Sensory-Ł UszczyŃSKA - Notatki z wykładu 10 PDF

Preview

Summary

Opracowanie zagadnień z wykładów na zaliczenie Sensory, dr hab. inż. Beata Łuszczyńska, semestr IV...

Description

SENSORY – ŁUSZCZYŃSKA 1. Jak zbudowany jest sensor + parametry sensorów Sensor chemiczny jest urządzeniem, które przetwarza chemiczną informację, począwszy od stężenia określonego składnika próbki, po ogólny skład matrycy na sygnał użyteczny analitycznie. Sensor chemiczny zawiera 2 podstawowe elementy: 1) warstwę receptorową 2) element przetwornikowy (tu następuje konwersja mierzonego sygnału na sygnał: elektryczny, optyczny, akustyczny) Wiele sensorów zawiera również membranę czyli separator. Parametry: - granica oznaczalności (detection limit) – stężenie, przy którym średnia wartość mierzonego sygnału jest równa wartości dwóch odchyleń standardowych  -czułość (sensitivity) - nachylenie krzywej odpowiedzi sensora, wyrażonej jako wartość sygnału na jednostkę stężenia, np. mV/j.pH  - zakres dynamiczny (dynamic rate) – zakres stężeń, w których czułość jest większa od zera  - selektywność (selectivity) – zdolność sensora do pomiaru stężenia jednego chemicznego składnika w obecności innych składników  - czas odpowiedzi (response time) – czas, w którym wyjściowy syngal osiągnie 95% wartości końcowej  - czas życia (life time) – okres czasu, w którym sensor działa poprawnie z zaznaczeniem trybu stosowania (przechowywanie, w użyciu)  - zero – przed przystąpieniem do pomiarów próbki rzeczywistej musimy znać punkt „zero” urządzenia, aby dostosować i określić sygnał wyjściowy w stosunku do punktu „zero”. Zazwyczaj punkt ten to zdefiniowany punkt w zakresie pomiarowym danego urządzenia  - rozdzielczość – jest definiowana jako najmniejsza zmiana sygnału wejściowego, która może być wykryta przez sensor  - dryft punktu zerowego – poziom sygnału może różnić się od początkowego punktu zerowego. Zmiany mogą pojawiać się w czasie pracy urządzenia. Dryft pukntu zerowego może wynikać ze zmian temperatury, stabilizacji urządzenia elektronicznego lub starzenia przetworników i innych elementów  - histereza – pojawia się gdy przetwornik nie jest w stanie dać takiej samej odpowiedzi podczas pomiaru wykonywanego w odwrotnym kierunku  - liniowość – najwygodniejszym czujnikiem jest ten z liniową funkcją transferu. Posiada on wyjście, które jest wprost proporcjonalne do wejścia w całym zakresie, tak, że nachylenie wykresu na wyjściu i wyjściu opisuje prosta linia. 2. Termopara jako sensor temperatury Termopara jest sensorem temperatury, który składa się z połączonych ze sobą dwóch elementów metalowych, wytworzonych z różnych metali.

1

Zjawisko Seebecka (zjawisko termowoltaiczne) – jedno ze zjawisk termoelektrycznych, polegające na powstawaniu sily elektromotorycznej SEM w obwodzie złożonym z dwóch różnych materiałów, których styki mają różne temperatury. Jest ono wynikiem zależności kontaktowej różnicy potencjałów pomiędzy materiałami od temperatury. Napięcie kontaktowe powstaje w wyniku dyfuzji przez powierzchnię kontaktu elektronów od jednego materiału do drugiego. W efekcie przy powierzchni styku w materiale posiadającym mniejszą koncentrację elektrnów powstaje ich nadmiar, po przeciwnej stronie styku w drugim materiale ich niedobór. Różnica jest tym większa, im wyższa temperatura styku bo wtedy silniejsza jest dyfuzja elektronów. Im większa różnica temperatur tym większa siła termoelektryczna. Typ K (Ni-Cr, Ni-Al) Stosowany w zakresie temp. od -270 do +1260oC Zależność SEM od temperatury jest prawie liniowa Czułość wynosi 41 µV/oC Typ J (Fe-Cu) Stosowany w zakresie temp. od -210 do +760oC Stosowany rzadziej niż typ K Czułość wynosi 55 µV/oC Typ T (Cu-Ni) Stosowany w zakresie temp. od -270 do +370oC Najrzadziej stosowany typ Czułość wynosi 30 µV/oC

3. Co to jest ogniwo fotowoltaiczne, główne parametry ogniwa Ogniwo fotowoltaiczne – element półprzewodnikowy, w którym następuje konwersja (przemiana) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Efekt fotowoltaiczny – proces wytworzenia napięcia w materiale pod wpływem światła. W przypadku ogniw fotowoltaicznych fotony światła padające na panel są absorbowane przez materiały półprzewodnikowe, np. krzem, platynę. Poprzez wykorzystanie złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają do obszaru n, a dziury do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje różnice potencjałów – napięcie elektryczne. Parametry: 1) ISC – prąd zwarcia 2) UOC – napięcie obwodu otwartego 3) ɳ - maksymalna sprawność ogniwa η=¿ (UMP * IMP)/ES * 100% η = moc elektryczna / moc światła gdzie S – powierzchnia ogniw fotowoltaicznych [m2], E –gęstość mocy promieniowania słonecznego [W/m2]  4) IMP - natężenie prądu w punkcie mocy maksymalnej 5) UMP – napięcie w punkcie mocy maksymalnej 6) FF – współczynnik wypełnienia (zawsze mniejszy niż 1)

FF= moc maksymalna / moc idealna

FF= (UMP * IMP) / (UOC * ISC)

2

7) Moc maksymalna i punkt mocy maksymalnej – Pm= IMP * UMP

4. Od czego zależą parametry ogniwa fotowoltaicznego?  rodzaju rozpuszczalnika,  temperatury  czasu wygrzewania  stosunku materiału typu p do materiału typu n  zdolności absorpcji światła

5. Schemat zastępczy ogniwa fotowoltaicznego

Rs-serial resistor (rezystor szeregowy)

Rsh-shunt resistor (rezystor bocznikowy)

Równoważny obwód zastępczy jest używany do opisu elektrycznych właściwości urządzeń półprzewodnikowych (realne źródło prądu zawsze ma straty na oporze bocznikującym i szeregowym) Źródło prądu generuje prąd IL pod wpływem światła. Ten prąd jest równy ilości rozdzielonych ekscytonów = liczbie swobodnych par elektron-dziura, przed rekombinacją, która może nastąpić.  Opornik bocznikujący jest odpowiedzialny za rekombinację nośników ładunku blisko miejsca rozdzielenia.  Szeregowy opornik uwzględnia przewodnictwo, czyli ruchliwość określonego nośnika ładunku w odpowiednim medium transportowym. Ogniwo doskonałe: Rb = nieskończoność i Rsz = 0 Przy projektowaniu ogniwa dąży się zatem do minimalizowania wartości Rsz i uzyskania możliwie dużej wartości Rb.

3

Jeśli Rsz nie jest dostatecznie mała, może spowodować zmniejszenie wartości fotoprądu, przy czyn jej wpływ na parametry ogniwa jest większy przy większych natężeniach nasłonecznienia i wyższych temperaturach pracy. Rb zmniejsza fotonapięcie, a jej wpływ na parametry ogniwa zaznacza się przy niewielkich natężeniach nasłonecznienia i w niskich temperaturach 6. Tranzystor polowy jako sensor

Tranzystor polowy, tranzystor unipolarny, FET – tranzystor, w którym sterowanie prądem odbywa się za pomocą pola elektrycznego (nie pobiera mocy na wejściu). Jest elementem półprzewodnikowym. Działa na zasadzie sterowania przepływem ładunku. Element trzykońcówkowy. Budowa: 1) D – dren (odpowiednik kolektora w bipolarnych) 2) S – źródło (odpowiednik emitera w bipolarnych) 3) G – bramka (odpowiednik bazy w bipolarnych) Czasami wykorzystuje się czwartą elektrodę – podłoże B – odpowiednia polaryzacja podłoża. Działanie: Polega na sterowaniu przepływem prądu przez kanał za pomocą pola elektrycznego wytwarzanego przesz napięcie doprowadzone do bramki. Nie ma tu żadnych przewodzących złącz – do bramki nie wpływa ani nie wypływa z niej żaden prąd. Najważniejsza cecha: Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie, dzięki temu te elementy charakteryzują się bardzo dużą rezystancja wejściową oraz dużą transkonduktancją. Podział: Tranzystory polowe: 1) Złączowe (JFET) (kanał typu n, kanał typu p) 2) Z izolowaną bramką (MOSFET) a) Z kanałem zubożanym (kanał typu n, kanał typu p) – normalnie włączone b) Z kanałem wzbogacanym (kanał typu n, kanał typu p) – normalnie wyłączone Zastosowanie: wzmacniacze, wyłączniki, przełączniki analogowe, rezystory sterowane napięciem, tłumiki sterowane napięciowe, mnożenie i dzielenie sygnałów analogowych.

7. Charakterystyki tranzystorów Charakterystyka wyjściowa

IC od napięcia kolektor-emiter UCE, przy IB=const.

4

Charakterystyka przejściowa

IC od napięcia baza-emiter UBE, przy IB =const.

Charakterystyka wejściowa

IB od napięcia UBE, przy UCE=const.

Charakterystyka zwrotna

IC od prądu bazy IB, przy UCE=const.

8. Polimery drukowane molekularnie (tworzenie struktur drukowanych molekularnie, ich zastosowanie) Polimery drukowane molekularnie – nowoczesne materiały zdolne do selektywnej i wielokrotnej adsorpcji cząsteczek; wytrzymałe mechanicznie, trwałe chemicznie i termicznie, proste do otrzymania. Synteza polimeru ze śladem molekularnym: I Wytworzenie stabilnej struktury prepolimeryzacyjnej pomiędzy wzorcem (cząsteczką tworzącą ślad) a monomerem funkcyjnym. Istnieją 2 strategie otrzymania tej struktury: a) przeprowadzenie reakcji chemicznej pomiędzy wzorcem a wybranym monomerem funkcyjnym, w wyniku której tworzą się wiązania kowalencyjne i powstaje związek chemiczny z udziałem wiązań nienasyconych, ulegający następnie polimeryzacji (duża stabilność struktury, ale długotrwały proces usuwania wzorca z matrycy polimeru) b) powstanie prepolimeryzacyjnego kompleksu poprzez wytworzenie oddziaływań niekowalencyjnych pomiędzy wzorcem a monomerem funkcyjnym (szybkość i łatwość usuwania wzorca ale ograniczona stabilność) II Reakcja polimeryzacji w obecności czynników sieciujących III Usunięcie wzorca z matrycy polimerowej. Proces drukowania molekularnego – przeprowadza się syntezę polimeru kontrolnego, a następnie poddaje się analizie oba złoża najczęściej z zastosowaniem technik chromatograficznych); w celu oceny jakości polimeru ze śladem molekularnym oraz zdolności do selektywnej adsorpcji wzorca. Synteza polimeru ze śladem molekularnym i polimeru kontrolnego przebiega w identyczny sposób, ale w kontrolnym nie uczestniczy wzorzec. Zastosowanie: - synteza organiczna, np. synteza leków – jako element wspomagający syntezę danego związku - analityka - analiza przebiegu chorób nowotworowych - diagnostyka chorób nerek oraz serca 9. Fotodetektor, parametry fotodetektorów Fotodetektor to czujnik fotoelektryczny reagujący na światło, które przetwarza w inne sygnały, w tym elektryczne. Parametry: 5

1) Czułość (R) [A/W] 2) Moc równoważna szumom, NEP określa najniższą wartość mocy P światła padającego na 1 cm2 detektora, dla której sygnał detektora S jest równy szumom.

3) Zdolność detekcji, D*

4) Czas odpowiedzi, τ 5) Dynamika fotodetektora, LDR daje pogląd w jakim zakresie natężeń oświetlenia czułość jest w przybliżeniu stała.

6...