Sb97954

этом случае можно говорить о виртуальном замыкании клемм УЗ-приемника. При такой схеме включения УЗ-приемник «закорочен» очень низким сопротивлением и, значит, работает как источник тока. Реальное входное сопротивление, на которое нагружен УЗ-приемник, рассчитывается по формуле Rвх = R9/Kу, где Kу – коэффициент усиления ОУ без отрицательной обратной связи (Kу = 105…106). В такой схеме включения следует ожидать самую большую скорость перезарядки собственной емкости УЗ-приемника.

4.3.Порядок выполнения исследований

1.Электрическая схема исследуемых передатчиков и приемников УЗсигналов уже смонтирована внутри лабораторного стенда, а используемые резисторы и иные элементы схемы закреплены в разъемах на верхней панели стенда. Запишите номиналы и тип всех установленных элементов.

2.Убедитесь, что элементы схемы надежно закреплены в разъемах, переключатель SA1 находится в положении «1», а переключатель SA2 в выключенном состоянии.

3.Проверьте работу задающего генератора. Контроль амплитуды осуществляется мультиметром в режиме переменного напряжения, частоты – с использованием дополнительного режима измерения частоты (кнопка «~Hz»

вряду дополнительных клавиш). Подстроечный резистор R2 должен обеспе-

чивать перестройку частоты задающего генератора в диапазоне 30…50 кГц. Измерьте амплитуду напряжения на УЗ-излучателе (Uвых1) для нескольких частот во всем интервале с шагом 2…5 кГц. Контролируя амплитуду выходного сигнала, найдите точку, соответствующую резонансной частоте.

4. Установите металлический отражатель на расстоянии 10…15 см от излучателя и приемника соответственно. С помощью резистора R2 установите резонансную частоту. Подключите мультиметр к выходу усилителя схемы приемника и, изменяя взаимную ориентацию отражателя и приемопередатчика, найдите оптимальное с точки зрения амплитуды сигнала Uвых2 положение. Добейтесь амплитуды сигнала с выхода усилителя (Uвых2) не менее 5 В. Если сигнал недостаточен, то придвиньте экран ближе. После нахождения оптимального расстояния от излучателя до экрана зафиксируйте его положение, для того чтобы в дальнейшем при исследовании различных схем выполнять измерения в воспроизводимых условиях.

22

5. Измерьте амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) УЗ-тракта для приемного устройства, построенного на неинвертирующем усилителе. Для этого измерьте амплитуду напряжения Uвых2 для нескольких частот во всем интервале с шагом 2…5 кГц. На частотах, существенно отличающихся от резонансной, выходной сигнал достаточно мал и измерение частоты сигнала с помощью мультиметра невозможно. В этом случае частоту сигнала Uвых2 необходимо контролировать по частоте сигнала Uвых1.

6.Переключите SA1 в положение «2», таким образом подключив к приемнику и выходу схемы приемное устройство с инвертирующим усилителем (см. рис. 4.4). Вновь измерьте АЧХ приемно-передающего тракта и сравните

еес ранее снятой характеристикой.

7.Замкните переключатель SA2 для того, чтобы получить схему приемного устройства с преобразователем ток–напряжение (см. рис. 4.4). Получите АЧХ и сравните ее с ранее снятыми характеристиками.

4.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать принципиальные схемы исследованных устройств, АЧХ для различных исследованных схем, выводы.

Лабораторная работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ АНЕМОМЕТРА С НАГРЕВАЕМЫМ РЕЗИСТОРОМ

Цель работы: изучение метода и практической схемы для измерения скорости потока с помощью нагреваемого резистора.

5.1. Анемометрия с помощью нагреваемых резисторов

Приборы с нагреваемыми резисторами широко применяются для измерения расхода жидкостей и газов (расходомеры), а также в анемометрии (для измерения скорости воздушных и газовых потоков). Если поместить нагретый электрическим током резистор в поток жидкости или газа, то к имевшимся потерям мощности с его поверхности добавится компонент, обусловленный вынужденной конвекцией. Это приведет к снижению температуры резистора. В зависимости от типа резистора охлаждение приведет к снижению сопротивления (металлические резисторы) или, наоборот, к повышению сопротивления (термисторы с отрицательным ТКС). Сравнение сопротивле-

23

ний при отсутствии вынужденной конвекции RT2 и при ее наличии RT1 позволяет определить скорость потока, а следовательно, и расход жидкости или газа (рис. 5.1).

I = const

RT1

Рис. 5.1. Принцип теплового измерения расхода

Использование двух терморезисторов в схеме моста Уитстона позволяет снизить влияние температуры жидкости на результат измерений. В общем случае баланс электрической мощности резистора, помещенного в поток газа или жидкости, определяется следующими компонентами:

где Pпот – мощность джоулевых потерь, обусловленная электрическим током; Pизл – мощность, уносимая излучением; Pср – мощность, уносимая за счет теплопроводности среды; Pкон – мощность, уносимая свободной конвекцией (в неподвижной среде); Pвын – мощность, уносимая вынужденной конвекцией (в движущейся среде).

Если подставить в (5.1) выражения для каждого из ее компонентов, то придем к следующему выражению:

где I – ток, протекающий через резистор R; = 5.67 10–8 Вт/(м2 · К4) – постоянная Стефана–Больцмана; T = 0...1 – излучательная способность поверхности (зависит от материала и температуры); S – излучающая поверхность, м2; T – температура поверхности резистора, К; T0 – температура среды или стенок, К; k – теплопроводность среды (для воздуха k = 0.024 Вт/(м К), для воды k = = 0.59 Вт/(м К)); L – расстояние между источником и приемником тепла, м; q – постоянная свободной конвекции для заданной среды и известных свойств по-

24

верхности излучателя (приближенные значения: для воздуха q 4...8 Вт/(м2 · К), для воды q 150...300 Вт/(м2 · К)); b – постоянная вынужденной конвекции для заданной среды и известных свойств поверхности, Вт ∙ с1/2/(м5/2 К). Очень приблизительно можно принять b = (2...3)q; v – скорость жидкости или газа, м/с.

Если температура нагретого резистора не превышает 100...200 °C, то оказывается возможным без потери точности пренебречь компонентом Pизл выражения (5.2) по сравнению со всеми остальными компонентами. В этом случае (5.2) трансформируется в формулу Кинга:

I 2 R ( A Bv )(T T0 ) ,

где A – постоянная, образованная из kS и qS; B – постоянная, равная bS. Имеется две возможности использования нагретого резистора для изме-

рения скорости потока:

–стабилизировать ток резистора и измерять падение напряжения на нем, которое будет зависеть от температуры через компоненты Pср, Pкон и Pвын;

–стабилизировать температуру резистора и измерять напряжение, прикладываемое к нему для поддержания постоянства температуры при изменениях потока.

Второе решение более сложно в реализации, но стабилизация температуры позволяет преобразовать разность (T – T0) в константу, и в этом случае

единственный компонент Pвын становится определяющим в балансе потерь:

I 2 R U 2 R A* B* v ,

где A* и B* – константы при T – T0 = const; [A* = A(T – T0); B* = B(T – T0)].

Выбор типа измерительного резистора зависит от его рабочей температуры. Обычно выбирают t = 90...100 °C при контроле скорости жидкостей и t = 100...500 °C для газовых анемометров. Термисторы используют при температурах до 150…240 °C, платиновые резисторы на керамической подложке типа Pt-100 могут работать вплоть до 400...800 °C.

Термисторы с отрицательным ТКС применяются в анемометрии значительно чаще, чем термисторы с положительным ТКС, так как они обладают более монотонной температурной зависимостью сопротивления.

Сопротивление термистора с отрицательным ТКС, как уже указывалось ранее, описывается следующим эмпирическим выражением:

RT = R0 exp B(1/T – 1/T0) ,

25

где RT – сопротивление термистора при выбранной температуре T; R0 – номинальное сопротивление термистора, указанное в справочной информации (обычно для Т0 = 298 К); B – постоянная для выбранного типа термистора, К.

С помощью данного выражения может быть рассчитано значение RT для выбранной температуры T. Затем необходимо оценить электрическую мощность, которую следует рассеять в RT для получения заданной T. Используемый в лабораторной работе термистор типа В57164-К220К фирмы «Epcos» (R0 = 27 Ом, В = 3100 К) разогревается в неподвижном воздухе до температуры +85…+90 °C при рассеиваемой мощности I2R = 0.4 Вт. Если погрузить термистор в воду, то для получения такой же температуры эту мощность следует увеличить в несколько раз.

5.2. Схема включения

Схема, реализующая первое решение по измерению скорости потока (стабилизация тока или напряжения на резисторе), содержит мост Уитстона, (R2, R3, R4 и Rt, где RT – термистор или резистор типа Pt-100, рис. 5.2). Этот мост должен питаться постоянным током (или напряжением), достаточным для нагрева Rt до заданной температуры.

+12 В R1

–12 В

Рис. 5.2. Схема анемометра с измерительным резистором, нагреваемым постоянным током

Последовательный резистор R1 служит для ограничения тока в элементах моста. Резистор R4 – переменный, предназначен для балансировки моста. Мост Уитстона имеет наибольшую чувствительность к изменению сопротивления

26

RT, когда все резисторы моста одинаковы. Однако, учитывая необходимый большой ток датчика, можно пойти на небольшое снижение чувствительности, но выиграть в экономичности схемы. Для этого следует задать сопротивление ветви, содержащей потенциометр R4, много большим сопротивления ветви, содержащей RT. Установим, например, в схему моста в качестве датчика потока резистор Pt-100. Зададимся температурой датчика порядка 100 °C. При этой температуре сопротивление измерительного резистора Pt-100 составит порядка 140 Ом. Если положить ток резистора равным 50 мA, необходимое напряжение питания моста должно быть 14 В. Следует использовать два источника12 В для питания моста. В этом случае излишек напряжения должен выделяться на резисторе R1. Общий ток обеих ветвей моста должен создавать на этом резисторе падение напряжения 10 В. Если в качестве R4 воспользоваться потенциометром сопротивлением 3.3 кОм, то резистор R3 (с учетом регулировки на ±300 Ом) может иметь сопротивление 3 кОм. Отсюда R1 = = 10/52.3 · 10–3 = 191 Ом. Расчетная мощность резистора R1 составит 0.52 Вт. В этом случае необходим резистор с мощностью рассеяния 1 Вт.

Дифференциальное напряжение, снимаемое с моста и прикладываемое к входам операционного усилителя DA1, определяется выражением

Uдиф = Uп· /4,

где Uп – напряжение питания моста; – относительное изменение RT по отношению к значению, уравновешивающему мост. Если мост хорошо уравновешен, то Uдиф при отсутствии потока должно равняться нулю. Для повышения симметрии и наилучшего ослабления синфазной помехи рекомендуется установить резистор R6, равный резистору R5, и резистор R7, равный резистору R8. Если R5, R6 >> RT, то коэффициент усиления инвертирующего усилителя рассчитывается по известной формуле Kу = –R8/R5.

Если на место платинового резистора установить термистор, то при воздействии контролируемого потока полярность выходного напряжения, снимаемого с первого каскада усиления, изменится на противоположную. Для получения прежней полярности следует поменять местами резисторы RT и R2.

Если необходимый размах сигнала на выходе усилителя не обеспечивается одним каскадом усиления, то последовательно с усилителем DA1 может быть установлен следующий каскад усиления.

27

5.3.Порядок выполнения исследований

1.Исследуемая электрическая схема анемометра с нагреваемым резистором (рис. 5.3, в качестве RT используются NTC-термисторы) уже смонти-

рована внутри лабораторного стенда, а используемые резисторы и иные элементы закреплены в разъемах на верхней панели стенда. Запишите номиналы и тип всех установленных элементов.

Рис. 5.3. Исследуемая схема анемометра с измерительным резистором

2.Убедитесь, что элементы схемы надежно закреплены в разъемах, переключатель SA1 находится в положении «1», а на вентилятор не подается напряжение (регулируется с помощью резистора R9).

3.Включите лабораторный стенд и, наблюдая за изменением напряжения Uвых, подождите 1…2 мин до выхода схемы на рабочий режим. Исполь-

зуя резистор R4, проведите балансировку схемы в неподвижном воздухе.

4. Исследуйте зависимость выходного сигнала анемометра (Uвых) от скорости вращения лопастей малогабаритного вентилятора, которая регулируется потенциометром R9, управляющим подачей напряжения питания 0…+12 В на двигатель вентилятора. Скорость вращения измеряется с помощью мультиметра по частоте следования импульсов Uвент, выдаваемых датчиком Холла, встроенным в вентилятор. Частота вращения должна регулироваться от максимального значения (~120 Гц) до порядка 50 Гц с шагом ~10 Гц. Контроль частоты осуществляется мультиметром с использованием режима измерения частоты (кнопка «~Hz» в ряду дополнительных клавиш).

28

5.Переключите SA1 в положение «2», подключив в схему второй термистор. Убедитесь, что на вентилятор не подается напряжение. Повторите пп. 3–4 исследования.

6.При подготовке отчета пересчитайте частоту следования импульсов в скорость вращения лопастей вентилятора (выражается в оборотах в минуту), учитывая, что встроенная схема с датчиком Холла генерирует два импульса на один оборот вентилятора.

5.4. Содержание отчета

Отчет должен содержать расчет исследуемой схемы, экспериментальные зависимости и выводы.

Лабораторная работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА ФОТОДИОДЕ

Цель работы: ознакомление с характеристиками и схемами включения фотодиода.

6.1. Основные сведения о фотодиодах

Характеристика полупроводникового диода описывается выражением (3.1). Если облучить p–n-переход оптическим излучением с энергией квантов, превышающей ширину запрещенной зоны полупроводника, то в токе диода появится новый компонент, связанный с генерацией неосновных носителей за счет внутреннего фотоэффекта. В этом случае характеристика (3.1) преобразуется в характеристику фотодиода:

I = IS exp(еU/(kT)) – 1 Iф, (6.1)

где Iф = SF – ток, созданный фотонами (S – токовая чувствительность к оптическому излучению; F – приходящий на фотодиод оптический поток).

В отличие от выпрямительного диода фотодиод имеет не одну характеристику, а семейство (рис. 6.1), где каждому значению оптического потока F соответствует отдельная кривая. Лишь при отсутствии оптического потока (F = 0) характеристика соответствует обычному диоду.

По мере того как оптический поток F увеличивается, обратный ток диода растет. Прямой ток фотодиода также зависит от F, однако падение напря-

29

жения в прямом направлении независимо от оптического потока стремится к уровню насыщения Uнас, который составляет ~0.7 B для кремния и ~0.5 B для германия. Из представленного семейства характеристик вытекают два основных возможных режима работы фотодиода.

I

Фотодиодный режим. В этом режиме на фотодиод c последовательно включенным резистором подают обратное напряжение UA («минус» к аноду и «плюс» к катоду фотодиода, рис. 6.2). Фотодиод PD и резистор R образуют делитель напряжения с коэффициентом деления, зависящим от уровня освещенности фотодиода.

При отсутствии светового потока (F = 0) выходное напряжение (Uвых) не равно нулю, так как существует «темновой» ток, обусловленный тепловой генерацией носителей в структуре полупроводника. На рис. 6.1 в виде прямой линии 1 изображена зависимость падения напряжения на резисторе R от протекающего тока. В результате перераспределения напряжения в цепи падение напряжения на фотодиоде становится тем ниже, чем выше ток цепи. По мере того как оптический поток будет расти, падение напряжения на диоде последовательно будет принимать значения U0, U1, U2 и U3. Для лучистого потока очень высокой интенсивности можно предположить, что внутреннее сопротивление фотодиода становится много меньше сопротивления резистора R. Тогда падение напряжения на R окажется близким к напряжению источника питания UA, а максимальное значение тока цепи IB будет ограничено лишь резистором R: IB = UA/R. Линия, соединяющая точки UA и IB, называется линией нагрузки. Ее наклон связан с сопротивлением резистора R и определяет чувствительность измерительной схемы к оптическому излуче-

30