжением Uпр на p-n переходе диода задается известным уравнением:где k – постоянная Больцмана, q – заряд электрона, T – температура в Кельвинах, Iобр – обратный ток через p-n переход.Если напряжение на p-n переходе достаточно велико, т.е. Uпр>> kT/q, то членом (-1) в экспоненте можно пренебречь и из уравнения можно получить выражение для Uпр:Параметром, определяющим температурную зависимость напряжения на p-n переходе диода в уравнении является ток Iобр.3. Полупроводниковые датчики и схемы их подключения3.1. ТермисторыЧувствительными элементами полупроводниковых термометров сопротивления являются смеси окислов меди, марганца, магния, никеля, кобальта и др. Смеси двух-трех окислов со связывающими добавками измельчают, спекают и обжигают, придавая им форму небольших цилиндриков, шайбочек или бусинок (рис. 7). В торцы чувствительных элементов вжигают контакты.Рис. 7. Конструктивные формы полупроводниковых термометров сопротивления: а – трубчатая (КМТ); б – дисковая (СТ5); в – цилиндрическая (ММС)Технически серийно изготовляемые термисторы предназначены для измерений температур в диапазоне от -90 до +180°С. В качестве вторичных приборов с термометрами сопротивления применяются обычно автоматические электронные равновесные мосты, реже логометры, неравновесные мосты и тестеры (рис. 8).абвРис. 8. Схемы измерения сопротивлений. а) мостовая схема; б) двухпроводная; в) трехпровроднаяБолее современная схема измерителя температуры, содержащего в качестве преобразователя температуры в электрический сигнал кремниевый резистор типа KTY-81 с положительным ТКС, приведена на рис. 9.Рис. 9.Современная измерительная схема, содержащая в качестве термопреобразователя резистор, например, типа KTY-813.2. ТермодиодыИзмерения температуры может быть реализован при использовании p–nперехода в режиме постоянного тока при прямом включении. При I = const напряжение на диоде V является линейной функцией температуры Т и может быть удобным термометрическим параметром:,где константы А и В не зависят от температуры. Константа А отрицательна, так как сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры и, следовательно, при постоянном токе напряжение на образце тоже уменьшается. Поскольку значение I0 и εg заранее не известны, то коэффициенты А и В должны определяться эмпирически при градуировке датчика и затем могут быть использованы для измерения температуры. Константа В позволяет также найти εg – ширину запрещенной зоны полупроводникаВ качестве датчика температуры в полупроводниковых термометрах обычно используются кремниевые или германиевые диоды. Достоинствами их является линейность термометрической характеристики. Она сохраняется и при дифференциальной схеме включения термодиодов. Работа таких датчиком по такой схеме характеризуется хорошей стабильностью.Полная электрическая схема с дифференциальным включением термодиодов показана на рис. 10.Рис. 10. Схема измерителя температуры с датчиком по дифференциальной схеме на термодиодах.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ работе рассмотрены основные термометрические параметры и проборы, которые используются для измерения температуры. Т.к. одни из самых точных и современных датчиков для измерения температуры являются полупроводниковые устройства, то рассмотрена физика полупроводников. Приведена классификация полупроводниковых датчиков для измерения температуры. В отдельном разделе рассмотрены основные параметры полупроводников, которые зависят от температуры (электропроводность, изменение фольт-амперных характеристик p-nперехода). Так как полупроводники не возможно использовать отдельно для измерения температуры (без соответствующего прибора), в третьем разделе рассмотрены схемы для подключения термисторов и термодиодов.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫГордов А.Н., Жагулло О.М., Иванова А.Г. Основы температурных измерений. М.: Энергоатомиздат, 1992.Г. Виглеб. Датчики М.: МИР, 1989 – 196 с.Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.: Сов.радио, 1969.Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.Кривоносов А.И. Термодиоды и термотриоды. М.: «Энергия», 1970 – 72 с.Денисенко В.В., Халявко А.Н. Термометры сопротивления, термисторы и термопары //ПиКАД №1, 2005 – с. 50 – 54.В. Гарсиа. Измерение температуры: теория и практика // СТА № 1, 1999 – с. 82 – 87.Булкин П.С., Васильева О.Н., Киров С.А., Малова Т.И. Измерение температуры полупроводниковыми термометрами Учебное пособие – М.: ООП Физ. фак-та МГУ, 2012 – 17 с.Светцов В.И., Холодков И.В.Физическая электроника и электронные приборы: учеб. Пособие / Иван. гос. хим.-технол. ун-т. – Иваново, 2008. – 494 с.Ю. М. Иншаков, У. Назафат. Медицинский быстродействующий полупроводниковый термометр // Известия вузов России. Радиоэлектроника. Вып. 1, 2014. – с. 40-44.