ШОши
В СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ
«РАДИО и СВЯЗЬ
ELECTRONICA
Организаторы:
При содействии
www.expoelectron ica ru
Approved
Event
И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
+7(812)380 6007/03/00
Тел .
Факс +7(812)380 6001
E-mail. electron@pnmexpo ru
9-я МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ
ВЫСТАВКА ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
G ectror h
4-я МЕЖДУНАРОДНАЯ ВЫСТАВКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
И МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИИ ЭЛЕКТРОННОЙ
РОССИЯ, МОСКВА BKpokyc Экспо
иф.ков
нт
в свившиыв взимав
МОСКВА
«РАДИО и СВЯЗЬ»
«ГОРЯЧАЯ ЛИНИЯ - ТЕЛЕКОМ»
2006
УДК 621.586.37
ББК 32.96-04
К73
Котюк А. Ф.
К73 Датчики в современных измерениях. - М.: Радио и связь,
Горячая линия - Телеком, 2006. - 96 с.: ил. - (Массовая радио-
библиотека; Вып. 1277).
ISBN 5-256-01782-6.
В популярной форме описаны основные типы датчиков, приме-
няемых в различных измерительных системах: контактные, оптико-
электрические, оптические, волоконно-оптические. Даны метроло-
гические характеристики измерительных преобразователей и их
типовые структурные схемы.
Для широкого круга читателей, занимающихся разработкой изме-
рительных систем различного назначения, книга может быть полез-
ной для учащихся старших классов, студентов вузов и колледжей.
ББК 32.96-04
Адрес издательства в Интернет www.techbook.RU
e-mail: radios hl@mtu-net.ru
Справочное издание
Массовая радиобиблиотека Вып. 1277
Котюк Андрей Федорович
ДАТЧИКИ В СОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Редактор Т. М. Летина
Корректор А. В. Петрова
Обложка В. С. Силаева
Подписано в печать 15.11.2005. Формат 60x90/16. Гарнитура Таймс.
Усл. печ. л. 6. Тираж 1000 экз. Изд. № 26424.
ISBN 5-256-01782-6
© А.Ф. Котюк, 2006
© Оформление издательства
«Горячая линия Телеком», 2006
Моему любимому внуку
Феде Перфильеву
посвящается
ПРЕДИСЛОВИЕ
Мы живем в окружающем нас мире предметов, явлений, про-
цессов и нуждаемся постоянно в получении количественной ин-
формации о них. Это достигается путем измерений характеризую-
щих их физических величин. Так, например, судить о габаритах
объекта или расстоянии до него можно путем измерения геометри-
ческих величин, основной из которых служит длина, а ее единицей
измерения - метр. Массу объекта мы определяем взвешиванием на
тех или иных весах - это также один из видов измерений. Этот ряд
можно продолжить огромным количеством примеров измерений
разнообразных физических величин, представляя результаты в уза-
коненных единицах.
Даже французский поэт, философствующий лирик Поль Ва-
лери (1871-1945 гг.), казалось бы, весьма далекий от теории и тех-
ники измерений, сказал со всей определенностью:
«Современный мир насыщен измерениями; знание, не имею-
щее количественного выражения, теряет ценность. Понятие
«наука» все менее ассоциируется со знаниями, не преобразо-
ванными в числа».
Из предисловия к книге Ж. Аша с соавторами «Датчики из-
мерительных систем» (Пер. с франц, подред. А.С.Обухова.
- М.: Мир, 1992. - Кн. 1. - 480 с).
С основами измерений и метрологии читатель может ознако-
миться в недавно изданном учебном пособии [1]. Там же некоторое
внимание было уделено датчикам, но именно некоторое! Однако
этот «золотник» играет столь важную роль в современных измере-
ниях, что заслуживает уважительного к себе отношения и весьма
высокой оценки его вклада в достоверность получаемого результата
измерений.
3
Мал золотник, да дорог!
(Русская пословица;
золотник = 4,2657 грамма)
Введение
НЕМНОГО ИСТОРИИ И СОВСЕМ ЧУТЬ-ЧУТЬ
ТЕРМИНОЛОГИИ
Путь, который пришлось пройти измерениям и измеритель-
ной технике, прежде чем более или менее надежно утвердились от-
носящиеся к ним общепринятые определения и термины, был весь-
ма длинным и тернистым. Многие отечественные ученые, с боль-
шинством которых, начиная с середины XX века, автор имел честь
быть знакомым, сотрудничать и даже дружить, внесли неоценимый
вклад в развитие метрологии и измерений. К их заслугам следует
отнести создание и развитие теории измерений (проф. М. Ф. Мали-
ков, акад. А. А. Харкевич, проф. Ф. Е. Темников, Р. Р. Харченко,
В. Н. Мильштейн, П. В. Новицкий, Э. И. Цветков, В. Г. Кнорринг,
Г. Н. Солопченко, к.т.н. В. Я. Розенберг и многие другие), форми-
рование крупнейших научных школ в области приборостроения, к
числу которых в первую очередь необходимо отнести коллективы
ученых и инженеров, «выпестованных» кафедрами Ленинградского
(проф. Е. Г. Шрамков) и Львовского (проф. К. Б. Карандеев) поли-
технических институтов.
Невозможно (да и не нужно!) в одной популярной книге
(а именно такой является предлагаемая читателю брошюра) осве-
тить все стороны многогранной научной и производственной дея-
тельности измерителей и приборостроителей, десятилетиями нака-
пливавших бесценный опыт создания оригинальных, все более со-
вершенных образцов измерительной техники. Остановимся в этой
книге лишь на таком важнейшем для измерений понятии, как-изме-
рительное преобразование, и той роли, которую играют в этом
процессе датчики (они же измерительные преобразователи!)
физических величин.
Итак, что же такое измерение и основные связанные с ним
понятия и определения? Достаточно подробно с этим знакомит
книжка [1], поэтому нам остается лишь напомнить кое-что читате-
лю, проявившему интерес к метрологии и измерениям.
4
Измерением является, несомненно, познавательный процесс
получения количественной информации об объекте, которым может
служить предмет, физическая система, явление и т.д. Очевидно, что
объект измерения должен обладать одним или совокупностью ха-
рактеризующих его свойств, представляющих интерес для получа-
теля именно количественной информации!
Одно из таких свойств объекта (в дальнейшем речь будет ид-
ти исключительно о физических объектах), общее в качественном
отношении для многих физических объектов, но в количественном
отношении индивидуальное для каждого из них, называется физи-
ческой величиной (или просто величиной), а она же, но подлежа-
щая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с по-
ставленной задачей, именуется измеряемой физической величи-
ной (или просто измеряемой величиной). Заметим, что понятие фи-
зической величины является одним из фундаментальных понятий
измерений (и, конечно, метрологии как науки об измерениях).
Для количественного выражения каждой измеряемой величи-
ны служит соответствующая единица измерения, т.е. такая же фи-
зическая величина, но которой присвоено числовое значение, рав-
ное единице.
При этом для дальнейшего, изложения особенно важно отме-
тить, что число подлежащих измерению механических, тепловых,
оптических, акустических и пр. так называемых неэлектрических
величин, интересующих науку и производство, уже в начале 60-х
годов прошлого века во много раз превышало число всех возмож-
ных электрических и магнитных величин.
Измерения осуществляются специально предназначенными
для этих целей техническими средствами, именуемыми средствами
измерительной техники, причем основная «измерительная нагруз-
ка» ложится на средство измерений, т.е. на техническое средство,
предназначенное для измерений и имеющее нормируемые метро-
логические характеристики, под которыми подразумеваются ус-
танавливаемые нормативно-техническими документами свойства
средства измерений, влияющие на получаемый результат и его
достоверность. Эти же свойства, определяемые экспериментально,
именуются действительными метрологическими характери-
стиками.
Чаще всего в повседневной практике нам приходится иметь
дело с .таким средством измерений, как измерительный прибор.
5
Любому читателю хорошо известны термометры, весы, ампермет-
ры, вольтметры, счетчики электрической энергии, часы и даже
хронометры. Словом, существует огромное количество разнооб-
разных приборов для измерений и электрических, и неэлектриче-
ских величин.
Теперь же, любезный мой читатель, задумаемся вот над чем:
измерительный прибор тем или иным способом воспринимает
(внимание: этот глагол нам очень важен!) измеряемую величину,
а в результате мы получаем отображенное в доступной нам форме
(отсчет по шкале; цифры на дисплее, диаграмма на ленте самопи-
шущего прибора и пр.) значение измеряемой величины, поэтому
возникает очевидный вопрос: что же происходит внутри этого сред-
ства измерений, благодаря чему из «замарашки» на входе прибора
(извини меня, входная измеряемая величина, за такое сравнение...)
возникает «красавица-царевна» на выходе, т.е. выходная величина?
Очевидно, остается предположить, что имеют место одно или не-
сколько «волшебных» преобразований. Верно! Только в нашем слу-
чае они не волшебные, а измерительные преобразования.
При этом очень важно отметить, что по мере нашего продви-
жения со входа на выход измерительного прибора преобразования
одной физической величины в другую сопровождаются соответст-
вующими преобразованиями энергии, определяющими принцип
действия данного средства измерений. Однако энергетические пре-
образования — неизбежная дань, которую приходится платить за
получение количественной информации об объекте измерения. По-
ток энергии сквозь измерительный прибор - это лишь переносчик
измерительного сигнала, содержащего количественную информа-
цию об измеряемой физической величине. Очевидно, что при взаи-
модействии средства измерений с объектом измерений следует
соблюдать принцип «не навреди чистоте эксперимента!» Это оз-
начает, что входная часть нашего измерительного прибора должна
минимально воздействовать на измеряемый объект. В идеальном
случае это означало бы отсутствие отбора энергии от объекта, но
это физически нереализуемо. Поэтому надо стараться по возмож-
ности не вмешиваться входной частью средства измерений в «ау-
ру» объекта измерения!
Таким образом, мы можем констатировать следующее: для
получения количественной информации об объекте измерения
нужно выбрать наиболее подходящую физическую величину, яв-
6
ляющуюся интересующим нас свойством этого объекта, опреде-
литься с требуемым средством измерений и озаботиться хорошо
продуманной «стыковкой» входной части прибора с объектом из-
мерений с учетом вышеупомянутого принципа. При соблюдении
этих условий мы приобретаем первоначальную уверенность в том,
что физическая величина путем одного или нескольких измери-
тельных преобразований с помощью передаваемого с входа на вы-
ход измерительного сигнала отобразится в виде результата измере-
ний, именуемого значением физической величины.
Все относительно просто, пока измеряется одна величина,
практически не меняющаяся в процессе измерения, да еще если не-
обходима информация о свойстве объекта лишь в одной точке или в
ее окрестности. А как быть, если нужно одновременно во многих
разнесенных точках пространства измерять совокупность разных
физических величин, причем непосредственный доступ к объекту
измерения экспериментатору не разрешен (например, доменная
печь или атомный реактор), да и сами физические величины доста-
точно быстро изменяются в ходе выполнения эксперимента?
В этих случаях средствами измерений служат уже измери-
тельные системы (а не приборы!), представляющие собой сово-
купности функционально объединенных средств измерений и дру-
гих технических средств, размещенных в разных точках объекта
измерения, а часто, кроме того, удаленных друг от друга на значи-
тельные расстояния, что приводит к необходимости использования
каналов связи (или передачи информации) между ними.
Именно здесь уместно познакомиться с двумя понятиями, ко-
торые окажутся весьма полезными в дальнейшем:
•	совокупность элементов средств измерений, образующих не-
прерывный путь прохождения измерительного сигнала одной
физической величины от входа до выхода, называется изме-
рительной цепью;
•	измерительная цепь измерительной системы называется изме-
рительным каналом.
Таким образом, коль скоро мы уяснили, что «по дороге» от
объекта измерений как источника информации к экспериментатору
как к пользователю этой информации выполняется ряд преобразо-
ваний, формирующих процесс измерений, логично считать, что ис-
пользуемое средство измерений (или их совокупность) состоит из
цепочки (измерительной цепи) измерительных преобразователей,
7
один из которых, непосредственно связанный с объектом измере-
ния, правомерно считать первичным измерительным преобразо-
вателем.
Мы не ошиблись, так оно и есть, а именно:
•	техническое средство с нормированными метрологическими
характеристиками (т.е. тоже являющееся одной из разновид-
ностей средств измерений), служащее для преобразования из-
меряемой величины в другую величину или измерительный
сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преоб-
разований, индикации или передачи, именуется измеритель-
ным преобразователем (ИП);
•	измерительный преобразователь, на который непосредственно
воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый
преобразователь в измерительной цепи (канала) средства из-
мерений, именуется первичным измерительным преобразо-
вателем или просто первичным преобразователем (ПП).
В дальнейшем, когда мы будем более подробно знакомиться с
ИП, нам встретятся различные физические эффекты и явления, по-
ясняющие принципы действия, а также варианты их конструктив-
ного исполнения. В частности, ПП могут быть встроены в измери-
тельный прибор или измерительное устройство, а также конструк-
тивно обособлены. В последнем случае такой ПП рекомендуется
именовать датчиком (поскольку от него якобы поступают измери-
тельные сигналы, т.е. он «дает» информацию).
Судьба этого термина достаточно «драматична». Мало того,
что в целом ряде применений его именуют (равно, кстати, как и
ПП!) то сенсором, то детектором, то просто чувствительным эле-
ментом. Главное - в течение десятилетий в отечественной норма-
тивной метрологической терминологии существовало строжайшее
«табу», мягко говоря, не рекомендовавшее этот термин к использо-
ванию при написании книг и статей. В последние годы запрет снят,
термин «датчик» признан метрологически обоснованным, причем
оговорено, что он может быть вынесен на значительное расстояние
от средства измерений, принимающего его сигналы.
И еще немного о датчике в терминологическом плане. Во-
первых, датчики получили широкое распространение не только в
средствах измерений, но и в устройствах управления, сигнализации,
охраны, обнаружения различных объектов. Однако здесь мы рас-
сматриваем лишь датчики как элементы измерительной техники,
8
имеющие гарантированные, сохраняющиеся в течение определен-
ного интервала времени метрологические характеристики. Во-
вторых, еще раз обратим внимание на то, что датчик как первичный
измерительный преобразователь не только «дает» информацию, но
и (что, по мнению автора, еще важнее!) воспринимает измеряемую
(входную) физическую величину от объекта измерения, играя при
этом роль своеобразного «приемопередатчика». Следовательно, в
датчике реализуются три процесса: восприятия входной физической
величины, ее преобразования в промежуточную (или же сразу же в
выходную) величину той же или иной физической природы, фор-
мирования измерительного сигнала, передаваемого вдоль измери-
тельной цепи, сопрягаемой с датчиком.
Однако не стоит забывать, что измерительная цепь состоит и
из ряда вторичных ИП, которые уже не являются датчиками, так
как лишь передают друг другу измерительные сигналы, преобразуя
их, но не соприкасаясь при этом непосредственно с объектом изме-
рения. Тем не менее метрологические характеристики идентичны
для первичных и вторичных ИП и их следует рассмотреть в первую
очередь, что и будет нами выполнено в разд. 1.2.
(Прошу прощения, а золотник в эпиграфе? Нет, упоминание о
нем не случайно, поскольку именно восприятие входной величины
от объекта измерений часто является наиболее «деликатной» опе-
рацией при реализации измерительного процесса, требующей высо-
чайшего искусства как при конструировании современного миниа-
тюрного датчика с уникальными метрологическими характеристи-
ками, так и при его стыковке с объектом измерения, обеспечиваю-
щей требуемую «неприкосновенность» последнего.)
9
Глава 1
«ПОРТРЕТЫ» ДАТЧИКОВ И ИХ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
/
Представим себе, что нужно, имея альбом для систематиза-
ции сведений о датчиках, как-то разложить их «портреты», сгруп-
пировав по определенным признакам. В мире фауны и флоры при-
нято делить объекты по родам, видам, подвидам, классам и под-
классам. А по каким признакам расклассифицировать датчики? Су-
ществует ли единообразная совокупность признаков, позволяющая
составить такую классификационную таблицу? Оказывается, нет,
хотя метрологические характеристики датчиков универсальны для
всех их разновидностей, не зависят от конструкций и принципов
действия и различаются только диапазонами и значениями. Поэто-
му сначала попробуем в разных ракурсах рассмотреть «классифи-
кационные портреты» (или, если угодно, разновидности) как датчи-
ков, так и следующих за ними ИП, а затем ознакомимся с метроло-
гическими характеристиками этих средств измерений (это не ого-
ворка, датчик и любой следующий за ним в измерительной цепи
или измерительном канале ИП является не только элементом сред-
ства измерений, но и сам по себе может служить.самостоятельным
средством измерений!). Речь будем вести вообще об измерительных
преобразователях, поскольку любой датчик в измерительной цепи
представляет собой лишь входной (очень и очень важный!) ИП.
1.1.	Классификация (разновидности) измерительных
преобразователей
Первый ракурс, позволяющий нам взглянуть на множество
разнообразных ИП, базируется на сопоставлении физических вели-
чин на входах и выходах преобразователей независимо от их прин-
ципов действия. (Последняя фраза в этом предложении особенно
важна, поскольку, будь то первичный или вторичный ИП, часто в
нем имеют место несколько промежуточных преобразований вели-
чин, но характеризуется он конечным результатом, т.е. связью меж-
ду входной и выходной физической величиной.)
Таким образом, по видам входных и выходных величин ИП
можно подразделить на преобразователи:
10
•	электрических величин в электрические: например, непре-
рывных во времени или так называемых аналоговых электри-
ческих сигналов в прерывистые (дискретные или цифровые)
электрические сигналы;
•	неэлектрических величин в неэлектрические: например, диа-
фрагма с точно известным по площади отверстием, «выре-
зающая» из падающего на нее светового потока строго опре-
деленную его часть;
•	электрических величин в неэлектрические: например, когда
необходимо получить нормированную оптическую величину
в виде светового потока или освещенности, т.е. его части,
приходящейся на единичную поверхность, на вход ИП пода-
ют заранее известную мощность постоянного электрического
тока;
•	неэлектрических величин в электрические; здесь мы не. бу-
дем приводить примеров, поскольку почти вся остальная
часть книги посвящена именно этим датчикам (или, если
угодно, первичным ИП), поскольку творческие вообще и кон-
структорские в частности усилия многих поколений приборо-
строителей в XX веке были направлены на разработку и ос-
воение производства преобразователей этого типа и станов-
ление целой отрасли измерительной техники - электриче-
ских измерений неэлектрических величин [5].
Второй ракурс позволяет нам обратить внимание на то, что
ИП последней, четвертой, группы принято делить на генераторные
и параметрические преобразователи. (Поскольку читатель уже
вдоволь «насладился» вариациями на тему «датчик-измерительный
преобразователь-первичный измерительный преобразователь», ос-
тановимся впредь лишь на первом из этих терминов; только в необ-
ходимых случаях мы будем пользоваться остальными.)
Отнесение датчика к одной из этих двух групп зависит от вы-
ходной электрической величины, в которую в конечном счете (на-
поминание о том, что в процессе преобразования входной неэлек-
трической величины в выходную электрическую могут наличество-
вать промежуточные преобразования различной физической приро-
ды!) преобразуется входная неэлектрическая величина. Если вы-
ходной является «активная» электрическая величина — напряжение,
заряд, ток, электродвижущая сила (ЭДС), то мы имеем генератор-
11
ный датчик. Если же выходной служит «пассивная» электрическая
величина, чаще именуемая параметром, — сопротивление, индук-
тивность, взаимная индуктивность, емкость, диэлектрическая или
магнитная проницаемость, то налицо параметрический датчик.
Мы упоминали только что о возможности ряда промежуточ-
ных преобразовании величин «по трассе» от входной к выходной
величине. Подобных датчиков немало, и некоторые авторы реко-
мендуют их называть комбинированными датчиками [2].
Есть еще один принципиальный классификационный признак, по
которому датчики можно разделить на две группы: датчики, непо-
средственно соприкасающиеся с объектом измерения, будем име-
новать контактными датчиками; датчики, не соприкасающиеся с
объектом измерения и, как говорят, дистанционно воспринимаю-
щие измеряемую величину, назовем бесконтактными датчиками
(например, датчики, воспринимающие поток светового или тепло-
вого излучения).
Введя это понятие, можно было бы обойтись и без третьего
«классификационного ракурса». Однако в группе комбинирован-
ных датчиков особое место занимают волоконно-оптические дат-
чики (ВОД), воспринимающим (чувствительным) элементом кото-
рых, испытывающим воздействие входной величины, служит опти-
ческое волокно. Первые попытки создания датчиков на основе оп-
тических волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Однако
считается, что этот тип датчиков сформировался как одно из на-
правлений техники только в начале 1980-х годов [6]. Основанием
для «рассмотрения в третьем ракурсе» служит небольшое наруше-
ние стройности нашей классификации, поскольку здесь входной
может быть как неэлектрическая, так и электрическая величина, а
выходной — всегда электрическая. Кроме того, ряд существенных
преимуществ ВОД, о которых мы поговорим подробнее в дальней-
шем, предопределил формирование на их основе целой области из-
мерительной техники с датчиками неэлектрическнх и электриче-
ских величин.
«Портретам» датчиков не хватает еще нескольких мазков и
штрихов. Дело в том, что классифицированы датчики в неких «теп-
личных» условиях их функционирования, когда на датчик воздей-
ствует лишь входная (измеряемая) величина, «идеально» преобра-
зуемая в выходную величину в полном соответствии со связываю-
щей их функциональной зависимостью. Конечно, это соответствие
12
выполняется не совсем строго «по вине» самого датчика, поскольку
он «неидеален», т.е. по ряду конструктивных и технологических
причин функциональная зависимость между входной и выходной
величиной отклоняется от расчетной, именуемой одной из норми-
руемых метрологических характеристик датчика. Это порождает
недостоверность результата преобразования, но об этом позже, ко-
гда будем говорить о погрешностях датчиков.
А пока рассмотрим ряд внешних факторов, именуемых
влияющими величинами, которые без принятия специальных за-
щитных или охранных мер оказывают «вредное» влияние на ре-
зультат преобразования и, как следствие, измерения.
Основными влияющими величинами являются:
•	температура окружающей среды, изменяющая электрические
и механические характеристики датчика, а также размеры со-
ставляющих его деталей;
•	давление окружающей среды, а также ускорение и вибрации,
изменяющие метрологические характеристики датчика и в
первую очередь его чувствительность;
•	влажность окружающей среды как один из основных воз-
можных источников нарушения электрической изоляции ме-
жду отдельными конструктивными элементами датчика (либо
между датчиком и окружающей средой);
•	внешнее постоянное или переменное магнитное поле, иска-
жающее полезный сигнал;
•	изменения амплитуды и частоты напряжения питания датчи-
ков (если таковые нуждаются в питании от сторонних источ-
ников).
Полностью избежать последствий воздействия на датчик пе-
речисленных влияющих величин невозможно, но существенно сни-
зить степень причиняемого «метрологического ущерба» удается как
минимум тремя путями:
•	снижением значений влияющих величин путем использова-
ния методов и средств защиты от них (применение антивиб-
рационных оснований, магнитных экранов и пр.);
•	стабилизацией влияющих величии (применение термостатов,
стабилизаторов напряжения питания и пр.);
•	компенсацией воздействия влияющих величин'путем исполь-
зования методов и средств коррекции в последующих изме-
рительных цепях.
13
1.2.	Метрологические характеристики измерительных
преобразователей
Во введении мы познакомились с понятием метрологической
характеристики в общей трактовке этого термина. Однако любой
датчик обладает целым рядом свойств, которые, во-первых, необхо-
димо нормировать, а во-вторых, экспериментально определять, что-
бы потребитель знал, с чем он имеет дело и в какую измерительную
цепь допустимо включить интересующий его преобразователь.
Прежде всего, очевидно, необходимо иметь представление о
диапазоне значений измеряемой величины, в пределах которого
датчик способен преобразовать ее в измерительный сигнал при со-
блюдении функциональной зависимости между входной и выход-
ной величиной. Разумеется, речь идет не о расчетной, («идеаль-
ной»), а о реальной функциональной зависимости, т.е. «отягощен-
ной» присущей любому датчику неточностью ее воплощения, име-
нуемой погрешностью (о ней речь впереди!). Ранее эту зависи-
мость для ИП было принято называть функцией преобразования,
поскольку она представляет собой описываемую аналитическим
выражением или графиком функциональную зависимость выходной
величины от входной. В современной отечественной терминологии
в области метрологии и измерительной техники рекомендованы та-
кие термины, как «диапазон измерений средства измерений» и
«градуировочная характеристика средства измерений» [7].
Поскольку наш датчик (как, впрочем, и любой ИП) является
средством измерений, то у нас не остается выхода: мы должны при-
вести здесь «расшифровку» обоих терминов.
Итак:
•	область значений величины, в пределах которой нормирова-
ны допускаемые пределы погрешности средства измерений (в
нашем случае - отступлений от «идеальной» функции преоб-
разования датчика), называется диапазоном измерений сред-
ства измерений (конечно, логичнее было бы ввести термин
«диапазон преобразования входной величины», но ничего
не поделаешь, измерения вообще и метрология как наука об
измерениях в особенности требуют неукоснительного соблю-
дения «терминологического этикета»!);
•	полученная экспериментально зависимость между значения-
ми величин на входе и выходе средства измерений, выражен-
14
ная в виде формулы, графика или таблицы, называется гра-
дуировочной характеристикой средства измерений (это
дает нам не только право, но и все основания расчетную зави-
симость именовать функцией преобразования датчика или
ИП).
В дальнейшем мы будем использовать разрешенные норма-
тивным документом [7] сокращенные термины: «диапазон измере-
ний и градуировочная характеристика».
Чаще всего стремятся иметь линейную функцию преобразо-
вания, т.е. прямую пропорциональность между изменением входной
величины и соответствующим приращением выходной величины
датчика или ИП. Именно функцию преобразования, поскольку
градуировочная характеристика, получаемая экспериментально,
всегда будет несколько отличаться от идеальной линейной харак-
теристики !
Рис. 1.1. Линейная функция преобразования
Для описания линейной функции преобразования у =fix), где
х - входная, а у - выходная величина, (см. рис. 1.1) достаточно двух
так называемых параметров: начального значения у0 выходной ве-
личины, именуемого нулевым уровнем а также соответствующего
нулевому (или какому-либо другому характерному) значению вход-
ной величины х, и показателя относительного наклона прямой
5 = Ду / Да , называемого чувствительностью датчика или любого
другого ИП.
(Здесь также уместно заметить, что применительно к ИП
«благозвучнее» выглядит термин «коэффициент преобразования»,
15
который и поныне часто встречается в соответствующей научно-
технической литературе. Однако будем придерживаться нового
регламента и оперировать понятием чувствительности.)
Чувствительность преобразователя - это, как правило, имено-
ванная величина с разнообразными единицами, зависящими от при-
роды входной и выходной величины.
Определившись с такими двумя важнейшими метрологиче-
скими характеристиками датчика, как градуировочная характеристи-
ка и чувствительность, приведем ряд существенных примечаний:
•	на чувствительность датчика значительное влияние может
оказывать температура окружающей среды; поэтому при оп-
ределении чувствительности датчиков следует указывать со-
ответствующую ей температуру и коэффициент изменения
чувствительности в зависимости от температуры;
•	на чувствительность датчика ощутимо влияет характер изме-
нения во времени входной величины (например, ее частота
при периодическом входном воздействии); соответственно
различают чувствительность при статическом и динамиче-
ском режимах работы датчика: первый из них соответствует
постоянной или очень медленно меняющейся входной вели-
чине, а второй - быстро меняющейся;
•	несмотря на отсутствие в нормативной современной метро-
логической терминологии понятия «коэффициент преобразо-
вания», этот термин имеет право на существование и пред-
ставляет собой отношение не приращений величин, а их соот-
ветствующих друг другу значений; если функция преобразо-
вания линейна и проходит через начало координат (т.е. у0- 0),
то коэффициент преобразования и чувствительность датчика
- синонимы;
•	характеристика датчика в виде наименьшего значения изме-
нения физической величины, начиная с которого может осу-
ществляться измерительное преобразование, называется по-
рогом чувствительности датчика;
•	отклонение от линейности градуировочной характеристики -
это показатель, позволяющий оценить данную метрологиче-
скую характеристику; его определяют по максимальному от-
клонению градуировочной характеристики от прямой линии,
а отклонение выражают в процентах от максимального значе-
ния входной величины в заданном диапазоне преобразования.
16
При преобразованиях изменяющихся во времени входных
величин одним из важнейших свойств датчика является его быстро-
действие (инерционность). Читателю понятно, что любой датчик
обладает определенной инерционностью, которую необходимо учи-
тывать при подаче на его вход переменного воздействия. Что же это
означает физически? Всего лишь то, что в силу инерционности дат-
чика процессу установления значения выходной величины, которое
можно принять за окончательный результат преобразования, пред-
шествует так называемый переходный (или неустановившийся)
процесс изменения преобразуемой величины, длительность и ха-
рактер протекания которого зависят исключительно от инерцион-
ных свойств датчика.
Если читателю пришлось в школе на уроках физики экспе-
риментировать с гальванометром, то он, очевидно, помнит, что в
малоинерционном приборе переходный процесс при подаче на вход
скачкообразного воздействия протекает в затухающем периодиче-
ском режиме. Наоборот, при аналогичном воздействии на очень
инерционный прибор (например, баллистический гальванометр)
имеет место апериодический режим очень медленного «подполза-
ния» стрелки к установившемуся показанию. Промежуточным меж-
ду этими двумя режимами является так называемый критический
режим - «пограничный» между периодическим и апериодическим.
Каждому из этих режимов свойственно свое время установления,
которое и следует считать метрологической характеристикой быст-
родействия средства измерений, в том числе датчика или ИП.
Теперь остается вспомнить, что мы имеем дело с измери-
тельным преобразованием, т.е. нам не обойтись без такой важней-
шей метрологической характеристики, как точность средства из-
мерений, отражающей близость его погрешности к нулю. (Считает-
ся, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений.)
Не вызывает сомнений, что участвовавший в выполнении
лабораторных работ по физике читатель имеет представление о по-
грешности измерений. Тем не менее поскольку речь идет о метро-
логических характеристиках датчика как средства измерений, не-
лишним будет уточнить некоторые понятия.
В повседневной жизни нам часто приходится слышать прось-
бы об «измерении с точностью до...», а иногда и того хлеще - вме-
сто глагола «измерить» обычно слышишь: «померить», «замерить»,
«промерить» и пр.
17
Разделим эти два случая использования «метрологического
жаргона» и начнем с глаголов, которые в метрологической терми-
нологии считаются «ненормативными». Желательно, чтобы любез-
ный читатель начисто забыл все перечисленные глаголы и их воз-
можные модификации и пользовался единственным правильным
термином - измерять!
Что касается терминов «точность» и «погрешность», то сле-
дует подчеркнуть принципиальную разницу между ними: точность
- это характеристика качества средства измерений, т.е. она не имеет
количественного выражения. Мы можем высказывать пожелания об
измерении величины с большей или меныпей точностью, что ана-
логично сравнительным качественным (не количественным!) оцен-
кам наших ощущений типа «выше-ниже», «ближе—дальше», «быст-
рее-медленнее» и т.д. В то же время погрешность средства изме-
рений - количественная оценка получаемого результата изме-
рений, представляющая собою разность между показанием средст-
ва измерений (в случае датчика или иного ИП - полученным значе-
нием выходной величины) и истинным (действительным) значени-
ем измеряемой физической величины.
Хотелось бы обойти вниманием вновь представляемые здесь
два термина, но нельзя, они играют принципиальную роль не толь-
ко в практике, но и в теории измерений. Обратимся к официальному
нормативно-терминологическому документу [7]:
•	значение физической величины, которое идеальным обра-
зом характеризует в качественном и количественном отноше-
нии соответствующую физическую величину, называется ее
истинным значением; истинное значение физической величи-
ны может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и
получено только в результате бесконечного процесса измере-
ний с бесконечным совершенствованием методов и средств
измерений;
•	значение физической величины, полученное эксперимен-
тальным путем и настолько близкое к истинному значению,
что в поставленной измерительной задаче может быть ис-
пользовано вместо него, называется ее действительным зна-
чением.
Очевидно, что невозможно найти истинное значение изме-
ряемой величины в условиях реального эксперимента.
18
Поэтому довольствуются определением действительного зна-
чения хд, а погрешность Дхизм вычисляется по формуле
— хнзм— Хд,
где хизм - измеренное значение величины.
(Понятно, что применительно к датчику и любому ИП хизм -
экспериментально найденное значение выходной величины преоб-
разователя.)
О делении погрешностей на систематические и случайные и
способах их вычисления мы здесь говорить не будем, полагая, что
школьники с этим хорошо знакомы из курса физики.
Остается подвести краткий итог сказанному в этом параграфе,
а именно:
•	функция преобразования, градуировочная характеристика и
диапазон измерений (преобразования) указывают нам соот-
ветственно теоретический и экспериментальный характер
взаимосвязи входной и выходной величин, а также те преде-
лы, в которых датчик или любой ИП с допустимой погрешно-
стью осуществляют преобразование входной величины, при-
чем значения последней, ограничивающие диапазон измере-
ний (преобразований) снизу и сверху, называют соответст-
венно нижним и верхним пределами измерений (преобразо-
вания);
•	функцию преобразования и градуировочную характеристику
датчика (да и любого ИП) стараются иметь по возможности
линейной;
•	параметрами датчика являются чувствительность и коэффи-
циент преобразования входной величины в выходную; чувст-
вительность цепочки последовательно соединенных ИП с ли-
нейными градуировочными характеристиками равна произве-
дению их чувствительностей;
•	время установления, характеризующее скорость затухания
переходного (неустановившегося) процесса в датчике, играет
решающую роль при выборе последнего в качестве входного
ИП при воздействии на средство измерений, работающее в
динамическом режиме; иногда пользуются аналогичным тер-
мином - постоянной времени, также характеризующим инер-
ционные свойства преобразователя;
19
•	поскольку рассматриваемые в книге датчики являются сред-
ствами измерений, важнейшей их метрологической характе-
ристикой следует признать погрешность преобразования;
•	все рассмотренные нами метрологические характеристики
универсальны для ИП любого принципа действия и не зави-
сят от вида преобразуемой физической величины: она может
быть механической, тепловой, оптической, электрической или
магнитной, а сам датчик - генераторным или параметриче-
ским; более того, датчики одного и того же принципа дейст-
вия, но отличающиеся по конструктивному исполнению,
применяются для преобразования различных физических ве-
личин, однако перечень приведенных выше метрологических
характеристик незыблем!
Вот теперь мы можем, наконец, приступить к описаниям наи-
более распространенных групп датчиков и измерительных преобра-
зователей неэлектрических величин, а также при необходимости их
типовых конструктивных элементов. Конечно, нам ничего не при-
дется придумывать, а лишь популяризировать сведения, содержа-
щиеся в рекомендуемой автором литературе [2, 3, 4, 5, 6].
Однако по излагаемым чуть далее причинам нам придется
сначала остановиться на ИП электрических величин тоже в элек-
трические величины.
20
Глава 2
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВХОДНЫХ ВЕЛИЧИН В
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВЫХОДНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
2.1. Типовые структурные схемы средств измерений и
виды превращений сигналов
Почему мы приступаем к описанию не датчиков, т.е. первич-
ных измерительных преобразователей в нашем толковании этого
термина, а именно к типовым структурным схемам средств измере-
ний и в первую очередь ИП электрических величин? Попытаемся
обосновать логичность этого подхода к изложению дальнейшего
материала.
Оказывается, подавляющее большинство современных
средств измерений (дорогой читатель, прошу акцентировать вни-
мание на слове «современных»!) стараются сделать либо автомати-
зированными с применением микропроцессоров или микроЭВМ
(т.е. портативных средств вычислительной техники), либо, по край-
ней мере, с представлением результата измерений в виде именован-
ных чисел (часто именуемых оцифрованными результатами изме-
рений), отображаемых на экране дисплея. Это означает, что преоб-
разованный из неэлектрической величины электрический сигнал
измерительной информации, пройдя по измерительной цепи или
измерительному каналу, претерпевает одно или несколько чисто
электрических измерительных преобразований независимо от того,
какого рода датчик включен на входе этого средства измерений
(снова подчеркнем - современного!).
Все, о чем мы только что говорили, изобразим в виде так на-
зываемых структурных схем типичных средств измерений, рас-
сматриваемых в. настоящей книге (рис. 2.1). Как следует из этого
рисунка, «хвостовая» часть современного средства измерений пред-
ставляет собой совокупность последовательно соединенных ИП
электрического сигнала, достаточно унифицированных и освоенных
в серийном производстве многими изготовителями в разных разви-
тых в научно-техническом отношении странах. На рис. 2.1,а пред-
ставлена структурная схема с преобразованием неэлектрической
величины, а на рис. 2.1.6 - с входным ВОД либо электрической, ли-
бо неэлектрической величины.
21
Результат
CN
О
s
22
Более того, фирмы-изготовители и разработчики электриче-
ских и электронных ИП в последние десятилетия стремятся не
только к стандартизации и унификации компонентов, из которых
строятся ИП, но и к их всемерной миниатюризации, чтобы средства
измерений были достаточно портативными. Об этом нам сообщают
не только Интернет, но и многочисленные красочные каталоги раз-
личных фирм-изготовителей отдельных компонентов и в целом
преобразователей.
Поэтому наше «путешествие» продолжим в «обратном на-
правлении», т.е. начнем с рассмотрения различных измерительных
преобразователей входных электрических величин в электриче-
ские же величины, но отличающиеся от них по форме или другим
характерным для измерительного сигнала признакам. Эти ИП, ко-
торыми и заканчиваются до регистрации результата все преобразо-
вания, принято называть просто электрическими измерительными
преобразователями [8]. При этом преобразуемыми величинами яв-
ляются постоянные или переменные (как, периодические, так и не-
периодические) электрические напряжения и токи.
В процессе преобразования электрических сигналов возника-
ет необходимость с гарантированной точностью: усиливать или ос-
лаблять их, т.е. изменять уровень или интенсивность сигнала; пре-
образовывать форму или, иначе говоря, изменять характер зависи-
мости напряжения или тока от времени (или частоты, являющейся,
как известно, величиной, обратной периоду колебаний). Если необ-
ходимо превратить постоянный или непрерывно изменяющийся во
времени так называемый аналоговый сигнал в последовательность
импульсов, то приходится использовать ИП, именуемые модулято-
рами, а обратное преобразование осуществлять демодуляторами.
Остановимся несколько подробнее на двух общепринятых в
современной измерительной технике формах представления изме-
ряемых величин: аналоговой и цифровой.
Термин «аналоговый» родствен по смыслу термину «подоб-
ный». Он означает, что одна физическая величина (например, из-
меряемая) выражается другой, подобной ей физической величи-
ной, изменяющейся в соответствии с первой. Если первая величи-
на принимает непрерывный ряд значений в каком-то диапазоне,
то при аналоговом измерительном преобразовании и вторая ве-
личина принимает непрерывный ряд значений в соответствую-
щем диапазоне.
23
X
X
x(t)
Дискретный сигнал х в функции
непрерывного времени t
Дискретный сигнал х в функции
дискретного времени t
Рис. 2.2. Количественные особенности измерительных сигналов
Это означает, что преобразованная (выходная) величина явля-
ется моделью, аналогом входной величины.
Наряду с аналоговой применяется и другая форма представ-
ления измерительной информации в результате преобразования.
Ее именуют цифровой, хотя это и не совсем точно, поскольку «забы-
вают» при этом, что на самом-то деле в ИП аналоговый измери-
24
тельный сигнал преобразуется в дискретный измерительный сигнал,
который в определенных пределах принимает лишь некоторое ко-
нечное число значений. Если же дискретное значение измеритель-
ного сигнала состоит из целого числа q элементарных квантов (сту-
пеней значений) соответствующего значения измеряемой величины,
то, ставя каждому сигналу в соответствие определенную комбина-
цию символов принятого алфавита (кодовую комбинацию), т.е.
производя кодирование дискретного сигнала, мы и получаем циф-
ровой измерительный сигнал. Возможные варианты измеритель-
ных сигналов (до операции кодирования) приведены на рис. 2.2.
Под кодированием понимается построение сигнала по некоторому
определенному принципу, имеющему простое математическое вы-
ражение.
Таким образом, наряду с аналоговой применяется и цифровая
форма представления информация. Результат измерения в конечном
итоге выдается (часто после обработки полученных данных по оп-
ределенной программе в соответствии с алгоритмом измерения) в
виде некоторого числа, причем регистрация этого результата может
осуществляться самим экспериментатором, но чаще всего в на-
стоящее время - автоматически.
Однако нередко приходится осуществлять и обратное преоб-
разование формы сигнала из цифровой в аналоговую.
Поэтому в последние десятилетия в измерительной технике широ-
чайшее распространение получили аналого-цифровые (АЦП) и цифро-
аналоговые преобразователи' (ЦАП).
Теперь у нас появилось достаточно оснований для более под-
робного ознакомления с различными типами электрических изме-
рительных преобразователей.
2.2. Масштабные электрические измерительные
преобразователи
Масштабными рассматриваемые ИП называются потому, что
с их помощью осуществляются изменения в ту или иную сторону
(увеличение или уменьшение) уровней измерительных сигналов - и
то и другое достаточно часто встречается при прохождении сигнала
по измерительной цепи.
Эти преобразователи делятся на пассивные и активные
электрические ИП. В преобразователях первой группы, типичны-
ми представителями которых являются резистивные (а также кон-
25
денсаторные) делители и измерительные трансформаторы, не тре-
буется применения источников питания электрической энергией.
Типичными представителями второй группы служат различные
усилители как постоянного, так и значительно чаще переменного
тока.
Начнем с пассивных масштабных ИП и в первую очередь - с
резистивных делителей входных сигналов £/вх. Прежде всего
вспомним, что такое резистор. Им является промышленное изделие
(часто именуемое электрорадиокомпонентом), основное функцио-
нальное назначение которого - оказывать известное активное со-
противление электрическому току (напоминать так напоминать:
активное сопротивление (в отличие от реактивного) обусловлено
необратимыми превращениями электрической энергии проходяще-
го по резистору тока в другие формы (преимущественно в тепловую
или так называемое джоулево тепло)). Резисторы характеризуют
номинальным значением сопротивления в омах или соответствую-
щих кратных единицах, допустимыми отклонениями от номиналь-
ного значения в процентах и рассеиваемой в резисторе мощностью
в ваттах или кратных единицах.
Схема простейшего резистивного делителя изображена на
рис. 2.3.
Коэффициент преобразования такого ИП описывается сле-
дующей формулой:
/?1 + /?2	13“ ^2 !
и определяется отношением сопротивлений обоих резисторов. Эта
формула справедлива для случая, когда г, пренебрежимо мало,
а сопротивление /?„, напротив, достаточно велико по сравнению с R\
и Т?2- В противном случае, т.е. при соизмеримости значений г, и RH
со значениями Rt и R2, в формулу вместо R следует подставить
/?2 ‘ RH
Rt+rh а вместо R2 - --------.
R2 +rh
Нередко желательно иметь несколько значений UBblx при дан-
ном UBX- С этой целью применяют многоступенчатые резистивные
делители последовательного типа Схема такого делителя, не тре-
бующая пояснений, приведена на рис. 2.4.
26
Нвых
Ян
Рис. 2.3. Схема простейшего резистивного делителя:
R1; R? - резисторы; £7ВХ, t7Bb]x - электрические напряжения, соот-
ветственно подаваемое на делитель от источника сигнала с внут-
ренним сопротивлением г, и передаваемое в результате деления
на нагрузку с сопротивлением /?и
Рис. 2.4. Схема многоступенчатого резистивного
делителя входного сигнала £7ВХ
Заменим в схемах рис. 2.3 и 2.4 резисторы конденсаторами,
емкость которых обозначается, как известно, прописной латинской
буквой С, а условное обозначение выглядит в виде двух параллель-
ных пластин ____।_
В результате по тем же схемам получим конденсаторные де-
лители, которые применяются, как правило, на более высоких час-
тотах - от единиц килогерц до сотен мегагерц. При этом следует
помнить, что входные и выходные сопротивления таких делителей
(а соответственно и коэффициенты преобразования) зависят от час-
тоты.
27
Перейдем к следующей широко распространенной подгруппе
пассивных электрических ИП - измерительным трансформато-
рам тока и напряжения. Это тоже масштабные преобразователи,
но их отличает от резистивных и конденсаторных делителей, во-
первых, возможность не только деления (ослабления) входного сиг-
нала, но и его умножения (усиления), а во-вторых, отсутствие галь-
ванической (т.е. «контактирующей») связи между входом и выхо-
дом преобразователя: первичная и вторичная обмотки измеритель-
ного трансформатора не гальванически, а индуктивно (т.е. бескон-
тактно) связаны друг с другом.
Этой же цели служат и входные трансформаторы, исполь-
зуемые на звуковых и ультразвуковых частотах как для гальвани-
ческой развязки, так и для согласования входного и выходного
сопротивлений последовательно включаемых в измерительную
цепь электрических ИП, а также для введения масштабного ко-
эффициента. В измерительных трансформаторах последний равен
отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток. Изме-
рительными эти трансформаторы названы потому, что масштаб-
ный коэффициент стабилен в течение длительного промежутка
времени и его значение известно с очень высокой точностью: в
диапазоне рабочих частот от 103 до 106 Гц (т.е. от 1 кГц до 1 МГц)
погрешность масштабного коэффициента находится в пределах
0,01-0,001%.
Теперь познакомимся с активными масштабными элек-
трическими измерительными преобразователями, а точнее - с
разнообразными измерительными усилителями электрических
сигналов. Назначение подобных усилителей - увеличение чувстви-
тельности средств измерений физических величин. Какое же основ-
ное требование предъявляется к усилителям, применяемым в изме-
рительных цепях? Оказывается, требования различны и зависят
прежде всего от конкретной измерительной задачи, решаемой с по-
мощью данного средства измерений, в состав которого входит рас-
сматриваемый усилитель.
Одной из наиболее распространенных групп измерительных
усилителей являются измерительные усилители переменного то-
ка. С них и начнем. Всем школьникам старших классов хорошо из-
вестна мостовая схема измерения электрических сопротивлений
резисторов. Часто эту схему называют мостом Уинстона или изме-
рительным мостом. Правда, он обычно работает на постоянном токе
28
г :
и служит для измерений активных сопротивлений, но в данном слу-
чае это не имеет значения: пусть эта схема питается низкочастот-
ным переменным током. Для нас важно, что мост состоит из четы-
рех сопротивлений, образующих «квадрат» с двумя диагоналями.
К двум противоположным вершинам этой схемы (первая диагональ)
подводят напряжение питания, а между двумя другими вершинами,
т.е. во вторую диагональ, включают достаточно чувствительный
измерительный прибор, фиксирующий равновесие этой мостовой
схемы, т.е. практическое равенство нулю тока в этом приборе. Час-
то для увеличения чувствительности этого указателя равновесия
перед ним включают усилитель, к Которому не предъявляется тре-
бование стабильности коэффициента усиления; важно лишь, чтобы
он «чувствовал» возможно меньший разбаланс моста, т.е. мини-
мально достижимую разность потенциалов между вершинами вто-
рой диагонали. Это означает, что подобный усилитель должен лишь
иметь предельно низкий порог чувствительности, а стабильность
чувствительности (в данном случае коэффициента усиления) не иг-
рает роли. Тем более нет необходимости в определении точного
значения коэффициента усиления.
Однако в измерительных схемах, где необходимо усилить
сигнал с помощью усилителя, играющего роль масштабного изме-
рительного преобразователя, от него требуется стабильность ко-
эффициента усиления; значение последнего при этом часто долж-
но быть точно известно. Эта метрологическая характеристика зави-
сит от параметров элементов, составляющих усилитель, и изменяет-
ся при изменении напряжения питания, температуры окружающей
среды и других внешних условий. Не составляет труда стабилиза-
ция напряжения питания и тем самым повышение точности и ста-
бильности коэффициента усиления. Устранить так же просто дру-
гие причины нестабильности коэффициента усиления, вызванные,
в частности, старением входящих в состав усилителя транзисторов,
не представляется возможным.
Таким образом, появляются две задачи:
•	точного определения коэффициента усиления;
•	стабилизации его значения, причем желательно на возможно
более длительный промежуток времени.
Первая задача решается проведением электрической градуи-
ровки измерительного усилителя или, точнее, проверкой коэффици-
ента усиления перед или во время измерения. Промышленностью
29
нередко выпускаются измерительные усилители с встроенными
в них градуировочными устройствами, подключаемыми автомати-
чески по заданной программе.
Одним из радикальных способов повышения стабильности
коэффициента усиления, т.е. решения второй задачи, является вве-
дение в схему измерительного усилителя глубокой отрицательной
обратной связи. Наверное, не все отчетливо представляют себе,
что такое обратная связь вообще, а отрицательная - тем более. По-
этому сообщим читателю, что обратная связь - это воздействие ре-
зультатов какого-либо процесса на его протекание. Если при этом
интенсивность процесса возрастает, то обратная связь называется
положительной, а в противоположном случае - отрицательной.
Именно отрицательная обратная связь может обеспечить автомати-
ческое поддержание регулируемых физических характеристик (в
нашем случае - коэффициента усиления) системы (у нас - измери-
тельного усилителя) на требуемом уровне, т.е. стабилизировать их.
Рис. 2.5. Схема, поясняющая принцип воздействия цепочки
обратной связи на процесс усиления:
At7BX, At/вых - приращения сигнала на входе и выходе усилителя;
Ко - коэффициент усиления в отсутствие обратной связи;
Р - коэффициент передачи доли выходного сигнала на вход усилителя
Классический пример отрицательной обратной связи - цен-
тробежный регулятор Уатта, примененный в паровой машине для
уменьшения подачи пара в цилиндр при увеличении скорости махо-
вика и наоборот. Применительно к измерительному усилителю по-
ясним сказанное рис. 2.5 и простейшей формулой:
к- .
1-ДК0
30
из которой следует, что обратная связь может действовать двояко:
при положительной обратной связи по мерс стремления произведе-
ния к единице знаменатель в приведенной формуле прибли-
жается к нулю, а что соответствует потере устойчивости и
может привес™ к самовозбуждению усилителя, т.е. превращению
его в генератор сигналов; при смене знака в знаменателе на проти-
воположный (например, путем изменения полярности сигнала, по-
даваемого в цепочку обратной связи) обратная связь становится от-
рицательной и коэффициент усиления К уменьшается (K<Kq), но
зато повышается устойчивость усилителя по отношению к внешним
воздействиям. Чем «отрицательнее» обратная связь или, как приня-
то выражаться, чем глубже отрицательная связь, тем стабильнее
работает усилитель. Так и просится формулировка «принципа»:
проигрываем в усилении, но выигрываем в стабильности!
Мы достаточно подробно познакомились с весьма распро-
страненным активным масштабным электрическим измерительным
преобразователем - измерительным усилителем переменного тока.
Значительно реже измерительная техника нуждается в измеритель-
ных усилителях несколько иного принципа действия и назначения.
К их числу относятся измерительные усилители с большим
входным сопротивлением и измерительные усилители постоян-
ного тока.
Сразу же возникает вопрос: для чего в масштабном измери-
тельном преобразователе необходимо обеспечивать высокое вход-
ное сопротивление и что это такое? Обратимся снова к рис. 2.5 и
увидим, что слева расположены два так называемых входных зажи-
ма усилителя (справа - соответственно два выходных зажима; ино-
гда зажимы именуют клеммами). Теперь положим, что к входным
зажимам подключается своими двумя выходными зажимами дат-
чик, являющийся источником преобразованного из измеряемой ве-
личины электрического сигнала. Очевидно, что измерение электри-
ческого сопротивления между выходными зажимами датчика и
входными зажимами усилителя (разумеется, когда датчик не при-
соединен к усилителю) позволит нам определить два значения: одно
из них является выходным сопротивлением датчика, а другое —
входным сопротивлением усилителя. Оказывается, в разных случа-
ях большую роль играет соотношение между этими двумя сопро-
тивлениями, обеспечивающее согласование условий неискаженной
31
передачи по измерительной цепи полезного сигнала датчика. Не
останавливаясь на всех подобных случаях, отметим лишь, что су-
ществуют датчики, обладающие весьма большим выходным сопро-
тивлением, достигающим 108—101П Ом и более. При работе с такими
датчиками входное сопротивление усилителя должно быть не менее
чем на два порядка большим выходного сопротивления датчика, т.е.
равным IO10—1013 Ом.
Как же обеспечить столь высокое входное сопротивление
усилителя? Способ был найден, и базировался он на так называе-
мом каскадировании схемы усилителя. Это означает, что в его со-
ставе предусматривается не один, а несколько активных элементов
(электронных ламп или транзисторов), каждый из которых «обрам-
лен» некоторой совокупностью пассивных элементов (резисторов,
конденсаторов), в результате чего образуется каскад усиления с оп-
ределенной возложенной на него разработчиком схемы усилителя
функцией. В рассматриваемом случае для достижения столь высо-
ких входных сопротивлений первый каскад усилителя приходится
выполнять по специальным схемам, которые принято называть
электрометрическими. (Для тех, кто более детально знаком с
электроникой, сообщим, что можно применять специальные элек-
трометрические лампы или полевые транзисторы с изолированным
затвором (МДП-транзисторы), собственное входное сопротивление
которых достигает 1012—1014 Ом.)
До сих пор мы говорили об усилителях переменного тока, но
не уточняли, с какой скоростью изменяется входной сигнал. Эта
скорость (или быстрота) изменения характеризуется обычно часто-
той измеряемого сигнала, а ее единицей, как известно, служит герц.
Однако достаточно часто возникает необходимость усиления изме-
ряемых медленно меняющихся сигналов, характер изменения кото-
рых во времени близок к практически постоянному току. В этом
случае применяют так называемые усилители постоянного тока,
характерной особенностью которых является отсутствие межкас-
кадных разделительных конденсаторов или трансформаторов, на-
личествующих обычно в усилителях переменного тока.
Напомним, что при описании в этом параграфе активных
масштабных электрических' измерительных преобразователей мы
все время оперировали аналоговыми Электрическими сигналами.
Поэтому рассмотренные типы усилителей можно именовать также
аналоговыми электронными схемами, цепями или элементами.
32
Однако вторая половина XX века ознаменовалась, как извест-
но, бурным развитием интегральной электроники, т.е. разработчики
электронной измерительной аппаратуры получили в свое распоря-
жение не только отдельные элементы, а уже готовые функциональ-
ные узлы, к числу которых относятся операционные усилители в
интегральном исполнении. Операционными усилителями при
этом называют усилители постоянного тока, имеющие коэффици-
ент усиления по напряжению больше тысячи. Такой усилитель со-
держит, как правило, один, два или три транзисторных каскада уси-
ления напряжения, выходной (последний) каскад усиления тока и
цепи согласования каскадов между собой.
2.3- Аналого-цифровые и цифро-аналоговые
измерительные преобразователи
Предыдущий параграф посвящен измерительным преобразо-
вателям, которые в составе измерительной цепи решали задачи по
возможности неискаженного масштабного преобразования аналого-
вого электрического сигнала, отображающего измеряемую физиче-
скую величину (некоторые предпочитают говорить не об отображе-
нии, а об адекватности измеряемой величине - дело вкуса!). Одна-
ко в современной автоматизируемой измерительной технике необ-
ходимо, как правило, подвергнуть измерительный сигнал по завер-
шении масштабирования вторичной обработке и зарегистрировать
результат измерений, а иногда использовать выходной сигнал изме-
рительного устройства для регулирования или управления другими
системами. Эти завершающие операции измерительного процесса
оказалось удобнее выполнять с цифровыми сигналами, а для подачи
в системы автоматического управления и регулирования пригодны
как цифровые, так и преобразованные из них аналоговые сигналы.
В результате возникла необходимость в измерительных ана-
лого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.
Сегодня каждому школьнику известно, что преобразователи
этих двух типов широко используются также в устройствах вычис-
лительной техники для кодирования и декодирования информации.
Для чего же нужно кодировать сигнал? Академик А. А. Харкевич
понимал под кодированием построение сигнала по некоторому оп-
ределенному принципу, имеющему простое математическое выра-
жение. Иными словами, мы имеем дело с процессом простейшего
33
«шифрования» преобразованного аналогового сигнала, а декодиро-
вание позволяет его «расшифровать» и предоставить в распоряже-
ние пользователя аналоговый сигнал. Зачем сначала «шифровать»,
а затем (разумеется, при необходимости!) «расшифровывать»?
Оказалось, что обработка сигналов упрощается, если они
имеют цифровую форму, а отображение результата в цифре нагляд-
но и привычно.
Однако мы чуточку отвлеклись, но не совсем! Все сказанное
об АЦП и ЦАП в вычислительной технике непосредственно отно-
сится и к измерительной технике, но..! Представленный на рис. 2.2
процесс дискретизации аналогового сигнала по шкалам уровней
(квантование) и времени должен выполняться с гарантированной
точностью, т.е. за масштабным измерительным преобразователем в
измерительной цепи должен следовать измерительный АЦП, гра-
дуируемый по шкале уровней с приписываемой ему так называемой
погрешностью квантования. Аналогичные требования предъявля-
ются и к измерительному ЦАП.
Таким образом, мы можем более подробно познакомиться с
АЦП и ЦАП. Начнем с первого из этих преобразователей, не забы-
вая при этом, что речь идет об элементах измерительной цепи!
Аналого-цифровым преобразователем, иногда именуемым
преобразователем аналог-код, называется устройство, осуществ-
ляющее автоматическое преобразование (измерение и кодирование)
непрерывно изменяющихся во времени аналоговых величин в экви-
валентные значения числовых кодов. Количественная связь между
аналоговой величиной A(ti) и соответствующей ей цифровой вели-
чиной Nt. для любого момента времени г, определяется соотноше-
нием
где АЛ — шаг квантования, т.е. аналоговый эквивалент единицы
младшего разряда кода; dN^ - погрешность преобразования на
данном шаге.
Об аналоговых электрических сигналах Л(Ц мы уже доста-
точно поговорили ранее. Что же касается выходных кодов /V,, то они
представляются чаще всего в двоичной, двоично-десятичной или
десятичной системах счисления.
34
К АЦП предъявляется некоторая совокупность технических,
метрологических и эксплуатационных требований. Их основные
характеристики: быстродействие, описываемое максимальным чис-
лом однократных преобразований в секунду; точность в виде мак-
симальной суммарной или средней квадратической погрешности
преобразования в статическом или динамическом режиме; чувстви-
тельность, т.е. минимальное значение аналогового сигнала, которое
преобразователь надежно различает как единицу кода; число кана-
лов, определяющее максимальное количество аналоговых сигналов,
которые могут быть одновременно подключены к АЦП.
Цифро-аналоговым преобразователем, иногда именуемым
преобразователем код-аналог, называется устройство, осуществ-
ляющее автоматическое декодирование входных величин, пред-
ставленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения в
данном случае аналогового электрического сигнала. Количествен-
ная связь между входной числовой величиной N, и ее аналоговым
эквивалентном А(1/) выражается соотношением
А(/г) = АгАА + |<54г|,
где АЛ - аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода;
дД - погрешность преобразования. Коды 7V, представляются в тех
же системах счисления, что ранее были указаны для АЦП. Основ-
ными характеристиками ЦАП являются быстродействие, точность
и число каналов. Под быстродействием понимается максимальная
частота поступления на вход декодируемых чисел, при которой со-
храняется требуемая точность преобразования. Точность и число
каналов не нуждаются в дополнительном разъяснении, ибо эти ха-
рактеристики аналогичны таковым для АЦП.
* * *
Попробуем подвести краткий предварительный итог нашему
рассмотрению измерительных преобразователей.
Во-первых, еще раз подчеркнем, что мы пока не касались дат-
чиков неэлектрических величин - нам это предстоит в последую-
щих главах.
Во-вторых, нами рассмотрен типовой измерительный канал,
содержащий один или несколько соединенных последовательно
масштабных электрических измерительных преобразователей, а за-
35
вершает его АЦП (или ЦАП), цифровой (или аналоговый) сигнал на
выходе которого либо регистрируется в качестве результата изме-
рения, либо вводится в автоматизированное устройство обработки
измерительной информации и отображения полученных данных
в удобной для восприятия потребителем форме.
В-третьих, мы не касались видов и конструкций регистри-
рующих устройств, полагая, что читателю хорошо известны даже
из школьного курса измерительные приборы аналогового и циф-
рового типа - стрелочные вольтметры и амперметры, цифровые
тестеры и т.п.
Наконец, в-четвертых, важно отметить, что в целом измери-
тельный прибор, на входе которого включен датчик соответствую-
щей измеряемой физической величины, обычно градуируется
в единицах этой величины, что упрощает непосредственное (без
пересчета) получение желаемого результата измерений и делает его
более наглядным. Однако аналогичную операцию получения гра-
дуировочной характеристики (но в данном случае уже характери-
стики преобразования) можно выполнить и применительно к датчи-
ку как отдельному элементу измерительной цепи. Если эта характе-
ристика линейна, то речь идет об определении чувствительности
датчика.
Эти завершающие «аккорды» открывают нам путь к система-
тизированному рассмотрению датчиков неэлектрических величин,
функционирующих в качестве первичных (т.е. непосредственно
воспринимающих физическую величину) измерительных преобра-
зователей в электрические величины параметрической или генера-
торной природы, измерение которых сводится в конечном счете
к измерению электрического напряжения или тока.
Остается выбрать один из двух подходов к описанию датчиков:
• положить в основу систематизации сведений и классифика-
ции датчиков виды измеряемых величин (например, механи-
ческие, тепловые, оптические и пр ),
•	принять за основу физические принципы преобразования и
описать соответствующие типовые конструкции датчиков, а в
качестве примеров их применения привести приборы для из-
мерения тех или иных величин.
Автору представился предпочтительным второй подход,
а конкретные примеры заимствованы им из ранее упомянутых книг
[2-5], рекомендованных для углубленного изучения этого направ-
36
ления измерительной техники. Поэтому, не отступая от традицион-
ной классификации датчиков, последовательно остановимся на пер-
вичных измерительных преобразователях (датчиках) нескольких
основных, на наш взгляд, групп:
•	резистивных датчиках;
•	пьезоэлектрических датчиках;
•	преобразователях (датчиках) электростатической группы;
•	преобразователях (датчиках) электромагнитной группы;
•	тепловых преобразователях (датчиках);
•	оптических датчиках.
Заметим, что, за исключением первой группы датчиков, мы
встретимся в каждой из групп как с параметрическими, так и с ге-
нераторными преобразователями. Однако следует напомнить чита-
телю, что в любом параметрическом датчике изменение его выход-
ной величины (параметра) в конечном счете преобразуется в изме-
нение «активной» величины: электрического заряда, тока или на-
пряжения.
37
Глава 3
КОНТАКТНЫЕ ДАТЧИКИ
3.1.	Резистивные датчики
Основные сведения
Датчики этой группы принадлежат к числу параметрических
и обычно делятся на три подгруппы [4, 5]: контактные*, реостатные
преобразователи и тензорезисторы. Некоторые авторы [4] склонны
к резистивным преобразователям относить и рассмотренные нами
ранее масштабные электрические преобразователи, решающие из-
мерительные задачи деления тока и напряжения. Поскольку сути
дела это не меняет, не будем дискутировать на эту тему, а сразу
приступим к рассмотрению принципа действия и некоторых специ-
фических особенностей резистивных преобразователей.
Принцип действия резистивного датчика поясняется про-
стейшей эквивалентной схемой рис. 3.1. Мы видим, что последова-
тельно с собственным, изменяющимся под воздействием измеряе-
мой величины сопротивлением Ro (показано стрелкой на рисунке)
оказывается включенным сопротивление соединительных проводов
2/?пр и контактов 2RK, образующее в сумме сопротивление линии Rn.
Параллельно этой цепочке включено сопротивление утечки
Ryr, образуемое сопротивлением изоляции между контактами и со-
противлением утечек на корпус или на землю.
Вспоминая формулу для параллельного соединения двух вет-
вей, получаем для правой части рис. 3.1
R=(R0+Rn)	(-^о+^л+^ут),
а разность между эквивалентным сопротивлением R и «по-
лезным» сопротивлением датчика Rq равна
AR-Rn-Ro/Ryr
Мы вынуждены озаглавить гл. 3 так же, как традиционно именуется подгруппа
резистивных датчиков. Однако это заглавие означает, как мы увидим в дальней-
шем, что все (за малым исключением) датчики этой группы содержат элемент, на-
ходящийся в непосредственном контакте с объектом измерения и воспринимаю-
щий контактным способом преобразуемую неэлектрическую величину. Контакт-
ные датчики резистивной группы следовало отнести не столько к датчикам,
сколько к элементам реле или переключателей.
38
Rk Дпр ^Оу^пр Rk
о->»
Рут
Рис. 3.1. Простейшая эквивалентная схема резистивного датчика:
Ro — собственное сопротивление датчика;
/?Пр - сопротивление подводящего провода;
RK - сопротивление контакта;
Ry, - сопротивление утечки;
Rn —2Rnp+2RK
Рут
и относительная погрешность сопротивления датчика (ведь он из-
мерительный преобразователь!) описывается формулой
Rq
Rq Rq Rym
Из этой формулы следует, что при малых значениях Ro по-
грешность определяется сопротивлением R„ а при больших Ro- со-
противлением Ryr, причем при Rq < ^RjiRym погрешность
Yr > 0, а при Rq > ^^ут значение yR < 0.
Пока мы вели речь об измерениях на постоянном токе. При
включении резистора 7?0 в цепь переменного тока необходимо учи-
тывать его индуктивность и емкость, а также тепловые шумы. Не
следует забывать, что при подключении преобразователя к после-
дующей измерительной цепи возникает термоэлектродвижущая си-
ла (термоЭДС) и ЭДС наводок. Степень их влияния зависит от зна-
чения Ro и его соотношения с входным сопротивлением измери-
тельной цепи. (Об индуктивности, емкости, термоЭДС как о вы-
ходных величинах датчиков речь впереди.)
Помимо наводок на резистивный датчик влияют различные
по физической природе величины: электрические, магнитные, ме-
ханические, тепловые, световые и т.д. Они приводят к нестабильно-
сти Ro и R„ и появлению погрешностей. Ослабить их влияние ста-
раются конструктивным путем и применением схем и устройств
компенсации, чем добиваются воздействия противоположного от-
носительно влияющей величины знака. Наиболее «вредным» счита-
ется влияние изменений температуры, но от этого влияния практи-
39
чески свободны специально разработанные термостабильные спла-
вы (манганин, константан).
Наибольшее распространение среди резистивных датчиков
получили контактные датчики, реостатные преобразователи и тен-
зорезисторы (особенно последние!).
Контактные датчики
Эти простейшие датчики, как отмечалось в подстраничной
сноске в начале раздела, следовало бы с большим основанием отне-
сти к числу не измерительных преобразователей, а контактных эле-
ментов реле. Они предназначены обычно для измерения механиче-
ского перемещения, преобразуемого в разомкнутое или замкнутое
состояние контактов, управляющих электрической цепью. Ими
удобно пользоваться в системе контроля размера изготавливаемого
изделия: по мере приближения к заданному размеру соединенный
механически с изделием шток перемещается, а укрепленный на нем
контакт по достижении этого размера входит в соприкосновение с
неподвижным контактом. При этом активное сопротивление между
двумя контактами изменяется от бесконечности (разрыв) до малого
значения контактного сопротивления (или наоборот, если схема ра-
ботает на размыкание контактов).
Перемещение штока определяется по шкале, а контактная
группа включается в измерительную или сигнальную цепь.
Если две электропроводящие пластины «проложить» полу-
проводящей прослойкой (например, из электропроводящей бумаги
или резины), а затем этот «сандвич» подвергнуть воздействию дав-
ления, то изменится сопротивление между проводящими элемента-
ми. В результате мы имеем преобразователь контактного сопро-
тивления.
Таким образом, первый из описанных контактных датчиков
находит применение в так называемых линейных измерениях, ко-
гда интересуются перемешением какой-то опорной поверхности.
Датчик второго типа полезен при измерении давления или силы, т.е.
при выполнении этих видов механических измерений. Во всяком
случае, оба типа этих датчиков следует признать параметрическими
преобразователями.
Реостатные преобразователи
Школьникам, изучающим физику, хорошо известно, что рео-
статом называется устройство для регулирования напряжения и то-
40
ка в электрической цепи, основная часть которого - проводящий
элемент с активным электрическим сопротивлением, значение ко-
торого можно изменять плавно или ступенями в соответствии с за-
данными условиями. (В переводе с греческого rheos (течение, по-
ток) и states (стоящий, неподвижный) слово «реостат» означает
возможность установки требуемого значения текущего по нему то-
ка, а соответственно и падения напряжения.)
Отсюда реостатным преобразователем называют реостат,
движок которого перемещается линейно или по окружности (в за-
висимости от конструкции датчика) под действием измеряемой не-
электрической величины. Следовательно, входной величиной явля-
ется перемещение движка, а выходной величиной - изменение со-
противления, т.е. и этот датчик является параметрическим
преобразователем.
Одной из распространенных конструкций реостатного преоб-
разователя является кольцеобразный каркас из изоляционного ма-
териала, на который намотана с равномерным шагом проволока.
Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по ме-
таллу проволоки скользит щетка (надеюсь, читатель понимает, что
речь идет не о щетке в обычном понимании этого слова, а об элек-
трической щетке, представляющей собой несколько скрепленных
друг с другом пластинок из электропроводящего материала с высо-
кой износоустойчивостью, торцы которых имеют косой срез и глад-
кую поверхность для надежного контакта с витками проволоки, по
которым она скользит). Добавочная щетка скользит по расположен-
ному внутри каркаса концентрично ему токосъемному кольцу. Обе
щетки закреплены на приводном вращающемся валике и электриче-
ски изолированы от него. По реостату пропускается обычно посто-
янный ток, а разность потенциалов (падение напряжения), пропор-
циональная выходному сопротивлению и функционально связанная
с измеряемой величиной, подается в измерительную цепь с двух
зажимов датчика: одного из зажимов реостата и зажима, соединен-
ного через токосъемное кольцо со щеткой.
Формы каркасов разнообразны: помимо кольца это могут
быть пластины, цилиндры и т.д. Выбор формы каркаса позволяет
получить определенную функциональную зависимость между пе-
ремещением щетки и выходным сопротивлением.
Достаточно очевидно, что при переходе щетки с витка на ви-
ток намотанной на каркас проволоки выходное сопротивление из-
41
меняется «ступенями», т.е. дискретно. Однако школьникам извес-
тен и другой тип реостата - не в виде намотанной на каркас прово-
локи, а натянутой между двумя зажимами прямолинейной проволо-
ки, по которой перемещается аналог щетки - контактирующий с
проволокой «движок». Это устройство именуется, как известно, ре-
охордом, а соответствующие датчики аналогового типа - реохорд-
ными преобразователями.
Для изготовления этих (реостатных и реохордных) датчиков
используется провод из различных сплавов платины, обладающих
повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью, а так-
же манганин и константан. Применение микропровода позволяет
миниатюризировать конструкцию датчика, сведя его размеры до
нескольких миллиметров.
Таким образом, и здесь мы имеем дело с непосредственным
измерением перемещений, а также «косвенно» с измерениями дру-
гих неэлектрических величин, тем или иными способами преобра-
зуемых предварительно в перемещения.
Тензорезисторы
В основе работы тензорезисторов, часто именуемых тензо-
датчиками, лежит явление тензоэффекта (от латинского tensus -
напряженный), заключающееся в изменении электрического сопро-
тивления проводников и полупроводников при их механической
деформации. Если сопротивление резистора R-p-1/s, где р - удель-
ное сопротивление материала, из которого он изготовлен, 1ns - со-
ответственно его длина и площадь поперечного сечения, то относи-
тельное изменение R при деформации резистора определяется как
А/? Ар А/ As
Er =---= —+— +—,
R	р	I	s
где знаком А обозначено приращение величины.
Введем в рассмотрение коэффициент Пуассона ц и попереч-
ный размер проводника b при продольном его размере I. Известно,
что в твердом теле в зоне упругих деформаций поперечная и про-
дольная деформация связаны соотношением
Eb=- р Е\Е1 -МН\ЕЬ ~ ЬЫЬ).
Тогда Ек = —— + (14 2р)Е..
Р
42
При линейно напряженном состоянии в зоне упругих дефор-
маций чувствительность металлического тензорезистора (тензочув-
ствительность) характеризуется коэффициентом тензочувстви-
__ ER	,
тельности Ar=—iL, значения которого для ряда металлов (в ос-
£i
новном сплавов) находятся в пределах от 0,9 до 3,6, а для
полупроводников (преимущественно кремния) в зависимости от ма-
териала (n-Si или p-Si) К-х соответственно равен -95,3 и =90,0 [4].
Наибольшее распространение в измерительной технике полу-
чили дискретные металлические и полупроводниковые тензорези-
сторы. При изготовлении наклеиваемого на измеряемый объект
проволочного тензорезистора на полоску тонкой бумаги или лако-
вую пленку предварительно наклеивается так называемая решетка
из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки диаметром 0,02-
0,05 мм. К концам проволоки припаиваются или привариваются
выводные медные проводники. Сверху эта конструкция покрывает-
ся слоем лака. Измерительной базой преобразователя является дли-
на поверхности объекта измерений, занимаемая проволокой. Наи-
более часто используются преобразователи с базами 5-20 мм, обла-
дающие сопротивлением 30-500 Ом [4].
Новейшие технологические процессы обеспечили возмож-
ность изготовления более тонких металлических тензопреобразова-
телей - фодьговых и тонкопленочных толщиной менее 0,001 мм.
Полупроводниковые тензорезисторы представляют собой
тонкие полоски из кремния или германия, вырезанные в определен-
ных направлениях осей кристаллов. На концах полоски расположе-
ны контактные площадки, к которым припаиваются выводы. Полу-
проводниковые тензорезисторы имеют длину 2-12 мм, ширину
0,15-0,5 мм, начальное сопротивление от 50 до 10000 Ом, коэффи-
циент тензочувствительности Кт=50-200 [4].
Тензорезисторы чаще всего служат датчиками при измерени-
ях длины, а также механических величин (силы, давления и пр.),
преобразуемых в статическую или динамическую деформацию уп-
ругого элемента. Поскольку эти датчики (особенно полупроводни-
ковые) весьма чувствительны к изменениям окружающей темпера-
туры, их стараются включать симметрично в мостовые измеритель-
ные схемы: два идентичных тензорезистора в разных плечах моста
находятся при одинаковой температуре, но только один из них под-
43
вергается воздействию измеряемой величины, от которой и зависит
разностный сигнал в измерительной диагонали моста.
Все резистивные преобразователи являются датчиками пара-
метрического типа.
3.2.	Пьезоэлектрические датчики
Здесь, прежде всего, необходимо напомнить некоторые све-
дения из области физики твердого тела. Кристаллами (от греческо-
го krystallos) называются твердые тела, обладающие трехмерной
периодической атомной структурой и при равновесных условиях
образования имеющие естественную форму правильных симмет-
ричных многогранников.
Текстура (от латинского textura) - это преимущественная
ориентация кристаллических зерен в поликристаллах или молекул в
аморфных телах, жидких кристаллах, полимерах, приводящая к
анизотропии (т.е. неоднородности в разных направлениях) свойств
материалов.
Примечания:
1.	Поликристалл — это соединение мелких монокристаллов (кристалличе-
ских зерен) различной ориентации
2.	Жидкие кристаллы - это особое состояние некоторых органических
веществ, в котором они обладают присущей жидкостям текучестью, но со-
храняют при этом определенную упорядоченность в расположении моле-
кул и неоднородность ряда физических свойств, характерные для твердых
кристаллов.
Теперь станет понятным следующее; пьезоэлектрическими
называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действи-
ем механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформи-
рующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Пьезо-
эффект обладает знакочувствительностью, т.е. происходит измене-
ние знаков заряда при замене сжатия растяжением и изменение
знака деформации при изменении направления поля.
Типичным представителем пьезоэлектриков, достаточно широко
применяемым при построении датчиков в приборах для измерений
механических величин (силы, давления, ускорения и пр.), является
кварц. Однако в последние десятилетия при измерениях ряда других
неэлектрических величин в качестве чувствительных элементов дат-
чиков используются такие разновидности пьезоэлектриков; как пиро-
электрики, сегнетоэлектрики и сегнетоэлектрические пьезокерамики.
44
Пироэлектрики представляют собой особую разновидность
пьезоэлектрических кристаллов, поляризующихся при всесторон-
нем гидростатическом давлении и тепловом расширении, откуда
и происходит название «пироэлектрики». Их типичным представи-
телем является турмалин.
Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кри-
сталлов. Одни и те же кристаллы в зависимости от температуры мо-
гут быть как сегнетоэлектриками, так и линейными кристаллами.
Температура, при которой сегнетоэлектрическая структура кри-
сталла преобразуется в структуру линейного кристалла или в дру-
гую сегнетоэлектрическую структуру, называется точкой Кюри.
Вблизи этой точки высокая поляризация при действии механиче-
ских напряжений и температуры или очень большое изменение ди-
электрической проницаемости Е при действии температуры прояв-
ляются особенно сильно. Сегнетоэлектрические монокристаллы
сегнетовой соли и титаната бария практически не используются
в измерительной технике из-за относительно низкой стабильности
свойств и трудности получения бездефектных монокристаллов.
Значительно чаще применяются сегнетоэлектрические пьезоке-
рамики, представляющие собой продукт отжига спрессованной
смеси, состоящей из мелкораздробленного кристалла с присадками.
Сырьем для производства пьезокерамики служат титанат бария
(ВаТЮз), титанат свинца (PbTiO3) и цирконат свинца (PbZrO3)
с точками Кюри соответственно 120, 500 и ~ 230°С.
Область применения этих датчиков весьма обширна. Напри-
мер, датчики на основе прямого пьезоэффекта применяются в каче-
стве первичных измерительных преобразователей силы, давления,
ускорения. Пироэлектрики не уступают по своим техническим и
эксплуатационным характеристикам материалам, служащим для из-
готовления чувствительных элементов приемников электромагнит-
ного излучения, особенно в оптическом диапазоне длин волн.
Обе эти группы следует отнести к датчикам генераторного
типа, причем, как мы увидим в гл. 4. на основе пиро- и сегнетоэлек-
триков создаются бесконтактные датчики.
3.3.	Емкостные датчики
Строго говоря, хатчики, в которых тем или иным способом
изменяется емкость между двумя электродами (а таких способа три:
изменять площадь электродов, расстояние или диэлектрическую
' 45
переменного тока (на котором только и возможна работа датчиков
этой группы!); Z,„ - магнитное сопротивление датчика.
Как видно из приведенного выражения, полное сопротивле-
ние является комплексной величиной, содержащей вещественную
2
W.
(7?о) и мнимую (69——) составляющие.
Рис. 3.2. Датчики электромагнитной группы
Обратим внимание на магнитное, сопротивление. Оно, в свою
очередь, состоит из двух частей: Z„, = ZmFt, + Rb.
Здесь ZmFe - магнитное сопротивление ферромагнитной части
магнитной цепи, которое при работе датчика на переменном токе
также комплексная величина:
2mFe=/?OT + jXm; Rs = <У/(Д0-5); До = 4я • 10’7 Лч/лг.
48
Если потери в стали магнитопровода малы, то Xm«Rm и для
двух характерных параметров датчика - индуктивности L и взаим-
ной индуктивности М имеют место следующие выражения:
L- W'  М = -^2-.
Rm + RS	Rm + R8
(Напомним читателю, что индуктивностью считается величи-
на, характеризующая магнитные свойства электрической цепи.
Примером служит проводящий контур с током I, протекающим в
нем и создающим в окружающем пространстве магнитное поле,
причем магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с
ним), прямо пропорционален току: Ф-Ll. Величина, характери-
зующая магнитную связь двух (или более) электрических цепей
(контуров), называется взаимной индуктивностью или коэффициен-
том взаимной индукции двух контуров.)
Теперь мы можем вернуться к рис. 3.2, а. Если изменять Re
перемещением или вращением подвижного сердечника 1, то будет
изменяться значение L или М. Значения этих величин можно изме-
нять и при неподвижных сердечниках 1 и 2, вводя в воздушный за-
зор пластину 3 из ферромагнитного или электропроводного нсфер-
ромагнитного материала (в первом случае это эквивалентно умень-
шению ё, в то время как во втором случае неферромагнитная
пластина в «магнитном смысле» не влияет на размер ё, так как при
этом изменение L и М обусловлено размагничивающим действием
токов, индуктированных в пластине основным магнитным потоком,
проходящим по магнитной цепи).
Как видно из рис. 3.2, а, непосредственно преобразуемой не-
электрической величиной является перемещение. Целый ряд пре-
имущественно механических, акустических и даже тепловых вели-
чин часто преобразуются в перемещения с последующим их преоб-
разованием в изменения L или М. Преобразователи в изменения L
называют индуктивными датчиками, а преобразователи в изме-
нения М -трансформаторными (взаимоиндуктивными) датчика-
ми. В последних изменение М можно получить не только при изме-
нении магнитного сопротивления, но и при перемещении вторич-
ной обмотки w2 (рис. 3.2, б)
Если к магнитной цепи, изображенной на рис. 3.2, в, прило-
жить сжимающее, растягивающее или скручивающее усилия, то
произойдет изменение магнитной проницаемости pFc сердечника и,
49
как следствие, его магнитного сопротивления ZmPe- Результат тот
же, что и ранее: изменятся L или М. Здесь входной преобразуемой
величиной служит упругая деформация сердечника, используемая
для измерений сил, давлений, моментов и пр. Такого рода датчики
именуются магнитоупругими.
Обратимся к рис. 3.2, г. Внешне все то же. но часть магнито-
провода с обмоткой W| заменена постоянным магнитом (это не
принципиально, можно сохранить тот же участок магнитопровода с
обмоткой wb но питать ее постоянным током, т.е. использовать
вместо постоянного магнита электромагнит). При неподвижной об-
мотке и'2 ЭДС на ее зажимах равна нулю. Однако при перемещении
обмотки под воздействием измеряемой величины в ней наводится
(индуцируется) ЭДС
(1Ф
е = -w?-----,
dt
где дФ/dt - скорость изменения магнитного потока, сцепляющегося
с витками вторичной обмотки.
Поскольку d<P/dt определяется скоростью перемещения об-
мотки в воздушном зазоре, то преобразуемой в ЭДС величиной
служит скорость линейных или угловых перемещений, а подобные
датчики именуются индукционными.
3.5. Тепловые датчики
Тепловым считается датчик, преобразующий в ходе происхо-
дящих в нем тепловых процессов температуру измеряемого объекта
(являющуюся для датчика входной физической величиной) в изме-
рительный электрический сигнал. К генераторным датчикам отно-
сятся термопары, а к параметрическим датчикам - терморезисто-
ры. Как те, так и другие бывают металлическими и полупроводни-
ковыми, но в любом случае описываемые в настоящей главе
датчики контактируют с измеряемым объектом.
Попробуем теперь разобраться в сущности физических про-
цессов, протекающих в тепловом датчике. В качестве одного из ус-
ловий примем, что речь идет о твердотельном преобразователе ка-
кого-то количества тепла Q при неизменном агрегатном состоянии
материала, из которого он изготовлен. Это означает, что во всем ра-
бочем диапазоне температур металл или полупроводник, из которо-
го изготовлен датчик, не превращается ни в жидкость, ни тем более
в газ.
50
Сразу отметим, что для любого теплового датчика основопо-
лагающим физическим процессом является теплообмен, описывае-
мый уравнением теплового баланса. Тепловой датчик можно рас-
сматривать как некий резервуар, заполняемый до определенного
«уровня» теплом. По достижении этого «уровня» датчик «успокаи-
вается» и пребывает в состоянии теплового равновесия (баланса):
количество поступающего в единицу времени тепла равно количе-
ству отдаваемого тепла. «Наполняемый теплом» датчик характери-
зуется теплосодержанием <2тс = <2эл+<2то = >п -с-0, гДе Q™ - количество
тепла, создаваемого в результате выделения в датчике электриче-
ской мощности; (2то - количество тепла, поступающего в преобра-
зователь от измеряемого объекта или отдаваемого им в результате
теплообмена с окружающей средой; т - масса, с - удельная тепло-
емкость материала; 0 - температура датчика.
Однако такое состояние теплового равновесия устойчивым
остается лишь на определенное время, поскольку непрерывно имеет
место теплообмен - переход некоторого количества тепловой энер-
гии из одной части пространства в другую. Теплообмен может осу-
ществляться тремя совершенно различными способами: посредст-
вом теплопроводности, конвекции и излучения.
При теплопроводности перенос тепловой энергии осуществ-
ляется в результате непосредственной ее передачи от частиц (моле-
кул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам
с меньшей энергией.
При конвекции имеет место перенос массы в результате пе-
ремещения газа или жидкости. Конвекция может быть свободной
(естественной) при движении воздуха в помещении, порождаемом
нагревательным прибором, или вынужденной, когда осуществляет-
ся, например, принудительное охлаждение потоком воздуха от вен-
тилятора или движением охлаждающей жидкости в радиаторе. Из-
лучение (в данном случае тепловое или температурное) представля-
ет собой электромагнитное излучение, испускаемое веществом и
возникающее за счет его внутренней энергии. (Надо полагать, что
читатель знаком из курса физики с явлением испускания или рас-
пространения электромагнитных волн (фотонов), именуемым излу-
чением или даже радиацией.)
Все сказанное свидетельствует о том, что тепловой датчик,
каким бы он ни казался в своем конструктивном исполнении подчас
простым и «бесхи тростным», представляет собой достаточно слож-
51
ную систему, требующую при разработке и воплощении датчика
учета многих факторов, влияющих на теплообмен. Любое пренеб-
режение этими факторами приводит к нарушению точности преоб-
разования температуры и нестабильности характеристик датчика.
Термопара представляет собой термоэлектрический преобра-
зователь. Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зее-
беком, который составил цепь из двух различных проводников, па-
раллельно соединив их концами. Затем он нагрел одно из соедине-
ний концов, а другое соединение оставил ненагретым. В результате
в этой цепи появилась ЭДС, которую в дальнейшем стали имено-
вать термоЭДС.
Измерить ее можно, разомкнув проводники в месте соедине-
ния, находящемся в ненагретом состоянии. Соединение проводни-
ков осуществляется методом сварки или пайки. Если один спай
термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температу-
рой О], подлежащей измерению, а температуру 02 разомкнутых (не-
рабочих) концов проводов, между которыми включен милливольт-
метр для измерения термоЭДС, поддерживать постоянной, то пока-
зание прибора будет зависеть только от 0Ь Разумеется,
температуру 02 следует поддерживать строго постоянной.
Материалами для термопар могут служить не только металлы,
но и полупроводники. В металлических термопарах одним из про-
водников часто служит платина, а вторым - хромель (сплав, содер-
жащий 90% никеля и 10% хрома) или сплав 90% платины и 10%
родия, в полупроводниковых термопарах - кремний.
Металлические и полупроводниковые терморезисторы (или
термометры сопротивления) также применяют для измерения
температуры, используя температурную зависимость их электриче-
ского сопротивления.
Большинство химически чистых металлов обладает положи-
тельным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), на-
ходящимся (в интервале 0-100°С) в пределах от 0,35 до 0,68 про-
центов/К. Наилучшим материалом для изготовления высокоточных
и высокостабильных так называемых термометров сопротивления
считается платина. Благодаря своей дешевизне широко распростра-
нены медные терморезисторы, применяются также вольфрамовые и
никелевые термометры сопротивления.
52
* * *
Итак, любезный мой читатель, теперь ты знаком с нескольки-
ми разновидностями датчиков с различными физическими принци-
пами преобразования всевозможных неэлектрических величин в
«активные» (электрический ток, ЭДС, электрическое напряжение)
и «пассивные» (изменения сопротивления, емкости, индуктивности,
взаимной индуктивности) электрические величины. Что же общего
у рассмотренных нами разновидностей датчиков (независимо от их
конструктивного исполнения)? Что их «роднит»?
Оказывается, таким «родовым признаком» является необхо-
димость осуществления контакта, воспринимающего воздействие
измеряемой неэлектрической величины элемента датчика с объек-
том измерения (за редкими исключениями, например, пироэлектри
ков, к которым мы еще вернемся в дальнейшем). Следствием такого
контактного восприятия воздействия измеряемой неэлектрической
величины явилось непосредственное в большинстве случаев ее
преобразование (т.е. без промежуточных преобразований) в ото-
бражающую ее электрическую величину.
Однако существует несколько областей измерений, охваты-
ваемых общим для них понятием радиометрии - измерений энер-
гетических величин, характеризующих излучение. Об излучении
уже упоминалось в предыдущем разделе, но лишь об излучении на-
гретого тела. Вместе с тем читателю наверняка хорошо известно,
что электромагнитное излучение характеризуется широчайшим
спектром, охватывающим гамма- и рентгеновское излучение по
«левую» границу спектра и длинноволновый его участок «справа»,
где, в частности, располагается и хорошо известное читателю излу-
чение промышленной частоты 50 Гц. В средней же части этого
спектра расположено оптическое излучение, которое, в свою оче-
редь, делится на три спектральных поддиапазона: ультрафиолетовое
(УФ) излучение, граничащее с рентгеновским излучением; видимое
(световое) излучение; инфракрасное (ПК) излучение, граничащее с
миллиметровым диапазоном радиоволн. (Кстати, тепловое излуче-
ние занимает один из поддиапазонов спектра инфракрасного излу-
чения.)
Попробуем «связать» между собой и количественно оценить
понятия спектра и длины волны (точнее, диапазона длин волн, за-
нимаемого спектром). Слово «спектр» (от латинского spectrum -
представление, хэбраз) означает совокупность всех значений какой-
53
либо физической величины, характеризующей систему или процесс.
Чаще всего пользуются понятиями частотного спектра колебаний,
характеризуя его диапазоном частот, в котором значения величины
отличны от нуля. Однако «равноправным» понятием считается и
диапазон длин волн, поскольку для электромагнитного излучения
известна связь длины волны X [м] и частоты f [Гц]: c=A-f, где
с-3-108 м/с - скорость распространения электромагнитной волны в
вакууме.
Оказывается, что спектр электромагнитного излучения охва-
тывает более 16 порядков - от X < 2-1O'10 м для гамма-излучения до
X ~ 6000 км для излучения на промышленной частоте.
Разумеется, для каждого спектрального поддиапазона (или
интервала длин волн) электромагнитного излучения разработаны и
применяются измерительные преобразователи (датчики) величин,
характеризующих те или иные свойства объекта измерения. Им мо-
жет являться источник излучения или вещество (материал, среда), с
которым оно взаимодействует. Здесь важно лишь отметить, что ин-
терес при решении измерительной задачи представляют характе-
ристики излучения, а это означает, что датчик «контактирует»
именно с потоком излучения, часто именуемым лучистым пото-
ком. Слово «контактирует» не случайно заключено в кавычки, по-
скольку подобные измерения на самом деле являются бесконтакт-
ными. Более того, в отличие от рассмотренных непосредственных
преобразований далее нам встретятся как минимум последователь-
ные преобразования излучательной характеристики (величины)
в электрический измерительный сигнал.
Подводя итоги этим вступительным к следующим двум об-
ширным главам комментариям, отдадим предпочтение лишь датчи-
кам, преобразующим оптические величины. Выбор сделан нами не
случайно, поскольку методы и средства именно этой области изме-
рений, получившей название оптической радиометрии, получили
широчайшее распространение в наисовременнейших системах изме-
рений, диагностики, неразрушающего контроля и даже распознава-
ния образов. Во всех трех поддиапазонах спектра (УФ, видимом и
ИК) оптического излучения мы встретимся как с преобразователями
оптических величин непосредственно в электрические величины, так
и с промежуточными преобразователями оптических величин тоже
в оптические величины, но с другими интенсивностными, времен-
ными, спектральными и пространственными характеристиками.
54
Глава 4
ОПТИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ
ДАТЧИКИ
Пока мы имели дело с датчиками линейно-угловых, всевоз-
можных механических и даже тепловых величин, читателю, изу-
чавшему школьный курс физики в «срединных» (не в младших и не
в последнем, 10-м, классе), классах, понятными должны были быть
рассматривавшиеся в предыдущих главах книги измерительные за-
дачи' воспринимающий измеряемую (преобразуемую) физическую
величину элемент датчика (обычно именуемый чувствительным
элементом) соприкасается с объектом измерения, в результате чего
на выходе датчика наблюдается и тем или иным способом регист-
рируется приращение активной или пассивной электрической вели-
чины.
С пассивной электрической величиной (ДУ?, ДД, ДС или ДА/)
все достаточно ясно и просто: промышленность выпускает в широ-
кой номенклатуре автоматические измерительные мосты постоян-
ного и переменного тока; остается лишь правильно подключить вы-
ходные зажимы датчика и зарегистрировать полученный результат.
Еще проще с активной' величиной, так как имеется большое количе-
ство разнообразных электроизмерительных приборов типа милли-
вольтметров, аналоговых и цифровых вольтметров, амперметров и
миллиамперметров, мультиметров (приборов для измерений не-
скольких электрических величин с переключаемыми диапазонами
измерений). Здесь важно правильно подобрать прибор по виду тока
(постоянный или переменный), диапазону измерений, рабочей час-
тоте (если измерения выполняются на переменном токе).
Попробуем теперь сформулировать общий признак, характе-
ризующий процедуру восприятия и преобразования рассмотренны-
ми типами датчиков физических величин. Назовем этот признак
локализованностью преобразования, хотя термин подобного рода
пока не существовал и, следовательно, не был узаконен. Что это
означает? По существу, речь идет о так называемых одноточечных
измерениях, когда одним датчиком с чувствительным элементом
относительно небольшого размера осуществляется преобразование
измеряемой величины в ограниченной (локализованной) зоне взаи-
модействия этого чувствительного элемента с объектом измерения.
55
Разумеется, зону эту точкой именуют достаточно условно. Если же
объект протяженный или имеет большую площадь и требуется вы-
полнить измерения во многих «точках» (т.е. локализованных зонах),
то применяют соответствующее количество датчиков, а измерения
носят название многоточечных.
Возникает вопрос: с каким объектом измерения приходится
взаимодействовать датчику, если речь идет об оптическом излуче-
нии? Со времен М.Фарадея, знаменитого английского физика, счи-
тается, что оптическое излучение - это реальный физический объ-
ект, распределенный в пространстве, поскольку речь идет о так на-
зываемом свободном электромагнитном поле (разумеется, в упоми-
навшемся ранее оптическом диапазоне спектра), т.е. об электромаг-
нитных волнах, представляющих собой электромагнитные колеба-
ния, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью
(в вакууме - со скоростью света).
Поэтому прежде чем рассматривать датчики оптических ве-
личин, необходимо кое-что рассказать об объекте измерения и из-
мерительных задачах.
4.1. Оптическое излучение как объект измерения.
Измерительные задачи
Начнем рассмотрение объекта измерения с любого источника
излучения. Не имеет значения, является ли он естественным (на-
пример, Солнце) или искусственным (лампа, нагретое тело, свето-
излучающий диод или лазер). Для нас представляют интерес физи-
ческие величины, характеризующие именно те или иные свойства
излучения источника и подлежащие восприятию соответствующим
датчиком. Такой объект, являющийся источником излучения, будем
считать самоизлучающим. Он «поставляет» датчику некоторое
количество электромагнитной энергии в виде потока оптического
излучения, имеющего физический смысл переносимой электро-
магнитными волнами средней мощности и именуемого в дальней-
шем потоком излучения или лучистым потоком, а иногда для
краткости просто потоком.
Вместе с тем существует огромное количество различных ма-
териалов, веществ и сред, прозрачных или не прозрачных для опти-
ческого излучения, оптические свойства которых либо сами по себе
представляют интерес, либо по ним судят о неоптических свойствах
и характеристиках объектов Для того чтобы «проявить» эти опти-
56
ческие свойства, нужно направить на объект измерения поток само-
излучаюшего источника, именуемый первичным потоком, а дат-
чик должен воспринять отраженный объектом измерения и/или
прошедший сквозь него вторичный поток.
Как первичный, так и вторичный поток распространяются в
пространстве в пределах телесных углов от сотых долей до 4л сте-
радиана. Поэтому без применения специальных измерительных
преобразователей здесь нельзя говорить о локализованности преоб-
разования, поскольку измеряемая величина распределена в про-
странстве, а чувствительный элемент датчика «выхватывает» толь-
ко ту часть этой величины, которая находится в «поле его зрения».
Чтобы получить значение всей величины, нужно просуммировать
результаты этих «точечных» преобразований, «пройдясь» сумми-
рующим устройством по всем значениям в пределах заданного угла.
При этом «шаги» (или дискретность), отделяющие одно «точечное»
преобразование от другого, должны быть соотнесены с длиной вол-
ны излучения и размером чувствительного элемента датчика. Во
всем оптическом диапазоне длин волн этот размер соизмерим или
существенно превышает длину волны.
Кстати, а каковы длины волн для различных участков оптиче-
ского спектра? В целом оптическое излучение охватывает диапазон
длин волн от -1 нм (10‘9 м) до -1 мм (10'3 м). При этом длины вол-
ны от ~1 нм до -38СМЮ0 нм принадлежат УФ излучению. В преде-
лах от -38СМЮ0 нм до -760-780 нм расположено видимое излуче-
ние, часто в обиходе именуемое светом, а поток излучения - соот-
ветственно световым потоком. Кстати, и все остальные оптические
величины в этом диапазоне длин волн именуются световыми вели-
чинами. Далее свыше - 760-780 нм до Х=1 мм простирается ПК из-
лучение. Все оптические величины в УФ и ПК диапазонах длин
волн называются энергетическими величинами.
Насколько проще нам было разобраться с электрическими ве-
личинами: что называется, «раз-два, и обчёлся...». Совсем не так
в оптике, и нам предстоит в этом разобраться, иначе о датчиках
говорить бессмысленно.
Начнем с величин, характеризующих интенсивность излуче-
ния, распространяющегося в свободном пространстве (в вакууме
или в обычном воздухе). Как уже упоминалось, эти величины де-
лятся на энергетические и световые. Часто первые из них снабжают
57
подстрочным латинским индексом «е», а вторые - тоже латинским
подстрочным индексом «г».
Оптические величины, характеризующие
интенсивность излучения
Основной величиной, характеризующей интенсивность опти-
ческого излучения, является его поток (Фе или Фу), причем в УФ и
ИК диапазонах часто пользуются синомимом этой величины -
мощностью Р излучения. Световой поток Фу воспринимается ( ла-
зом, поэтому и излучение в этом диапазоне длин волн называется
видимым. Следовательно, как это ни парадоксально звучит, во глаз
- это датчик, причем весьма сложный, но субъективный орган вос-
приятия и преобразования световой величины. (В отличие от физи-
ческого приемника излучения, являющегося объективным органом.)
Мы уже говорили о том, что поток распределен в пространст-
ве и приходится вводить в рассмотрение чрезвычайно важные «ин-
тенсивностные» величины, связанные с потоком определенными
геометрическими соотношениями. Для УФ и ИК диапазонов, где
поток излучения измеряется в ваттах [Вт], эта величина определена
как облученность (энергетическая освещенность) и измеряется в
ваттах на квадратный метр [Вт/м2]. В видимом диапазоне та же ве-
личина именуется освещенностью, поскольку световой поток из-
меряется в люменах [лм], то единицей измерения освещенности
служит люмен на квадратный метр [лм/м2].
Таким образом, облученностью (освещенностью) называется
плотность (т.е. величина, приходящаяся на единицу поверхности)
лучистого (светового) потока по облучаемой (освещаемой) поверхно-
сти. Единица измерения облученности не имеет специального назва-
ния, а единица измерения освещенности называется люксом [лк].
Символом облученности (освещенности) служит Ее (Е,,), а в
формульном выражении Ее —Фе! A(EV — Фх, /А), где Л - площадь
облучаемой (освещаемой) поверхности.
Внимательный читатель заметил, очевидно, что мы назвали
поток основной величиной. Это не оговорка. Автор так считает «по
справедливости», поскольку именно поток является «основой» для
всех интенсивностных величин. Однако история распорядилась
иначе. Ведь в средние века «светильником» служила в основном
свеча, а характеристикой эффективности освещения ею окружаю-
щего пространства являлась сила света!
58
Поэтому именно эта оптическая величина «запала в душу»
светотехникам и постепенно стала основной величиной, а единица
ее измерения - кандела [кд] - одной из семи основных единиц Ме-
ждународной системы (System International). Силой света (анало-
гичная энергетическая величина - сила излучения или энергети-
ческая сила света) принято называть пространственную плотность
светового потока в заданном направлении (то же относится и к лу-
чистому потоку применительно к силе излучения). Сила света (из-
лучения) определяется отношением светового (лучистого) потока
с!Фу, к телесному углу <7Q, в пределах которого заключен
и равномерно распределен этот поток.
Примечание: Поскольку при использовании датчиков стараются предель-
но ограничить зону восприятия ими излучения, приближаясь к исчезающе
малому элементу поверхности, в рассмотрение вводятся элементы потока
d<l> и телесного угла d£l.
Тогда Iv = с1Ф\, /с!£1\лм  ср 1 ]; 1е - с1Фе /• ср^ ].
«Третий кит», на котором зиждется группа интенсивностных
величин, зависящих от потока и параметров пространства, в кото-
ром он распространяется (направленность и телесный угол), назы-
вается яркостью (энергетической яркостью). (Здесь придется чи-
тателю «включить» пространственное воображение с помощью рис.
4.1, где показаны направления наблюдения под углами а в двух
разных меридиональных плоскостях р = 0 и [3 0.)
Это означает, что яркостью (энергетической яркостью) любо-
го элементарного участка светящей (излучающей) поверхности яв-
ляется отношение силы света di, (dl„ ) светящего (излу-
va,p са,р
чающего) элемента dA к площади его проекции cosa-dA на- плос-
кость, перпендикулярную заданному направлению а, /3, т.е.
di., „	dle „
Ц, =-------^—\кд!м2}-, Le =-------^—[Вт/ср-м2].
а-Р cosa-dA	а’& cosa-dA
Таким образом, интенсивность оптического излучения харак-
теризуется его потоком (мощностью) или величинами, связанными
с потоком так называемым геометрическим фактором G, который
для силы света, яркости и освещенности введен, чтобы стандарти-
зовать не только определения этих величин, но и «геометрию их
измерения», т.е. соотношения между размерами излучающей по-
59
верхности объекта, чувствительного элемента датчика и направле-
нием распространения «элементарного» потока излучения.
При этом всегда следует помнить, что, несмотря на практиче-
ски полную идентичность формул для аналогичных световых и
энергетических величин (разница только в единицах измерения), их
измерения связаны с определенной спецификой датчиков, о которой
Рис. 4.1. Сила света /а р в двух различных меридиональных плоскостях
Оптические величины, характеризующие спектр излучения
Мы уже познакомились с «грубой оценкой» в виде трех спек-
тральных диапазонов: УФ, видимого и ИК излучения. Однако этого
достаточно лишь для общего представления о свойствах излучения
того или иного диапазона, а нам ведь нужно что-то измерять, чтобы
судить о спектре. Можно заведомо предположить, что и датчики не
только для каждого из этих диапазонов, но даже и в пределах любо-
го из них должны обладать определенными свойствами, чтобы «не
навредить» при восприятии излучения, не исказить его «натураль-
ный» спектральный состав. Поэтому нам придется более подробно
поговорить о спектрах оптического излучения и характеризующих
их величинах.
Одной из основных величин, характеризующих спектр излу-
чения и позволяющих оценить его ширину, является степень моно-
хроматичности. Правда, это скорее качественная^ чем количест-
венная характеристика, но понятная: чем «монохроматичнее» излу-
60
чение, тем выше степень его монохроматичности. Количественной
мерой монохроматичности является ширина спектральной линии.
Итак, что же такое монохроматическое излучение? В перево-
де с греческого это означает одноцветное излучение (monos - один
и chroma - цвет), т.е. электромагнитное излучение одной опреде-
ленной и строго постоянной частоты V. Такое излучение характери-
зуется гармонической волной с присущей ей спектральной линией
излучения, но, к сожалению, нереализуемой чисто физически по
ряду причин, обсуждение которых усложнит изложение материала
и поэтому здесь не проводится.
Как же определить степень монохроматичности излучения,
т.е., по существу, найти меру его немонохроматичности? Такой ме-
рой и является ширина спектральной линии. Очевидно, что для
идеализированного случая монохроматического излучения эту ши-
рину чисто условно можно считать не равной нулю, но в пределе к
нему стремящейся! В реальных излучателях ширина спектральной
линии, выражаемая в единицах круговой частоты 3<о(с1), частоты
5у(Гц), длины волны SX(hm), заведомо отлична от нуля и различна
для разных типов источников.
Поэтому специалисты условились все источники оптического
излучения делить на две группы:
•	источники однородного излучения (в физике его именуют
квазимонохроматическим, т.е. почти или практически моно-
хроматическим), под которым подразумевается излучение, эк-
вивалентное монохроматическому в пределах точности, опре-
деляемой практикой светотехнических расчетов и измерений;
•	источники сложного излучения, отличающегося от однород-
ного тем, что оно представляет совокупность большего или
меньшего числа однородных излучений.
Сложным излучение назвали недаром, поскольку его характер
во многом определяется видом спектра. Спектры сложного излуче-
ния могут быть линейчатыми (в виде совокупности очень узких,
обычно квазимоиохроматических спектральных линий), полосаты-
ми (в виде совокупности спектральных полос разной ширины) или
сплошными. Не углубляясь в подробности, сообщим читателю
лишь о том, что источниками монохроматического излучения
(опять же условно!) можно считать газовые лазеры, квазимонохро-
матического (однородного) - светоизлучающие диоды и полупро-
водниковые лазеры, а источниками излучения сплошного спектра
61
служат естественные излучатели (Солнце, Луна), а также многие
типы ламп и нагретые тела.
Так что же должно интересовать экспериментатора при изме-
рении спектрального состава оптического излучения? Правильно,
зависимости интенсивности излучения (неважно, будут ли это спек-
тральные линии, полосы или участки сплошного спектра) от часто-
ты v или длины волны А. Как же найти эту зависимость? Очевидно,
правильнее всего найти подходящий датчик и ввести его в состав
измерительного прибора или устройства, чтобы обеспечить
«скольжение» по спектру, «выхватывая» при каждом «шаге» датчи-
ка участок спектра с однородным (квазимонохроматическим) пото-
ком АФек. сосредоточенным в узком интервале длин волн ДА, «вы-
резаемом» нашим датчиком или прибором в целом. Это «скольже-
ние» именуется сканированием спектра, а «шаг» — разрешающей
способностью датчика в составе спектрального прибора. Отноше-
ние же ДФех к ДА называется спектральной плотностью потока
А cP 7 з	_।
излучения (ре 1 =-----[Вт-мкм ].
дя
Для повышения точности измерения (преобразования) <ре>
стремятся к возможно меньшей ширине участка спектра ДА и в пре-
АФ^ ЛФел
деле (pei = пт -------— =------, где аФС; - поток монохрома-
ДА—>0 ДА dA
тического излучения.
Эту задачу как раз и решают соответствующие оптические
датчики, с которыми мы познакомимся в дальнейшем.
У читателя может возникнуть естественный вопрос: так кому
же нужны эти величины? Что дает, например, знание (рс> источника
излучения? Оказывается, многое, так как позволяет метрологически
грамотно разрабатывать и использовать методы и средства измере-
ний интенсивностных величин, частоты v и длины волны А, а также
создавать самые точные в мире установки, воспроизводящие еди-
ницы важнейших оптических величин и именуемые государствен-
ными или национальными эталонами.
Таким образом, мы познакомились с двумя видами распреде-
лений потока излучения — пространственным и спектральным.
В обоих случаях мы имеем дело с соответствующей плотностью
потока — пространственной или спектральной, причем «в погоне» за
62
точностью преобразования (и, следовательно, измерения) стремятся
предельно уменьшить либо площадку, либо интервал длин волн,
«вырезающие» приходящиеся на них элементарные потоки.
До сих пор мы вели речь о преобразовании оптической вели-
чины в статическом режиме, считая ее неизменной в течение про-
цесса измерений. Однако в последние десятилетия появилось ог-
ромное число измерительных задач, требующих решения в динами-
ческих режимах. Эти задачи особенно актуальны, когда экспери-
ментаторы сталкиваются с так называемыми быстропротекающими
процессами, где оптические величины однократно или многократно
меняются в течение временных интервалов длительностью даже до
1(У15 секунды! При этом приходится «отслеживать» изменение этой
величины в реальном масштабе времени. Это, например, означает,
что датчик должен обладать столь малой инерционностью, чтобы
форма электрического импульса на его выходе достаточно точно
отображала форму оптического импульса на входе.
Следовательно, и здесь мы имеем дело с распределением ин-
тенсивности оптической величины, но уже не в пространстве или по
спектру, а во времени. При этом быстропротекающий процесс может
быть «врожденным» для источника излучения, т.е. проистекать из
принципа формирования импульса или серии импульсов излучаю-
щей средой. Однако во многих случаях приходится искусственно
формировать импульсное излучение из непрерывного с помощью
специализированных оптических преобразователей-модуляторов и
сканаторов, а нередко и с использованием оптических затворов.
Вот, пожалуй, пока все, что следовало рассказать об измеряе-
мых величинах, характеризующих оптическое излучение в свобод-
ном пространстве. Однако не меньший интерес вызывает поведение
оптического излучения, падающего на среду (вещество, материал),
оптические свойства которой отличны от таковых, присущих, на-
пример, воздуху. Что же оно «вытворяет» на границе двух одно-
родных сред, а затем, проходя сквозь среду, на которую оно упало?
Вспомним из школьного курса физики о явлении преломле-
ния света при прохождении через границу двух различных одно-
родных изотропных сред. Каждая из этих сред характеризуется аб-
солютным показателем преломления света (/ц или п2). Этот пока-
затель равен отношению скорости света с в вакууме к фазовой ско-
рости световой волны в данной среде с, или с2, т.е. = с/с\ и
/?2 = с’/с2 . (О фазовой скорости, т.е. о скорости перемещения фазы
63
волны в определенном направлении, можно многое рассказать от-
дельно, ибо имеет место парадокс: фазовая скорость электромаг-
нитной волны при определенных условиях может превзойти ско-
рость света в вакууме, являющуюся фундаментальной физической
константой.)
Отношение «21 — пг/п\ является относительным показателем
преломления света на границе двух сред, характеризующим сте-
пень его отклонения от первоначального направления распростра-
нения в первой среде. Если обозначить через <Pi и <р2 соответственно
углы (относительно перпендикуляра к поверхности раздела сред)
падения и преломления, то • sin <ру = п2 ' sin<p2.
Измерения показателя преломления n2i играют большую роль
при оценке качества твердых и жидких сред во многих отраслях
промышленности. Показатель преломления как оптическая харак-
теристика среды часто используется при физико-химических анали-
зах. Его измерения осуществляются рефрактометрами, в состав ко-
торых входят соответствующие датчики.
Вместе с тем падение светового (да и лучистого тоже!) потока
из воздуха на границу раздела двух сред сопровождается явлением
отражения части этого потока, а распространение оставшейся части
потока до ее выхода из второй (разумеется, прозрачной) среды не
обходится без частичного (а часто и полного!) поглощения этой сре-
дой оптического излучения. Характеристиками этих явлений служат
соответственно коэффициенты отражения р и пропускания т. И оба
этих коэффициента «приносят колоссальную пользу» при проведе-
нии физико-химических экспериментов. Более того, все три харак-
теристики среды - п, р и т - зависят от спектрального состава опти-
ческого излучения и изменяются с длиной волны. В этих случаях их
именуют спектральными коэффициентами. Небезынтересно, что
именно спектральный коэффициент отражения в видимой области
оптического излучения является характеристикой цвета! Кстати, не
следует забывать и о поглощении излучения веществом, характери-
зуемом коэффициентом поглощения ос.
Следовательно, и эти коэффициенты нужно измерять, а вос-
принимать соответствующее излучение должны... правильно, дат-
чики!
Полезно запомнить, что р +т + а - 1, т.е., измеряя р и т, мы
можем определить ос.
64
Подведем некоторые итоги. Прежде и важнее всего необхо-
димо отметить, что при измерениях и в свободном пространстве, и в
оптически прозрачной среде с большим, чем единица, показателем
преломления воспринимаемой датчиком оптической величиной
служит часть потока излучения, «ограниченная» геометрическим
фактором, спектральным или временным интервалом, а также дос-
таточно часто ослабленная по интенсивности.
Следующим важнейшим учитываемым фактором является
спектральный диапазон. Если измерения, а следовательно, и вос-
приятие с последующим преобразованием оптической величины
выполняются в видимом диапазоне длин волн, то датчик должен
быть «приспособлен» или, выражаясь более научно, адаптирован к
свойствам глаза воспринимать световые величины, т.е. необходимо
ориентироваться при построении датчика на зрительное ощуще-
ние человека.
В УФ и ИК диапазонах спектра к датчикам оптических вели-
чин предъявляются иные требования, о которых речь впереди.
Специфической особенностью датчиков оптических величин
является их дополнительная, предшествующая непосредственному
преобразованию оптической величины в электрический сигнал
функция формирования пучка оптического излучения, обеспечи-
вающего согласование его характеристик с размерами чувствитель-
ного элемента датчика, диапазоном интенсивностей преобразова-
ния, инерционностью (при импульсных режимах работы) и спек-
тром воспринимаемого излучения. Во многих случаях часть этих
функций (в первую очередь геометрического согласования) «ло-
жится на плечи» излучателя и соответствующие устройства, реали-
зующие эти функции оптического трансформирования пучка. По-
этому их не относят к элементам датчика В противном случае, осо-
бенно когда такие формирователи пучка встраиваются в конструк-
тив датчика, они составляют его неотъемлемую часть, а сам датчик
оптической величины нередко именуют измерительной головкой
(ИГ), причем фотометрической (ФГ), если она предназначена для
работы в видимом диапазоне длин волн, или радиометрической
(РГ), когда речь идет об УФ и ИК диапазонах спектра.
Все сказанное означает, что ИГ может состоять либо из одно-
го датчика, преобразующего оптическую величину непосредствен-
но, без промежуточного формирования пучка, в электрический сиг-
нал, либо из двух датчиков, первый из которых и играет роль этого
65
«оптического трансформатора». Поэтому в дальнейшем мы позна-
комимся с оптическими и оптико-электрическими датчиками, вхо-
дящими в состав ИГ.
Но начнем мы с «хвоста» ИГ и будем перемещаться к ее «го-
ловке», т.е. сначала познакомимся с оптико-электрическими, а за-
тем с оптическими датчиками.
4.2. Оптико-электрические датчики
4.2.1. Основные сведения
Выбор такого направления «движения от хвоста к голове» ИГ
не случаен: именно этот ее элемент, базирующийся на приемнике
оптического излучения и преобразующий входную для него опти-
ческую величину в электрический измерительный сигнал, является,
по существу, основным элементом не только ИГ, но в целом сред-
ства измерений, от которого зависит не только точность получаемо-
го результата, но и ряд других свойств и параметров прибора, обес-
печивающих эффективность и качество измерительного процесса.
Сразу оговоримся: существует достаточное количество раз-
личных сред, веществ и материалов, реагирующих на падающее на
них оптическое излучение и преобразующих его интенсивность
в сигнал, который можно зарегистрировать. Следовательно, на их
основе в принципе можно создать приемники излучения. Законен
вопрос: а датчики? Оказывается, что хотя в принципе это тоже воз-
можно, но нецелесообразно, поскольку требования к современному
датчику оптических величин столь обширны и разнообразны, что
далеко не всякий приемник излучения пригоден для создания ИГ на
его основе.	>
В результате более чем полувекового опыта разработок и
применений датчиков оптических величин специалисты единодуш-
но пришли к выводу о том, что в качестве оптико-электрических
датчиков в ИГ следует применять приемники излучения тепловой
и фотонной групп (да и то не все!).
Приемники тепловой группы (чаще именуемые просто тепло-
выми приемниками оптического излучения) реализуют принцип
двукратного преобразования: сначала энергия или мощность опти-
ческого излучения воспринимающим его приемным элементом
преобразуется в тепло, а затем происходит преобразование чувстви-
тельным элементом теплового потока в функционально связанное
с ним изменение активной (термоЭДС, ток. заряд) или пассивной
66
(электрическое сопротивление или электрическая емкость) величи-
ны. Наибольшее распространение в качестве датчиков оптических
величин получили термоэлементы, болометры, пироприемники. Да-
лее мы более подробно познакомимся с датчиками этих типов.
Приемники фотонной группы (часто в литературе их называ-
ют и фотонными, и фотоэмиссионными, и фотоэлектрическими
приемниками) реализуют принцип однократного преобразования
энергии или мощности оптического излучения воспринимающим ее
фоточувствительным (корневое слово не фотография, а фотон!)
слоем чувствительного элемента приемника в функционально свя-
занное с ним изменение активной (фотоЭДС или фототок) или пас-
сивной (электрическое сопротивление) величины. Наибольшее рас-
пространение в качестве датчиков оптических величин получили
фотодиоды, фоторезисторы и фотоэлектронные умножители (о них
речь пойдет далее).
Прежде чем начать знакомиться с тепловыми и фотонными
приемниками излучения как основными составными частями ИГ,
уделим внимание их некоторым общим и вместе с тем отличитель-
ным классификационным свойствам и техническим характеристи-
кам. Начнем с таких двух понятий, как избирательность (или се-
лективность) и инерционность. Первое из них характеризует вос-
приимчивость приемника излучения к спектральному составу по-
следнего, а второе говорит нам о быстродействии датчика при вос-
приятии изменяющихся во времени лучистых потоков.
Для многих измерительных задач важно различие между се-
лективными и неселективными оптико-электрическими датчиками
в составе ИГ. Что же означает это понятие? Дело в том, что в зави-
симости от физического принципа восприятия лучистого (или све-
тового) потока приемником излучения и последующего преобразо-
вания в электрическую величину выходной сигнал явдяется той или
иной функцией длины волны излучения. Эта функция, обозначае-
мая как s(A,), называется спектральной чувствительностью опти-
ко-электрического измерительного преобразователя, хотя правиль-
нее было бы ее считать спектральной характеристикой чувстви-
тельности. Избирательность приемника как раз и характеризуется
этой зависимостью s(X). Если она плоская, т.е. функция s(k) строго
параллельна оси абсцисс, по которой отложены длины волн Л, то
данный приемник излучения идеально неселективен (неизбирате-
лен). Таких приемников (а следовательно, и датчиков) в природе не
67
существует. Однако практически неселективные датчики реализо-
ваны на основе тепловых приемников излучения специальной кон-
струкции. Формирование требуемой спектральной чувствительно-
сти достигается обычно путем оснащения ИГ оптическим фильт-
ром, располагаемым перед приемником излучения (чаще всего фо-
тонным) и «вырезающим» из спектра входного излучения требуе-
мую спектральную полосу, согласуемую со спектральной чувстви-
тельностью расположенного за фильтром оптико-электрического
датчика, либо использованием специальных конструктивных прие-
мов при проектировании теплового датчика, «выравнивающих» его
спектральную характеристику. Следовательно, в этом случае речь
идет о спектральной чувствительности ИГ в целом.
Инерционность датчика предопределяет его быстродействие
и, следовательно, возможность измерительного преобразования из-
меняющихся во времени потоков излучения с требуемой точно-
стью. Для оценки инерционности приемника излучения как таково-
го, но чаще всего включенного в измерительную цепь, пользуются
постоянной времени т или откликом (выходным сигналом) при по-
даче на вход датчика ступенчатого оптического воздействия либо
предельно короткого оптического импульса. При этом постоянной
времени служит величина, характеризующая скорость возрастания
или убывания сигналов (обычно в 2,73 раза), изменяющихся по экс-
поненциальному закону. Если после подачи на вход ступенчатого
(скачкообразного) сигнала наблюдать за нарастанием (обычно по
экспоненте) выходного сигнала до определенного уровня по отно-
шению к максимальному значению (например, 0,9 от максимума),
то получим так называемую переходную характеристику с при-
сущим для данной ИГ с измерительной схемой временем нараста-
ния. Подавая на вход датчика предельно возможный короткий им-
пульс, на выходе получим электрический импульс, форма и дли-
тельность которого отображают импульсную переходную харак-
теристику.
Если датчик и подключенная к нему измерительная цепь ли-
нейны, т.е. в пределах преобразования оптической величины отно-
шение к ней выходного сигнала (вспомним, что это и есть чувстви-
тельность!) остается практически постоянным (с учетом точности
выполнения эксперимента), то все три приведенные ранее характе-
ристики инерционности «эквивалентны», поскольку легко пересчи-
тываются одна в другую.
68
Пока мы рассматривали не количественные, а качественные,
т.е., по существу, «описательные» понятия. Попробуем ознакомить-
ся хотя бы с основными количественными характеристиками, по
которым можно составить «портрет» ИГ, но главное — ее оптико-
электрического датчика.
Важнейшей характеристикой любой ИГ является зависимость
электрической величины на выходе оптико-электрического датчика,
отображающей реакцию ИГ (например, электрический ток или на-
пряжение), от воспринимаемой ею входной световой (фотометриче-
ской) или энергетической (радиометрической) величины.
В первом из этих двух случаев у фотометрической головки
эта зависимость носит название световой характеристики. Во вто-
ром случае ей присвоено название характеристики преобразова-
ния (часто применяемое также при световых измерениях с помо-
щью ФГ).
Выберем на этой (любой из двух) характеристике так назы-
ваемую рабочую точку, в которой определяемому значению вход-
ной оптической величины, отложенному по оси абсцисс, соответст-
вует ордината - значение выходной величины. Дадим входной ве-
личине небольшое приращение. Наша ИГ должна на него отреаги-
ровать также небольшим приращением выходной величины. Отно-
шение второго приращения к первому обозначается буквой .v и име-
нуется чувствительностью ИГ. В технической литературе про-
шлых лет эту характеристику называли также коэффициентом пре-
образования Кпр измерительной головки.
Если световая характеристика или характеристика преобразо-
вания линейны в рабочем диапазоне интенсивностей (т.е. диапазоне
измерения выходной величины), то чувствительность ИГ оказыва-
ется постоянной. Это означает, что х = const (или Knp = const). Од-
нако идеально линейной характеристики не бывает, поэтому равен-
ство s = const следует воспринимать для реальных ИГ как .v ~ const,
а некоторая нелинейность характеристики является одним из ис-
точников неточности преобразования датчиком входной величины
в выходную.
О селективности и спектральной чувствительности ИГ мы
уже говорили ранее. Конкретизируя зависимость характеристики
преобразования от длины волны, мы вынуждены ввести или уточ-
нить несколько понятий, а именно:
69
•	отклик i, ИГ на поток монохроматического излучения на-
зывается спектральной чувствительностью	= —— или
di^ / d<t>j в зависимости от того, считаем ли мы характери-
стику преобразования линейной (первая формула) или все-таки
учитываем остаточную ее нелинейность (вторая формула);
•	зависимость спектральной чувствительности sx от длины вол-
ны Л в рабочем для данного датчика спектральном диапазоне
именуют абсолютной спектральной характеристикой
uU);
•	зависимость спектральной чувствительности sx от длины вол-
ны Л в рабочем для данного датчика спектральном диапазоне,
отнесенную к максимальному значению \niax, именуют отно-
сительной спектральной характеристикой (Л) / max •
Примечание: при измерениях потока излучения или производных от него
величин (световых или энергетических), когда не требуется учитывать
спектральный состав лучистого потока, характеристику преобразования и
чувствительность ИГ нередко именуют не спектральными, а интеграль-
ными.
Об инерционности ИГ мы ранее говорили вполне достаточно.
Необходимо не забыть еще об одной весьма важной характеристике
ИГ, а точнее — о характеристике ее оптико-электрического датчика.
Речь идет о так называемой зонной характеристике. Прежде всего,
что означает слово «зонная»? Оказывается, что как бы тщательно
ни конструировался и изготавливался приемник излучения, входя-
щий в качестве оптико-электрического датчика в состав ИГ, его
чувствительность к падающему потоку в разных «зонах», т.е. уча-
стках площади приемной поверхности, неодинакова. Это особенно
неприятно, когда воспринимается узкий пучок излучения, попереч-
ный размер которого меньше площади приемной поверхности, так
как нельзя гарантировать его попадание каждый раз в одну и ту же
«зону».
Поэтому путем «зондирования» приемной поверхности дат-
чика предельно узким по отношению к ее площади пучком опреде-
ляют распределение в декартовых координатах чувствительности
приемника излучения и получают такую своеобразную «карту»,
70
именуемую зонной характеристикой. Важно, чтобы за все время
эксплуатации ИГ зонная характеристика сохранялась практически
неизменной, тогда и в целом чувствительность ИГ можно было бы
считать постоянной (если, разумеется, на ее стабильность не влия-
ют другие факторы!). Зонная характеристика служит своеобразной
«записью в паспорте» ИГ наравне с ее характеристикой преобразо-
вания, спектральной и временной характеристиками.
Таким образом, мы обрисовали основные, обычно нормируе-
мые параметры и характеристики ИГ, считающиеся метрологиче-
скими, т.е. предопределяющими качество измерений, выполняемых
с применением рассматриваемого датчика.
4.2.2. Оптико-электрические датчики тепловой группы
Напомним, что датчик тепловой группы состоит из приемного
и чувствительного элементов. (Приемный элемент часто именуется
поглотителем.) При выборе как принципов построения этих элемен-
тов, так и характера их взаимосвязи между собой исходят из кон-
кретных требований к свойствам датчиков в целом. Этот выбор в
большинстве случаев определяется тем, для преобразования какой
величины будет использоваться датчик - энергии одиночных им-
пульсов или мощности непрерывного либо импульсно-
модулированного излучения; каковы интенсивность преобразуемых
величин, их пространственная плотность и распределение этой
плотности в поперечном сечении пучка; размеры сечений пучков;
спектральный диапазон излучения и вытекающие отсюда требова-
ния к селективности датчика; его быстродействие и, что обычно
важнее всего, какова предельно допустимая погрешность преобра-
зования.
Тех, кто заинтересуется подробной классификацией тепловых
датчиков по перечисленным признакам, мы адресуем к [9], здесь же
кратко опишем три наиболее распространенных типа тепловых дат-
чиков.
Термоэлектрические датчики
Обычно эти датчики называют термоэлементами. О термо-
парах и возникающих на их зажимах термоЭДС мы уже говорили,
поэтому не стоит повторно описывать тот же принцип действия
и эффект Зеебека, на котором он базируется. В целях повышения
чувствительности датчика определенное количество металлических
71
или полупроводниковых термопар соединяется последовательно
и образует термобатарею. Однако все не так просто... Чувствитель-
ность термоэлемента зависит от трех влияющих на нее факторов:
коэффициента Зеебека, излучающей способности поглотителя и те-
плопроводности подводящих проводов, соединяющих спаи между
собой и с микровольтметром. Многолетний опыт проектирования
и эксплуатации термоэлектрических преобразователей интенсивно-
сти оптического излучения показал, что увеличение чувствительно-
сти такого датчика требует выбора материалов с предельно воз-
можным значением коэффициента Зеебека (например, спай висмут-
сурьма), увеличения излучательной (и соответственно поглоща-
тельной) способности поглотителя (к примеру, путем его чернения),
минимизации теплопроводности подводящих проводов и массы по-
глотителя. Измерительной цепью служит обычно милливольтметр,
показания которого соответствуют термоЭДС.
Болометрические датчики
В отличие от термоэлемента, являющегося, как мы уже знаем
из предыдущего, генераторным датчиком, болометрический датчик
принадлежит к группе параметрических датчиков, поскольку при
нагревании его оптическим излучением изменяемой выходной ве-
личиной служит электрическое сопротивление. Металлические бо-
лометры из платины или никеля все чаще заменяются термистора-
ми, основу которых составляют оксиды никеля, магния, кобальта,
имеющие более низкую теплоемкость и более высокий температур-
ный коэффициент сопротивления, что обеспечивает датчику боль-
шую чувствительность. Например, при комнатной температуре у
металлов этот коэффициент равен -0,005/ °C, а у термисторов -
0,06/ °C, т.е. на порядок выше. Как видно, термисторы являются по-
лупроводниками, и их температурный коэффициент сопротивления
отрицателен. Все чаще болометры изготавливаются из Ge, Si, AsSe3.
Криогенные температуры способствуют улучшению ряда ха-
рактеристик и параметров болометров: увеличивается температур-
ный коэффициент сопротивления, уменьшается теплоемкость, по-
давляются источники зависящих от температуры шумов. Более то-
го, сверхнизкие температуры существенно увеличивают сопротив-
ление полупроводниковых болометров, что облегчает условия их
согласования с электронными схемами.
Возможность работы болометрических датчиков при криоген-
ных температурах позволила создать сверхпроводящие болометры.
72
Они работают при температурах перехода полупроводников, когда
при изменении температуры их сопротивление меняется скачкооб-
разно и благодаря этому существенно увеличивается чувствитель-
ность и снижается ее порог.
Однако серьезным недостатком сверхпроводящих болометров
является необходимость строгого контроля и стабилизации их ра-
бочей температуры во избежание нежелательных отклонений со-
противления от номинала.
В последние годы разработаны высокотемпературные сверх-
проводящие материалы для болометров, в частности бариево-
медный оксид иттрия.
Измерительная схема обычно представляет собой ординар-
ный (четырехплечий) мост (мост Уинстона). Здесь также падающий
лучистый поток преобразуется поглотителем в тепло, воздействую-
щее на включенный в плечо моста резистор. В современных боло-
метрических датчиках в противоположные плечи моста включаются
по одному идентичному поглощающему резистору, но один из них
экранируется от измеряемого лучистого потока, чем достигается
независимость в определенных пределах выходной величины боло-
метра от изменений температуры.
Пироэлектрические датчики
В датчиках этого типа чувствительным элементом служит
ферроэлектрический поглотитель падающего потока излучения.
Ферроэлектрические материалы обладают постоянным внутренним
дипольным моментом. Это означает, что атомные диполи вещества
имеют предпочтительное направление электрической поляризации
даже в отсутствие внешнего приложенного к материалу электриче-
ского поля.
При любой температуре ниже точки Кюри внутренняя поля-
ризация ферроэлектрика никак себя не проявляет на поверхности,
поскольку ее влияние компенсируется свободными носителями за-
рядов внутри или вне материала, мигрирующими к поверхностям.
Изменения температуры вызывают соответствующие изменения
поляризации, порождающие подлежащие измерению вариации по-
верхностного заряда. В сочетании с подходящей электронной схе-
мой такой чувствительный элемент образует пироэлектрический
датчик, выходной величиной которого являются электрический ток
или напряжение, пропорциональные скорое™ изменения темпера-
73
туры. Интенсивность выходного сигнала такого датчика непосред-
ственно зависит от площади приемной поверхности поглотителя,
пироэлектрического коэффициента dPtdT (Р - поляризация, Т —
температура) и сопротивления нагрузки.
Все рассмотренные ранее термодинамические факторы (излу-
чательная способность, теплоемкость, теплопроводность) влияют на
пироэлектрический датчик аналогично их влиянию на термоэле-
менты и болометры.
Преобразователи этого типа не реагируют на неизменные во
времени (постоянные) потоки излучения, лишь прерывание, моду-
ляция, а также пульсации (импульсный режим) и перемещение
в пространстве лучистого потока приводят к изменению темпера-
туры поглотителя. Несмотря на то, что пироэлектрические датчики
относятся к тепловой группе, их инерционность может быть доста-
точно малой, т.е. они способны работать в широком диапазоне час-
тот изменения входного излучения.
Ферроэлектрические поглотители для наиболее чувствитель-
ных пироэлектрических датчиков изготавливаются из нецентро-
симметричных диэлектриков (например, триглицинсульфата - ТГС,
ниобата или танталата лития). Кроме того, нередко используются
керамика PZT или пластмассовые пленки из поливинилиденфтори-
да. И этот тип датчиков относится к группе генераторных.
Разумеется, одним из основных устремлений разработчиков и
пользователей датчиков тепловой группы всегда являлось получе-
ние возможно большей точности преобразования интенсивности
оптического излучения, т.е. его мощности или энергии. Как же это-
го добиться с учетом сложности протекания в датчике теплового
процесса? (Об остальных влияющих на точность преобразования
факторах мы здесь не говорим.) Здесь на помощь приходит наука о
точных измерениях — метрология, в «арсенале» которой наличест-
вует метод замещения. Это означает, что когда в одном и том же
преобразователе неизвестную величину можно на какое-то время
«заместить» той же величиной (даже другой физической природы),
но точно известного размера, близкого к размеру измеряемой вели-
чины, то по разностному сигналу на выходе преобразователя можно
судить о близости размеров и о точности результата преобразования.
Именно так поступают разработчики при создании высоко-
точных оптико-электрических измерительных преобразователей
тепловой группы, предусматривая в конструкции преобразователя
74
обмотку (катушку) замещения, по которой от внешнего источника
пропускается постоянный или переменный ток низкой частоты при
известном падении напряжения на зажимах обмотки. Поскольку эти
электрические величины мы умеем измерять с весьма высокой точ-
ностью, то при равенстве выходных сигналов преобразователя сна-
чала от воздействия на него электрической мощности или энергии,
а затем практически равной ей соответствующей оптической вели-
чины можно утверждать, что преобразователь оказывается калиб-
рованным в единицах мощности или энергии с высокой точностью.
Конструктору нужно лишь так рассчитать преобразователь, чтобы
пути прохождения теплового потока от оптического и электриче-
ского воздействий были предельно идентичными.
4.2.3.Оптико-электрические датчики фотонной группы
Основой фотонного принципа измерительного преобразова-
ния интенсивности оптического излучения является поглощение
приемной поверхностью датчика фотона, сопровождаемое электри-
чески регистрируемым переходом носителей заряда на более высо-
кие энергетические уровни. Этот процесс происходит в приемнике
оптического излучения и называется фотоэффектом. Если прием-
ник излучения, часто именуемый фотоприемником, калиброван в
единицах интенсивности (с учетом его спектральных и временных
свойств, а также упомянутой ранее зонной характеристики), то он
считается измерительным преобразователем или датчиком соответ-
ствующей оптической величины.
Фотоприемники (ФП) делятся на две основные подгруппы: с
внешним и с внутренним фотоэффектом. Выходной электрический
сигнал таких фотоприемников зависит не от мощности падающего
излучения, а от количества квантов излучения и энергии каждого
кванта.
К фотонным ФП, основанным на внешнем фотоэффекте, от-
носятся фотоэмиссионные приборы - фотоэлементы, фотоэлек-
тронные умножители (ФЭУ), электронно-оптические преобразова-
тели, телевизионные трубки. Два последних типа ФП находяз ши-
рокое применение при преобразовании оптических изображений, и
здесь мы их рассматривать не будем, равно как и фотоэлементы,
практически вышедшие из употребления в качестве именно измери-
тельных преобразователей (о системах оповещения и сигнализации,
где их продолжают применять, речь не идет).
75
К фотонным ФП, основанным на внутреннем фотоэффекте,
относятся фотоэлектрические полупроводниковые ФП и ФП с
р-п-переходами (опять же напомним читателю, что мы ограничи-
ваемся лишь теми ФП, которые служат основой современных опти-
ко-электрических датчиков фотонной группы). Здесь следует оста-
новиться на двух типах ФП - фоторезисторах (ФР) и фотодиодах
(ФД).
Очевидно, читателю хорошо известно, что ФЭУ отличается от
фотоэлемента, состоящего из катода и анода, наличием динодной
(умножительной) системы, состоящей из некоторого количества
каскадов усиления фототока, возникающего между катодом и пер-
вым динодом (разумеется, «внутренности» как фотоэлемента, так
и ФЭУ заключены в герметизированный корпус). Чувствительность
ФЭУ достаточно высока и в максимуме спектральной характери-
стики (а эти ФП, к сожалению, весьма селективны и работают толь-
ко в части УФ диапазона, в видимом диапазоне и в примыкающем к
нему небольшом участке спектра ИК излучения) может достигать
~105 A/Вт. Нижний предел его чувствительности (порог чувстви-
тельности) ограничен шумами и темновыми токами (т.е. сигнала-
ми, наличествующими на выходе ФЭУ при отсутствии воздействия
входной величины). Быстродействие современных ФЭУ достаточно
велико: постоянная времени т находится в пределах (30-1) нс.
«Неприятной» для пользователя особенностью ФЭУ является
необходимость создания между катодом и анодом разности потен-
циалов порядка 1000-2000 В, что требует использования высоко-
вольтного источника питания. Однако наиболее современные ФЭУ
(в частности, разработки и производства японской фирмы Хамамат-
су) имеют ряд очевидных достоинств, а именно: их срок службы
достигает 104—105 часов при питании ±15 В и потреблении мощно-
сти всего в десятки милливатт.
В общем, ФЭУ в качестве датчика следует применять при не-
обходимости преобразования слабых и сверхслабых лучистых по-
токов как постоянных во времени, так и быстро изменяющихся.
Все более популярным типом динодной системы ФЭУ стала
микроканальная пластина (МКП). Вместо последовательно распо-
ложенных между анодом и катодом динодов многократным дино-
дом служит небольшой стеклянный капиллярный канал, поскольку
в нем электроны неоднократно бьются о стенки, отскакивают от
них, умножаясь в количестве при каждом ударе. Канал имеет внут-
76
ренний диаметр от 6 до 20 мкм, несколько тысяч каналов собирают-
ся в матрицу. Поскольку МКП значительно сокращают путь, прохо-
димый каждым электроном, постоянная времени такого ФЭУ
уменьшается до сотен пикосекунд! Этот датчик относится к разряду
генераторных.
Однако наибольшее распространение в качестве датчиков фо-
тонной группы получили ФР и ФД. Наипростейшим и самым недо-
рогим типом ФП на основе внутреннего фотоэффекта считается фо-
торезистор. Он состоит из тонкой пленки толщиной 50-100 мкм из
сульфида кадмия (CdS), сульфида свинца (PbS) или селенида свин-
ца (PbSe), расположенной между двумя электродами. Часто исполь-
зуются компаунды из CdS с CdSe. При падении на фоторезистор
оптического излучения его сопротивление резко падает (обычно
с сотен мегом и даже единиц гигаом до десятков ом при ярком сол-
нечном освещении). Разность потенциалов между двумя электрода-
ми порождает электрический ток, усиливаемый простейшей, как
правило, стандартной электронной схемой. Таким образом, ФР сле-
дует отнести к параметрическим датчикам. Обычно фоторезисторы
работают в диапазоне плотностей потока (энергетической освещен-
ности) от микроватт до милливатт на квадратный миллиметр, при-
чем наиболее эффективно в видимой области спектра. Несмотря на
их низкую стоимость, простоту, прочность и надежность фоторези-
сторы не обеспечивают высокую точность преобразования, имеют
чаще всего нелинейную характеристику преобразования и доста-
точно инерционны: постоянная времени находится в пределах от
десятков до сотен миллисекунд. Кроме того, постоянные времени
отдельных экземпляров фоторезисторов одного и того же типа мо-
гут отличаться даже в три раза. Однако указанные ранее достоинст-
ва делают фоторезисторы незаменимыми в средствах измерений
невысокой точности, а также в качестве сенсоров в системах кон-
троля и сигнализации.
Более высокие точность, воспроизводимость и быстродейст-
вие обеспечивают фотодиоды. Фотодиод состоит из р-н-перехода
между двумя по-разному легированными полупроводниковыми ма-
териалами. Для видимого диапазона спектра чаще всего использу-
ется легированный кремний. Если к ФД приложено отрицательное
напряжение смещения его рабочего участка характеристики преоб-
разования, то по нему протекает лишь темновой ток, порождаемый
тепловым возбуждением электронов. При падении на ФД потока
77
излучения появляются электрон но-дырочные пары и резко возрас-
тает фототок, пропорциональный интенсивности падающего света.
Фотодиоды обладают очень низким уровнем шума. Это озна-
чает сверхмалый порог чувствительности, что позволяет преобразо-
вывать оптические сигналы с плотностью потока порядка пиковатт
на квадратный миллиметр. Наряду с достаточно высокой воспроиз-
водимостью параметров при серийном производстве, ФД имеют
постоянную времени, достигающую 10 пс. Без напряжения смеще-
ния ФД работает в фотовольтаическом режиме._При работе в каче-
стве датчика падающего на ФД потока этот режим предпочтителен,
так как исключается темновой ток и появляется возможность не
только обнаружения, но и Измерения даже сверхслабых сигналов.
Однако ФД в фотовольтаическом режиме более инерционны, чем
в режиме фотопроводимости.
Выходной ток ФД достаточно мал и нуждается в усилении с
помощью внешних усилителей в виде стандартных интегральных
схем.
Для усиления слабых выходных сигналов ФД можно исполь-
зовать транзистор. Сочетание ФД с транзистором именуется фото-
транзистором, в котором диод на основе коллекторного перехода
при падении потока излучения генерирует ток, усиливаемый тран-
зистором. Для усиления в последующем каскаде эмиттер фототран-
зистора может быть соединен с базой следующего транзистора,
в результате чего образуется фотопара Дарлингтона. Коэффициент
усиления фототранзисторов может достигать 105. Однако фототран-
зисторы более инерционны, чем ФД, поэтому в качестве датчиков
на высоких частотах ФД не имеют конкурентов среди твердотель-
ных ФП. Фотодиоды, несомненно, являются генераторными датчи-
ками. Более подробно с датчиками фотонной группы читатель мо-
жет ознакомиться в монографии [9].
В заключение этого раздела, посвященного оптико-
электрическим датчикам, следует упомянуть о многоэлементных
линейках или матрицах (прямоугольных, квадратных) тепловых или
фотонных единичных преобразователей. Их применяют при преоб-
разовании (и соответственно последующем измерении) распределе-
ния плотности интенсивности в определенной области пространст-
ва, где распространяется излучение, главным образом импульсное.
Выходные сигналы элементов поступают в регистровые системы
считывания информации, обрабатываемой затем компьютером.
78
4.3. Оптические датчики
Прежде всего напомним, что речь идет об элементах ИГ, иг-
рающих роль «оптических трансформаторов», согласующих те или
иные характеристики измеряемого потока излучения с характери-
стиками оптико-электрического датчика. Следовательно, и входная,
и выходная величины оптического датчика являются оптическими
величинами, а сам он служит элементом ИГ! Только о таких датчи-
ках можно с уверенностью сказать, что они и формируют пучок,
и вместе с тем «перекладывают на свои плечи» часть «ответствен-
ности» за точность преобразования ИГ.
Номенклатура таких оптических датчиков с нормированными
метрологическими характеристиками, оказывается, не так уж широ-
ка - это диафрагмы, ослабители оптического излучения и интегри-
рующие сферы. При этом все эти оптические элементы и устройст-
ва должны быть калиброваны либо независимо (тогда это просто
оптические датчики), либо в составе ИГ.
В ИГ устанавливаются калиброванные по площади отверстия
диафрагмы, причем стараются эту площадь измерить и в дальней-
шем сохранить неизменной с возможно большей точностью.
В основе методов и средств нормируемого по точности ос-
лабления интенсивности оптического излучения лежат различные
физические законы. Самый простейший - закон обратных квадра-
тов расстояний, который гласит, что освещенность (равно как и об-
лученность) площади обратно пропорциональна квадрату расстоя-
ния от источника излучения (строго говоря, точечного). По принци-
пу действия к этим же ослабителям примыкают и диффузные рас-
сеиватели излучения, обладающие шероховатой поверхностью.
Интегрирующая сфера (ИС) также может служить для ослаб-
ления вводимого в нее излучения (например, лазерного), причем
коэффициент ослабления А рассчитывается по формуле
л Д.р2(1-д„)
sp
2
где рш = /9(1 — 4сг/л© ); р - коэффициент диффузного отраже-
ния внутренней поверхности сферы; ст - площадь отверстий в сфе-
ре общей площадью 5: и диаметром D.
Широкое применение получили ослабители в виде вращаю-
щегося диска из непрозрачного материала, в котором равномерно
79
по окружности расположены несколько секторных вырезов, сквозь
которые проходит излучение. Формула для расчета коэффициента
ослабления такого ослабителя имеет вид А = 36О/(л-у), где п - чис-
ло секторных вырезов; у- секторный угол.
Если размеры сектора (главным образом - его угла у) измере-
ны достаточно точно, то погрешность устройства при ослаблении
потока в 200-300 раз не превышает нескольких процентов.
Иногда на помощь при создании калиброванных ослабителей
оптического излучения «приходит» закон Бугера-Ламберта-Бэра,
согласно которому соотношение между интенсивностью падающего
J и прошедшего Jnp излучения через слой поглощающего вешества
толщиной d имеет вид J„p-J ‘ad, где а - коэффициент поглощения
вещества, в общем случае зависящий от длины волны излучения.
В качестве поглощающего вещества чаще всего применяются твер-
дые оптические материалы в виде нейтральных и цветных стекол,
реже - растворы с различными концентрациями поглощающих ве-
ществ. Именно такого рода ослабители, именуемые оптическими
фильтрами (а в видимой области спектра - светофильтрами), чаще
всего являются оптическими элементами измерительных головок,
калибруемыми комплексно вместе с датчиком или независимо.
Кстати, оптические фильтры часто используются в качестве
преобразователей спектральных характеристик падающего на них
излучения, «вырезая» требуемый интервал длин волн с целью его
дальнейшего преобразования или, наоборот, подавления, именуе-
мого часто режекцией. Описанные же несколько ранее ослабители с
вращающимся диском с вырезанными в нем секторами нередко
служат преобразователями временных характеристик излучения,
которые нередко называют модуляторами.
***
На рис. 4.2 приведена в качестве примера конструкция высо-
коточной фотометрической головки, а на рис. 4.3 - ее фотография
[9]. В качестве оптико-электрического преобразователя в этом дат-
чике (на снимке рис. 4.3 он показан слева) применен высокоточ-
ный, высокостабильный кремниевый фотодиод. Поскольку ФГ
предназначена для точных измерений световых величин, перед фо-
тодиодом вмонтирован жидкостный светофильтр, корректирующий
(корригирующий) световую характеристику ФГ под функцию V(A).
Падающее (на рис. 4.2 справа налево) излучение проходит сначала
80
сквозь набор входных диафрагм 7, затем через ограничивающую
(апертурную) диафрагму 6 и диффузный рассеиватель 5 и тогда уже
подвергается непосредственно оптико-электрическому преобразо-
ванию с результирующим электрическим сигналом, поступающим
от ФГ по кабелю в электронный блок термостатирования и усиле-
ния (справа на рис. 4.3).
Рис. 4.2. Конструкция высокоточной ФГ:
1 - электрический разъем; 2 - корпус ФГ; 3 - фотодиод; 4 - кювета жидкост-
ного фильтра; 5 - диффузный рассеиватель; 6 - апертурная диафрагма; 7 - на-
бор входных диафрагм
Рис. 4.3. Высокоточная фотометрическая головка:
I - ФН; 2 - электронный блок термостатирования и усиления.
81
Глава 5
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
5.1.	Общие сведения
Прежде чем приступить к описанию волоконно-оптических
датчиков различных принципов действия и назначения, необходимо
ознакомить читателя с некоторыми понятиями и определениями, ко-
торые можно назвать основополагающими применительно к рассмат-
риваемым нами элементам измерительной техники.
Будем считать, что читатель знаком из школьного курса физики
с оптикой, а в повседневной жизни на каждом шагу он сталкивается
и с электроникой - ведь именно на ее элементах и устройствах бази-
руются современные радиоэлектроника, бытовые электронные при-
боры, вычислительная и медицинская техника и пр.
И вот в 1955 г. в американском журнале «Труды института ин-
женеров по электронике и радиотехнике» появилась статья Е. Лоеб-
нера под названием «Оптоэлектронные приборы и схемы», в которой
были описаны характеристики различных оптоэлектронных уст-
ройств связи, получивших название оптронов. В результате на стыке
оптики и электроники возникла новая область науки и техники - оп-
тоэлектроника, которую в последние годы часто именуют фотони-
кой. Именно тогда, с середины 50-х годов, начали решаться вопросы
оптимального соединения оптического и электронного устройств [6].
Ускоренному развитию оптоэлектроники способствовали по-
следовавшие друг за другом два важнейших события:
•	появление в начале 1960-х годов лазеров и в первую очередь —
полупроводниковых;
•	появление в 1970 г. созданного американской фирмой «Кор-
нинг» оптического волокна.
Вкратце познакомимся с этими двумя основными элементами
оптрона. Лазером (вначале его называли оптическим квантовым гене-
ратором) называется устройство, генерирующее когерентные (т.е. со-
гласованные, «шагающие в такт») электромагнитные волны за счет
вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света актив-
ной средой, находящейся в оптическом резонаторе.
Очевидно, это определение лазера нуждается в упрощенной
формулировке; это источник несколько своеобразного излучения, от-
личающегося высокой концентрацией оптической энергии в узкоко-
82
нусном пучке прямолинейной направленности (многие читатели пом-
нят, очевидно, луч гиперболоида инженера Гарина из знаменитого
научно-фантастического романа А. Н. Толстого).
Оптический резонатор представляет собой небольшую часть
пространства, ограниченную двумя, расположенными друг против
друга зеркалами: одно из них «глухое», т.е. полностью отражающее
оптическое излучение, а другое - полупрозрачное, сквозь которое во
внешнее пространство в определенном направлении выходит луч
лазерного излучения. Между зеркалами располагается так называемая
активная среда, которая при определенных условиях ее «возбужде-
ния» внешним источником энергии (оптическим, электрическим и
пр.) генерирует вынужденное (То бишь, лазерное!) излучение. Среда
может быть газовой, твердотельной, жидкостной и, наконец, полу-
проводниковой. Как уже упоминалось, применительно к оптоэлек-
тронике мы будем рассматривать лишь полупроводниковые лазеры.
Оптическое волокно недаром получило такое название: оно
действительно представляет собой цилиндрическую стеклянную нить
(сердечник) с показателем преломления стекла (или другого материа-
ла, из заготовки которого вытягивается нить), вокруг которой распо-
лагается оболочка из материала с показателем преломления чуть
меньшим, чем у материала сердечника. Снаружи на оболочку нано-
сится защитное покрытие. В результате получается световод.
Диаметр сердечника волокна, из которого изготавливаются
ВОД, примерно равен 50 мкм. В волокно вводится излучение источ-
ника (чаще всего полупроводникового лазера или светоизлучающего
диода), воспринимаемое на его противоположном конце оптико-
электрическим преобразователем (фотодиодом или фоторезистором).
Любая измеряемая величина — электрическая или неэлектрическая —
воздействует тем или иным способом на распространяющееся по сер-
дечнику оптическое излучение, изменяя какую-либо его характери-
стику. Поэтому соответствующие ВОД подразделяются на несколько
классов с модуляцией оптического излучения, т.е. с изменением по
заданному закону во времени амплитуды (интенсивности), частоты,
фазы, поляризации или длительности (временных интервалов или
частоты следования оптических импульсов).
В чем же основные преимущества ВОД по сравнению с датчи-
ками других принципов действия? Прежде всего, это нечувствитель-
ность к внешним электромагнитным полям, высокая пропускная спо-
собность, удобство коммутации выходных сигналов, малое погребле-
83
ние электроэнергии, незначительные потери полезного сигнала, вы-
сокая стойкость к вредным воздействиям окружающей среды, взры-
вобезопасность, малые габаритные размеры и масса, а также удобство
и простота стыковки с волоконно-оптическими кабельными линиями
передачи информации, интенсивно заменяющими традиционные ли-
нии связи с металлическими кабелями.
Рассмотрим более подробно основные принципы построения
ВОД нескольких наиболее распространенных классов.
5.2.	Амплитудные ВОД
Эти датчики являются простейшими и, как правило, наиболее
дешевыми. Они по своей чувствительности существенно уступают
некоторым другим преобразователям, однако их широко применяют
во многих отраслях промышленности. Эти ВОД позволяют в ряде
случаев с практически достаточной точностью измерять давление,
механические напряжения, вибрацию, ускорение, напряженность
электрического поля, силу тока, интенсивность гамма-излучения,
температуру и т.д.
Датчики этого класса можно разделить на две группы: разрыв-
ные и безразрывные. К первой группе принадлежат ВОД, в которых
амплитудная модуляция распространяющегося по волокну излучения
осуществляется путем полного или частичного перекрытия пучка
(или его ответвления) с помощью элементов, располагаемых в разры-
вах или в торцах световодов. В ВОД второй группы реализуется ме-
ханизм воздействия на потери излучения, распространяющегося по
сердечнику световода и достигающего фотоприемника, реализующе-
го функцию оптико-электрического преобразователя. Рассмотрим
некоторые примеры, иллюстрирующие основные принципы построе-
ния ВОД обеих групп.
Разрывные ВОД
Один из простейших возможных вариантов - два отрезка во-
локна, расположенных по одной оси и разнесенных на некоторое рас-
стояние друг от друга, т.е. в начальном положении фиксируется рас-
стояние между их противолежащими торцами. Модулирующая вели-
чина (например, линейное или угловое перемещение) воздействует на
один из отрезков, смещая его вдоль, поперек или под углом к их об-
щей оси.
84
В другом варианте в зазор между торцами этих двух отрезков
волокна возвратно-поступательно вводится под воздействием моду-
лирующей измеряемой величины какой-нибудь прерыватель потока
излучения. Им может служить шторка, решетки (в том числе дифрак-
ционные), муаровые растры, оптические клинья, сферические линзы.
Весьма распространено параллельное расположение помещен-
ных рядом двух (иногда трех) отрезков волокна с торцами, находя-
щимися в одной плоскости. На небольшом расстоянии от торцов (за-
зор в несколько сотен микрометров) размещается рефлектор,- соеди-
ненный с модулирующими элементом. По одному из волокон подво-
дится излучение, отражается от модулирующего элемента и через за-
зор попадает на торец (или два торца) световода (световодов), веду-
щий (ведущие) к фотоприемнику (фотоприемникам). Два световода
и соответственно два фотоприемника наличествуют в случае диффе-
ренциальной (разностной) схемы.
Разновидностью такого рефлектометрического ВОД является
преобразователь, в котором используется эффект нарушаемого пол-
ного внутреннего отражения. Здесь подводящий и отводящий излуче-
ние световоды состыкованы с катетными гранями призмы, а между ее
гипотенузной гранью и зеркалом, сочлененным с модулирующим
элементом, образуется варьируемый зазор.
Безразрывные ВОД
Потери мощности оптического излучения при прохождении его
по изогнутому волоконному световоду уже много лет подробно ис-
следуются как теоретически, так и экспериментально. Большой инте-
рес представляет практическое использование изменения потерь
мощности излучения, т.е. амплитудная модуляция путем изгиба све-
товода в ВОД различного назначения, т.е. в так называемых изгибных
ВОД.
Механизм образования изгибных потерь наиболее просто пояс-
няется построением хода лучей в волокне согласно представлениям
геометрической оптики (рис. 5.1).
По сердечнику световода 1 могут распространяться только лу-
чи, угол падения которых на границу сердечник-оболочка
9 > 9С = arcsin(H2/»i),
где 9С - угол полного внутреннего отражения на границе сердечник-
оболочка; п 1, /7э — коэффициенты преломления соответственно серд-
цевины 1 и оболочки 2.
85
Рис. 5.1. Траектория меридионального луча в изогнутом волоконном
световоде со ступенчатым показателем преломления
Если 6 < 0С, лучи выходят в оболочку 2 волокна и происходит
перекачка энергии из направляемых видов колебаний (мод) в моды
оболочки и вытекающие моды. В свою очередь, моды оболочки при
распространении вдоль световода сами могут постепенно преобразо-
вываться в вытекающие моды.
Рассмотрим два вида простейших изгибных ВОД, в которых
используются амплитудная модуляция и прямое оптико-
электрическое преобразование излучения, прошедшего по волокну.
В первом из них на некотором участке волоконного световода,
присоединенного одним своим концом к источнику света (светоизлу-
чающему диоду, лазерному диоду), а другим концом - к фотоприем-
нику, с поверхности сердечника удалены слой защитного покрытия и
оболочка. Протяженность оголенного таким образом участка может
составлять до 15-20 см. В этом месте волокно изогнуто, как показано
на рис. 5.2, а, и часть энергии света, введенного в сердечник волокна,
рассеивается, выходя наружу из сердечника. Количество излученной
энергии зависит от соотношения значений показателя преломления п\
сердечника волокна и показателя преломления их жидкости, находя-
щейся в контакте с оголенным участком световода. Если угол паде-
ния 0 луча на поверхность л изогнутого сердечника (имеющего диа-
метр 2а) будет предельным для траектории луча, который сможет
пройти в световоде через зону изгиба и далее распространяться по
волокну до фотоприемника, то справедливо соотношение
86
0 — arcsinfcos a(R + h) /{R + 2a)],
где a — угол между направлением распространения луча с осью воло-
конного световода; R - радиус изгиба волокна на оголенном участке
его сердечника; h - расстояние между точкой падения луча и грани-
цей области, где с поверхности сердечника не удалена оболочка.
Рис. 5.2. Устройство для измерения показателя преломления жидкости:
а - световодный датчик; б - зависимости угла а от расстояния h
при различных значениях R
Если обозначим через иг показатель преломления оболочки, ко-
торой покрыт неоголенный сердечник и примем, что
/ 2	2~
arcsin - т?2 равен некоторому значению Q, можно записать, что
условие полного внутреннего отражения в зоне s луча, распростра-
няющегося по волокну, определится соотношениями
/i>sin0(/? + 2a)/cosa — R-, 0<h<2a и |б/| = Q
для меридионального луча в плоскости h-a.
Кривые Ij(J = 1,...,5), приведенные на рис. 5.2,6, соответству-
ют h = sin 0(R + 2а)/ cos а — R, где j определяется условием
ho = H9(/? + 2a)H| — R и ccq = arccos[nx(R + 2a)! n^R].
87
Кривые lj строя! по данным экспериментов, и, пользуясь ими и
приведенными выше расчетами, можно вычислить, например, значение
лх показателя преломления жидкости, в которую погружен датчик (при
длине волны Л света, вводимого от источника излучения в датчик).
В ВОД второго вида оголенный от оболочки и изогнутый уча-
сток волоконного световода при погружении в жидкость оказывается
окруженным не воздухом, имеющим показатель преломления п0 = 1,
а средой с показателем преломления, значительно большим единицы.
Это обстоятельство немедленно сказывается на регистрируемой с по-
мощью фотоприемника оптической мощности прошедшего по волок-
ну излучения и таким образом позволяет определить момент начала
погружения ВОД в жидкость.
Под микроизгибами обычно понимают множество местных ис-
кривлений прямого или слабо изогнутого световода, имеющих не-
большую амплитуду отклонения от основной траектории данного
участка световода. Для ВОД характерно наличие согласованных
с длиной волны применяемого излучения регулярно расположенных
микроизгибов значительной кривизны, вызывающих максимальные
потери или изменение потерь света.
Использование периодических микроизгибов световода для ам-
плитудной модуляции света было впервые предложено в 1980 г. Для
этого оптическое волокно помещалось между двумя гребенчатыми
пластинами (рис. 5.3). Сжатие и разведение этих пластин приводят
к изменению изгибов волокна и, следовательно, к затуханию света
в нем.
Рис. 5.3. Изгибы волоконного световода, помещенного между двумя
гребенчатыми пластинами. Траектории лучей, выходящих
наружу из световода вследствие возникновения микроизгибов
88
Рассматривая процессы, происходящие в микроизгибном и из-
гибном ВОД, необходимо отметить следующее:
•	чувствительность микроизгпбных ВОД может быть весьма вы-
сокой, и на практике могут иметь место случаи, когда возникает
необходимость в возможно большей степени использовать это
свойство;
•	с другой стороны, когда в рассматриваемых ВОД к потерям
мощности излучения, вызванным микроизгибами, добавляются
изгибные потери, зависимость отлика ВОД при слишком значи-
тельных давлениях на деформирующие волокно «гребенки»
может стать нелинейной, в результате возникнет необходи-
мость понизить чувствительность ВОД.
Здесь важно отметить, что отличительными особенностями
микроизгпбных ВОД являются простота изготовления, дешевизна
и высокая надежность в условиях эксплуатации. Эти ВОД легко ком-
понуются в распределенные измерительные многоточечные системы,
включающие до нескольких десятков идентичных микроизгибных
преобразователей, размещаемых в различных местах контролируемо-
го объекта
В ряде ВОД используются явления поглощения или рассеяния
света, флуоресценции, возбуждения черепковского излучения. В та-
ких случаях чувствительным элементом ВОД служит либо капсула,
наполненная смесью N2O4 и NO?, поглощение света которой зависит
от температуры, либо световод, легированный специальными отра-
жающими, флуоресцирующими или рассеивающими присадками.
Большим преимуществом амплитудных ВОД является также
возможность повышения помехоустойчивости путем перехода от
аналоговых к цифровым измерениям. Для этого используются линей-
ные или угловые кодирующие устройства. В простейшем случае об-
работки 8-разрядного двоичного числа требуется 8 отрезков светово-
дов, в каждом из которых оптический сигнал может принимать два
значения, соответствующих 0 или I.
5.3.	Волоконно-оптические датчики с модуляцией фазы оп-
тического излучения
Для упрощения дальнейшего изложения назовем их фазовыми
ВОД. Идея применения в ВОД фазовой модуляции, позволяющей ре-
гистрировать различные физические возмущения при изменении фа-
89
зы распространяющегося по волокну излучения, оказалась исключи-
тельно плодотворной.
В ВОД с фазовой модуляцией на световодное волокно воздей-
ствуют регистрируемые физические возмущения (механические на-
пряжения, акустические колебания и др.), вызывая изменения фазы
проходящего по волокну света. Возникающий сдвиг фазы регистри-
руется интерферометром. Устройство ВОД с фазовой модуляцией
значительно сложнее устройства амплитудных ВОД. Фазовые ВОД
дороже амплитудных, но чувствительность фазовых ВОД гораздо
выше. В таких датчиках для наиболее полного использования их пре-
имуществ следует применять оптическое волокно со значительно бо-
лее тонким сердечником диаметром около 5 мкм.
При распределении когерентного света по волоконному свето-
воду, имеющему показатель преломления сердечника п и длину L,
фаза может характеризоваться (в радианах) соотношением <р = Р/г -L,
где Р - постоянная распространения, равная 2л/Хо; Xq - длина волны
света в вакууме, связанная с длиной волны света Л в среде с показате-
лем преломления п соотношением п/Xq = 1/Х. Изменение значений п
или L приводит к изменению фазы.
Оптическая частота составляет около 1014 Гц. Поэтому фото-
приемники, применяемые в световодной технике, нельзя использо-
вать для непосредственной регистрации результатов фазовой модуля-
ции. Необходимо в устройствах рассматриваемого вида пользоваться
специальными преобразователями, чтобы в конечном итоге иметь
возможность наиболее точно измерять сдвиг фазы. Иначе говоря, не-
обходимо отображать результаты фазовой модуляции, приводя их к
результатам амплитудной модуляции. Эту функцию могут выполнять
оптические интерферометры.
В ВОД с фазовой модуляцией наибольшее применение получи-
ли интерферометры четырех видов: Майкельсона, Маха-Цандера,
Фабри-Перо и Саньяка. Каждый из них является преобразователем
излучения, модулированного по фазе, в регистрируемое фотоприем-
ником излучение, модулированное по амплитуде.
Интерферометр Майкельсона состоит из следующих основ-
ных частей:
•	источника света, из излучения которого выделена какая-либо
одна спектральная линия, возможно более узкая;
•	не менее чем одного направленного смесителя-ответвителя;
•	волоконных световодов:
90
•	зеркал, роль которых в некоторых конструкциях интерферо-
метров могут выполнять определенные, тщательно отполиро-
ванные и посеребренные торцы волоконных световодов;
•	фотоприемника.
Генерируемый излучателем пучок света проникает в направ-
ленный смеситель-ответвитель НСО (рис. 5.4) через вход 1. Направ-
ленный смеситель-ответвитель, применяемый в данном случае, имеет
четыре входа-выхода, каждый из которых именуют портом.
Такой прибор, имеющий четыре порта, представляет собой два
волоконных световода, причем эти световоды на некотором своем
участке протяженностью L располагаются очень близко друг к другу,
например на расстоянии d = 2...3 мкм.
Рис. 5.4. Принципиальная схема про 'ейшего волоконно-оптического
интерферометра Майкельсона:
ИС - источник света; НСО - направленный смеситель-ответвитель с
входными-выходными портами 1-4; М\, М2 - зеркала; ФД - фотодиод.
При достаточно малом значении d часть светового потока, про-
ходящего по одному из световодов направленного ответвителя, пере-
ходит в другой световод. Таким образом, вследствие особенностей
электромагнитной природы света осуществляется обмен оптической
энергией между волноводами через пространственные моды излуче-
ния. Инициированное излучение распространяется в том же направ-
лении, что и свет, вызвавший его возникновение.
Пучок света, проникший в направленный смеситель-
ответвитель через порт 1, разделится на два луча, один из которых
выйдет через порт 3, а другой - через порт 4 (рис. 5.4). Каждый из
обоих лучей, распространяясь по отдельному световоду, достигает
своего зеркала (М\ или М->). Один из лучей, например, вышедший из
порта 3, можно назвать опорным, а другой, вышедший из порта 4,
сигнальным. Эти наименования должны означать, что на участок све-
товода порт 3 — М\ не будет оказываться какое-либо внешнее воздей-
ствие, а на участок порт 4 - Mi будет влиять регистрируемое физиче-
91
ское возмущение, вызывающее сдвиг фазы света. Отраженные зерка-
лами М\ и Mi опорный и сигнальный лучи далее возвратятся в порты
3 и 4 ответвителя, но фаза сигнального луча окажется смещенной на
некоторое значение Дер благодаря тому, что сигнальный луч распро-
странялся по световоду, оптические свойства которого были измене-
ны. Достигнув направленного ответвителя, части обоих лучей соеди-
нятся в один пучок, интенсивность которого после его выхода наружу
через порт 2 будет зарегистрирована фотодиодом. Таким образом,
окажется возможным определить значение сдвига фазы Л(р.
Интерферометр Маха-Цандера, схема которого приведена на
рис. 5.5, принадлежит, как и интерферометр Майкельсона, к типу
двухлучевых приборов.
Рис. 5 5. Принципиальная схема простейшего волоконно-
оптического интерферометра Маха-Цандера:
1 - источник света; 2 - направленный смеситель-ответвитель;
3 - сигнальное плечо интерферометра; 4 - фотодетектор;
5 — опорное плечо интерферометра
Главным конструктивным отличием простейшего интерферо-
метра Маха-Цандера от интерферометра Майкельсона является от-
сутствие в нем зеркал, отражающих свет, распространяющийся в ка-
ждом плече световода до его торца. Интерферометр Маха-Цандера
легко может быть изготовле.н методами, применяемыми в производ-
стве интегрально-оптических схем, иметь очень малые размеры, точ-
но регулироваться в процессе производства. Последнее обстоятельст-
во весьма существенно для того, чтобы поставляемые промышлен-
ными предприятиями в большом числе интерферометры Маха-
Цандера могли применяться во многих ВОД различного назначения.
В связи с распространением интегрально-оптических компо-
нентов в световодной технике в настоящее время многими зарубеж-
ными фирмами уделяется особенно большое внимание интерферо-
метрам Маха-Цандера в интегральном исполнении. Выпускается даже
92
ряд модулей, содержащих в одной плате миниатюрные источники
излучения, фотоприемники, различные соединители, переключатели
света и интерферометры Маха-Цандера, изготовленные по планарной
технологии.
Интерферометр Фабри-Перо относится к типу многолучевых
приборов. В нем первичная плоская волна разбивается в результате
многократных отражений от двух зеркал на последовательности вто-
ричных плоских волн, различающихся по амплитуде и сдвинутых по
фазе. При интерференции вторичных плоских волн образуется пло-
ская волна того же направления, что и падающая. Отношение интен-
сивностей первичной и образующейся волн зависит от разности фаз
между двумя последовательными вторичными волнами.
На рис. 5.6 приведена схема устройства классического интер-
ферометра Фабри-Перо, получившего широкое применение в оптиче-
ских системах при визуальной, фотографической и фотоэлектриче-
ской регистрации спектров, особенно в областях длин волн от ~0,19
до ~3^4 мкм.
Рис. 5.6. Классический интерферометр Фабри-Перо:
Si - плоскость, в которой расположены источники света;
S2 - плоскость, в которой располагаются сходящиеся лучи,
прошедшие через интерферометр; L\ и L2 - линзы;
h - ширина полости резонатора; М\ и М2 - отражающие
плоскопараллельные пластины
Классический интерферометр Фабри-Перо представляет собой
устройство, состоящее из двух строго параллельных плоских зеркал,
изготовленных из стекла или кварца (последнее необходимо для рас-
ширения диапазона длин волн используемого излучения). Поверхно-
сти пластин, обращенных друг к другу, должны быть обработаны
с высокой степенью точности (порядка нескольких нанометров) и по-
93
крыты хорошо отражающим слоем (серебро, алюминий, многослой-
ные диэлектрические покрытия).
Интерферометр Саньяка. В интерферометре Саньяка свет, ге-
нерируемый источником когерентного излучения (лазером), расщеп-
ляется на два пучка, распространяющихся по одной и той же замкну-
той петлеобразной траектории, но в противоположных направлениях
и рекомбинирующих (соединяющихся) затем в том же расщепителе.
Эти интерферометры широко применяются в качестве датчиков в ла-
зерных гироскопах систем навигации.
На этом, любезный читатель, мы и завершим рассказ об этих
многообещающих, многофункциональных, перспективных датчиках
неэлектрических и электрических величин, часть из которых по-
строена на принципе модуляции не только амплитуды и фазы элек-
тромагнитной волны, но и ее частоты и поляризации.
В кйиге [6] любознательный читатель найдет ответы на многие
вопросы, которые не удалось осветить в данной небольшой популяр-
ной брошюре, призванной лишь к пробуждению у нашей молодежи
интереса к этой важнейшей отрасли приборостроения и измеритель-
ной техники.
Небольшой объем и целевая направленность книги лишили ав-
тора возможности и удовольствия более подробно описать принципы
действия и применения различных датчиков и даже привести ряд по-
лезных математических выражений, отражающих их свойства и харак-
теристики. Однако совесть автора чиста: детальное описание датчиков
и измерительных устройств на их основе содержат учебные пособия
[4, 5], инициатором написания которых и «научным лидером» был мой
незабвенный друг, профессор Петр Васильевич Новицкий.
94
Рекомендуемая литература
1.	Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. Учебн. пособие для вузов.
- М.: Логос, 2000. - 408 с.
2.	Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем / Пер. с франц, под
ред. А.С. Обухова. - М.: Мир. - Кн. 1, 1992. - 480 с.
3.	Аш Ж. с соавторами. Датчики измерительных систем / Пер. с
франц, под ред. А.С.Обухова. - М.: Мир. - Кн. 2. - 460 с.
4.	Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физиче-
ских величин (Измерительные преобразователи): Учеб, пособие
для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. - 320 с.
5.	Электрические измерения неэлектрических величин / А.М. Тури-
чин, П.В. Новицкий, Е С. Левшина и др. - Изд. 5-е, перераб. и доп.
- Л.: Энергия, 1975. - 576 с.
6.	Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Т. Окоси:
Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 256 с.
7.	РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартиза-
ции. Государственная система обеспечения единства измерений.
Метрология. Основные термины и определения.
8.	Кончаловский В.Ю., Купершмидт Я.А., Сыропятова Р.Я., Хар-
ченко Р.Р. Электрические измерительные преобразователи / Под
ред. Р.Р. Харченко. - М -Л.: Энергия, 1968. - 408 с.
9.	Основы оптической радиометрии / Под ред. проф. А.Ф Котюка. -
М.: ФИЗМ АТЛИТ, 2003. - 544 с.
95