- •В. Н. Седалищев Физические основы получения измерительной информации с использованием генераторных и параметрических первичных преобразователей Учебное пособие
- •Введение
- •Глава 1
- •1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •1.1 Понятие информации. Разновидности информации
- •1.2 Количественная оценка информации
- •1.3 Связь понятий энергии и информации Информационный подход к анализу физических процессов
- •1.4 Применение энерго-информационного подхода к анализу физических процессов
- •Аномалии физических и химических свойств воды
- •1.5 Связь теории информации с теорией измерений
- •Количественная оценка измерительной информации
- •Естественные пределы измерений
- •1.6 Причины наличия ограничений количества информации, получаемой при измерениях
- •Разновидности шумов и причины их появления
- •1.7 Способы повышения информативности измерительного процесса
- •1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования
- •Метрологические характеристики измерительных преобразователей
- •1.2 Классификация физических эффектов и областей их применения в измерительной технике
- •«Фундаментальное единство» природы. Метод электромеханических аналогий
- •Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Физические основы создания электромеханических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3 Пьезоэффект и его применение в измерительной технике
- •2.3.1 Теоретические основы построения пьезоэлектрических измерительных преобразователей генераторного типа
- •2.3.3 Ээсз пьезоэлектрического преобразователя генераторного типа
- •2.3.4 Физические основы работы пьезорезонансных измерительных преобразователей
- •2.3.2 Электрострикция и области применения ее в измерительной технике
- •2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей
- •2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах
- •2.4.2 Термоэлектрические эффекты в проводниках и полупроводниках
- •2.4.3 Особенности практической реализации термоэлектрических эффектов в измерительных устройствах
- •2.5 Гальваномагнитные эффекты и применение их в измерительных устройствах
- •2.5.1 Эффект Холла и применение его в измерительных устройствах
- •3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •3.1 Принципы построения и разновидности резистивных измерительных преобразователей
- •3. 2 Физические основы создания пьезорезистивных преобразователей контактного сопротивления
- •3.3 Физические основы создания тензорезистивных проводниковых измерительных преобразователей
- •3.4 Физические основы полупроводниковых тензорезистивных преобразователей
- •3.6 Физические основы магниторезистивных измерительных преобразователей
- •3.7 Физические основы работы проводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.8 Физические основы создания полупроводниковых терморезистивных измерительных преобразователей
- •3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
- •3.10 Физические основы применения явления сверхпроводимости в измерительных устройствах
- •3.10.1 Свойства сверхпроводников
- •3.10.2 Квантово-механическая теория сверхпроводимости
- •Объяснение понятий экситона и поляритона
- •3.10.3 Применение явления сверхпроводимости в измерительной технике
- •3.10.4 Эффект Мейснера и его практическое применение
- •3.10.5 Стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона и применение их в измерительной технике
- •4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •4.1 Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах
- •4.2 Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей
- •4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах
- •4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей
- •5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •5.1 Принцип работы магнитоиндукционных измерительных преобразователей генераторного типа
- •5.2 Теоретические основы создания индуктивных измерительных преобразователей
- •5.3 Принцип работы вихретоковых измерительных устройств
- •5.4 Физические основы магнитомодуляционных измерительных преобразователей
- •Эффект Виганда
- •5.5 Физические эффекты, связанные с модуляцией магнитных характеристик материалов
- •Пример реализации магнитострикционного эффекта в датчиках линейных перемещений
- •Принцип работы устройства
- •Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
- •5.6 Физические основы создания магнитоупругих измерительных преобразователей
- •5.7 Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от влияющих факторов
- •6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •6.1 Модуляция геометрических размеров емкостных преобразователей
- •Принципы работы емкостных измерительных преобразователей
- •Емкостной преобразователь с переменной площадью обкладок
- •6.2 Физические основы емкостных измерительных устройств, основанных на модуляции диэлектрических свойств веществ
- •6.2.1 Строение материалов
- •6.2.2 Виды связей и механизмы поляризации диэлектриков
- •6.2.3 Влияние агрегатного состояния вещества на его диэлектрические свойства
- •6.2.4 Примеры практической реализация емкостных измерительных устройств, основанных на управлении диэлектрической проницаемостью веществ
- •7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Глава 1. Информационно-энергетические основы теории измерений
- •Глава 2. Физические основы построения измерительных преобразователей генераторного типа
- •Глава 3. Физические эффекты, связанные с модуляцией активного сопротивления ээсз измерительного преобразователя
- •Глава 4. Физические основы создания электрохимических измерительных преобразователей
- •Глава 5. Физические основы создания первичных преобразователей, основанных на модуляции магнитных параметров измерительной цепи
- •Глава 6. Физические основы создания емкостных измерительных преобразователей
- •Глава 7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
- •Перечень физических эффектов
Дополнительные эффекты, возникающие в магнитомодуляционных преобразователях
Для создания датчиков электрических и неэлектрических величин используются и другие эффекты, связанные с модуляцией параметров магнитной цепи преобразователя.
Например, пьезомагнитный эффект – намагничивание, появляющееся в веществе (антиферромагнетике) под действием внешнего давления.
Гиромагнитный эффект заключается в следующем. Свободно подвешенный в магнитном поле проводник или ферромагнетик приходит во вращательное движение около оси, совпадающей с направлением магнитного поля. Вращение возникает за счет взаимодействия магнитных моментов атомов с внешним магнитным полем.
Рис. 5.11 Схема, поясняющая гиромагнитный эффект.
При равномерном вращении в магнитном поле тело намагничивается (обратный эффект Барнета). Во вращающемся вокруг оси (z) образце элементарные магнетики представляют собой своеобразные гироскопы, обладающие механическим моментом количества движения и магнитным моментом. Вращение гироскопов с постоянной угловой скоростью z вокруг неизменной оси z эквивалентно прецессии вращения гироскопов вокруг этой оси под действием некоторой ”опрокидывающей” пары сил, стремящейся поставить ось каждого гироскопа параллельно оси z. В то же время вращение всех гироскопов с постоянной угловой скоростью вокруг неизменной оси z эквивалентно воздействию на эти магнетоны поля Нэф, направленного вдоль оси z, т.к. подобное поле вызовет, согласно теореме Лармора, прецессию гироскопических магнетиков с угловой скоростью z= Нэф. Наличие же эффективного поля Нэф должно проявиться не только в прецессии магнетиков, но и в возникновении намагниченности образца вдоль оси z.
Рис. 5.12 Намагничивание вращающегося стержня
Данный эффект возможен при температуре ниже точки Кюри и проявляется на телах удлиненной геометрической формы. Результирующая магнитного поля направлена вдоль оси вращения.
Физический эффект применяется для исследования природы и строения ферромагнитных веществ. Он позволил установить, что в некоторых ферромагнитных металлах (Fe, Co, Ni, Cd) элементарными магнетиками являются спиновые магнитные моменты электронов, тогда как в других ферромагнитных телах и парамагнетиках - спиновые и орбитальные магнитные моменты электронов.
При создании высокочувствительных электромагнитных преобразователей приходится считаться с шумами, обусловленными эффектом Баркгаузена (1919 г.). Суть его заключается в скачкообразном изменении намагниченности ферромагнетиков при непрерывном изменении внешних условий, например магнитного поля. При медленном намагничивании ферромагнитного образца в измерительной катушке, надетой на образец, в цепи катушки появляются импульсы тока, обусловленные скачкообразным изменением намагниченности образца.
Особенно ярко эффект Баркгаузена проявляется в магнито-мягких материалах на крутых участках кривой намагничивания и петли гистерезиса, где доменная структура изменяется в результате процессов смещения границ ферромагнитных доменов. Имеющиеся в ферромагнетике различного рода неоднородности (инородные включения, дислокации, остаточные механические напряжения и т.д.) препятствуют перестройке доменной структуры. Когда граница домена, смещаясь при увеличении магнитного поля Н, встречает препятствие (например, инородное включение), она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении поля. При некотором возросшем значении поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дальше, до очередного препятствия, уже без увеличения поля. Из-за подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступенчатый характер.
Рис. 5.13 Зависимость намагниченности от величины магнитного поля.
Скачкообразное изменение намагниченности может быть вызвано не только полем, но и другими внешними воздействиями (например, плавным изменением механических напряжений или температуры), при которых происходит изменение доменной структуры образца.
Эффект Баркгаузена - одно из непосредственных доказательств доменной структуры ферромагнетиков, он позволяет определить объем отдельного домена. Для большинства ферромагнетиков этот объем равен 10-6-10-9 см3. Изучение эффекта Баркгаузена позволило лучше понять динамику доменной структуры и установить связь между числом скачков и основными характеристиками петли гистерезиса (коэрцитивной силой и т.д.).
По аналогии с эффектом Баркгаузена в ферромагнетиках скачки переполяризации в сегнетоэлектриках также называются скачками Баркгаузена.
Принцип работы измерительных устройств, реализующих данный эффект лежит генерация переменной ЭДС в катушке индуктивности при плавном изменении напряженности магнитного поля в сердечнике, вызванной скачкообразными смещениями доменных границ при перемагничивании ферромагнетиков (магнитный шум).
Рис. 5.14 Генерация сигнала при эффекте Баркгаузена.
Векторы намагниченности доменов ориентированы таким образом, что при отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность образца в целом равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля элементарные области перемагничиваются. Переориентация доменов происходит скачками, при этом в витках обмотки наводится ЭДС. Неоднородность структуры ферромагнетика обусловлена немагнитными включениями или локальными механическими включениями и вызывает скачки намагниченности при изменении напряженности магнитного поля.
Рис. 5.15 Измерительное устройство, реализующее эффект Баркгаузена:
Ф – фильтр, АД – амплитудный дискриминатор, f - частотомер.
Данный эффект используется при построении ряда измерительных преобразователей. При этом измеряют частоту пульсаций или дисперсию шума. Используют для измерения скорости перемещения, толщины покрытий.