Паразитные и взаимные эффекты в чувствительных элементах
Существует большая группа простых чувствительных элементов, электрические свойства которых могут быть охарактеризованы посредством единичного компонента электрической цепи, а значение параметра этого компонента определяется измеряемым физическим сигналом. Обычно для чувствительных элементов существенна проблема взаимных эффектов: они обладают нежелательной чувствительностью к другим физическим воздействиям, например, температуры, механической вибрации и др. Применение дополнительных чувствительных элементов может обеспечить получение информации для повышения надежности и компенсации взаимных воздействий. Например, использование дополнительных сенсоров температуры позволяет реализовать режим температурной компенсации, а информация, полученная в результате измерения сопротивления в термопаре, может быть полезной для мониторинга процессов коррозии.
Рисунок 2.3 - Эквивалентные электрические схемы, моделирующие некоторые типичные чувствительные элементы и их паразитные электрические компоненты:
а–г - простые элементы
В случае наличия взаимных воздействий измеряемая величина и нежелательные физические эффекты оказывают влияние на один и тот же электрический выходной параметр Sx. Кроме того, чувствительные элементы также обладают паразитными электрическими эффектами физической, химической или электрической природы, которые можно смоделировать посредством дополнительного паразитного электрического компонента Sp. Например, ток утечки в емкостном сенсоре влажности служит причиной появления паразитного сопротивления Rp, шунтирующего емкость сенсора Сх (рисунок 2.3,а). Более того, его величина имеет долговременный дрейф и зависит от температуры. Поэтому при проектировании электронной схемы измерения емкости Сх следует учитывать самые неблагоприятные условия для резистора Rp.
Одна из нижеприведенных мер поможет решить эту проблему:
1) использование сигнала возбуждения большей частоты приведет к снижению относительного влияния Rp;
Ограничение по полосе пропускания сужает спектр возможностей применения этого метода.
2) использования синусоидального сигнала возбуждения амплитудно-фазовым анализатором возможно отдельно измерять величины Сх и Rp;
Применение синусоидальных сигналов повышает уровень сложности и энергопотребления системы.
3) в случае прямоугольных сигналов можно осуществить последовательность измерений при различных частотах тока возбуждения;
Алгоритмическая обработка результатов измерения позволит существенно уменьшить эффект шунтирующего сопротивления. Этот метод требует затрат времени, хотя и реализуется посредством простой электронной схемы.
4) максимально быстрая разрядка заряженной емкости позволит сократить потери заряда и тем самым снизить относительный эффект шунтирующего сопротивления.
При соединении резистивного сенсора с помощью длинного кабельного провода с электронным сигнальным процессором емкость кабеля может привести к появлению шунтирующей емкости Ср (рисунок 2.3,б). По аналогии с предыдущим случаем проблему можно решить за счет одного из нижеприведенных измерительных приемов:
- использование сигнала возбуждения пониженной частоты приведет к снижению относительного воздействия Ср. Однако для уменьшения эффекта низкочастотного шума и помех желательно увеличить эту частоту;
- в случае применения синусоидального сигнала возбуждения амплитудно-фазовым анализатором возможно отдельно измерять величины Ср и Rх. Но тогда значительно повышается уровень сложности и энергопотребление системы.
Магнитодиоды
Магнитодиодом (МД) называется преобразователь магнитного поля, принцип действия которого основан на магнитодиодном эффекте.
Вольтамперная характеристика магнитодиода приведена на рисунке 13.8,б. Схема включения магнитодиода показана на рисунке 8.8,в.
Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибор с р-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми находится область высокоомного полупроводника (рисунок 8.8,а). Отличие от обычных полупроводниковых диодов состоит в том, что магнитодиод изготавливается из высокоомного полупроводникового материала, проводимость которого близка к собственной, а ширина базы d в несколько раз больше диффузионной длины пробега носителей L, в то время как в обычных диодах d < L. В «длинных» диодах при прохождении электрического тока определяющими становятся процессы, зависящие от рекомбинации и движения неравновесных носителей заряда в базе и на поверхности.
Рисунок 8.8 - Магнитодиод: а - конструкция перехода; б - ВАХ; в - схема включения
В прямом направлении при высоких уровнях инжекции проводимость магнитодиода определяется инжектированными в базу неравновесными носителями. Падение напряжения происходит не на р-n переходе, как в диоде, а навысокоомной базе.
Если магнитодиод, через который протекает ток, поместить в поперечное магнитное поле, то произойдет увеличение сопротивления базы. Сопротивление базы увеличивается и за счет повышения роли поверхностной рекомбинации отклоняющихся к поверхности полупроводника носителей заряда.
Рисунок 8.9 - Схемы включения магнитодиодов: а - в транзисторный каскад;
б - к операционному усилителю